浅析铁磁谐振的预防

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摘要： 在电力系统运行过程中，电压互感器高压熔断器熔丝突然熔断，或者电压互感器本身放炮、烧毁等现象会经常发生。究其原因大多因铁磁谐振造成，正确的预防、处理是确保电力系统安全运行的关键。

Abstract： In the process of power system operation， the phenomenon that the fuse of voltage transformer high-voltage fuse fuses suddenly， or voltage transformer itself fires and burns will occur regularly. It is mostly caused by ferromagnetic resonance， the right prevention and treatment is the key to ensure the safe operation of power system.

关键词： 铁磁谐振；预防；措施

Key words： ferromagnetic resonance；prevention；measures

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）28-0069-03

0 引言

随着电力体制改革的不断深入，在各项工作中，确保经济安全运行成为的重点。在电力系统运行过程中，电压互感器高压熔断器熔丝突然熔断，或者电压互感器本身出现放炮、烧毁等现象会经常发生；在进行系统送电操作过程中，有时会发生母线电压指示不正常或者出现接地信号，但是其它明显的事故迹象又看不出。这些情况的发生，都是系统中发生铁磁谐振造成的。由于这种异常现象是在系统中几类元件组合且参数巧配的前提下，而又在某种操作或激励外因作用下才能发生，往往不像别的事故那样事前有征兆，事故时表象明显，所以分辨比较困难，但是这种事故破坏性往往很强，给系统安全造成很大威胁，为保证设备安全，了解铁磁谐振的原理，找出它的导因，防止它的发生很有必要。

1 铁磁谐振时的现象

不同的变电所或同一变电所内不同运行方式所发生的铁磁谐振现象，可能是不同的。铁磁谐振还分为电压铁磁谐振和电流铁磁谐振，某次铁磁谐振事故，也许只是下列现象的组合：①三相电压发生不对称现象，在相电压表中，出现一相或几相不规律地升高现象，甚至明显超出线电压值，还有可能存在指针摆动；②电压互感器存在异音，甚至发生烧毁、爆炸等事故：出现电压谐振时，导致铁芯内部磁密较高，硅钢片在磁力的作用下出现噪音大的现象。电流谐振时，电压互感器造成过电流而将绕组烧毁。上述两种谐振，进而导致铁芯或绕组过热进一步引发油分解，这时会诱发互感器发生爆炸；③高压母线的瓷瓶会发出放电的声音：当相对地电压值超过极限值时，必然在瓷瓶表面发生放电。当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时也会发生这种现象。在这种情况下，电压升高常伴随着发出“嗤、嗤”响；④电压互感器高压熔断器的熔丝发生熔断：产生该现象的主要原因是电流谐振时过电流造成的；⑤位于电压互感器开口三角上的继电器动作发出信号：其原因是电压谐振时三相电压不对称造成的，零序电压在开口三角处发生，进而发出信号。

2 铁磁谐振的原理

在电力系统中，由于存在有铁芯的电感线圈，以及有电容的电气设备，进而发生铁磁谐振现象。通常情况下，在由电容、电感组成的电路中，当满足一定条件时，谐振现象就可能发生。一般情况下，电容与电感串联会产生电压铁磁谐振；电容与电感并联会产生电流铁磁谐振。由于构成谐振条件不是人们的有意行为，往往谐振现象的发生开始并不知道某一操作造成的，下面通过单相电路对电压谐振和电流谐振进行分别阐述。

2.1 电压铁磁谐振

2.1.1 电容和铁芯线圈串联时的电路图、相量图和串联电路的电压与电流关系（图1，图2）。

图1（a）表示出电容C和铁芯线圈L的串联电路，图1（b）为在电源电压作用下，电容上的电压降Uc和电感L上的电压降UL，图2为串联电路中UL和Uc与电流I的关系曲线图、如图所示的1、2曲线。Uc与I的关系是一条直线，如曲线1；如曲线2所示，UL与I之间是一条曲线，其原因是受到与UL对应的电感受铁芯饱和的影响，并且不是常数，所以影响涉及到电压、电流关系的感抗也就不是常数。如曲线3所示，曲线2、1相减就形成总的电源电压U与I之间的曲线，按理，如图中虚线所示，曲线3自d点之后应位于横坐标之下，把它画在横坐标上面，是为了分析问题的方便。（这样做在数值上没有影响，只需注意一下相位）。

2.1.2 分析其工作原理 我们通过对图2进行研究分析，可以看出，第一当电流小于I′时，UL>Uc，电路呈感性；第二当电流大于I′时，UL

有两种情况可以激发起铁磁谐振：一种是外激现象，当足够强烈的冲击扰动电路时（突然合闸、发生故障和故障消除等），在扰动过程中，在数量级方面使得电流的幅值达到谐振所需要的值，工作点有可能从a点转移到b点，一定程度上就可激发起持续性的铁磁谐振过电压；另一种是某一参数发生平滑地改变时，将会出现铁磁谐振的跃变现象。当电源电压从零值升高时，电流也同样跟着增长，工作点从0转移到a点后，如果继续增加电压，工作点从曲线3的a点突变至b点，那么就会立刻跃变到谐振区域，突然发生过电压，电流也迅速增大，同时沿着db曲线不断上升。使没有什么受到冲击扰动，当电源电压比较大时依然会发生谐振现象，通常情况下，这种现象被称为自激现象。在这种电路中，如果突然增加电压，过电压、过电流现象随着电流相位的变化而增大，这就是本文研究分析的铁磁谐振的过电压、过电流现象。

2.2 电流铁磁谐振

2.2.1 电容和铁芯线圈并联时的电路图、相量图和并联时电压和电流的关系图（图3，图4）。

图3（a）所示，电容C与铁芯线圈L组成并联电路图，电容C中的电流Ic和铁芯线圈L中的电流IL在电源电压U的作用下，其相量图如图3（b）所示。在数值上，IL与Ic之差即为总电流I。通过串联的方式，分别画出U与Ic、IL、I的关系曲线，如图4（a）所示。其中曲线1代表U=f（I），曲线2代表U=f（IL）、曲线3代表U=f（I）。通常情况下，为了便于分析，在曲线3中，将oad段画到纵坐标的右侧，如图4（b）所示。

2.2.2 分析工作原理 从图4（b）看，以d点作为分界点，非谐振工作点区位于d点以下，谐振工作点区位于d点以上。当逐渐增加电路内的电流时，当电流增到a点时，电压就会发生“飞跃”现象，进而由a点跃到b点，同时，总电流I的相位由原来的容性变为感性电流，并沿着bc电流和电压均不断上升。所以，电流铁磁谐振在并联处理的情况下，也会发生过电压和过电流现象。

3 铁磁谐振事故实例

在实际电力系统中发生铁磁谐振的现象并不像上述分析的那样简单，不仅是三相的，电容也不一定是明显的电容器，可能是空载电缆线路或架空线路（它们有对地电容），电感线圈可能是变压器或互感器，激发因素也不一定那么明显。现以具体事故进一步分析铁磁谐振。

例：10KV系统发生单相接地，电压互感器因铁磁谐振造成高压熔断器熔丝熔断。

接线图和等效电路图（图5）。

对于10KV系统来说，其属于中性点非直接接地系统，但是，对于电压互感器的中性点来说却是接地的，如图5（a）所示，其高压侧绕组与各出线对地电容以并联的方式构成了L、C回路，图中的BI，CA、CB、CC，LA、LB、LC分别代表变压器的二次绕组，三相母线和所连线路的对地电容，以及电压互感器一次侧的绕组。

如图5（b）所示：该图就是C相D点发生接地时，系统的等效电路图，在图中没有示出CC和LC，是因为其被短路。LA和CA（或者LB和CB）构成一个并联回路，电压UCA=■UX（UX为相电压）作用在其两端。由于铁芯线圈构成电压互感器的绕组，且对地电容，在一定程度上可能产生铁磁谐振的电路。由于某变电所当时的运行方式使L、C两个参数配合也具备条件，加上单相接地瞬间正好相对地电压升高■倍，增加了电容电流，进而激发铁磁谐振，造成谐振。铁磁谐振使电压互感器高压侧电流剧增，使高压侧熔断器熔丝熔断。

4 产生铁磁谐振的因素

根据铁磁谐振工作原理及实例分析产生铁磁谐振的因素是几方面因素共同组合和作用，才能产生铁磁谐振的，这些因素归纳如下：

4.1 接线及运行方式方面的原因 ①电源（变压器二次侧）中性点不接地。②电压互感器中，出现y接线的中性点接地。③在母线及出线中，存在对地电容值。

4.2 参数方面 ①与谐振频率相比，由铁芯电感的起始值和等效电容组成的自振频率小于并接近它。这样，如果电感数值减小，回路的自振频率等于谐振频率才有可能；②在电路中，电阻值小于某临界值；③在足够大的范围内，非线性电感可以发生变化。

4.3 设备方面 ①电压互感器的铁芯出现过早的饱和，进而影响伏安特性；②在检修质量方面，断路器存在缺陷，出现三相不同期。

4.4 激发因素 ①倒闸操作；②系统出现单相接地、单相断线等故障。

5 预防和处理铁磁谐振的措施

通过对铁磁谐振动作原理及产生因素的分析，经我单位实践证明，下述几种方法或在不同情况下采用，有效防止了铁磁谐振对系统运行的危害，确保了设备的安全运行。

①将数值小于0.45Xj（Xj是归算到低压侧的工频激磁感抗）的电阻接在电互感器的开口三角上，但运行经验证明，在铁芯饱和的情况下，开口三角的电阻不能很好地起到消谐作用，如采用将近消谐电阻接到PT一次中性线上，就可以更有效地防止谐振现象的发生，确保设备安全；②将一定大小的电容器接在母线上；③确保电压互感器中铁芯的质量；④改变操作顺序，破坏构成铁磁谐振条件；⑤确保断路器的检修质量，在一定程度上保证三相同期；⑥如果铁磁谐振发生在系统母线充电过程中，可以将其迅速投入空载线路；⑦通过拉、合母联断路器的方式，对两条母线运行发生谐振进行处理。⑧对系统的运行方式进行调整。

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