配电网铁磁谐振过电压及其抑制措施仿真研究

周海全李豹郭峰郭维明

摘要:本文以电磁暂态计算软件为基础，将仿真计算模型建立起来，对10千伏配电网对铁磁谐振过电压水平进行仿真研究，从而达到对配电网铁磁谐振过电压进行限制的目的。同时通过仿真铁磁谐振过电压的抑制措施，针对铁磁谐振过电压受到的系统对地电容等各因素的影响，提出了对铁磁谐振过电压进行限制的具体措施，希望能够经过抑制配电网铁磁谐振过电压来提高配电网运行的安全性和稳定性。

关键词:仿真研究；铁磁谐振；过电压

ATP-EMTP又被称为电磁暂态计算软件，本文以此为基础对配电网的铁磁谐振过电压和电流水平进行了分析和计算。配电网的中性点并不是直接接地系统，因此一旦出现了系统接地故障，在接到故障信号之后就会采取相应的措施，使母线电压互感器的中性点接地。但是这种情况下，单相弧光接地就会消失，系统负荷或者合空载母线的负荷会发生较大的变化，系统的对地电容和非线性特性的TV励磁电感出现参数匹配，造成配电网中的铁磁谐振现象。铁磁谐振带来的过电流和过电压会对系统运行的安全性造成直接的影响，造成熔断丝的熔断、避雷器的爆炸和绝缘闪络等现象。

1.仿真分析铁磁谐振过电压

1.1分析TV励磁特性

电压互感器如果具有非线性电感特性就可能会引起铁磁共振。磁化特性通常被用于对非线性电感特性进行描述，这样得出来的描述结果是铁心的伏安特性曲线。铁心电感线圈包含在电压互感器中，在电源电压的作用下，电流、电池和电压具有密切的关系，伏安特性曲线在铁心饱和特性的影响下会出现非线性的特征。通过将Ψ-i曲线上的零点和U-I的零点相对应，并且对Ψ-i曲线进行分段线性化，从而求出Ψ-i曲线上的数值[1]。

1.2仿真分析铁磁谐振过电压

图1为配电网铁磁谐振仿真等值电路图，其中励磁电阻用R表示、线路对地电容用C0表示、非线性电感用L表示、系统线路阻抗用Z表示。

图2对地电容0.005μF波形图

在0.1秒时刻，系统中的A会单相接地，接地会在0.14秒时刻消失。此时如果对地电容是0.005μF，出现如图2所示的TV、电源中性点电压、母线电压三相电流波形图。如果对地电容是0.06μF，出现如图3所示的TV、电源中性点电压、母线电压三相电流波图。根据图2可以发现，一旦出现单相接地，就会产生谐振过电压。其他除接地相之外的相在单相接地的开始阶段都会发生较大的震荡，这个时候中性点会产生2.1p.u.的最大电压幅值，C相电压幅值会产3.0p.u.的最大电压幅值。此时会有过电流在TV三相中出现，特别是C相会出现远大于TV正常工作电流的电流幅值，最大能达到0.15A。根据图3可以发现，一旦出现单相接地，就会产生谐振过电压。单相接地的初始阶段，其他相会发生震荡，此时中性点会产生1.0p.u的最大电压幅值，B相会产生2.0P.u.的最大电压幅值。此时会有过电流在TV三相中出现，特别是B相会出现远大于TV正常工作电流的电流幅值，最大能达到0.26A。这个时候就会激发分频谐振[2]。

图3对地电容0.06μF波形图

系统在对地电容较小的时刻发生基频谐振的几率较大，系统会在对地电容达到0.020μF出现分频谐振。在中性点不接地系统中，如果谐振是由单相接地引起的，会增大电源中性点的偏移电压，但是其仍然低于系统母线电压。这充分说明系统谐振情况可以通过中性点偏移电压来进行反映。

2.仿真研究铁磁谐振过电压抑制措施

2.1在铁磁谐振抑制中使用4TV法

将单相TV接入TV中性点之后，大部分的系统电压正序分量都会施加于三相TV上，第4个TV主要承受的是零序分量。如果系统正常运行，基本不会产生零序分量，也不会受到第4个TV的影响。但是如果系统满足了谐振条件，就会加高零序电压分量，三相TV的电压就会降低，将其加在第4个TV上。这样一来就不会发生谐振现象。本文建立了相应的仿真计算机模型图，具体情况见图4。

图4仿真电路图

在三相TV高压的侧中性点接入第4个TV，单相接地为0.1秒是激发谐振的主要条件，0.14秒是故障消除时间。此时可以对系统单相对地电容进行改变。根据研究结果发现，在抑制系统中的电磁谐振方面，4TV法的确具有一定的功效，可以大幅度的缩小发生谐振的对地电容的范围，而且降低TV承受的过电流和过电压。但是这并不能完全保障谐振不发生。非线性电感的饱和性特征的第4个TV中同样存在，因此发生铁磁谐振的条件也没有被完全消除。在安装第4个TV之后，发生谐振时会产生低频作为主要的零序电压，但是其中也包含着较多的高频分量，这与第4个TV的等效电感非线性特性有关。第4个TV中具有饱和段和线性段，零序电压的高频分量对应饱和段，零序电压的低频分量对线性段。第4个TV安装之后会增大总的等效电感，这样一来就会降低谐振时零序电压的低频分量频率，从而产生较大的过电流。而且其与TV上的电流小于第4个TV[3]。

2.2在铁磁谐振抑制中使用系统中性点经消弧线圈接地

使用系统中性点经消弧线圈接地方法中确定0.4H作为电感值，A相单相接地的时间是0.1秒，单相接地故障消失的时间是0.14秒。此时通过仿真得知系统谐振在投入消弧线圈之后能够得到一定的抑制。主要原因在于运用该方法可以使系统中性点近似直接接地TV，受到消弧线圈的励磁感抗非常小。这样一来中性点电压的偏移就被抑制了，将TV上电压的工作范围限定在了线性区。为了避免产生谐振，针对电容电流较小的情况消弧线圈的电感值应该适当加大，但是这也可能会加剧暂态震荡。

2.3在铁磁谐振抑制中使用TV一次侧经非线性电阻接地

如果谐振发生，可以将非线性电阻和线性电阻接入TV中性点，其接入的阻值15kΩ，此时A相单相接地是0.1秒，单相接地故障消失的时间是0.14秒。通过仿真研究发现，由于线性电阻具有较小的热容量，因此其虽然能够对这过电压进行有效的抑制，但是如果发生谐振作用也很容易将电阻烧断。热容量较大的电阻是非线性电阻，非线性电阻具有较好的阻尼效果，阻尼值会根据流过非线性电阻的电流进行变化[4]。

2.4在铁磁谐振抑制中使用系统中性点经电阻接地

系统中性点在系统发生单相接地时就会经过1MΩ和100Ω电阻接地。A相单相接地的时间是0.1秒，单相接地故障消失的时间是0.14秒。通过仿真研究发现，如果中性点经电阻接地，即使系统出现单相接地故障，接地故障消失之后也不会出现谐振的现象。但是为了对谐振过电压进行有效的抑制，电阻不应过大。

3.结语

单相接地故障消失的时刻与系统发生谐振有着直接的关系，通过仿真研究本文提出了抑制配电网铁磁谐振过电压的具体方法，包括系统中性点经电阻接地、TV一次侧经非线性电阻接地、4TV接法等。通过这些方法能够对配电网的铁磁谐振过电压进行一定的抑制，从而避免因铁磁谐振引起的系统问题，以及TV爆炸、一次侧熔丝熔断等安全问题，保障电网的安全稳定运行。

参考文献

[1]李志荣.一起铁磁谐振过电压的分析[J].科技与企业.2012(19)

[1]梁志瑞,董维,刘文轩,黄佳珍,等.电磁式电压互感器的铁磁谐振仿真研究[J].高压电器.2012(11)

[2]王鹏,郭洁,齐兴顺,杨积成,等.35kV中性点经消弧线圈接地系统几种铁磁谐振消谐措施有效性分析[J].电瓷避雷器.2010(06)

[4]曾祥君,杨先贵,王文,等.基于零序电压柔性控制的配电网铁磁谐振抑制方法[J].中国电机工程学报.2015(07)