6kv电力系统铁磁谐振分析

李伟亮

摘要：本文针对油田电力生产中，出现铁磁谐振所引发对电压互感器等电力设备的伤害的问题，以铁芯元件非线性的铁磁特性和产生铁磁谐振的理论条件为基础，指出会引发铁磁谐振现象的条件，论述了抑制铁磁谐振产生的机理，并对目前治理谐振的方法进行了总结，提出了治理铁磁谐振较好的方法。

关键字： 铁磁谐振；电压互感器；铁芯电感；铁磁特性

0 引言

铁磁谐振是小电流接地系统中一种内部过电压故障，在6kv配电网络中时有发生。铁磁谐振是指在有铁芯电感元件在串联回路中的谐振，当有铁芯电感受到所处系统的干扰后，电感值与系统的电容值形成匹配，形成的一种内部过电压的形式，其电压值一般不超过电源电压的3倍。由于铁磁谐振的发生有一定的随机性和必然性，很难预测铁磁谐振发生的时间，但一旦发生铁磁谐振会引起一定的经济损失。本文通过对近些年文献资料的研究和总结，借鉴更高电压等级电力系统对铁磁谐振的抑制方法，提出适合6kv电力系统的抑制铁磁谐振的方法。

1铁磁谐振产生的条件和危害

1.1铁磁谐振产生的条件

在6kv配电系统中，铁芯电感元件主要是变压器和电压互感器。变压器主要是短路和操作过程中，其励磁电感与电网电容组成串联谐振回路，产生的铁磁谐振过电压。电磁式电压互感器为了监察变电所的母线电压，变电所都有安装。电压互感器的一次侧绕组做星型连接，并让中性点接地。在某些情况下，电压互感器的励磁阻抗与系统的对地电容会形成非线性的谐振电路。

1.2铁磁谐振的危害

铁磁谐振会引起的危害有：1、会烧毁电压互感器保险，造成系统误认为低电压，从而造成，系统低电压误动作，造成停电事故。2、在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。如果是一体式电压互感器，就需要整体更换，如果是分体式电压互感器，则需要针对所损坏的部位，分项更换，会造成一定的经济损失。3、谐振发生时，会产生高零序电压分量，从而会出现出现虚幻接地或一些不正确的接地指示，影响操作人员。[1]运行实践证明，铁磁谐振过电压对电力设备的危害不仅仅限于互感器本身，他除了波及到相邻的开关柜之外，还会发生在备用或处于断开状态的高压开关设备上，特别是那些具有某些缺陷或绝缘环节不够完善的高压开关，会发生爆炸事故。[1]

2铁磁谐振产生的机理

2.1铁磁谐振受到激发的条件

铁磁谐振的外部激发条件一般为：1、电力线路断线；2、变压器高压线圈接地短路或匝间短路；3、线路上发生或消除瞬间接地故障。在我们的现实工作中，由于6kv电力系统中，设备绝缘相对较低，线路与树木的接触、绝缘子发生闪络等单相接地故障相对其他故障要多的多，所以在我们的实际工作中，大部分的铁磁谐振都是有单相接地故障所引起的，也就是上述激发条件的第3项为激发铁磁谐振的主要方式。

2.1铁磁谐振产生的原因

当电力线路上，发生外部激发条件时，电压互感器的电压会升高，电压互感器的三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，中性点位移产生零序电压。[2]由于线路电流不断增大，会使电压互感器得铁芯逐渐饱和。铁芯时感抗元件，感抗是由漏抗和励磁电抗组成，漏抗当铁芯达到饱和状态时不在变化，励磁电抗只与其电流的变化率有关，变化率越大，电抗值越大，所以当铁心饱和时，磁通量基本不会有太大的变化，次级线圈的电流的变化率也就减小，所以当电压互感器的铁心饱和时，磁通量的变化率减小，其感抗值也就减小，当满足ωL=1/ωC时（正常运行的线路ωL>1/ωC），即具备谐振条件，从而产生谐振过电压和过电流。谐振形成之后，只要谐振的条件没有改变，谐振的状态就会一直持续，直到条件发生了变化，ωL与1/ωC不在相等，谐振才会消除。由此可见，谐振与电压互感器的伏安特性（励磁特性）有着非常密切的关系，电压互感器的铁心越容易饱和，谐振越容易产生，所以电压互感器的励磁特性好坏是铁磁谐振的产生的重要原因。但是在小电流接地系统中，电压互感器由于是非线性的，电感值并非是一个固定值，在外部电源的作用下，会发生波形畸变现象，因此回路没有固定的谐振频率。[3]

图1电压互感器接线图

ÙU, ÙV, ÙW,是三相电压，XmU，XmV，XmW，是互感器的三相励磁电抗，R是互感器每相的电阻，Xco是系统对地容抗。

图2单相铁磁谐振电路图

3铁磁谐振的治理

通过上述条件的分析，电压互感器的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的最重要的原因，同时由于铁芯电感元件本身所具有的饱和效应也对过电压的大小有了制约。所以当有外回路的损耗时，也使谐振过电压受到了一定限制，当回路电阻大于一定的数值时，就不会出现强烈的谐振过电压。［4］

由于以上特性，一般有以下三种方法来治理铁磁谐振的发生。

1、在电压互感器的一次绕组的中性点接一只5000欧姆的阻尼电阻，可以有效的治理接地故障所引起的谐振，但此种方法会影响二次侧反应接地故障的灵敏度。[5]

2、安装消谐装置，现在市面上有多种消谐装置，一般采用单片机作为计算元件, 消谐装置会对电压互感器的开口三角电压(即零序电压)进行遁环检测，同时要对采集的信号进行量化、分析、计算,最后确定出系统是否有故障。如果消谐装置分析确定系统中出现铁磁谐振现象,它会立即启动消谐电路 ,让铁磁谐振在阻尼作用下迅速消失。

3、使用4TV接线法，是用目前的3台电压互感器一组，再增加一台同型号电压互感器，单独用来与中性点连接接地，作为单相零序TV，测量零序电压。4TV接线法使零序的阻抗增大，使电压互感器在受到外部扰动时，总的零序阻抗变化很小，这种方法目前是消除谐振过电压最有效的方法。[5]这种方面目前看也是最适合6kv小电流接地抑制铁磁谐振的方法。

结尾

有铁磁元件的存在，就有可能发生铁磁谐振，危及设备和财产的安全，我们要不断探索创新，研究出更好的消除铁磁谐振的方法，彻底消除铁磁谐振的危害，保证电网的平稳的运行，为电力系统的安全生产做出最大贡献。

参考文献

1.王建.6kv供电系统出现过电压问题的防治手段分析 ［J］.河南科技，2008，08.

2.吕鹏，张凤英，张冠颖.谈10kv电压互感器烧毁的原因分析和防范措施［J］.中国科技期刊数据库 工业A,2017,8.

3.胡成.配电网的铁磁谐振机理和消谐措施的研究［D］.硕士学位论文 西南交通大学 20100601

4.甄长松.铁磁谐振产生的原因及消除方法［J］.冶金动力，2006，06.

5.郑世明.10kvPT铁磁谐振产生原因及预防措施探讨［J］.电气工程与自动化，2013，15.

作者简介：李伟亮，男，籍贯：黑陕西省汉中市人，2018年毕业于东北石油大学，现为五部生产办主任。