電力系統(tǒng)中,由于雷擊或其它原因,線路瞬間單相接地,使健全相電壓突然升至線電壓,而故障相在接地消失時又可能有電壓的突然上升,在這些暫態(tài)中也會有很大涌流;傳遞著過電壓,如高壓供電線路發(fā)生單相接地,低壓側就有傳遞過電壓，使電壓互感器鐵芯飽和，由于電壓互感器三相電感飽和程度不同,會出現(xiàn)互感器的一相或兩相電壓升高,也可能三相電壓同時升高，嚴重時就會引起諧振, 造成PT 過電流、過熱冒油、爆炸、母線短路、PT 保險熔斷等事故，嚴重影響電網(wǎng)的安全運行。本文就此現(xiàn)象，對電磁式PT 引起的鐵磁諧振過電壓數(shù)值特征及諧振判據(jù)進行了分析，從而選用一種或綜合應用幾種合理措施進行阻抑。

一、鐵磁諧振形成的原因

在中性點不接地系統(tǒng)中，由于接地保護的需要，和監(jiān)視三相對地電壓,發(fā)電廠、變電站母線上常接有Yο 接線的電磁式電壓互感器,于是,電網(wǎng)參數(shù)除了電力設備和導線的對地電容Cο 之外,還有電壓互感器的勵磁電感L ,正常運行時,電壓互感器的勵磁阻抗是很大的,電網(wǎng)對地阻抗是容性,三相基本平衡,電網(wǎng)中性點的位移電壓很小,但電力系統(tǒng)出現(xiàn)某些擾動,造成電壓互感器三相電感飽和程度不同時,就可能激發(fā)引起諧振過電壓。

電壓互感器與電網(wǎng)線路對地電容并聯(lián)形成諧振回路，電磁式電壓互感器的電感是非線性的，這種諧振回路為非線性諧振回路，或稱鐵磁諧振回路，如圖1。

通常，在正常運行時，電壓互感器的感抗XL遠大于電網(wǎng)對地電容的容抗XC，即XL與XC不會形成諧振，但由于某些原因，例如單相接地故障、線路合閘、雷電沖擊等，使電壓互感器的電感量發(fā)生變化，如果XL與XC匹配合適則將產生諧振。如圖1所示，正常運行時互感器中性點N'和電源中性點N對地同電位，中性點不發(fā)生位移，當發(fā)生諧振時，互感器一相、兩相或三相繞組電壓升高，各相對地電位發(fā)生變動，但因電源電勢由發(fā)電機的正序電勢所固定，EA、EB、EC保持不變，在電網(wǎng)這一部分對地電壓的變動則表現(xiàn)為電源中性點發(fā)生位移，而出現(xiàn)零序電壓。

根據(jù)圖1，解出中性點位移電壓如下式：

由(2)式可看出，當ωcˊ=2/ωLˊ時則U0無窮大，即要發(fā)生諧振，這也意味著只有當電壓互感器的感抗與線路容抗在一定比例下，三相中各阻抗不對稱，電源中性點產生位移條件下將產生諧振。

鐵磁諧振是由于電感元件的磁路飽和作用而激發(fā)的持續(xù)性的較高幅值的鐵磁諧振過電壓，其表現(xiàn)形式有單相、兩相、三相對地電壓升高，或以低頻擺動，或產生高值零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地指示，在電壓互感器中出現(xiàn)過電流，使小容量異步電動機反轉，嚴重時引起絕緣閃絡或避雷器、電壓互感器爆炸。在正常運行條件下，感抗大于容抗，電路不具備諧振條件，當鐵芯電感兩端的電壓升高時，電感線圈中出現(xiàn)涌流使鐵芯飽和，其感抗隨之減小，使感抗等于容抗，滿足諧振條件，在電感、電容兩端形成高的過電壓或過電流，這種現(xiàn)象稱為鐵磁諧振現(xiàn)象。

二、鐵磁諧振的基本特性

1、工頻諧振(基波諧振)

由互感器引發(fā)的基波諧振表現(xiàn)為一相電壓降低，兩相電壓升高，且中性點移到線電壓三角形之外，各相電壓相量圖如圖2。

基波諧振產生的過電壓幅值一般不高，對地穩(wěn)態(tài)過電壓不超過2倍最大過電壓，暫態(tài)過電壓也不過3.6倍最大過電壓。

2、高頻諧振(三次諧振波諧振)

在中性點絕緣系統(tǒng)中，由于電源不能向電壓互感器提供三次諧波勵磁電流，而使鐵芯中磁通為平頂波，含有三次諧波磁通，對于三個單相電壓互感器而言，三次諧波磁通可在每相電壓互感器鐵芯上流通，因而產生三次諧波電勢，使中性點位移產生而發(fā)生諧振。高頻諧振的表現(xiàn)是三相電壓同時升高，即在工頻電壓下迭加三次諧波電壓，因為各相基波電壓與三次諧波電壓均相等，所以三相電壓指示相同。高頻諧振通常在空母線合閘的激發(fā)條件下產生。有時，變電站出線很短是也會發(fā)生。

高頻諧振會產生較高的過電壓，最高可達5.1倍暫態(tài)最大過電壓。

3、1/2分頻諧振

除了基波和三次諧波諧振以外，電壓互感器的鐵磁諧振電路還可產生低于電源頻率的分次諧波諧振，其中大多數(shù)為1/2次諧波諧振。1/2分頻諧振時，其諧波波源必然存在電源中性點與互感器高壓繞組中性點之間，它是零序性質的。因此，分頻諧振電壓一般都認為每相對地電壓為電源電勢(基波)和中性點位移電壓的相量和。

由此可見，1/2分頻諧振表現(xiàn)為三相對地電壓同時升高，實際上諧振頻率與1/2工頻略有差別，所以，電壓表計以低頻來回擺動。1 /2分頻諧振過電壓不高，不超過2.5倍暫態(tài)最大過電壓，這是由于鐵芯深度飽和所致。因為頻率減半，互感器鐵芯中磁密要比額定時大1倍，使鐵芯飽和，勵磁感抗急劇下降，因而高壓繞組流過極大的過電流，一般可達幾十倍甚至上百倍額定電流，使互感器過熱并產生電動力的破壞。由于是熱和電動力的破壞，互感器往往有一發(fā)展過程，表現(xiàn)為互感器冒煙、熔絲熔斷、油浸互感器噴油等。

如果XC /XL處在兩種諧振區(qū)的交界處，有可能是發(fā)生基波振而后轉入分頻諧振。1/2分頻諧振的激發(fā)條件大都是單相接地故障又突然消除的暫態(tài)過程。由于其起振電壓較低，在一定條件下電網(wǎng)1/2分頻諧振是最容易發(fā)生的，而且破壞力很強，也是互感器出現(xiàn)燒壞事故的主要原因。

三、消除這種鐵磁諧振過電壓的措施

為了限制和消除這種鐵磁諧振過電壓,通常有三種方法。

1、互感器高壓中性點經(jīng)電阻接地或零序電壓互感器接地

a)互感器高壓中性點加對地電阻。

互感器高壓中性點經(jīng)電阻接地，被稱為一次消諧，接線圖如圖3，電阻可以是線性的，也可以是非線性的，對于非線性電阻，在工作時，可保持中性點對地電位不超過互感器N端對地的絕緣水平。其消諧機理是單相接地消失時線路在由線電壓恢復到相電壓的過渡過程中，電容放電電流只能通過電壓互感器高壓繞組入地，這過電流的頻率很低，特別是電容較大的網(wǎng)絡中其頻率只有幾個HZ，放電電流一般可達到上百倍互感器正常的勵磁電流，因而會使互感器飽和，激發(fā)諧振也會使高壓熔斷器熔斷，由于放電電流可達到熔斷器瞬間熔斷的電流，因此，往往熔斷器熔斷，而保護了互感器，但有時這個電流小于熔斷器瞬時熔斷值，而引發(fā)諧振，則燒壞互感器。當在中性點經(jīng)電阻接地后，這個電阻即限制了放電電流，從而防止了熔斷器熔斷和諧振。單相接地電容放電電流如圖4。

一次消諧器也有一些弱點，即電阻的熱容量如果不夠的，會引起電阻的損壞，而失去消諧作用，一次消諧電阻如果過大，會產生危及N端對地的耐壓水平。一般，互感器N端對地耐壓水平為3kV，1min，所以要求消諧電阻上產生的壓降應低于3kV。選用時要注意。另外,該消諧措施帶來一個弊病是三次諧波電流在電阻上產生壓降，已使開口角回路濾出的三次諧波電壓影響正常 運行，也造成三相電壓不平衡。

b) 互感器高壓繞組中性點經(jīng)零序電壓互感器接地。

互感器高壓繞組中性點經(jīng)零序電壓互感器接地，即所謂“4VT”接法，屬于破壞諧振條件(指單相接地)類消諧措施。

線路圖如圖5，是由三個單相全絕緣電壓互感器和一個半絕緣(或全絕緣)單相電壓互感器構成。其消諧原理是，當單相接地時，電壓互感器的一次電壓出現(xiàn)零序和正序電壓，其正序電壓施加在接成三相星形的主PT上，即主PT上的各相電壓不發(fā)生變化，而零序電壓，則由三相主PT和零序電壓互感器承擔，由于三相主PT的零序繞組(開口角回路)短接，其零序阻抗很小，與零序電壓互感器的阻抗相比可以忽略，如此，零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上，即零序電壓互感器有相電壓產生，其二次側有電壓輸出而發(fā)出接地報警。當接地消逝時，電容放電電流亦通過主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地，由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個放電電流，不致引起互感器飽和而不發(fā)生諧振。由圖5 還可以看出，電壓表所測量的是各相對地的電壓，即為各二次繞組的電壓與零序互感器的電壓之和(相量和)。因此正常運行時，電壓表測量的是相電壓，而在單相接地時則由于零序電壓互感器二次側有相電壓，其方向與接地相的正序電壓方向相反，即接地相的電壓表讀數(shù)為0，而其他非故障相的電壓上升到線電壓。因此，該接線可以反映接地的相別。

該接線也有一些弱點，由于開口角回路短接，當系統(tǒng)中出現(xiàn)單相斷線，變壓器空投母線，單相弧光接地等非正常工況下，由此產生的零序電壓而在開口角回路形成的環(huán)流，在電容量較大的電網(wǎng)中，這個環(huán)流可能超過互感器的熱容量而被燒壞;另外，該接線測量的零序電壓不準確，同時，因為零序電壓互感器是常規(guī)的產品，其感抗和直流電阻較小，沒有達到抑制超低頻振蕩電流的要求.

2. 在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼電阻

在互感器開口角回路加阻尼電阻，有固定電阻和電子型，統(tǒng)稱二次消諧，電子型目前普遍采用的微機型消諧器其接線如圖6，其原理是，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時，中性點產生位移，使三相電壓不對稱，互感器飽和，出現(xiàn)零序磁通，高壓繞組流過零序電流，在開口角兩端，要感應零序電壓，接有電阻時，則有零序電流流通。這個電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用的。二次零序電流越大，去磁效果越大，短接時效果最好，如果長期處于短接狀態(tài)，則可能不發(fā)生諧振。但短接對互感器是不能長期運行的，只允許運行1秒以內。因此利用可控硅，在發(fā)生諧振時，由CPU采集數(shù)據(jù)，超過正常電壓值后使可控硅導通，使諧振瞬間消除。諧振消失后，可控硅又恢復阻斷狀態(tài)。

這種消諧器的弱點是一旦可控硅阻斷失效導通，開口三角處于永久性短路，在單相接地或 其他故障使三相電壓不平衡時，電壓互感器即處于短路運行，會燒壞互感器，另外發(fā)生諧振后，由于采集數(shù)據(jù)的延時，可能會錯過阻尼的最佳時間。

3. 在母線上加裝一定的對地電容,諧振也可消除。

增加電網(wǎng)電容，不使用電磁式電壓互感器，采電容式電壓互感器。

四、首鋼京唐公司變電站消諧采用的方法

在上述三種措施中,首鋼京唐公司變電站主要采用第二種措施,即在電磁式電壓互感器的開口三角加阻尼電阻。此阻尼電阻是加入微電腦多功能消諧裝置，該裝置采用80196 單片機作為核心，對PT開口三角繞組電壓(即零序電壓)進行循環(huán)監(jiān)測，在正常工況下，該電壓為零，裝置內的大功率可控硅消諧元件處于阻斷狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響。當系統(tǒng)處于故障工況，本裝置CPU對電壓互感器開口三角電壓進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)測量、消除信號干擾、提高可信度等數(shù)字信號處理技術，然后對數(shù)據(jù)進行分析、計算，診斷當前的故障工況。如果是某種頻率的鐵磁諧振，CPU啟動消諧電路，使鐵磁諧振在強大的阻尼下迅速消失，同時裝置給出指示。鐵磁諧振消除后，CPU作相應記錄、存貯，并自動顯示或打印、記錄有關諧振信息(包括發(fā)生時間、頻率、開口三角電壓幅值等)。如果是過電壓或單相接地，CPU作出診斷后，裝置分別給出指示和報警，可自動顯示或打印故障信息。最后，CPU返回初始狀態(tài)，并繼續(xù)檢測開口三角電壓。

對于該消諧裝置來說，互感器開口三角形接有判斷一次設備是否接地等故障的二次保護裝置，一般情況下，回路中只有不平衡電流引起的弱電勢作用，消諧裝置和保護都不會有反應，當有接地等故障存在時或無故障而由于一次設備的某些影響，在開口三角形電感中就會產生較高的電勢，此感應為暫態(tài)過程，如感應電勢較低，保護動作或發(fā)信號，如感應暫態(tài)電勢過高，即會發(fā)生諧振現(xiàn)象，此時消諧裝置迅速投入，投入很大的阻尼，分流電壓降，使電感電壓迅速下降，離開諧振點，從而達到消諧的目的。

五、微機消諧裝置應用后效果

自從該裝置2008年10 月投入以來,經(jīng)歷了各種運行條件的檢驗,成功的避免了兩次系統(tǒng)諧振。微機消諧裝置顯示，在2010年6月22日，220kV軋鋼變電站10kV系統(tǒng)出現(xiàn)1 / 2 次諧波諧振，開口三角電壓61V，諧振頻率24.9Hz,2011年11月3日，220kV軋鋼變電站10kV系統(tǒng)再次出現(xiàn)1 / 2 次諧振諧振，開口三角電壓63V，諧振頻率24.9Hz。以及數(shù)次接地故障運行、雷電侵入的沖擊、空載運行、沖擊合閘運行,均沒有出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象,并且正確指示出各種故障的性質,正確動作率達到100 % ,因此效果良好。

六、結束語

電力系統(tǒng)的鐵磁諧振過電壓雖然是一種普通現(xiàn)象,它給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的危害,甚至造成嚴重后果,所以必須采取措施防止其發(fā)生和發(fā)展。如今高科技在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用,特別是微電腦多功能消諧裝置的應用,徹底改變了傳統(tǒng)消除鐵磁諧振的方法,給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了必要條件。