王皓

【摘 要】在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器（下面簡(jiǎn)稱為PT）的鐵磁諧振過(guò)電壓是一種常見(jiàn)的內(nèi)部過(guò)電壓。電力系統(tǒng)運(yùn)行人員和技術(shù)專家對(duì)PT鐵磁諧振發(fā)生的機(jī)理和預(yù)測(cè)判斷沒(méi)有一個(gè)非常清晰的認(rèn)識(shí)。本文詳細(xì)分析了PT鐵磁諧振過(guò)電壓的分類和產(chǎn)生機(jī)理，為將來(lái)治理這一難題提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)；鐵磁諧振；單相接地故障

在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，往往由于鐵鐵芯的磁飽和現(xiàn)象而引起等效電感值的減小，由于饋線中等效電容值的存在，當(dāng)二者達(dá)到某種匹配時(shí)，激發(fā)起持續(xù)性的較高幅值的過(guò)電壓，即鐵磁諧振過(guò)電壓。對(duì)于配電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)講，配電變壓器、配電饋線和其它用電設(shè)備對(duì)地存在雜散電容，配電所母線上又都接有電磁式電壓互感器（PT），二者構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，一般情況下PT鐵芯具有很高的勵(lì)磁阻抗，電路體現(xiàn)電感性。當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動(dòng)（如接地故障，切換操作，雷擊等）時(shí)，PT鐵芯有可能發(fā)生飽和，其等效電感值降低，在參數(shù)匹配的情況下，可能誘發(fā)某種頻率的鐵磁諧振（如分頻諧振、工頻諧振和高頻諧振）過(guò)電壓現(xiàn)象[2]。本文的主要工作是研究PT鐵磁諧振的發(fā)生機(jī)理。

一、鐵磁諧振的分類

鐵磁諧振過(guò)電壓發(fā)生的根本原因是系統(tǒng)中電容參數(shù)和電感參數(shù)達(dá)到了某種匹配，一般來(lái)講電容參數(shù)是恒定的。根據(jù)系統(tǒng)中等效電感參數(shù)的不同，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)諧振問(wèn)題的研究歸結(jié)出三種不同性質(zhì)的諧振過(guò)電壓：

（一）線性諧振過(guò)電壓，振蕩回路中的參數(shù)是線性的。

關(guān)于這一問(wèn)題的研究在電路分析中分為并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振兩種。這里所提到的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振中的電感和電容都是恒定的，當(dāng)電感和電容之間的振蕩頻率和系統(tǒng)電源的頻率一致時(shí)，這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振現(xiàn)象。諧振問(wèn)題發(fā)生的關(guān)鍵是電感與電容之間的振蕩頻率與電源頻率的一致。這類諧振類型為線性諧振過(guò)電壓。

（二）參數(shù)諧振過(guò)電壓，回路中的電感參數(shù)是隨時(shí)間做周期性變化的。

參數(shù)諧振過(guò)電壓在水輪發(fā)電機(jī)回路中較為常見(jiàn)。如水輪機(jī)正常的同步運(yùn)行情況下，同步電抗在之間周期性的變動(dòng)，即每過(guò)一個(gè)電周期，電抗將變動(dòng)兩個(gè)周期；另一方面，無(wú)論是凸極機(jī)還是隱極機(jī)，當(dāng)它們處于異步工作狀態(tài)時(shí)，電抗在之間周期地變動(dòng)。這些情況下，若電機(jī)的外電路是容性的，就可能在此電感參數(shù)自動(dòng)變化的振蕩回路中激發(fā)起一種特殊形式的過(guò)電壓，稱為參數(shù)諧振過(guò)電壓。

（三）鐵磁諧振過(guò)電壓，回路中的鐵芯電感呈現(xiàn)出非線性的工作狀態(tài)。

在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，往往由于鐵芯的磁飽和現(xiàn)象而引起等效電感值的減小，由于饋線中等效電容值的存在，當(dāng)二者達(dá)到某種匹配時(shí)，激發(fā)起持續(xù)性的較高幅值的過(guò)電壓，即鐵磁諧振過(guò)電壓。

二、鐵磁諧振的產(chǎn)生機(jī)理

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視三相對(duì)地電壓，變電站內(nèi)母線上常接有中性點(diǎn)接地的電磁式電壓互感器（又稱PT），具體電氣接線見(jiàn)圖1。

如圖1所示簡(jiǎn)化的典型的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的三相網(wǎng)絡(luò)接線圖。

圖1中，和為三相系統(tǒng)的A、B和C相的等效電源，N為系統(tǒng)的中性點(diǎn)，中性點(diǎn)采用不接地的運(yùn)行方式，中性點(diǎn)采與大地之間的電壓用表示；，和為系統(tǒng)中所有設(shè)備各相對(duì)地的等效電容；，和為輸電饋線的等效阻抗；，和分別是供監(jiān)視或測(cè)量用的A，B和C三相的電壓互感器。

鐵磁諧振的發(fā)生多是由于系統(tǒng)的0模網(wǎng)絡(luò)引起的。其原因可以歸結(jié)為兩種情況。第一種情況是系統(tǒng)中發(fā)生了不對(duì)稱故障（例如單相接地故障）產(chǎn)生了0序電源向0序網(wǎng)絡(luò)供電導(dǎo)致鐵磁諧振；第二種情況是系統(tǒng)中三相電源發(fā)生了不對(duì)稱的現(xiàn)象（如A相電源驟升），0序電源驟升導(dǎo)致的鐵磁諧振。

單獨(dú)考慮0模網(wǎng)絡(luò)，將0模端口FG連接的1模網(wǎng)絡(luò)等效為電源和阻抗的形式，忽略系統(tǒng)阻抗和饋線阻抗，因?yàn)檫@些阻抗相比于對(duì)地電容的阻抗值非常小。如圖2所示。

圖2中的為0模網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地等效總電容，非線性電感代替PT，和為零模網(wǎng)絡(luò)FG端口外電路的等效阻抗和等效電壓源。據(jù)2圖，不難發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)對(duì)地電容和PT一次側(cè)非線性電感的并聯(lián)諧振模型。高阻瞬時(shí)性故障引起的PT兩側(cè)的過(guò)電壓和過(guò)電流的物理機(jī)理是：當(dāng)短路故障發(fā)生瞬間，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S突然合上，PT電流不能突變而電容相當(dāng)于短路，因此等效電源向電容充電。當(dāng)短路故障消失后，開(kāi)關(guān)S打開(kāi)，電容中儲(chǔ)存的電荷只能向非線性電感釋放，由電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量，然后PT中的磁場(chǎng)能量向電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化，如此往復(fù)二者相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損耗基本可以忽略，這樣，電容兩端的電壓就不斷的振蕩，引起PT中磁鏈的振蕩，由于PT勵(lì)磁特性的非線性，導(dǎo)致磁鏈運(yùn)行在飽和區(qū)，導(dǎo)致電流振幅的激增，同時(shí)，電流的激增又導(dǎo)致了電容兩端電壓的增加（此時(shí)電感電流和電容電流的幅值相等）。這樣就導(dǎo)致在PT兩側(cè)同時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流。電容和非線性電感之間的幾乎不衰減的振蕩過(guò)電壓和振蕩過(guò)電流構(gòu)成了暫態(tài)諧振，由于衰減常數(shù)無(wú)窮大，暫態(tài)諧振就形成了近似穩(wěn)態(tài)的并聯(lián)諧振形式。

三、結(jié)論

PT鐵磁諧振的機(jī)理是系統(tǒng)對(duì)地電容和PT勵(lì)磁特性曲線的非線性構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路；觸發(fā)條件是各種大的擾動(dòng)或操作（如單相接地故障消失或空載母線合閘）；鐵磁諧振的后果：產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)電壓和過(guò)電流現(xiàn)象，危及設(shè)備的絕緣甚至燒毀設(shè)備，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

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