浅析铁磁谐振现象产生的原因和消除措施摘要：高压系统谐振过电压是电力系统常见的故障现象之一，其实质是电磁式电压互感器励磁特性饱和，在特定的运行条件下激发铁磁谐振，从而电力设备和系统安全运行带来危害。

文章从故障实例入手，分析了铁磁谐振产生的机理、类型以及铁磁谐振的特性，并提出多种消除谐振的措施。

关键词：铁磁谐振；过电压；产生条件；影响因素；消除措施高压系统谐振过电压是电力系统常见的故障现象之一，其实质是电磁式电压互感器（以下简称TV）励磁特性饱和，在特定的运行条件下激发铁磁谐振。

由于谐振时会产生很高的过电压，危及电力设备和系统安全运行，因此必须采取有效的消除和防护措施。

电力系统的铁磁谐振可分两大类：一类是在66 kV及以下中性点不接地系统中，由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合，在系统电压大扰动（如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等）作用下而激发产生的铁磁谐振现象；另一类是发生在220 kV（或110 kV）变电站空载母线上，当用220 kV、110 kV带断口均压电容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充电，或切除带有电磁式电压互感器的空母线时，操作暂态过程使连接在空母线上的电磁式电压互感器组中的一相、两相或三相激发产生的铁磁谐振现象。

1故障实例佛子岭水电站地处山区，高压线路架设于崇山峻岭之中，雷雨季节遭受雷击几率较高，铁磁谐振过电压现象时有发生。

2007年7月某日，雷击后，该站发生35 kVⅡ段母线电压一相降低，另两相升高（超过线电压）现象，发“单相接地”信号并熔断2TV高压保险。

35 kV系统接线图如图1所示。

其时，35 kVⅠ、Ⅱ段母线并列运行，两回出线空载。

1TV 与2TV的型号分别为：YDJJ-35、JDJJ2-35。

2008年某日，110 kV母线停电操作过程中，当拉开最后一台高压开关时，母线电压瞬时升高，二次保护回路电压继电器线圈烧毁，如图2所示。

TV型号是JCC6-110，高压开关型号是SW4-110Ⅱ，双断口带有均压电容器。

以上两起故障是典型的铁磁谐振过电压现象，下面我们来简单分析一下故障的成因。

2铁磁谐振产生过程及其特点2.1铁磁谐振现象的基本概念我们知道，在简单的R、C、L电路中，当感抗等于容抗时，即ωL=1/ωC，即满足了串联谐振条件，在电感和电容两端便形成过电压，回路电流的相位和幅值会突变，发生谐振现象。

电力系统中，变压器、互感器和电机等铁芯电感元件，其励磁电感与磁通密度大小有关。

当外加电压超过其额定电压时，或绕组中出现涌流时，铁芯中磁通密度严重饱和，电感即呈现出非线性。

由非线性电感元件参与的谐振称为铁磁谐振。

在图3所示的简单串联谐振回路中，如电感L为非线性的铁芯电感元件，则在一定条件下即可能产生铁磁谐振。

假设在正常情况下，电感L处于线性状态，回路中的初始感抗大于容抗（ωL0＞）电路不具备谐振条件。

但是，当铁芯电感L两端的电压有所升高，电感线圈出现涌流时，就有可能使铁芯饱和。

其电感值随之减小，以至可能使回路达到ωL0＝，从而满足串联谐振条件，在电感和电容两端产生过电压。

回路中的电感不是常数，产生的谐振以磁饱和为特征，这就是铁磁谐振现象。

2.2铁磁谐振的特征①谐振频率。

谐振频率f由回路中电感和电容的参数决定。

铁磁谐振的频率可以等于电源频率（基波频率），也可以等于电源频率的简单倍数（高次谐波）或等于电源频率的简单分数（分次谐波）。

②谐振的必要条件。

产生铁磁谐振的必要条件是电感和电容两条伏安特性曲线必须有交点，交点处有：ωkL＝，交点以前有：ωkL0＞。

其中L0为铁芯尚未饱和时初始电感值。

对变压器、互感器等设备而言，一般指其在额定线电压的激磁电感值。

ωk为谐振频率。

③谐振的自保持和自消失。

铁磁谐振一旦激发起来，当短时的激发条件消失后，在较低电源电压作用下，铁磁谐振仍可能长期存能在下去，即谐振能够自保持。

同样铁磁谐振在激发因素过后也可能自行消失。

3中性点不接地系统的铁磁谐振发电厂（变电所）母线上的TV高压绕组接成星形，中性点直接接地；低压绕也接成星形，辅助绕组接成开口三角形，用于电压指示、电度计量、继电保护及故障判断指示。

TV具有很大的激磁阻抗，它与输电线路等设备的对地容抗形成特殊的单相或三相谐振电路，激发起各种谐波的铁磁谐振过电压。

3.1TV铁磁谐振的物理过程如图4所示，TV组成了三相谐振回路。

其中C0为架空线路、电缆及母线其它设备的对地电容，L为TV的激磁电感，EA、EB、EC为三相电源电势。

在正常情况下，TV三相激磁电感工作在线性状态下，可认为是三相对称的。

当某种原因激起谐振时，TV的一相、两相或三相绕组上电压升高，各相导线对地电压发生变化，表现为电源变压器中性点发生电位移，出现了一个零序电压U0。

设在某种故障情况下，电源电压A相降低，B、C两相升高，则A相TV励磁电抗仍为线性初始值，且大于容抗，它与容抗并联后使A相的对地导纳为容性，而B、C相由于电压升高，B、C相的TV励磁电抗已进入饱和区，它与容抗并联后使B、C相的对地导纳并为感性。

即：YA=+jωC0=C’，YB=YC=+jωC0=-j。

图4所示的回路转变为图5的三相等值网络。

因为Ｉ．i=（Ｉ．i+Ｕ．0）Yi（i=A、B、C），且Ｉ．=0，则得到：Ｕ．0=-，将各相导纳带入，得Ｕ．0=-。

总结以上分析，谐振过电压的产生是由于系统内出现了零序电压Ｕ．0，而Ｕ．0的产生又导致TV非线性电感的饱和。

产生谐振条件为：①电源变压器中性点不接地，使得零序性质的串联谐振回路得以形成。

即TV引起的铁磁谐振只能在中性点不接地系统才会产生。

②中性点直接接地，开口三角形负载很小，基本为开路状态。

如果TV中性点不接地，则各相绕组跨接在电源相电压上而不与对地电容并联，从而谐振回路不能形成。

另外若开口三角形绕组闭合短路，其中所感应的零序电流在三角绕组中自成回路，对TV高压侧产生去磁作用，可以抑制或消除谐振现象。

③电网的对地电容与TV励磁电感相匹配，且初始感抗大于容抗。

④一般需要外激条件，TV铁芯达到饱和，才能激起谐振。

常见激发条件有：空载母线或线路的突然合闸、雷击、线路瞬时弧光接地、电源变压器高压侧的传递过电压等等。

3.2TV铁磁谐振的影响因素①TV特性的影响。

TV特性不好，铁芯容易饱和，在谐振时绕组中将流过很大的电流，导致熔丝熔断、TV烧毁。

在电网中，由于往往有很多台TV并联运行。

在谐振回路综合激磁阻抗由每台TV并联而成，故并联TV台数越多综合激磁阻抗越小，越容易激发谐振。

因此，要消除谐振，不但要用特性较好的TV，而且尽可能减少并联台数。

②电网对地电容的影响。

电网对地电容参数发生变化时，直接影响产生谐振的性质。

当该值变化（增大或减小）到某一值时，可使谐振不能发生。

③其它影响因素。

激发因素对于谐振的产生与否、谐振的性质有着较大的关系。

回路电阻、TV高压绕组的损耗电阻、TV开口三角形的电阻以及TV高压侧线端及中性点的电阻等，对谐振都具有阻尼作用，可使谐振区域缩小。

3.3中性点直接接地系统铁磁谐振产生的原因由前面的分析得知，对中性点直接接地系统，TV绕组分别与各相电源电势相连，电网中各点电位被固定，不会出现中性点位移过电压，因此不会发生铁磁谐振。

但是，在某些条件下，由于操作不当或某些倒闸过程，也会形成局部电网在中性点不接地方式下短时运行。

在中性点直接接地电力系统中，一般铁磁谐振的激发因素为合刀闸和开关分闸。

在进行此操作时，由于电路内受到足够强烈的冲击扰动，使得电感L两端出现短时间的电压升高、大电流的振荡过程或铁芯电感的涌流现象。

这时候很容易和高压开关的均压电容Ck一起形成铁磁谐振。

4消除铁磁谐振的措施从原理上说欲消除谐振，就必须设法破坏谐振条件。

通过前面的分析，我们可以从两个方面采取措施：改变电网电气参数及接入阻尼电阻。

常见的消谐措施有以下几种。

4.1中性点不接地系统的消谐措施采用励磁特性较好的TV，这是一种治本的措施，但TV的励磁特性越好，产生TV谐振的电容参数范围就越小，虽可降低谐振发生的概率, 但一旦发生，过电压、过电流更大，可能会带来更大的危害；在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组，增加对地电容；TV一次侧中性点经零序电压互感器接地，此类型接线方式的TV称为抗谐振电压互感器；TV二次侧开口三角形绕组接入阻尼电阻，其电阻值越小，越能抑制谐振的发生。

常见的方式是接入一只500～1 000 W白炽灯泡或消谐器来消除谐振。

佛子岭水电站即采用后者。

从实际运行效果来看，该装置对消除高次谐波和分次谐波谐振效果明显，但对消除基波谐振作用不大；变压器中性点经消弧线圈接地；TV高压侧中性点经阻尼电阻接地；减少系统中TV中性点接地台数。

4.2中性点直接接地系统的消谐措施尽量保证开关动作时三相同期性，防止非全相运行；改用电容式电压互感器，从根本上消除了产生谐振的条件，但是电容式电压互感器价格高、带负载能力差；母线TV高压绕组串接或并接一个阻尼绕组；在开口三角形回路中接入消谐装置。

在上述各种消谐方法中，多数需要加装设备和增加投资，或者受现场运行条件所限而难以实现。

因此，应根据各厂（站）的实际情况，尽量采取最简单有效的措施。

以本文中佛子岭水电站实发故障为例，对35 kV系统，可采取母线分段运行或解除一组TV中性点接地的措施；发生谐振时，可迅速短接TV二次侧开口三角形绕组或拉开一回空载线路。

对110 kV系统，最可行的方式是改变倒闸操作程序：停运母线时，先拉开母线TV，再拉开线路开关。

综上所述，铁磁谐振现象在电网运行中容易发生并且具有相当的危害性。

我们必须加强对现场运行人员的技术培训，使其掌握一些谐振产生的条件、特征，在系统发生异常时，及时判断并采取正确的措施，从而避免和限制事故的发生。

参考文献：[1] 周泽存.高电压技术.北京:水利电力出版社,1994.[2] 李坚.电网运行及调度技术.北京:中国电力出版社,2004.[3] 万千云,梁惠盈,齐立新,等.电力系统运行实用技术.北京: 中国电力出版社,2005.。