配電網PT鐵磁諧振的機理分析

王皓

【摘 要】在配電網系統中，電磁式電壓互感器（下面簡稱為PT）的鐵磁諧振過電壓是一種常見的內部過電壓。電力系統運行人員和技術專家對PT鐵磁諧振發生的機理和預測判斷沒有一個非常清晰的認識。本文詳細分析了PT鐵磁諧振過電壓的分類和產生機理，為將來治理這一難題提供了依據。

【關鍵詞】配電網；鐵磁諧振；單相接地故障

在電力系統的振蕩回路中，往往由于鐵鐵芯的磁飽和現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，當二者達到某種匹配時，激發起持續性的較高幅值的過電壓，即鐵磁諧振過電壓。對于配電網系統來講，配電變壓器、配電饋線和其它用電設備對地存在雜散電容，配電所母線上又都接有電磁式電壓互感器（PT），二者構成并聯諧振電路，一般情況下PT鐵芯具有很高的勵磁阻抗，電路體現電感性。當系統受到某種擾動（如接地故障，切換操作，雷擊等）時，PT鐵芯有可能發生飽和，其等效電感值降低，在參數匹配的情況下，可能誘發某種頻率的鐵磁諧振（如分頻諧振、工頻諧振和高頻諧振）過電壓現象[2]。本文的主要工作是研究PT鐵磁諧振的發生機理。

一、鐵磁諧振的分類

鐵磁諧振過電壓發生的根本原因是系統中電容參數和電感參數達到了某種匹配，一般來講電容參數是恒定的。根據系統中等效電感參數的不同，國內外學者對諧振問題的研究歸結出三種不同性質的諧振過電壓：

（一）線性諧振過電壓，振蕩回路中的參數是線性的。

關于這一問題的研究在電路分析中分為并聯諧振和串聯諧振兩種。這里所提到的并聯諧振和串聯諧振中的電感和電容都是恒定的，當電感和電容之間的振蕩頻率和系統電源的頻率一致時，這個簡單的系統就會發生并聯諧振或串聯諧振現象。諧振問題發生的關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電壓。

（二）參數諧振過電壓，回路中的電感參數是隨時間做周期性變化的。

參數諧振過電壓在水輪發電機回路中較為常見。如水輪機正常的同步運行情況下，同步電抗在之間周期性的變動，即每過一個電周期，電抗將變動兩個周期；另一方面，無論是凸極機還是隱極機，當它們處于異步工作狀態時，電抗在之間周期地變動。這些情況下，若電機的外電路是容性的，就可能在此電感參數自動變化的振蕩回路中激發起一種特殊形式的過電壓，稱為參數諧振過電壓。

（三）鐵磁諧振過電壓，回路中的鐵芯電感呈現出非線性的工作狀態。

在電力系統的振蕩回路中，往往由于鐵芯的磁飽和現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，當二者達到某種匹配時，激發起持續性的較高幅值的過電壓，即鐵磁諧振過電壓。

二、鐵磁諧振的產生機理

在中性點不接地系統中，為了監視三相對地電壓，變電站內母線上常接有中性點接地的電磁式電壓互感器（又稱PT），具體電氣接線見圖1。

如圖1所示簡化的典型的中性點不接地系統的簡化的三相網絡接線圖。

圖1中，和為三相系統的A、B和C相的等效電源，N為系統的中性點，中性點采用不接地的運行方式，中性點采與大地之間的電壓用表示；，和為系統中所有設備各相對地的等效電容；，和為輸電饋線的等效阻抗；，和分別是供監視或測量用的A，B和C三相的電壓互感器。

鐵磁諧振的發生多是由于系統的0模網絡引起的。其原因可以歸結為兩種情況。第一種情況是系統中發生了不對稱故障（例如單相接地故障）產生了0序電源向0序網絡供電導致鐵磁諧振；第二種情況是系統中三相電源發生了不對稱的現象（如A相電源驟升），0序電源驟升導致的鐵磁諧振。

單獨考慮0模網絡，將0模端口FG連接的1模網絡等效為電源和阻抗的形式，忽略系統阻抗和饋線阻抗，因為這些阻抗相比于對地電容的阻抗值非常小。如圖2所示。

圖2中的為0模網絡的對地等效總電容，非線性電感代替PT，和為零模網絡FG端口外電路的等效阻抗和等效電壓源。據2圖，不難發現，這是一個對地電容和PT一次側非線性電感的并聯諧振模型。高阻瞬時性故障引起的PT兩側的過電壓和過電流的物理機理是：當短路故障發生瞬間，相當于開關S突然合上，PT電流不能突變而電容相當于短路，因此等效電源向電容充電。當短路故障消失后，開關S打開，電容中儲存的電荷只能向非線性電感釋放，由電場能量轉化為磁場能量，然后PT中的磁場能量向電場能量轉化，如此往復二者相互轉化，轉化過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勵磁特性的非線性，導致磁鏈運行在飽和區，導致電流振幅的激增，同時，電流的激增又導致了電容兩端電壓的增加（此時電感電流和電容電流的幅值相等）。這樣就導致在PT兩側同時過電壓和過電流。電容和非線性電感之間的幾乎不衰減的振蕩過電壓和振蕩過電流構成了暫態諧振，由于衰減常數無窮大，暫態諧振就形成了近似穩態的并聯諧振形式。

三、結論

PT鐵磁諧振的機理是系統對地電容和PT勵磁特性曲線的非線性構成了串聯諧振電路和并聯諧振電路；觸發條件是各種大的擾動或操作（如單相接地故障消失或空載母線合閘）；鐵磁諧振的后果：產生嚴重的過電壓和過電流現象，危及設備的絕緣甚至燒毀設備，影響系統的穩定性和安全性。

參考文獻：

[1]Afshin Rezaei-Zare， Majid Sanaye-Pasand， An accurate hysteresis model for ferroresonance analysis of a transformer[J]. IEEE TRANSACTION ON POWER DELIVER. 2008， 23（3）：1448-1456

[2]劉凡，孫才新等.鐵磁諧振過電壓混沌振蕩的理論研究[J].電工技術學報， 2006.21（2）P：103-107

[3]啟新，談順濤.基于MATLAB的電壓互感器鐵磁諧振數字仿真[J].高電壓技術，2004，30（8）： 25-27+49.