鐵磁諧振電路

鐵磁諧振電路是由鐵心電感元件組成，如發電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和和系統的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發持續的鐵磁諧振，使系統產生諧振過電壓。

基本介紹

• 中文名：鐵磁諧振電路
• 外文名：ferro- resonance circuit
• 學科：計算機科學與技術
• 組成：鐵心電感元件
• 條件：ωL > (1/ωC)
• 形式及象徵：基波諧振、分次諧波、高次諧波

基本概念

鐵磁諧振電路是由鐵心電感元件組成，如發電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和和系統的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發持續的鐵磁諧振，使系統產生諧振過電壓。

電力系統的鐵磁諧振可分二大類：一類是在66kV及以下中性點絕緣的電網中，由於對地容抗與電磁式電壓互感器勵磁感抗的不利組合，在系統電壓大擾動（如遭雷擊、單相接地故障消失過程以及開關操作等）作用下而激發產生的鐵磁諧振現象；另一類是發生在220kV（或110kV）變電站空載母線上，當用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關或母聯開關對帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除（含保護整組傳動聯跳）帶有電磁式電壓互感器的空母線時，操作暫態過程使連線在空母線上的電磁式電壓互感器組中的一相、兩相或三相激發產生的鐵磁諧振現象，即串聯諧振，簡單地講就是由高壓斷路器電容與母線電壓互感器的電感耦合產生諧振由於諧振波僅局限於變電站空載母線範圍內，也稱其為變電站空母線諧振。

鐵磁諧振現象

形式及象徵

（1）基波諧振： 一相對地電壓降低，另兩相對地電壓升高超過線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過線電壓、有接地信號發出 ；

（2）分次諧波： 三相對地電壓同時升高、低頻變動；

（3）高次諧波： 三相對地電壓同時升高超過線電壓。

現象

線電壓升高、表計擺動，電壓互感器開口三角形電壓超過100V。

鐵磁諧振電路

電路圖如圖所示：

圖1

這是一種等效電路，和電容C並聯的線性電阻R即表示電容器內的損耗，諧振發生的必要條件是ωL> (1/ωC)。

圖2

圖3

如圖2和圖3所示：

a1是穩定工作點，電路呈感性，電容、電感電壓較低，迴路電流較小，是非諧振工作點；

a2是不穩定工作點，微小擾動可使工作點偏離a2；

a3是穩定工作點，電路呈容性，電容電感電壓和電流急劇增大，稱為諧振狀態的工作點。

原因及分析

鐵磁諧振

（1）有線路接地、斷線、斷路器非同期合閘等引起的系統衝擊；

（2）切、合空母線或系統擾動激發諧振 ；

（3）系統在某種特殊運行方式下，參數匹配，達到了諧振條件。

串聯諧振

進行刀閘操作時，斷路器隔離開關與母線相連，引發斷路器連線埠電容與母線上互感器耦合滿足諧振條件。

電力系統

電力系統是一個複雜的電力網路，在這個複雜的電力網路中，存在著很多電感及電容元件，尤其在不接地系統中，常常出現鐵磁諧振現象，給設備的安全運行帶來隱患，下面先從簡單的鐵磁諧振電路中對鐵磁諧振原因進行分析。

（1）簡單的鐵磁諧振電路中諧振原因分析

在簡單的R、C 和鐵鐵芯電感L電路中，假設在正常運行條件下，其初始狀態是感抗大於容抗，即ωL> (1/ωC)，此時不具備線性諧振條件，迴路保持穩定狀態。但當電源電壓有所升高時，或電感線圈中出現涌流時，就有可能使鐵芯飽和，其感抗值減小，當ωL = (1/ωC)時，即滿足了串聯諧振條件，在電感和電容兩端便形成過電壓，迴路電流的相位和幅值會突變，發生磁諧振現象，諧振一旦形成，諧振狀態可能“自保持”，維持很長時間而不衰減，直到遇到新的干擾改變了其諧振條件諧振才可能消除。

（2）電力系統鐵磁諧振產生的條件

電力系統中許多元件是屬於電感性的或電容性的，如電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈為電感元件，補償用的並或串聯電容器組、高壓設備的寄生電容為電容元件，而線路各導線對地和導線間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成複雜的LC 震盪迴路，在一定的能源作用下，特定參數配合的迴路就會出現諧振現象。由於鐵芯電感的磁通和電流之間的非線性關係，電壓升高導致鐵芯電感飽，極容易使電壓互感器發生鐵磁諧振。在中性點不接地系統中，如果不考慮線路的有功損耗和相間電容，僅考慮電壓互感器電感L 與線路的對地電容Co ,當C大到一定值，且電壓互感器不飽和時，感抗XL大於容抗XCo。而當電壓互感器上電壓上升到一定數值時，電壓互感器的鐵芯飽和，感抗XL小於容抗XCo，這樣就構成了諧振條件，下列幾種激發條件可以造成鐵磁諧振：

a. 電壓互感器的突然投入；

b. 線路發生單相接地；

c. 系統運行方式的突然改變或電氣設備的投切；

d. 系統負荷發生較大的波動；

e. 電網頻率的波動；

f. 負荷的不平衡變化等。

電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。在我國6~10KV 配電網內，發生互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，每到雷雨季節，熔斷電壓互感器保險的情況頻繁發生。

（3）中性點不接地系統鐵磁諧振產生的原因

中性點不接地系統中，為了監視絕緣，發電廠、變電所的母線上通常接有Yo接線的電磁式電壓互感器，由於接有Yo接線的電壓互感器，網路對地參數除了電力導線和設備的對地電容Co外，還有互感器的勵磁電感L，由於系統中性點不接地，Yo接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統三相對地的唯一金屬通道。正常運行時，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小。但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失後，由於三相互感器在擾動後電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡，它與線路對地電容形成諧振迴路，可能激發起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統中最常見和造成事故最多的一種內部過電壓。在實際運行設備中，由於中性點不接地電網中設備絕緣低，線樹矛盾以及絕緣子閃烙等單相接地故障相對頻繁，一般說來，單相接地故障是鐵磁諧振最常見的一種激發方式。

（4）中性點直接接地系統鐵磁諧振產生的原因

若中性點直接接地，則電壓互感器繞組分別與各相電源電勢相連，電網中各點電位被固定，不會出現中性點位移過電壓；若中性點經消弧線圈接地，其電感值遠小於電壓互感器的勵磁電感，相當於電壓互感器的電感被短接，電壓互感器的變化也不會引起過電壓。但是，當中性點直接接地或經過消弧線圈接地的系統中，由於操作不當和某些倒閘過程，也會形成局部電網在中性點不接地方式下臨時運行。在中性點直接接地電力系統中，一般鐵磁諧振的激發因素為合刀閘和斷路器分閘。在進行此操作時，由於電路內受到足夠強烈的衝擊擾動，使得電感L 兩端出現短時間的電壓升高、大電流的震盪過程或鐵心電感的涌流現象。這時候很容易和斷路器的均壓電容Ck一起形成鐵磁諧振。

特點

鐵磁諧振是電力系統自激振盪的一種形式，是由於變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用連續性、高幅值諧振過電壓現象。其主要特點為：

（1）諧振迴路中鐵心電感為非線性的，電感量隨電流增大、鐵心飽和而下降；

（2）鐵磁諧振需要一定的激發條件，使電壓、電流幅值從正常工作狀態轉移到諧振狀態。如電源電壓暫時升高、系統受到較強烈的電流衝擊等；

（3）鐵磁諧振存在自保持現象。激發因素消失後，鐵磁諧振過電壓仍然可以繼續長期存在；

（4）鐵磁諧振過電壓一般不會非常高，過電壓幅值主要取決於鐵心電感的飽和程度。

電力系統中存在著許多儲能元件，當系統進行操作或發生故障時，變壓器、互感器等含鐵芯元件的非線性電感元件與系統中電容串聯可能引起鐵磁諧振，對電力系統安全運行構成危害。在中性點不接地的非直接接地系統中，鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是常見的，是造成事故較多的一種內部過電壓。這種過電壓輕則使電壓互感器一次熔絲熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器造成系統停運。在一定的電源作用下會產生串聯諧振現象，導致系統中出現嚴重的諧振過電壓。

破壞性

鐵磁諧振對TV的損壞，鐵磁諧振(分頻)一般應具備如下三個條件。

（1）鐵磁式電壓互感器(TV)的非線性效應，是產生鐵磁諧振的主要原因。

（2）TV感抗為容抗的100倍以內，即參數匹配在諧振範圍。

（3）要有激發條件，如投入和斷開空載母線、TV突然合閘、單相接地突然消失、外界對系統的干擾或系統操作產生的過電壓等。