0 引言

电网中的谐振是电感参数与电容参数相匹配而产生的角频率振荡，会引起剧烈的过电压及过电流。在配电网中电磁式电压互感器数量众多，易发生铁磁谐振，产生的过饱和电流可达到额定电流的100倍，且持续时间较长，极易造成TV烧毁、熔断器熔断及TV爆炸事故^[1-2]，因此加强对铁磁谐振的分析及治理意义重大。本文以巴彦淖尔地区电网布拉格变电站为例，对该站发生的一起10 kV系统单相接地故障引发的电磁谐振进行分析，并提出预防措施，供相关技术人员参考。

1 铁磁谐振形成机理及危害 1.1 形成机理

电网中的电感元件有变压器的一次线圈、二次线圈，发电机线圈、消弧线圈、线路等效电抗等。电容参数有线路的相间电容、电容器补偿电容、线路对地电容、杂散电容等。电网正常运行时，整个系统的感抗大于容抗，远离谐振点。当系统中出现破坏系统参数的事件如接地拉路、雷击、跳闸、弧光接地等时，将会使系统的电感元件达到饱和状态，造成等值电感、电抗迅速减小，电容参数与电感参数达到匹配条件而引发铁磁谐振。在铁磁谐振发生后，电网由正常运行状态过渡到谐振状态，电容元件的电荷聚集，引发过电压及过电流事故^[3-6]。

配电网中的铁磁谐振多为单相接地引起，以单相接地为例说明故障后系统电流及电压变化。假设某系统W相发生接地，故障发生时系统接线及向量图如图 1所示。配电网正常运行时各相电压有效值相等，中性点电压U_N=0。在W相接地后，W相电压U_W=0，流过接地点的电流为整个系统的对地电容电流。由图 1b可知，中性点电压U_N=-U_W，相电压升高为线电压，但此时各个相之间的线电压仍然对称，可连续对负荷供电^[7-8]。

1.2 危害

随着城区变电站的负荷增大，出线电缆增多，因此发生接地后流过故障点的容性电流增大，故障产生的电弧不易熄灭，有可能引发连续性的弧光接地导致重合闸失败，并产生高于额定电压4~6倍的过电压。此时系统中励磁性能较差的TV将达到过饱和状态，可能造成TV熔丝熔断甚至喷油爆炸。此外，谐振过电压还会使系统中的绝缘薄弱点被击穿，造成设备损毁^[9-12]。

2 案例分析

2018-05-25巴彦淖尔地区电网布拉格变电站10 kV系统发生一起因单相接地拉路引起的铁磁谐振。

2.1 事故前电网运行方式

布拉格变电站为巴彦淖尔地区调控一体化集控运维主站，正常运行方式下布拉格变电站1号主变压器接带10 kV系统运行（接线方式如图 2所示），负荷为城区负荷和1个小型光伏电站。

2.2 事故过程

19：21监控员汇报，布拉格变电站10 kV系统U相接地，此时U_U=0.6 kV、U_V=9.7 kV、U_W=9.6 kV。检查小电流选线装置选线线路及站内设备，小电流选线装置选线新城Ⅰ线，备选新城Ⅱ线，站内设备正常。19：30拉开新城Ⅰ线断路器后接地现象消失。19：31系统出现三相电压同时升高并摆动的谐振现象（数据见表 1），10 kV布光线差动保护跳闸。19：32试送新城Ⅰ线，过流Ⅱ段保护动作跳闸，谐振未消失。19：33变电站报电容器942柜附近有浓烟，拉开电容器942后系统谐振消失，电压恢复正常。后检查发现电容器942后柜门观察窗炸开，电容器W相电缆头炸裂（见图 3）。

2.3 原因分析

该案例是典型的单相接地故障拉路后激发的系统铁磁谐振事故，谐振产生的过电压造成电容器电缆头炸裂。中性点不接地系统发生单相接地故障后极易激发铁磁谐振。单相接地期间，故障点流过的是整个系统的电容电流，同时不接地相电压升至线电压，因此10 kV系统储存了大量电荷。选线拉路后接地点消失，三相电压回归至正常相电压，线路上积累的大量电荷在电压回归瞬间，只能通过并联母线的TV中性点释放，在此情况下TV达到饱和状态，系统电感参数与电容参数相匹配，激发铁磁谐振。

布拉格变电站出线由杆塔更换为入地电缆后，造成系统的电容增大，而且变电站的10 kV母线未安装消弧线圈，造成电感电流不足，不能够补偿电容电流，这是造成单相接地故障的主要原因。

3 防治措施 3.1 消弧线圈法

消弧线圈法是在电网系统中接入补偿电容电流的消弧线圈，是一种常用且有效的抑制系统谐振方法。该方法需要定期检测系统电容电流，进行过补偿运行^[5]。目前配电网接入的非线性设备增多，导致谐波增多，但是消弧线圈法的主要缺点是不能对谐波分量进行补偿，对谐波引起的电弧的熄灭能力有限。

3.2 4TV法

配电网中TV易饱和问题可采用4TV法对原有的TV进行改造：在三相TV的中性点接入一个单相TV，使其开口三角形短路。该方法可以改善TV励磁特性曲线，以提高电感的饱和点，其接线方式如图 4所示。该方法的优点是改造方便，可抑制TV熔断器的熔断。缺点是用户侧的TV不能接地，且TV的三角形绕组内会有环流，如果环流过大易损坏TV。

3.3 TV高压侧经非线性电阻接地

将系统TV高压侧的中性点改造为接入非线性电阻接地方式（如图 5所示），以增大零序回路的阻尼，在谐振发生后消耗谐振能量。

非线性电阻参数的合理选取是该方法现场应用的一个难点，从试验和现场情况来看，采用此方法抑制谐振，系统要经历几次低频摆动，消谐的暂态过程较长。同时随着配电网的出线增多，饱和电流增大，需要在负荷侧TV也装设非线性电阻。

3.4 其他措施

（1）配电网故障处理后，为了避免再次发生谐振，可在送电前调整变压器分接头、投退电容器以避开谐振点，破坏谐振条件。

（2）配电网中的运行设备都是按照电网三相一致方式进行设计的，三相不平衡易激发谐振，故在分合断路器时须提高断路器动作的同期性。

（3）系统发生单相接地故障后可采取快速拉路措施。按负荷性质提前设置拉路序位，将序位表输入智能化拉路系统。

（4）对电缆进行入地改造后，线路发生永久性故障的可能性提高，在电缆出线较长的线路上设置分段重合器，以快速隔离故障，缩短故障查找时间。

4 结语

目前铁磁谐振抑制方法虽然取得了一定成果，但由于配电网的谐振发生机理具有非线性及系统运行方式的灵活性、抑制谐振设备的局限性，铁磁谐振在配电网中还经常发生。抑制铁磁谐振的措施须根据变电站的具体情况，按照“防”“消”结合进行综合治理。本文对铁磁谐振机理的分析方法及提出的谐振防治措施，可供相关工程技术人员及电网运行人员参考。