浅谈电力系统谐振过电压

摘  要：本文详细分析电力系统线性谐振和参数谐振，以及谐振过电压的危害，在电力系统运行中，为了限制和消除这类有危害的过电压，提出可以采用的方法。电力系统运行中，因为有电感、电容的存在，加之不同情况下对设备的运行方式和状态的改变，导致谐振和过电压，本文探讨了实际运行中产生的多种谐振过电压以及危害较大、产生频率较高的铁磁谐振，并结合工作实例进行分析，且提出了相应的改善措施。我们研究谐振的目的就是要科学地利用谐振的特征，与此同时又要预防它在我们生活和工作中带来的危害。

关键词：过电压;谐振;电容;电感;保护装置

中图分类号：TM864      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0049-03

Talking about the Resonance Overvoltage of Power System

YANG Zhiqiang

（Sichuan Bahe Hydropower Development Co.，Ltd.，Bazhong  636400，China）

Abstract：In this paper， the linear resonance and parametric resonance of power system and the harm of resonance overvoltage are analyzed in detail. In the operation of power system，in order to limit and eliminate such harmful overvoltage，a method can be proposed. In the operation of the power system，because of the existence of inductance，capacitance，and changes in the operation mode and state of the device under different conditions，resulting in resonance and overvoltage，this paper discusses the various resonant overvoltages and hazards generated in actual operation. Large，high-frequency ferromagnetic resonance is generated，and the corresponding improvement measures are proposed through the combination of working examples. The purpose of our study of resonance is to scientifically exploit the characteristics of resonance，while at the same time preventing the harm it brings in our lives and work.

Keywords：overvoltage;resonance;capacitance;inductance;protection device

0  引  言

很多電感元件（如变压器）和电容元件（如输电线路）都存在于电力电路中，振荡回路就是由这些带有电感和电容的元件组成的。在电路运行或电路发生故障时，外界电路和有些振荡回路就引起了谐振，谐振过电压就会在系统的部分元件上产生。谐振过电压持续的时间比操作过电压长很多，它是一种稳态现象，它可以持续十分之几秒还能稳定存在，在电路有新的操作且破坏谐振产生的条件下，才会终止，比较严重的后果就是其过电压会危及设备的绝缘而烧坏设备。电力系统的电阻和电容都是线性参数，电感可能是线性的、非线性的，也可能是周期性变化的。电力系统中一般分为线性谐振、参数谐振、铁磁谐振。

1  线性谐振和参数谐振

1.1  电路中的电感

电容和电阻值都是常数，如果忽略数值很小的电阻，则振荡回路中的频率ω=。当ω和电源的角频率相等或者接近时，回路中电流很大，使感抗和容抗上均出现过电压，这就是线性谐振过电压。

1.2  参数谐振过电压

系统电容元件（如空载线路）和电感参数（如变压器、互感器等）做周期性变化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗在Xd～Xq间周期变化）组成回路，当参数符合某个条件时，通过周期性变化的电感一直会持续性地向电能系统输送能量，形成参数谐振过电压。

2  铁磁谐振

电路中带有铁心的电感元件如变压器、互感器等，它们的电感并不是常数，其值随着铁心的饱和程度不同而改变，满足一定条件时，回路中将发生谐振。

（1）铁磁谐振过电压，如图1所示，表示出带铁心电感L和电容C与电源E的串联回路。UL=ωLI，Uc=。

（2）由串联谐振电路和公式可知，产生铁磁谐振的必然条件是电容和电感在特性曲线的交点，也即ωl=，如果电路中电容C值很小，使  大到其伏安特性和L的特性不能相交点，则电路将不会发生谐振。

（3）在伏安特性相交的范围内，电容值越小，Uc直线越往上倾斜，二者交点对应的电流值越小，产生的谐振概率越大。但由于这时交点向左移动，通过分析其特性曲线可知，此时过电压数值减小，反之C增大，二者交点各坐标轴右移动，产生谐振概率减小但过电压数值增大。产生谐振的根本原因是铁磁元件的非线性特征，其饱和效应本身又限制了过电压的幅值，经验表明一般过电压系数不超过3，这都是谐振发生在工频在基波的情况，实际试验和分析表明，在铁磁电感振放回路中，如果满足一定条件，其他频率的谐振现象也有可能出现并会保持连续性，如果其振荡频率等于工频的整数倍，电力系统就会因此而产生高次谐波谐振。

3  发生谐振的典型情况

（1）电力系统中这种带铁心的电感主要是消弧线圈、变压器、电磁式互感器。电容是相间电容以及电感线圈对地的杂散电容，系统发生经典的铁磁谐振是线路故障断线或者不对称开路，线路末端接有空载或者轻微的中性点不接地的变压器，因为回路发生了变化，它与变压器绕组的非线性励磁形成了串联谐振回路，发生这类过电压经常会引起避雷器爆炸，烧坏变压器和绝缘子，或使变压器负载侧相序反转，为防止这种事故的发生，应不使用分相操作的断路器和熔断器，并应该避免变压器空载或轻载运行（负荷在额定容量的20%以下运行被认为是轻载）。

（2）电力系统发生谐振的另一种典型情况是：中性点绝缘的系统中母线上接有电磁式电压互感器，在进行某些操作时（如人为让接地故障消失，非同期合闸）都有可能使一相或几相电压瞬间升高，三项铁心受到不同的励磁而呈现不同程度的饱和，使中性点位移而产生谐振过电压，这种过电压如果是基波谐振，就可能出现两相电压对地升高，若是谐波谐振可能导致三相电压同时对地升高。

基于笔者十多年在电力系统的运行和实测经验，基波和高次谐波谐振过电压很少超过三倍工频电压有效值，一般均不会有任何危险。对分次谐波谐振过电压，由于阻抗的非线性特征，使激磁电流大大增加，可达到额定激磁电流的几十甚至上百倍，虽然这种情况下过电压系数并不超过2，但是太大的激磁电流会烧毁容丝，或者使互感器发热，进而出现烧坏或者爆炸。

4  谐振过电压的危害

谐振过电压在各级电网中都可能发生，实践表明它会导致很多电力系统事故的发生。系统中部分元件，比如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并联、串联电容器组，高压设备的寄生电容是电容元件。这些都是属于电感性的和电容性的，而导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容。这些元件组成复杂的L-C振荡回路，在电力系统中，受某些操作或者动力的影响，会形成特定的电路，电路中特定参数相互变化并配合，定会出现谐振（串联或者并联）现象，导致高压设备电压的异常升高。谐振通常情况下属于稳态现象，所以其持续时间比操作过电压长得多且非常稳定，直至发生新的操作而破坏原回路的谐振条件时才会终止。

因为谐振过电压的持续时间长，所以其危害也较大。因此在电力系统中，因谐振而产生持续的过电流而烧断熔丝或设备的情况时有发生，谐振过电压还会危及电气设备的绝缘，谐振过电压对保护装置的工作条件也会带来很多的改变并产生不利影响。笔者在工作中时常遇到普通避雷器在谐振过电压下运行，特别是雷雨季节，假如不能有效灭弧，避雷器就会遭到多次非常严重的破坏。

5  限制和消除有危害的过电压

限制和消除有危害的过电压可采用的方法如下：

（1）实际的电网运行过程证明，不接地的中性点系统中，铁磁谐振过电压（由于电压互感器铁心饱和引起的）比较多，即使采取了很多的措施来限制諧振过电压，如在TV高压中性点增设电阻，电路中加消谐器等，也没有从根本上或者从本质上解决问题。TV烧毁、熔丝熔断仍不断发生。由于中性点不接地电力系统的运行方式的主要特点是当单相接地后，规程是允许保持正常线路运行一定的时间（一般可以为2h）的，而不至于导致影响用户用电，但随着出线线路增长、电力输出线路数增多、中低压电网的不断扩大、中低压电网对地电容之电流亦大幅度增加，单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压，经验表明一般为3～5倍U相电压甚至会更高，致使电网中绝缘薄弱的地方被高电压放电击穿，以致发展为相间短路，进而造成设备损坏和停电事故。在工作中通常采用自动调谐接地补偿装置，来较好地规避此类问题。

（2）在电压互感器一次绕组中性点接入电阻，或者把阻尼电阻短时接在电压互感器开口三角形绕组中。

（3）在条件许可的情况下，对10kV及以下电压等级的线路上最好利用电缆代替架空线，或者在母线上装设三相对地电容器，以此来增大线路的对地电容，就可以适当地避免谐振。

（4）采取临时倒闸措施，如投入消弧线圈，将变压器中性点临时接地以及投入事先装好的线路或者设备等。

（5）把消弧线圈接在系统的中性点上，这样就可以破坏系统产生谐振的条件，就可以有效地抑制谐振过电压的产生。因为消弧线圈的感抗比较小（百欧级），反而TV的励磁感抗比较大（千欧至兆欧级），这样谐振条件无法满足要求，谐振就不会发生。再则，若无消弧线圈，单相接地发生间歇性电弧时，电容上多次充放电造成TV烧毁、熔丝熔断;加上消弧线圈后，互感器TV中电流就很小，电器就不会烧毁了。所以把消弧线圈接入中性点，能够很好地抑制因为电压互感器铁心饱和引起的谐振过电压。

6  结  论

电力系统中，谐振常常会发生在很多设备的运行状态中，电磁谐振是电路里的电感和电容等蓄能元件在特定的条件下产生的电磁共振。在谐振状态下，电路的总阻抗达到极值或近似达到极值，在没有特别需要和设备控制的情况下，这种谐振是有害的，会对电器设备造成很大的破坏，而谐振过电压对电网造成的危害，诸如电网设备绝缘损毁，电压互感器烧毁、保护装置误动作，电压互感器熔丝熔断、甚至造成相间短路等等，所以很有必要加强对这类过电压的防治。

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作者简介：杨志强（1988.04-），男，汉族，四川平昌人，电气助理工程师，本科，研究方向：电气运行和检修。