一起配电网铁磁谐振事件分析

陈慧，刘宁，张馨媛

（1. 超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2. 昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500）

0 前言

在中低压等级的配电网中，铁磁谐振是最常见的故障类型之一，严重威胁着中性点不接地系统的安全稳定运行[1-2]。作为非线性共振的一种，铁磁谐振现象由PT（PT）内部铁芯饱和引起，往往发生在单相接地、线路受雷击或倒闸操作等激发条件下[3-5]。当发生铁磁谐振时，电力系统内会产生严重的过电压或过电流，其中，过电压会导致电力元件绝缘性受影响，过电流易导致PT高压熔断器丝熔断。严重的铁磁谐振可能会导致绝缘泄露、PT爆炸、避雷器爆炸等事故，对生产安全和人员安全构成巨大威胁[6-7]。因此，研究中低压等级的中性点不接地系统中的铁磁谐振现象，对提升配电网系统的安全性和稳定性具有重大意义。

近年来，不乏专家学者针对中性点不接地系统得铁磁谐振问题提出和改进抑制方案，从机理来看，大致可以分为两大类，即：通过改变电容及电感大小以破坏铁磁谐振条件或利用阻尼作用消耗谐振能量[8]。如选用带放电管地消谐器[9]、减少同一系统中PT并联台数、4PT接线、在互感器开口角回路加阻尼电阻或电子型电阻等[10]。

本文分析了一次发生在云南某配电系统的铁磁谐振事件。首先，分析了铁磁谐振的机理与分类；然后分析了本次谐振事件的经过，并利用快速傅里叶变换进行频谱分析，确定了谐振类型；最后，通过对二次消谐装置启动条件的分析，解释了二次消谐装置未动作原因，并给出治理措施建议。

1 铁磁谐振的机理及分类

1.1 铁磁谐振机理

在电力系统中通过PT实现对母线电压的监测，为了保障PT的安全运行，PT的中性点通常需要直接接地。但在中性点非有效接地系统中，高压线路对地会形成对地电容。PT接线方式为星形连接，从而其等效电路图如图1所示。

图1 PT三相回路等效电路图

图中，EA、EB、EC分别表示三相电源电动势，LA、LB、LC分别表示PT三相电感，C0为系统对地电容，设电容C0分别与A、B、C三相励磁电感并联后的等效导纳为YA、YB、YC[11]。

PT具有非线性励磁特性，铁芯易饱和。因而在单相接地故障消失瞬间，其励磁感抗会从兆欧级骤降至千欧级，与对地电容参数匹配，经过大地形成铁磁谐振[12-13]。

1.2 谐振类型

电力系统的谐振以谐振电路为依据，可以分为串联谐振和并联谐振；以故障时间为依据，可以分为暂态谐振和稳态谐振[14]；以谐振频率为分类依据，可将铁磁谐振分为分频、高频和基频谐振。

1.2.1 谐振电路

串联、并联谐振的示意图分别如图2、图3所示。

图2 串联谐振电路

图3 并联谐振电路

XC表示基波时的容抗，XL表示感抗，N为谐波源的频率与基波频率的比值。当满足式（1）时，就会导致谐振事件的发生[15]。

通过分析电路模型可以发现，串联谐振和并联谐振分别发生在系统电源不对称运行和系统单相接地故障条件下。当发生串联谐振时，谐波电流值为谐波源电压与电阻的比值。而发生并联谐振时，并联回路中很小的谐波源就会可能引起很大的谐振电流，对PT产生更大的威胁，因此，并联谐振的危害远大于串联谐振。

1.2.2 谐振过程

在中性点不接地系统中，等效电容充电完成后，由于负载阻抗大，只能通过PT一次侧放电；PT铁芯饱和后，又将电荷回送至电容，循环往复。即当不存在稳态电源时，振荡会发生衰减。当存在稳态电源时，当其变化至与电源同频时，在足够大的扰动作用下，就有可能发生稳态谐振。

1.2.3 谐振频率

不同频率铁磁谐振的性质如表1所示[16-17]。

表1 不同频率铁磁谐振特征

发生基频谐振时，可能出现两种情形：其一是三相电压值两相高，一相低，类似单相接地。此时线电压正常，过电流很大，易导致PT熔丝熔断。其二是两相对地电压降低，一相对地电压升高，中性点对地有电压。二者相较之下，后面一种情况出现概率较小[18]。

2 铁磁谐振事件分析

2.1 谐振过程

2022年6月超高压曲靖局某配电系统发生了一次铁磁谐振事件。图4所示为10 kV Ⅱ段母线A、B、C三相的故障录波数据。

通过分析故障录波数据可将事故经过分为三个阶段：事故发生前（-0.5-0 s）；激励阶段（0-0.6 s)和谐振阶段（0.6s-3.5 s），由此可知，该谐振事件是单相接地故障消失后诱发的铁磁谐振。

2.2 事故分析

1）事故发生前：图4记录了事故发生前0.5 s电网的正常波形，此时三相平衡且对称，三相电压之和为零，没有出现中性点电压偏移现象。

虽然中性点非有效接地系统产生的对地电容，与中性点直接接地的PT之间存在产生铁磁谐振的可能性。但是，由于PT铁芯在未发生饱和情况下，其阻抗值是兆欧级的，其阻抗值远大于对地电容的容抗值，二者数量级相差巨大，PT近似断路，并不构成谐振条件。

2）谐振激励阶段：在图4中的0 s起，系统发生的单相接地事件，由于10 kV系统采用的是三角形接线，单相接地后表现为两相电压升高，一相电压降低，此时系统中性点电压发生了偏移，产生了零序分量。单相接地故障共持续了约0.6 s左右。

3）谐振阶段：0.6 s以后，接地故障消失，C相接地点与大地间的回路断开，A、B相电压欲从当前所处数值快速重新回落至相电压，大量剩余电荷通过PT中性点一次侧快速释放，使得流过PT的电流瞬间增大，PT铁芯饱和，非线性励磁电感感抗急剧减小至千欧级，与对地电容参数刚好达到谐振条件，经过大地形成铁磁谐振。在谐振条件下，发生了谐振过电压和过电流情况，造成A相熔断器在事故发生后第1.47秒熔断。

2.3 谐振类型

通过图4可以看出，B相、C相电压大幅度升高，过电压峰值分别为18.09 kV、17.36 kV，约为正常工况下相电压峰值8.388 kV的2.16倍、2.07倍。利用快速傅里叶变换（FFT）进行频谱分析，得到谐振时间段的频谱如图5所示，主导次谐振频率为50.17 Hz，可知该谐振类型为基频谐振。

图5 FFT频谱分析

2.4 二次消谐未动作原因

二次消谐装置的动作判别条件如表2所示。当PT开口三角电压U0在小于等于10 kV条件进，微机消谐装置内的消谐元件处于阻断状态，不影响系统运行；当发生故障时，以PT开口三角接线电压U0为判据，依据所达到的电压值做出故障判断[19]：

表2 二次消谐装置动作判别条件

进一步分析发现，虽然现场安装了二次消谐设备，但该设备并未动作。为了分析二次消谐设备未动作的原因，本文依据三相PT的实时采样值，得到PT开口三角电压值，并绘制其波形图，如图6。通过波形图，可直观看出开口三角电压U0的最大值在第1.43 s处出现，且U0最大值仅为46.6 kV，即消谐装置判定本次事故为“接地”或“过电压”，并未达到二次消谐装置启动条件。

图6 PT开口三角电压波形

3 治理措施建议

3.1 二次消谐装置的定值优化

通过故障录波数据可知，该配电系统确实是发生了铁磁谐振现象，但由于未达二次消谐装置设定的“谐振”动作判断阈值而未启动二次消谐装置。建议对二次消谐装置的定值进行适当优化调整。

3.2 加装一次消谐装置

为解决单独采用二次消谐存在的事故误判而导致的消谐装置未动作问题，结合生产实际，可增设一次消谐装置，改进消谐策略，采用一次与二次相结合的消谐方法。

若二次消谐未动作或无法彻底消除谐振，则转而使用一次消谐装置作为补充[20]。驱动一次消谐装置动作，使中性点通过限压器接地，利用其对谐振电流的阻尼作用消耗谐振能量，从而达到消谐目的。

3.3 更换PT熔芯

另外，可适当考虑提高熔断器阈值的解决方法。可能考虑将一次熔芯的额定电流由0.5 A更改为1 A，这样能提升PT的过载耐受能力，减少PT熔芯频繁熔断的情况。通常，对于PT容量低于30 VA或不满足1.9Un拐点电压性能的情况，仍建议采用0.5 A规格的熔芯。

4 结束语

本文分析了在生产实际中发生的一起铁磁谐振事故案例，在该案例中现场配置了二次消谐装置，但并未动作。本文详细分析了该铁磁谐振事件的整个过程，探讨了二次消谐装置未动作的原因，提出了治理措施建议。

1）该事件是由非金属性单相接地故障诱发的一起基频铁磁谐振，谐振产生的过电压幅值是相电压的2.16倍，符合基频铁磁谐振牲。

2）现场安装了二次消谐设备，但并未运作，其原因是PT开口三角电压U0较小，未达到二次消谐的启动条件，并最终导致A相熔断器熔断。

3）建议采用优化二次消谐定值，采用一、二次消谐相结合，更换更大一些PT熔芯的解决方案，通过上述措施可以降低铁磁谐振的危害，保障电力系统的安全稳定运行。