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摘要：电力系统谐振在变电站运行中是一种常见的现象，尤其在小电流系统内的电气设备上经常发生。从谐振产生的原因、产生的条件、危害以及常用的消除方法四个方面入手，对变电站谐振现象进行探讨。
关键词：谐振；产生条件；危害；消除
作者简介：赵德阳（1983-），男，安徽阜阳人，阜阳供电公司调度所，助理工程师。胡琦（1982-），女，安徽阜阳人，阜阳红旗中学，中教二级教师。（安徽 阜阳 236000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0127-02
在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使得电力系统参数发生变化，引起电力系统内部分电磁能量的转化而造成的瞬间电压升高现象即为谐振。因其在瞬间过程完毕后出现，具有稳态性质，故而它又被称为暂时过电压。它虽具有稳态性质，但是短时存在或不允许其持续存在的特征，相对于正常的运行状态来说，它是“暂时”的。谐振按其谐振回路的电感元件性质不同，可分为线性谐振、非线性谐振（又称为铁磁谐振）和参数谐振。由于参数谐振主要在发电厂部分发生，本文在此不做讨论。
一、谐振的定义及产生的原因
谐振是指振荡回路中某一固有振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态（或准稳态）现象。电力系统中的电气设备总是具有电感、电容和电阻的属性，变压器、电抗器、消弧线圈、电磁式电压互感器、导线电感等可作为电感元件。导线对地电容、补偿电容器、相间电容等可作为电容元件，在正常运行时，这些元件不会形成串联谐振，但当发生故障或操作时，系统中的某些回路被割裂、重组后构成新的振荡回路，在一定的能量激励下将产生串联谐振。
二、谐振产生的条件
根据谐振的分类不同，我们从线性谐振和非线性谐振两个方面分别探讨谐振现象的产生条件。由线性元件电容C、电阻R和电感L组成的串联回路（见图1），当回路自振频率与电源频率相等或接近相等时，就有可能发生串联线性谐振。由此可以得到简单的线性电路谐振条件为：ωL=1/ωC。其中ω是电力系统固有的工频角速度，L是电感元件的感抗值，C是线形元件中电容元件的容抗值。当上述条件满足时，谐振现象就会发生。
对于复杂的线性电路，其谐振条件是：从电源侧向外看去的工频入口阻抗的虚部为零。也就是只有阻抗的实数部分，电源电压与相应的电流处于同相。
非线性谐振也就是所谓的铁磁谐振，由于它发生时伴随着非线性电感元件（比如铁芯电感元件）参与到串联振荡回路中，因此它与简单的线性谐振有不同的特点。铁谐振回路中的铁芯电感会因饱和程度不同而产生相应的不同的电感量，故此其自振角频率也是不固定的。在不同的条件作用下，铁磁谐振可以产生三种谐振状态：基波谐振、高频谐振和分频谐振。其产生的条件主要有以下几点：
在含有非线性电感的谐振回路中，产生K次谐波的必要条件是KωL0>1/KωC，对一定的初始电感值L0，谐振可在很大的电容值内产生；谐振回路的损耗电阻小于临界值；施加于回路的电动势大小应在一定范围内；需要有一定的激发因素，即回路应经历足够强烈的过渡过程的冲击扰动。
三、谐振的危害
在电力系统中，不管电压过高还是电压过低都会给电气设备造成严重的危害。由于谐振在发生时，会产生长期的谐振过电压，而它持续的时间比操作过电压长得多，甚至是稳定存在的，直到谐振条件被破坏为止，因此在谐振持续的一段时间内，将对电气设备造成破坏性的冲击伤害。谐振过电压的危害性既决定于幅值的大小，又取决于持续时间的长短。一般来说，谐振过电压会危及电气设备的绝缘水平，持续的谐振过电流会烧毁小容量的电感元件。在变电站中，小接地电流系统的电压互感器因谐振过电流烧毁的事件是屡见不鲜的。另外，谐振过电压的持续性还会给选择过电压保护措施造成困难。对于中性点接地系统来说，谐振会导致中性点位移及绕组、导线对地有过电压，严重时可能使绝缘闪络，避雷器爆炸，电气设备损坏。还有可能将过电压传到低压侧，造成危害。
四、消除谐振的常用方法
谐振在电力系统中存在着众多的危害，消除谐振现象是运行检修人员不断的追求，然而现实是残酷的，由于电力设备本身具有的参数特性，谐振现象是不可能从根本上消除的，因此抑制谐振现象的发生，破坏谐振产生的条件，来降低谐振的危害成为研究的方向。下面提供几种变电站常用的消谐方法。
（1）消除变电站中谐振的影响，最理想的是从其源头上消除。电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好的电压互感器，而如果用电容式电压互感器替换电磁式电压互感器，将会起到很好的抑制谐振的作用。相信在今后的智能化变电站中，光电式互感器的广泛使用，能够将系统的谐振现象大大消弱。
（2）小接地电流系统经消弧线圈接地消除谐振。从原理上来说，破坏谐振产生的条件，从而达到消除谐振是最理想的方案，因此在小电流接地系统中，广泛采用中性点经消弧线圈接地，其目的是利用消弧线圈的感性电流补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少。在中性点经消弧线圈接地系统补偿时，为避免因发生串联谐振而使消弧线圈感受到很高的电压，需广泛采用过补偿的运行方式。如果使用全补偿方式，肯定会产生谐振现象，而采用欠补偿方式时，很容易产生谐振现象。
（3）限制短线谐振过电压。其措施有：加强线路巡视，及早发现导线的机械损伤；提高检修质量，保证断路器同期动作；不将空载变压器长期接在线路上；不采用熔断器操作，避免非全相运行；采用环网或双电源供电。
（4）在变电站电互感器高压侧中性点经电阻（即一次消谐器）接地。由于系统中性点不接地，Yo接线的电磁式电压互感器的高压绕组，就成为系统三相对地的唯一金属通道。系统单相接地有两个过渡过程，一是接地时；二是接地消失时。接地时，当系统某相接地时，该相直接与地接通，另两相对地也有电源电路（如主变绕组）成为良好的金属通道。因此在接地时的三相对地电容的充放电过程的通道，不会走电压互感器高压绕组，就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流，因为已有某相固定在地电位，也就不会发生铁磁谐振。
（5）变电站中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流供电系统，在电压互感器开口三角组回路安装二次谐振消除装置，其作用为当系统发生铁磁谐振或3U0越限故障时，对铁磁谐振进行消除和记录。
综上所述，谐振现象在变电站中有其存在的原因，其发生有因可循、有道可依，只能消弱、不可根除。只能通过运行检修人员的共同努力，合作管理，降低其发生时给电力系统和电气设备造成的危害。希望在将来的电力技术发展过程中，智能化技术能够改变由于设备本身构造问题引起的变电谐振消不去的尴尬。
参考文獻：
[1]周泽存,沈其工,方瑜,等.高电压技术(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]GB3906-2006.3.6kV~40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[Z].
[3]保定华源电气新技术开发有限公司.谐振消除装置说明书[Z].
（责任责任：刘辉）
关键词：谐振；产生条件；危害；消除
作者简介：赵德阳（1983-），男，安徽阜阳人，阜阳供电公司调度所，助理工程师。胡琦（1982-），女，安徽阜阳人，阜阳红旗中学，中教二级教师。（安徽 阜阳 236000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0127-02
在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使得电力系统参数发生变化，引起电力系统内部分电磁能量的转化而造成的瞬间电压升高现象即为谐振。因其在瞬间过程完毕后出现，具有稳态性质，故而它又被称为暂时过电压。它虽具有稳态性质，但是短时存在或不允许其持续存在的特征，相对于正常的运行状态来说，它是“暂时”的。谐振按其谐振回路的电感元件性质不同，可分为线性谐振、非线性谐振（又称为铁磁谐振）和参数谐振。由于参数谐振主要在发电厂部分发生，本文在此不做讨论。
一、谐振的定义及产生的原因
谐振是指振荡回路中某一固有振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态（或准稳态）现象。电力系统中的电气设备总是具有电感、电容和电阻的属性，变压器、电抗器、消弧线圈、电磁式电压互感器、导线电感等可作为电感元件。导线对地电容、补偿电容器、相间电容等可作为电容元件，在正常运行时，这些元件不会形成串联谐振，但当发生故障或操作时，系统中的某些回路被割裂、重组后构成新的振荡回路，在一定的能量激励下将产生串联谐振。
二、谐振产生的条件
根据谐振的分类不同，我们从线性谐振和非线性谐振两个方面分别探讨谐振现象的产生条件。由线性元件电容C、电阻R和电感L组成的串联回路（见图1），当回路自振频率与电源频率相等或接近相等时，就有可能发生串联线性谐振。由此可以得到简单的线性电路谐振条件为：ωL=1/ωC。其中ω是电力系统固有的工频角速度，L是电感元件的感抗值，C是线形元件中电容元件的容抗值。当上述条件满足时，谐振现象就会发生。
对于复杂的线性电路，其谐振条件是：从电源侧向外看去的工频入口阻抗的虚部为零。也就是只有阻抗的实数部分，电源电压与相应的电流处于同相。
非线性谐振也就是所谓的铁磁谐振，由于它发生时伴随着非线性电感元件（比如铁芯电感元件）参与到串联振荡回路中，因此它与简单的线性谐振有不同的特点。铁谐振回路中的铁芯电感会因饱和程度不同而产生相应的不同的电感量，故此其自振角频率也是不固定的。在不同的条件作用下，铁磁谐振可以产生三种谐振状态：基波谐振、高频谐振和分频谐振。其产生的条件主要有以下几点：
在含有非线性电感的谐振回路中，产生K次谐波的必要条件是KωL0>1/KωC，对一定的初始电感值L0，谐振可在很大的电容值内产生；谐振回路的损耗电阻小于临界值；施加于回路的电动势大小应在一定范围内；需要有一定的激发因素，即回路应经历足够强烈的过渡过程的冲击扰动。
三、谐振的危害
在电力系统中，不管电压过高还是电压过低都会给电气设备造成严重的危害。由于谐振在发生时，会产生长期的谐振过电压，而它持续的时间比操作过电压长得多，甚至是稳定存在的，直到谐振条件被破坏为止，因此在谐振持续的一段时间内，将对电气设备造成破坏性的冲击伤害。谐振过电压的危害性既决定于幅值的大小，又取决于持续时间的长短。一般来说，谐振过电压会危及电气设备的绝缘水平，持续的谐振过电流会烧毁小容量的电感元件。在变电站中，小接地电流系统的电压互感器因谐振过电流烧毁的事件是屡见不鲜的。另外，谐振过电压的持续性还会给选择过电压保护措施造成困难。对于中性点接地系统来说，谐振会导致中性点位移及绕组、导线对地有过电压，严重时可能使绝缘闪络，避雷器爆炸，电气设备损坏。还有可能将过电压传到低压侧，造成危害。
四、消除谐振的常用方法
谐振在电力系统中存在着众多的危害，消除谐振现象是运行检修人员不断的追求，然而现实是残酷的，由于电力设备本身具有的参数特性，谐振现象是不可能从根本上消除的，因此抑制谐振现象的发生，破坏谐振产生的条件，来降低谐振的危害成为研究的方向。下面提供几种变电站常用的消谐方法。
（1）消除变电站中谐振的影响，最理想的是从其源头上消除。电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好的电压互感器，而如果用电容式电压互感器替换电磁式电压互感器，将会起到很好的抑制谐振的作用。相信在今后的智能化变电站中，光电式互感器的广泛使用，能够将系统的谐振现象大大消弱。
（2）小接地电流系统经消弧线圈接地消除谐振。从原理上来说，破坏谐振产生的条件，从而达到消除谐振是最理想的方案，因此在小电流接地系统中，广泛采用中性点经消弧线圈接地，其目的是利用消弧线圈的感性电流补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少。在中性点经消弧线圈接地系统补偿时，为避免因发生串联谐振而使消弧线圈感受到很高的电压，需广泛采用过补偿的运行方式。如果使用全补偿方式，肯定会产生谐振现象，而采用欠补偿方式时，很容易产生谐振现象。
（3）限制短线谐振过电压。其措施有：加强线路巡视，及早发现导线的机械损伤；提高检修质量，保证断路器同期动作；不将空载变压器长期接在线路上；不采用熔断器操作，避免非全相运行；采用环网或双电源供电。
（4）在变电站电互感器高压侧中性点经电阻（即一次消谐器）接地。由于系统中性点不接地，Yo接线的电磁式电压互感器的高压绕组，就成为系统三相对地的唯一金属通道。系统单相接地有两个过渡过程，一是接地时；二是接地消失时。接地时，当系统某相接地时，该相直接与地接通，另两相对地也有电源电路（如主变绕组）成为良好的金属通道。因此在接地时的三相对地电容的充放电过程的通道，不会走电压互感器高压绕组，就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流，因为已有某相固定在地电位，也就不会发生铁磁谐振。
（5）变电站中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流供电系统，在电压互感器开口三角组回路安装二次谐振消除装置，其作用为当系统发生铁磁谐振或3U0越限故障时，对铁磁谐振进行消除和记录。
综上所述，谐振现象在变电站中有其存在的原因，其发生有因可循、有道可依，只能消弱、不可根除。只能通过运行检修人员的共同努力，合作管理，降低其发生时给电力系统和电气设备造成的危害。希望在将来的电力技术发展过程中，智能化技术能够改变由于设备本身构造问题引起的变电谐振消不去的尴尬。
参考文獻：
[1]周泽存,沈其工,方瑜,等.高电压技术(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]GB3906-2006.3.6kV~40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[Z].
[3]保定华源电气新技术开发有限公司.谐振消除装置说明书[Z].
（责任责任：刘辉）