变压器和配电网络中铁磁共振的分析

主要收获

• • 铁磁共振源于特定的电路状态，因此开关序列和电容的重要性不亚于变压器的额定值。

  • 在任何研究计划中，负载较轻的配电变压器和单相开关柜都应作为首要关注对象。

  • 可靠的预防措施取决于非线性建模、明确的接地细节以及能够避免部分带电的操作步骤。

当普通开关操作导致饱和铁芯与系统电容相互作用，从而维持失真过电压时，铁磁共振会损坏变压器。

这就是为什么事后看来，这种现象往往显得扑朔迷离。即使没有可见的故障，电流也不大，变压器仍可能因绝缘应力、噪声、发热或熔断器反复动作而停运。稳态负荷流分析无法发现这一问题，采用线性电感值的简单暂态模型同样无法发现。 你需要在同一项研究中同时考虑开关序列、电容以及非线性磁行为。美国约有5500万至 6900万台配电变压器 ，这意味着即使是罕见的开关交互现象也值得在规划中予以关注。正是由于这一规模，铁磁共振才应纳入变压器和配电线路的常规开关研究中，而不是被归入专门用于处理罕见故障的文件夹。

在常规变压器开关操作过程中，是什么原因导致了铁磁共振？

当在异常开关状态之后，可饱和变压器的电感继续与系统电容相互作用时，就会引发铁磁共振。此时，电路将进入非线性振荡状态，而非正常的正弦波工作状态。电压将持续处于升高、失真且稳定的状态，直到拓扑结构发生变化或施加足够的阻尼为止。

一种常见的情况是：当三相变压器组中的一相断开后，电缆电容、断路器分级电容或线对地电容仍会将电压耦合到已断开的相上。 此时，变压器不再以平衡方式受电，但也未完全隔离。这种部分连接足以使其中一个支路进入饱和状态，并持续维持振荡。由于电流表现不似常规故障，操作人员通常将此类事件视为干扰性开关事件。

应将铁磁共振视为一种电路状态，因为开关配置决定了其结果。同一台变压器在一种开关序列中可能表现正常，但在另一种开关序列中却可能发生严重故障。这就是为什么仅凭事件后的检查很少能得出明确结论。 

“原因在于网络电容、开关状态、接地以及磁化曲线之间的相互作用。”

风险最高的情况出现在负载较轻的配电变压器中

负载较轻的配电变压器最容易受到影响，因为其阻尼较弱，且励磁支路主导着电流。此时，来自电缆、套管、断路器触头或裸露导线段的小电容便可能维持一种振荡状态，而这种振荡在负载较重时会迅速消失。因此，无负载工况是您应首先进行筛查的情况。

假设在维护切换期间，地下馈线末端有一台基座式配电变压器。此时，变压器二次侧几乎没有负载，上游有一相断开，而馈线电缆仍会产生相-地电容。这种组合恰好形成了一种弱阻尼电路，铁磁共振现象会在其中建立并持续存在。变压器看似处于空载状态，而这恰恰是问题的一部分。

这就是为什么在规划阶段，配电变压器中的铁磁共振问题常常被忽视。工程师们往往只关注峰值负荷、故障负荷或电压降，而危险情况却恰恰出现在工作范围的另一端。农村馈线、季节性负荷、备用变压器和备用组应予以特别关注。一台负载较轻的变压器，不会仅仅因为系统功率较低就自动保护自身。

单极开关操作创造了铁磁共振所需的电路条件

当一个或两个相位通过电容保持耦合，而另一个相位将变压器铁芯推入饱和状态时，单极开关会引发铁磁共振。这种部分通电比干净的三相开闭操作更危险，因为电路会保持不均衡的电压基准，并形成一条微弱的振荡路径。

一个常见的电力系统案例始于三相架空组中某相的保险丝熔断。其余两相仍保持连接，变压器铁芯不再受到平衡磁通，而断开的那相仍通过寄生电容获得电压。另一种情况是，当开关未能作为真正的联锁装置运行，导致各极在不同时间断开时。从变电站现场看，这两种情况似乎都不起眼，但它们都恰好形成了铁磁共振所需的拓扑结构。

应将单极状态视为触发标志，因为它决定了您如何评估开关操作带来的风险。保护设置、熔断器使用规范以及开关操作程序在此都至关重要，因为它们决定了电路处于这种棘手的非正常状态的时间长短。该状态持续时间越长，变压器就越有可能陷入持续的异常电压状态，而非仅经历短暂的瞬态过程。

持续过电压是由非线性电感与系统电容相互作用所引起的

持续过电压的出现是因为变压器的电感并非固定值。一旦铁芯饱和，有效电感就会随电压和磁通量而变化。系统电容会持续向该非线性支路输入能量，因此电路可能会进入次谐波、准周期或混沌状态，而不是在短暂的暂态后逐渐衰减。

在铁磁共振事件期间，通常会观察到某相对地电压上升，同时波形严重失真。一项针对轻载接地星形变压器的研究案例表明，某相电压可能接近1.8单位，同时伴有严重的低阶失真、响亮的噪声，以及与测量电流不匹配的发热现象。已发布的技术指南报告称，电力系统中的铁磁共振过电压范围约为 1.25至6单位。

电压严重程度与电流幅值之间的这种不匹配，解释了为何该问题如此难以被察觉。标准的过流保护无法全面反映问题，而仅凭一次短暂的均方根（RMS）瞬态测量，可能会使该状况看起来比实际情况要轻微。要判断实际应力，需要考虑时域电压、磁通量以及中性点偏移。持续作用才是造成损害的根源，而第一个峰值仅是问题的一部分。

铁芯饱和的细节决定了模拟能否再现铁磁共振

铁芯饱和细节决定了您的仿真是否会显示铁磁共振现象。采用固定电感值的变压器模型无法再现维持该现象的非线性相互作用。您需要明确表示磁化曲线、适当的饱和拐点、剩磁处理以及周围的相-地电容。

假设两个相同的馈线变压器模型。第一个模型采用线性励磁支路和通用理想变压器。第二个模型则包含非线性励磁支路、前次断电产生的残余磁通，以及各相的电缆电容。只有第二个模型才能再现现场工作人员在发生异常开关序列后实际报告的过电压和波形畸变现象。

在建模细节方面，执行环节至关重要。SPS SOFTWARE 为您提供了一种透明的方式，可在单个基于物理原理的研究中检查非线性变压器模型、馈线电容以及开关状态，这正是铁磁共振研究所必需的。如果其中任何一个环节被隐藏或简化，该案例就无法清晰地显示相关风险。

在进行铁磁共振研究时，应首先测试可信的开关情况

一项有价值的铁磁共振研究应从系统实际可能遇到的开关工况入手。不应从极端情况或罕见的保护失效情况开始。应从无负载通电、单相中断、熔断器熔断、错极运行以及在维护隔离过程中仍保持电容连接的情况开始。

一个实用的工作流程应简明且有条理：

• 首先对变压器在空载和极轻载条件下进行建模。
• 测试单相开路状态和交错极运行。
• 应包括来自电缆、套管和开关设备的相-地电容。
• 明确表示非线性磁化曲线和残余磁通量。
• 记录相电压、中性点偏移、失真以及事件持续时间

当您根据故障可信度对案例进行排序时，馈线研究将变得更有价值。对于采用电缆供电的地面安装式变压器，其维护切换工作应优先于发生概率较低的多设备故障。下表中的检查点有助于明确这一重点。

预防工作始于变压器通电时的受控开关序列

只有在切换操作不会使变压器处于部分带电状态时，预防措施才能发挥最佳效果。采用三极操作、对所有相进行彻底隔离，以及采取避免轻载单相暴露的操作规程，将消除铁磁共振所需的条件。通常而言，严格遵守操作规程比在故障发生后加装硬件更为重要。

试想一下，维修人员正在给一套备用三相电源组上电。如果各相之间紧密配合，形成真正的协同作业，且该电源组承担的临时负载较小，则电路会经历短暂的暂态过程后趋于稳定。但如果某相跟不上节奏、某根保险丝断开，或者在无负载的相线上仍连接着长电缆，同样的操作就可能演变成持续的过电压事件。变压器本身没有变化，变化的是操作顺序。

您应将这一观察结果转化为切换规则。审查三相组中的熔断器应用情况，确定哪些设备可能导致单相断开，并制定维护步骤，确保变压器绕组不会被馈线电容所阻隔。某些现场可能会以使用阻尼电阻或选择替代设备为由进行辩解，但通过序列控制以及对可靠现场操作的详细研究，大多数风险在早期阶段即可消除。

因漏报中性点接地细节，导致铁磁共振风险被掩盖

中性点接地的细节往往决定了存在疑问的开关情况是保持无害，还是会演变为铁磁共振。接地参考点控制着电压平衡、中性点偏移以及电容回流电流的方式。如果在模型中省略、简化或错误连接了接地路径，您将低估过电压的严重程度和事件的持续时间。

一台带接地星形接线的初级变压器，若其中性点存在非预期的高阻抗路径，其工作行为可能与同型号但中性点采用可靠接地的变压器大相径庭。这种差异在部分分接开关操作后表现得最为明显——此时，其中一相通过电容获得微弱供电，中性点开始发生偏移。现场团队往往将这种现象误判为随机的变压器故障，因为图纸上很容易忽略接地的具体细节，而在简化研究中更是极易被省略。

“正是这种建模严谨性，才避免了日常运行中出现无法解释的变压器损坏。”

有用的判断其实很简单。只要模型中包含实际的开关路径、非线性铁芯、馈线电容和中性点连接，铁磁共振现象就很少会成为谜团。SPS SOFTWARE正适合这项工作，因为您可以直接检查每个假设，并测试规划人员和施工人员实际会采用的开关步骤。