消谐措施

消谐措施（通用7篇）

消谐措施 篇1

1. 引言

在60 kV及以下的中性点不接地系统空母线上, 铁磁谐振是一种常见的故障, 经常引起运行中电压互感器烧毁及一次高压熔丝频繁烧断、一相或两相限流电阻爆炸等事故。由于铁磁谐振发生时间短, 不易直接观察到, 并且与电力系统的一些其他故障现象相似, 所以不易引起重视和被发现。因此, 对铁磁谐振消谐措施的研究有很重要的意义。

2. 铁磁谐振现象

在电力系统中, 往往由于变压器、电压互感器、消弧线圈等铁芯电感的磁路饱和作用而激发起持续性的较高幅值的铁磁谐振过电压。它主要由外因“激发”, 引起中性点绝缘系统中电压互感器的一相或两相磁饱和, 形成中性点位移电压, 使其感抗与网络参数恰好达到串联谐振的匹配条件。铁磁谐振通常包含以下几种特点:

1) 持续 (Sustained) 过电压:相间过电压或相对地过电压。

2) 持续过电。

3) 持续电压或电流波形失真 (Distortion) 。

4) 中性点电压转移。

5) 空载状况下, 变压器过热。

6) 变压器或感抗长期的连续高噪音。

7) 热效应 (Thermal Effect) 或绝缘崩溃 (Insulation Breakdown) 引起的电气设备损坏 (例如PT) ;PT损坏的症状为一次侧线圈破坏, 而二次侧线圈仍完好。

8) 保护设备误动作。

而在中性点不接地系统中最容易发生单相故障恢复时刻所引起的铁磁谐振。

3. 铁磁谐振的危害

长期以来的试验研究和实测结果表明, 基波和高次谐波谐振过电压很少超过3UX, 因此除非存在弱绝缘设备, 一般是不危险的。但经常发生的互感器喷油冒烟, 高压保险熔断和绝缘闪路等异常故障, 产生高幅值零序电压分量 (在开口三角形上) , 出现虚幻接地现象和接地指示误动作, 使运行人员造成误判断。对分次谐波谐振来说, 由于频率等于工频的一半, 励磁感抗相应降低一半, 使励磁电流急剧上升, 有时甚至达到额定值的百倍以上, 这样大的电流会使互感器发生严重的磁饱和, 但过电压也就受到限制, 一般不超过2 UX中性点位移电压 (见表1) 。励磁电流的急剧增加, 将引起高压保险丝的频繁熔断, 或者造成互感器的冒油和烧毁及限流电阻爆炸事件。由于相位反倾, 将使小容量的异步电动机发生反转。长时间的铁磁谐振过电压会造成三相电压同时升高, 使避雷器发生爆炸。

4. 消谐措施

用于防止中性点不直接接地系统中PT引起铁磁谐振的措施种类很多, 大致可以分为两大类:一是改变电感电容的参数, 破坏谐振的匹配条件, 从而不容易激发谐振;另一类是消耗谐振的能量, 阻尼抑制或消除谐振的发生。

4.1 改变电容电感参数破坏谐振匹配条件

1) 选用励磁特性较好的PT

2) 增加对地电容

3) 中性点经消弧线圈接地

4.2 消耗谐振的能量, 阻尼抑制谐振的发生

1) PT开口三角绕组接阻尼电阻

2) 中性点安装消谐电抗器

5. 消谐措施仿真

5.1 PT开口三角绕组接阻尼电阻

开口三角绕组接阻尼电阻是最为简便, 最容易使用的措施, 而且它的使用不会改变系统的运行方式。

谐振时, PT高压绕组中流过零序电流, 在开口三角绕组两端要感应出零序电压, 当接入电阻, 电阻上将流过零序电流, 电阻将消耗能量, 从原理上讲, 阻值愈小, 消耗能量愈多, 限制和阻尼谐振的作用愈明显。若开口三角绕组被短接, PT的电感即为漏感, 不存在PT饱和引起的过电压, 根据H.A.Peterson所作的模拟试验, RΔ的选择按照分频谐振过电压考虑, 即RΔ

仿真系统为35kV不接地系统, 当系统空载或轻载时, 在单相接地故障恢复时, 当电压互感器跟线路对地电容参数匹配时, 很容易发生铁磁谐振。如图1为仿真图。

图2为35kV中性点不接地系统在线路10千米时出现的铁磁谐振仿真图。可见中性点在短路故障恢复后出现了峰值为12.5kV的偏移电压。C相出现基频铁磁谐振, 电压峰值达到1.3倍。电流有效值达到15倍。

图3为接入1欧姆电阻后中性点电压、C相电压电流、开口三角两端电压波形。由图可以看出, 加入1欧姆电阻后, 短路故障消失后, 没有发生铁磁谐振, 中性点电压经过短暂振荡后恢复到零。

当电阻增加到15欧时, 中间振荡时间增加, 但还能消除铁磁谐振。

当超过20欧时便不能抑制铁磁谐振。跟计算相符。

5.2 中性点安装消谐电抗器

电网消谐电抗器方案为在电源中性点与地之间安装一个阻抗为20000欧左右的电感, 其阻抗值保证远小于PT一次阻抗值。

中性点在短路故障恢复后出现了峰值为12.5kV的偏移电压。B相出现基频铁磁谐振, 电压峰值达到1.1倍标准电压值。电流有效值达到15倍。

加消谐电抗器以后

可见单相接地故障消失后, 电压、电流没有谐振迹象, 消弧线圈能够抑制谐振的产生, 但消弧电抗器的投入使得故障引起的暂态过程持续了很久, 电压经过较长时间才恢复到正常值, 流过PT的电流长时间处于很大的数值, 有可能会烧毁PT。

结论

由仿真结果可以看出, 在中性点不接地系统, 在PT开口三角绕组接阻尼电阻, 当电阻在合适范围内, 消谐效果很好, 但这个电阻不能长期连入二次侧, 因为由于电阻接在开口三角形绕组两端, 长期接入, 必然会导致一次侧电流增大, 容易使PT过载。最好的办法是能控制阻尼的投切, 但消谐器对消谐装置的控制回路要求非常高, 要求能够准确判断谐振产生时间, 投入阻尼电阻, 若判断失误, 过早将阻尼电阻投入, 此时就会在阻尼电阻上流过过电流。近年来研制的在开口三角投入阻尼电阻的装置都要求在正常情况下, 不投入阻尼电阻, 在出现谐振时瞬时投入阻尼电阻, 谐振消失后, 切除阻尼电阻, 恢复正常接线。这些装置的关键要素在于对谐振信号的正确检测, 一旦判断失误就可能产生较严重后果。

消弧电抗器的投入使得故障引起的暂态过程持续了很久, 电压经过较长时间才恢复到正常值, 流过PT的电流长时间处于很大的数值, 有可能会烧毁PT。

摘要：文章简述了电力系统铁磁谐振现象的危害, 介绍了几种消除铁磁谐振的措施, 并对消谐措施进行仿真。

关键词：电力系统,铁磁谐振,消谐措施,中性点不接地

参考文献

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消弧消谐柜检修时防误操作措施 篇2

1 消弧消谐装置一次原理图

GL:高压隔离开关 (带有电磁锁) YTG:过电压保护器JZa、JZb、JZc:真空接触器FU:高压限流熔断器RD:高压快速熔断器TV:电压互感器TA:零序电流互感器

2 目前消弧消谐柜防触电措施

从一次原理图中可以看出, 正常情况下, 隔离开关GL在合位, 消弧消谐装置投入运行。隔离开关GL的作用是用来控制消弧消谐装置的投入和退出, 在检修柜内设备时, 与系统隔离并形成明显的断口。

消弧消谐柜内电压互感器、熔断器、真空接触器、过电压保护器等都是高压设备, 检修时, 为防止人员触电, 在打开柜门前必须要先拉开隔离开关GL。下面介绍一下消弧消谐柜是如何做到先拉隔离开关, 后打开柜门的。见图2, 消弧消谐柜利用3个电磁锁来完成此功能。 (1) 正常运行情况下, 无法打开柜门。消弧消谐装置在运行时, 隔离开关GL处于合闸位置, 其常闭接点GL断开, 前、后柜门电磁锁1MS、2MS失磁, 无法打开柜门。 (2) 检修时, 先拉开隔离开关, 后打开柜门。真空接触器在无故障时, 一直处于分闸状态, 其常闭接点JZa、JZb、JZc闭合, 电磁锁DS得电, 能够拉开隔离开关, 其常闭接点GL吸合, 使前、后柜门电磁锁1MS、2MS得电, 可以打开柜门。 (3) 故障时, 因真空接触器主接点闭合, 使柜内设备带有高电压, 人员触及会发生触电, 所以必须保证此时柜门不能打开。当系统中某相发生接地故障时, 故障相真空接触器将动作, 打开其常闭接点 (Jza或JZb或JZc) , 此时电磁锁DS继电器失磁, 无法拉开隔离开关。因隔离开关处于合闸位置, 其常闭接点GL断开, 前、后柜门电磁锁1MS、2MS失磁, 无法打开柜门。

3 上述措施存在的不足

目前, 消弧消谐柜通过电磁闭锁, 做到了先拉开隔离开关, 才能打开柜门。当柜门打开后, 在不关闭柜门状态下, 合隔离开关不受限制。若此时合隔离开关, 柜内设备又恢复了带电, 柜门还处于敞开状态, 这时人员随时都有可能因触摸带电设备而触电。这就是消弧消谐柜存在的不足之处:当检修人员在工作时, 没有防止误合隔离开关的措施。

4 解决方法

针对以上问题, 在消弧消谐柜的柜门上安装一个行程开关就可以解决。将行程开关的常开接点串接在操作隔离开关的电磁锁DS回路中, 如图3, 虚线框中增加了一个常开触点。当柜门打开后, 行程开关接点XCKG打开, 电磁锁DS处于失电状态, 无法合隔离开关;当柜门关闭后, 行程开关接点XCKG闭合, 电磁锁DS得电, 可以合隔离开关。从而防止了误操作, 保证了检修人员的人身安全。

摘要：消弧消谐柜门安装行程开关, 与隔离开关之间形成互锁关系, 充分保证检修人员的安全。

配电网铁磁谐振消谐方法探讨 篇3

在配电网小电流接地系统中, 电磁式电压互感器一次绕组中性点直接接地, 所以其每相绕组就要不时承受系统出现的谐振过电压或瞬时单相接地、雷击、倒闸操作等形成的过电压。电压互感器在这些过电压的作用下, 会发生保护电压互感器的高压熔断器熔断、电压互感器烧毁以及母线短路等故障, 这类故障现已是变电所里的一种常发性故障, 被人们笼统地称为电压互感器铁磁谐振故障。在我局电力网运行中, 10 k V及35 k V配电网铁磁谐振发生率较高, 三营变、七营变10 k V系统曾发生多次铁磁谐振, 10 k V电压互感器爆裂若干个, 从而造成了重大事故和经济损失。七营变、北郊变、海原变35 k V系统曾发生多次铁磁谐振, 造成电压互感器过热冒油或电压互感器高压保险熔断, 从而对电网的安全运行构成了极大威胁。我们调度班在实际工作中意识到, 加强铁磁谐振的防治对电网的安全运行非常重要。为此, 笔者分析了铁磁谐振的成因及危害, 并根据分析结果总结出了一套便捷、高效的消谐措施。

1 铁磁谐振的成因及危害

在发电厂、变电站小电流接地系统中, 经常发生因配电网接地引起铁磁谐振而造成高压熔断器熔丝熔断或烧毁电压互感器的现象。电力生产人员为防止电力系统铁磁谐振的发生采取了不少方法, 但是由于电力系统结构复杂, 运行方式灵活多变, 系统运行参数具有不确定性, 消除铁磁谐振的方法便有了局限性, 这就导致各种情况下的的谐振并不能全部消除。因此要进一步分析小电流接地系统铁磁谐振的原理, 寻找消谐方法, 从而在实际电力生产中预防及消除小电流接地系统中的铁磁谐振。

产生铁芯谐振电路, 首先应满足ωL0>1/ωC0 (L0为铁芯线圈的初始电感) 的条件。变压器、电压互感器等带铁芯的感性元件的铁芯磁饱和作用使电网的电感参数是非线性的, 当电网出现某种扰动时, 由于铁芯磁饱和及电压互感器饱和, 励磁电抗Xm与系统正序容抗无关, 只和系统对地的零序容抗X0有关, 且当X0/Xm<0.01时, 不发生谐振;随着X0/Xm的增大, 依次会发生分频、基频、三倍频谐振, 相应地, 发生谐振所需的外加电压也会逐渐增大。电力系统通常是在额定电压下运行, 当发生系统接地或其他原因使系统中参数方法变化符合铁磁谐振条件时, 一般分频谐振发生较多, 而基波谐振、高次谐波谐振发生较少。分频谐振时, 铁芯高度饱和, 通过电压互感器高压绕组的电流急剧增加, 导致电压互感器烧毁或高压熔断器熔断。电压互感器饱和引起的铁磁谐振仍是威胁电力系统安全运行的重要因素。

铁磁谐振较为明显的现象是:系统中性点位移, 出现虚幻接地或接地指示错误;系统电压监视仪表指针不停地摆动, 电气设备有放电声, 引发绝缘闪络或避雷器爆炸;工频谐振产生反倾而引起变压器负荷侧小电机反转, 断线谐振过电压还可以引起变压器绕组电流急剧增加、铁芯异音, 导线发生电晕等;电压互感器在谐振过电压的作用下, 常会发生绝缘击穿、铁芯发热、线圈过电流等。这些异常情况的存在, 轻则导致保护电压互感器的高压熔断器熔断, 重则导致电压互感器烧毁, 更严重时还会扩大为母线短路事故。

2 配电网铁磁谐振防治方法

消除铁磁谐振应从2方面着手, 即改变电感、电容参数和消耗谐振能量。人们据此制定了多种消除铁磁谐振的措施:

(1) 避免非全相操作断路器。投空母线时, 应先投断路器, 再投感性元件;因操作不当而诱发谐振时, 应立即终止操作, 将系统及时复归至初始状态。

(2) 对已发生的谐振, 可采用如下方法:1) 将变压器中性点临时接地;2) 投入备用的变压器、线路或其他特定设备等;3) 改变系统运行方式。

(3) 选用励磁特性较好的电磁式电压互感器, 增加电压互感器抗饱和能力, 从而有效防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振。

(4) 增大系统对地电容。在10 k V及其以下等级的系统母线上装设一组三相对地电容或以电缆代替架空线路, 以减小电网对地容抗, 从而避免谐振。

(5) 在电压互感器开口三角处接入电阻R, 35 k V以下的系统, 一般取10Ω≤R≤100Ω, 对于10 k V系统, 可接50~60Ω电阻。开口三角处接入的电阻不宜过小, 以防止一次系统单相接地时电压互感器本体过热。电阻法虽然经济、方便, 但阻尼力度不够强大, 对一次涌流无限制作用。R是接在开口三角处, 但由于R的接入, 将使流过电压互感器一次绕组的电流明显增大, 当系统发生间歇性弧光接地时, 电压互感器有可能损坏。

(6) 在电压互感器一次中性点处接入电阻R=0.06XL (XL为每相绕组在额定电压下的激磁阻抗) , 以增加回路阻尼, 需满足热稳定要求。6~35 k V系统, 常取5Ω≤R≤30Ω, 对于10 k V系统可接一级别为150 W、9Ω的电阻器。

(7) 在电压互感器的高压绕组中性点处另外增加一组零序电压互感器。当配电网发生单相接地故障时, 系统产生的零序电压大部分由零序电压互感器来承担, 从而可有效防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振过电压。

(8) 在电压互感器高压绕组中性点处接消谐器。消谐器实质上是一组非线性电阻, 配电网正常运行时, 消谐器呈高电阻值, 且消谐器上电压<500 V, 这就使铁磁谐振在形成的初期便有较大的阻尼, 从而遏制了铁磁谐振的发展;当电网发生单相接地时, 消谐器上电压较高, 可满足电压互感器开口三角处电压不小于80 V的绝缘监测要求, 并且仍可阻尼谐振;当电网发生弧光接地时, 消谐器仍能保持一定的阻值, 限制互感器涌流, 从而有效地限制高压涌流和铁磁谐振。

(9) 在电压互感器的开口三角绕组上安装微机消谐装置, 也称二次消谐器, 其采用单片机控制, 谐振时可以分析电压互感器开口三角处的零序电压, 且予以判定。在正常工作的情况下, 该装置内的大功率消谐元件处于阻断状态, 对系统无任何影响, 而一旦判断电网发生铁磁谐振时, 便会使正反并联在开口三角两端的2只晶闸管交替过零触发导通, 以限制和阻尼铁磁谐振, 当谐振消除后晶闸管便自行截止。消谐器在起动消谐期间呈低阻态, 电阻为几毫欧至几十毫欧。如此小的电阻值足以阻尼高频、基频及分频3种谐振。

(10) 应用电容式电压互感器的方法。该方法以“消除零序谐振回路”为原理, 所以这是一种从根本上消除谐振的方法。

3 结语

(1) 现阶段10 k V及35 k V电力系统一般都使用干式电磁式电压互感器, 工程上应该选用励磁特性较好的电磁式电压互感器, 以增加电压互感器的抗饱和能力, 从而有效地防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振。

(2) 对于铁磁谐振不频繁、谐振过电压不是很高的配电网, 可选择在电压互感器高压绕组中性点处或二次侧开口三角形处接入消谐电阻, 此方法实现起来比较方便, 且经济、投入少、见效快。

(3) 对于铁磁谐振频繁的配电网, 应采用微机消谐器, 它可实时监测电压互感器PT开口三角处的电压和频率。当发生铁磁谐振时, 装置瞬间启动无触点消谐元件, 产生强大阻尼, 从而消除铁磁谐振。微机消谐装置能区分外部过电压、铁磁谐振和单相接地, 该装置采用大功率、无触点消谐元件, 消谐迅速可靠。

(4) 应用电容式电压互感器。其他消谐措施可以概括归纳到改变“谐振回路参数”的一项基本方法之中, 而应用电容式电压互感器则是以“消除谐振回路”为原理, 所以其是一种从根本上消除谐振的方法。但是这种电压互感器的质量和体积相对较大, 因此在实际应用中往往有一定困难。

摘要：分析了配电网小电流接地系统铁磁谐振产生的原因及危害, 探讨了消谐措施, 以便在实际电力生产中有针对性地预防、消除小电流接地系统铁磁谐振。

关键词：电压互感器,铁磁谐振,消谐

参考文献

[1]郝秀玲, 杨君.配电系统铁磁谐振过电压的分析和措施探讨[J].中国安全生产科学技术, 2008 (6)

消谐措施 篇4

目前35 k V及以下小电流接地系统中的母线PT除了测量功能以外,还有两种作用:其一是当10 k V系统接地时或者断线,根据整定,发出相应信号;第二个作用就是消除谐振。随着社会经济和城市的发展需要,出线特别是电缆线路急剧增加,使系统的对地电容显著增加,在小电流接地系统中,经常激发电磁式电压互感器(PT)与对地电容引起的谐振过电压及过电流,进而发生电压互感器一次高压熔断器熔断现象,这样就会影响系统的正常运行和电费的计量,造成很大的损失,严重时甚至烧毁电压互感器,对电力系统安全运行造成极大威胁。

铁磁谐振过电压是一种常见的内过电压现象。当系统进行某些操作导致系统参数突变时,如系统出现单相接地故障,补偿电容器的投切,拉合刀闸及跌落式熔断器熔断。投切空载线路及系统参数配合不当等使电压互感器铁芯饱和有可能产生铁磁谐振过电压[1,2]。

根据国内经验介绍,消除谐振的措施有以下几种[3,4]:

1)系统加装消弧线圈,并采用过补偿方式运行;

2)采用临时倒闸措施,改变运行方式;

3)选用励磁特性好的PT,使铁芯不易饱和;

4)在开口三角绕组并接一定阻抗;

5)在PT高压中性点串接一定的阻抗或者单相零序电压互感器;

6)在PT开口三角绕组上加装性能良好的消谐器。

其中采用临时倒闸措施,改变运行方式是采用改变系统等值电容,破坏谐振条件的方法来消除谐振;而其余几种方法从根本上来讲都是改变PT的电压特性,进而达到消除谐振的目的。

从稳定性与安全性考虑,装设消弧线圈消除铁磁谐振过电压是最好的措施,但是其成本较高,部颁规程规定:35 k V和10 k V系统的电容电流分别大于10 A和30 A时应装设消弧线圈;采用倒闸措施则不能保证时效性;并接白炽灯或阻抗存在不稳定性;消谐器装置本身比较复杂,元器件较容易故障。

近年来,在PT高压中性点串接单相零序电压互感器的方法得到广泛的推广,效果很好,采用这种方式的优点一是增加零序阻抗;二是在系统发生单相接地时,产生的零序电压主要加在零序电压互感器上,原PT只反应正序电压。无论是原星形接线PT,还是新加装的零序电压互感器,PT铁芯都将很难进入饱和区而产生谐振过电压。但目前相应10 k V PT二次接线有很多种,很不统一。随着综合自动化变电站的增多,由于综自变电站二次负载阻抗较常规变电站要大,如果PT三次绕组开路,则会使三次谐波励磁电流无法形成通路,进而产生PT中性点偏移,造成运行隐患。

1 4PT防止铁磁谐振作用机理的分析

图1示出了中性点不接地电网发生铁磁谐振时的等值电路,其中为电网三相参数不对称产生的不平衡电势,L为常规PT三相等值电感,C为电网三相对地总电容。

由图1可见,UC、UL可表示为

其中,XC、XPT为C、L对应的容抗(1/ωC)、电抗(ωL)。

作出UC、UL与I间的关系曲线如图2所示。当C、L两端的综合电压为U时,则有

作出U与I的关系曲线如图2所示。

电路平衡时,必有Eunb=U,当Eunb大于图2中P点确定的最高电压时,UC、UL上出现很高的电压,即发生了铁磁谐振。

为防止铁磁谐振的发生,一种措施是降低图2中UL特性,使得UL特性处在UC特性之下,从而改变了U特性,在Eunb作用下,UC、UL上不可能出现高电压。这个措施就是众所周知的装设消弧线圈(可理解为图1中L减小了),并且使电网处于过补偿运行。

当电网对地电容增大时,UC特性斜率变小,如图3所示(C4>C3>C2>C1)。若电网电容电流超过允许值,为避免铁磁谐振的发生就必须相应增大消弧线圈的容量。

当电网对地电容电流不超过允许值时,电网中并不装设消弧线圈,在这种情况下,在PT开口三角形处并接适当电阻或者接消谐器,其本质是降低图2中UL特性,起到防止铁磁谐振的目的,有时达不到预期效果。这种措施的作用机理与消弧线圈有些相似。

防止铁磁谐振的另一类措施是提高图2中的UL特性,其本质是提高U特性的P点电压,使P点电压高于Eunb可能出现的最大值。这样,在Eunb=U确定的点上UL、UC不高,从而达到消除铁磁谐振的目的。虽然采用励磁特性好的PT可以提高UL特性,但更为有效的是原PT中性点改为经4PT接地,此时UL的表达式为:

式(4)与式(2)比较可见,4PT的接入有效地提高了UL特性,即有效地提高了图2中P点的电压值,使Eunb最大值远远低于P点电压,达到了有效防止铁磁谐振的发生。

在原PT中性点接入4PT后,必然对原PT的运行和测量带来影响。

2 几种常见二次接线方式分析

以下讨论4PT接入后,对原PT运行的影响。在讨论前应明确:电网单相接地时,仅有正序、零序电压,负序电压几乎为零;PT一次侧发生一相或两相断线时,在电网对地电容较大的情况下,在PT+4PT侧有一定的正、负、零序电压;电网正常运行时,若电网三相完全对称,4PT一次侧上电压很小,则可以认为4PT的接入对相间电压、相电压的测量不发生影响。

1)较常规的4PT接线如图4所示,开口三角形是由PT三次绕组顺极性串接并与第四支PT二次绕组顺极性连接而成。

PT变比改为:

这种接地的优点是,正常情况下4PT的接入基本不影响相间电压、相电压的测量;电网发生单相接地时,由于零序电压加于PT+4PT一次绕组上,因此在调整4PT变比后,仍可得到检测接地故障有较高的灵敏度。

这种接地存在的最大问题是,因原PT无法提供三次谐波励磁电流,三相平顶波励磁电流作为4PT的励磁电流,所以在4PT的二次侧会出现较大的以三次谐波电压为主的不平衡电压,严重时会虚报出假的接地故障信号。

2)为克服图4接线存在的问题,可将PT的三角形绕组短接,3U0直接取自4PT的二次电压,接线如图5所示。由于三角形绕组短接,提供了原PT三次谐波励磁电流通路,从而使4PT二次的不平衡电压大为减小。当然图5接线完全具有图4接线的优点。

图5接线存在的最大问题是,电网发生单相接地或PT一次侧发生断线故障时,产生的零序电压加于PT+4PT的一次绕组上,若4PT的阻抗不是很大,则PT一次绕组上就有一定数值的零序电压,注意到开口三角形绕组处于短接状态,则三角形绕组中将有较大的环流,如不及时处理,就有可能烧毁PT或发生PT爆炸的严重事故。

此外,由于PT具有一定的零序阻抗,图5中的3U0并不能完全反应一次侧零序电压的大小,相当于降低了接地故障检测的灵敏度。

3)为克服图5接线存在的问题,对4PT作特殊处理,其特点是4PT具有极高的阻抗,是普通PT阻抗的数十倍。具体接线如图6所示(PT二次图中未画出)。该接线具有图5接线的优点,同时当电网发生单相接地或PT一次侧发生断线故障时,因4PT阻抗甚大,所以零序电压几乎全部加在4PT上,这样一方面保证了原PT运行的安全;此外4PT的二次电压也几乎完全反应了一次侧零序电压的大小。当4PT的变比取时,电网单独接地时,3U0十分接近100 V。

这种接线方式在运行中注意的一个问题是,电网单相接地伴随超低频振荡时,由于频率大幅度降低,导致4PT阻抗严重下降,从而使原PT上的零序电压升高,三角形绕组环流增大,仍有可能发生烧毁PT的事故[5]。从安全角度出发,建议三角形绕组经适当电阻后短接[6]。

3 结论

1)4PT的接入,可有效防止小电流接地电网铁磁谐振,应积极予以推广。

2)对于第四只PT的接入,建议采用4PT阻抗甚高的改进型接线方式,如图6接线。

参考文献

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消谐措施 篇5

1 TV的一般性故障分析

在35k V及以下中压配电网主要采用中性点非有效接地方式, 因此较容易出现过电压现象。长期的过电压会造成TV熔断器熔断甚至TV本身爆炸, 其直接原因是内部过流引起发热所致。TV过流的表现形式主要有2种: (1) 由于TV受铁磁谐振或者过电压的影响, 虽然其承受的过电压或者过电流的幅值较小, 但时间较长, 大量电能作用在TV上并转化为热能, 从而造成其长期发热。当热能积累到一定程度时, TV中大量的绝缘介质会气化, 因此体积迅速膨胀, 而干式TV内部空间有限, 其内部压强增加到一定程度时便会发生爆炸; (2) 因瞬间高幅值过电压造成TV内部绕组匝间短路而引起过电流, 这种原因引起的过电流一般幅值很大, 会使TV中的绝缘纸或者绝缘介质迅速气化, 从而发生的爆炸更加猛烈。

2 现有消谐器的功能及不足

2.1 消谐器的功能

若6~35k V电网采用中性点不接地方式运行, 当母线空载或出线较少时, 因合闸充电或在运行时接地故障消除等原因的激发, 会使电压互感器过饱和, 因此可能会出现铁磁谐振过电压, 引起相对地电压不稳定, 接地指示误动作, TV高压保险丝熔断等异常现象, 严重时会导致TV烧毁, 继而引发其它事故。电力系统采用的消谐器, 能够在一定程度上抑制TV的铁磁谐振, 以及间隙性弧光接地时流过TV绕组的过电流, 防止TV的烧毁。

2.2 消谐器存在的不足

如上所述, 现有的消谐器为非线性电阻, 其阻值在一个范围内变化, 但调节的灵活性较差。如果系统振荡的能量较大, 那么消谐的时间会比较长, 不利于系统的稳定运行。若TV长期处于过电压状态下运行, 会造成TV长时间处于过电流状态, 此时消谐器的保护效果非常有限。

3 基于IGBT控制的电阻可调式消谐器

3.1 基本原理

本文设计的消谐器本质上为可调电阻器, 它的大小由IGBT控制模块进行自动调节, 其原理图如图1所示。

具体策略为: (1) 当系统出现铁磁谐振时, 将该可调电阻器的阻值调大, 使其快速消耗掉系统中的振荡电流, 当振荡电流消耗完后再将阻值恢复, 从而达到提高系统稳定性的目的。 (2) 控制模块通过采集TV二次侧电压值作为反馈信号, 当TV二次电压高于设定值时则增加电阻器的电阻值, 直到TV二次侧电压恢复正常为止, 同时发出过电压告警信号, 从而达到抑制TV过电流的目的。

3.2 可调电阻器的设计

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) , 即绝缘栅双极型晶体管, 其由MOS (绝缘栅型场效应管) 和BJT (双极型三极管) 构成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点, 具有快速导通/关断高电压、强电流的能力, 是高电压、强电流应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。

本文所设计的可调电阻分为多个档位, 每个档位的电路都是1个电阻与1个IGBT串联, 档之间相互并联, 控制模块通过控制IGBT的通/断来调节可调电阻的大小, 因此可以通过不同电阻的组合来实现不同的控制策略, 其电路图如图2所示。

4 结束语

消谐措施 篇6

电网谐波直接影响电力系统的电能质量,也直接威胁电力设备的安全运行。本文从消除谐波不同方法的优缺点和市场经济性进行比较分析,采用最佳的方案以达到提高电能质量和降低电力系统运行经济成本的目的。

10 kV电网是变电站到大型电力用户的一个量大面广的电网系统,而10 kV大型电动机和电弧炉等产生的谐波能否得到有效抑制就非常的关键,因此,在10 kV电网中进行谐波的抑制是一个非常重要的环节。

1 电网系统谐波产生的原因及危害分析

1.1 电网系统谐波产生的原因

电网谐波产生的原因有很多,主要在于电力系统中存在各种非线性元件,例如日光灯和高压汞灯等气体放电灯,电力机车、卷扬机、轧机、切割机等电动机设备,电焊机、变压器和整流设备,都会产生谐波电流或电压。由于测量监视等需要,在电网中每台母线设备柜都必须装设电压互感器(PT),但电压互感器是含有铁芯的电感元件,其励磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路,即铁磁谐振;并产生谐波电流或电压。特别是大型的晶压管变流设备和大型电弧炉尤为严重,是造成电网谐波的主要因素。

1.2 电网系统谐波的危害

由于电网中含有大量的谐波源以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷,这些电气设备处于经常的变动之中,极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时,在一定的频率下,形成谐波振荡,产生过电压或过电流,危及电力系统的安全运行,引发输配电事故的发生[1]。概括起来谐波的危害主要有以下几点:

(1)引起串联谐振及并联谐振,放大谐波,造成危险的过电压或过电流;较高的高频谐振过电压可能引起电压互感器的绝缘破坏或避雷器爆炸。

(2)谐波电压加在电容器两端,使电容器过负荷甚至烧毁。

(3)加速电气设备及电力变压器绝缘老化,使其容易击穿,从而缩短它们的使用寿命。

(4)使设备(如电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等)运转不正常或不能正确操作。

(5)干扰通信系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正确传递,甚至损坏通信设备。

(6)使开关(断路器)过载,造成经常性跳闸。由于谐波电流在导体表面流动,引起导体发热,降低了开关的实际容量所致。

(7)使无功补偿设备部件损坏,无法进行无功补偿,加大线路损耗,降低变压器容量。

(8)对变电所的继电保护产生干扰,易造成保护误动作,导致区域性停电事故。

(9)对家用电器产生危害,如空调、微波炉、电视、电脑、冰箱等。

(10)使计量电能的感应式电能表计量不准确。

2 电网系统谐波的抑制研究

既然电网谐波对电网系统的危害那么巨大,就必须采取一些有效的措施对谐波进行抑制,否则电网系统和用电设备就不能正常工作,下面对可以采取谐波抑制的技术进行分析研究。

2.1 装设消谐器抑制谐波

在我国10 kV电网系统的高压成套设备中,广泛使用装设消谐器的方法抑制谐波,在20世纪90年代之前,常采用在电压互感器柜中装设简单的一二次消谐器的方法来消除谐波。其接线方法简单,维护容易,成本低廉,因此得到广泛应用。常用的一次消谐器有RXQ-10型,二次消谐器有KFX-10等。由于RXQ-10为瓷质产品,体积又较大,已不适合安装工艺要求,因此便研制出电阻材料制成的LXQⅡ(D)-10型消谐电阻器取代了RXQ-10型消谐器。同样,由于KFX-10型消谐器功能较为简单,不能满足特殊场合及非常重要负荷电网的要求,随着电子技术的发展,我国多家公司研制出微机型的消谐装置,其核心部分采用国内外先进的CPU芯片,集成度高,抗干扰能力强,运算速度快,功耗低,目前常用的型号有河北博为电气有限公司的KWS196-H型和北京思达星电力自动化有限公司的WXJ-620型,但价格稍贵。而在大型的钢铁厂、造纸厂和化工厂等大量电动机、电弧炉以及整流设备的广泛使用,单靠简单的一次或二次消谐器不能很好地抑制谐波,可采用一些较为先进的微机消弧消谐及过电压保护装置对谐波进行较为全面的抑制,效果非常的好。

2.2 其他抑制谐波的措施

除了以上一些通过装设消谐设备来消除谐波以外,还可以通过限制接入电网的变流设备和交流调压装置等的容量;采取技术措施加强电容器管理,通过改变电容器的串联电抗器或将电容器组的某支路改为滤波器,限制电容器的投入量,可有效防止或减少并联电容器对谐波的放大,从而保证电容器的安全运行;通过采用高性能的用电设备,改善其谐波的保护性能,提高设备的抗谐波干扰能力,增加系统的承受谐波能力,减少谐波事故的发生。可以建立谐波监督管理体系,明确职责,认真开展谐波的测试、研究、分析以及技术培训。认真分析产生谐波的原因,积极开展事故预想,制定切实可行的反事故措施,减少谐波事故的发生。

3 谐波抑制技术比较及消谐器的选择

3.1 谐波抑制技术比较

随着电力电子技术以及现代科学技术的高速发展,从一些较为简单的消谐技术发展到今天较为成熟全面的消谐技术。下面分别对几种消谐器的优缺点和市场经济性进行比较分析,确定最佳方案以达到既提高电能质量又降低投资成本的经济目的。

3.2 抗电谐振型三相电压互感器的抑制谐波的原理

抗电谐振型三相电压互感器是在传统的三相五柱式电压互感器的基础上,改变不合理的磁路结构,其基本结构主要由线圈、铁芯和绝缘件构成。如图1所示,包括一次线圈、二次线圈和辅助二次线圈,它们分别接成Yo/Yo/▽(开口三角)形,抗电谐振型三相电压互感器的原理主要是改变其磁路结构,提高电压互感器的零序励磁特性,即采用开口磁路承担系统接地及承受铁磁谐振下的零序电压,当出现中性点不稳定的零序电压时,其励磁电流将受到很大的限制,从而抑制了谐波并避免了因发生铁磁谐振而烧毁电压互感器[2]。图中YJ为电压继电器,主要目的是有零序电压时起保护作用。

3.3 一次消谐器对谐波抑制的原理

3.3.1 电压互感器励磁电流的波形

一次消谐器安装于电压互感器一次侧的中性点与地之间,消谐器上的电压由电压互感器铁芯的励磁电流产生,因此首先分析励磁电流的波形。电压互感器是由带铁芯的绕组构成,由于铁芯伏安特性具有非线性特征,当一次绕组接入所产生的磁通超过饱和点时,绕组中励磁电流呈尖顶波状,如图2所示。若将尖顶波分解,可得基波和高次谐波,其中以3次谐波含量最高[3],如图3所示。由此可见,在电压互感器制作时,所去磁通密度的高低(即铁芯的质量与用量)决定了谐波含量的多少。

3.3.2 消谐器的伏安特性

安装消谐器可抑制电压互感器涌流和谐振,消谐电阻的阻值是经大量的计算和试验,并经长期运行考验而来的,表1是LXQⅡ-10型消谐器伏安特性。

注:表中电流、电压值均为对应峰值除以。

3.3.3 电压互感器励磁电流的3次谐波分量

以常用的JDZJ-10型电压互感器为例,图4所示为接线示意图,有的生产厂家为了控制励磁电流大小,一般在二次绕组100/3侧加压,58 V时I'm≤0.1A,换算到一次绕组10000/3侧,Im≤1mA。用谐波分析仪测量Im=1mA的励磁电流3次谐波分量,I3/I1=20%～25%(I3为3次谐波,I1为基波)。若对励磁电流不加控制,其一次侧电流达到2～3 mA,其中I3/I1=40%～50%。通过消谐电阻器的3次谐波电流一次侧为3×1.07×0.2=0.64mA,查表1可知,U0=247V;二次侧为3×2.5×0.4=3mA,查表1可知,U0=613V。消谐电阻器上的电压作用于零序回路,反映为零序电压的开口三角两端的3次谐波为消谐电阻器上的电压除以变比,励磁特性较正常的开口三角两端电压3U0=247/57.7=4.2 V;励磁特性较差的开口三角两端电压3U0=613/57.7=10.6 V;前者是可以接受的,但后者过高不能接受,说明开口三角电压过高是电压互感器励磁特性不好造成的。

XD—一次消谐器 YHa、YHb、YHc—电压互感器

3.3.4 解决开口三角两端的3次谐波的方法

解决开口三角两端的3次谐波的方法首先是选择励磁特性较好电压互感器,同时必须注意性能参数要非常的接近,这样可以尽量减少不平衡电压从而减少谐波的产生;其次可以在电压互感器的二次侧开口三角两端加装“3次谐波滤波器”,如图5所示。其主要参数为3次谐波阻抗小于或等于20Ω,基波阻抗大于或等于2 000Ω。见图6a)、b),开口三角两端加装3次谐波滤波器以后,由于消谐电阻旁并联了一个Z3,阻值将明显下降,由原来的U0下降为1/5的U0,若原开口三角两端电压为9～15 V,加装后,可下降到2～3 V左右,由于“3次谐波滤波器”对基波呈高阻抗(约2 000Ω),在单相接地时,开口三角有100 V工频电压,通过“3次谐波滤波器”的电流为0.05 A,对每台电压互感器只增加1.7 VA的负载,一般情况下完全可以承受。

图中R为一次消谐器XD的等值电阻,Z、Z3为滤波器等值阻抗;X1n为电压互感器Y边的感性阻抗,X2n为电压互感器开口边的感性阻抗,E3为等效电源。

3.4 二次消谐器对谐波抑制的原理

为了消除电网的铁磁谐振,传统的做法是在PT开口三角处并接电阻或灯泡来吸收谐振能量。由于谐振伴有不同频率成分,而电阻和灯泡是线性元件,不能将谐波全部吸收。因此,随着电子技术的不断发展,人们研制出技术先进的智能型微机消谐装置。以WXJ-620型微机消谐装置为例说明其工作原理,其原理接线如图7所示,当系统发生铁磁谐振时,PT开口三角出现伴有不同频率成分的零序电压,将该电压输入微机,微机装置根据不同频率、不同电压值,自动识别系统是接地故障还是谐振故障,若为接地故障则发出系统接地故障报警,若为谐振故障则根据不同频率输出脉冲,控制可控硅导通,自动吸收谐振能量,动态消除铁磁谐振。

YHa、YHb、YHc—电压互感器 ZK—三相空气开关

3.5 消谐器的选择及其经济成本比较

从以上的分析可知,对电网除了改变三相整流变压器的办法抑制谐波和装设交流滤波装置抑制谐波之外,本文着重论述了10 k V电网中电压互感器产生的谐波的抑制方法[4]。而消谐器的选择是否合适直接关系到消谐的效果,而且也与成本有直接的关系,因此,对于不同的电网情况选择不同的消谐方式尤为重要,下面对此问题进行详细的说明。

1)对于三级负荷(不重要的一般负荷),因它对供电电源无特殊要求,而用电量也较小,出线回路数不多,第一可以选择抗电谐振型三相电压互感器,因其本身有抗谐振功能,可不另外加一次消谐器或二次消谐器;第二可以选择一些结构简单的电压互感器,如JDZ-10型、JDZJ-10型等,但需相应加装一次消谐器。根据运行经验电压互感器与消谐器的配合选择如表2所示。

2)对于二级负荷(较为重要的负荷),因其用户较为重要,除了选用质量较好的电压互感器外,例如全绝缘环氧树脂浇注型的电压互感器,如JDZ10-10型、JDZX10-10型等,同时加装一次消谐器或二次消谐器,对于要求不是太高的场合,二次消谐器可以选择简单的KFX-10型,但如果对电能质量要求较高,则可以选择微机型的二次消谐器,如WXJ-620型和KSX196-H型。

3)对于一级负荷(非常重要的负荷),因其用户非常重要,除了选用质量较好的电压互感器外,例如全绝缘环氧树脂浇注型的电压互感器,如UNE10型、REL10型等,同时加装一次消谐器和二次消谐器,并且选择微机型的二次消谐器,如WXJ-620型和KSX196-H型。

4)对于一级负荷中特别重要或非常特殊的用户,如医院、大型钢铁厂、冶炼厂等,可以选择微机消弧消谐及过电压保护装置来对电网进行全面的消谐。

5)对于110 kV及以上的电网系统变电站的10 kV电压互感器,一般情况下选用抗电谐振型三相电压互感器,也可选用质量较好的电压互感器外,例如全绝缘环氧树脂浇注型的电压互感器,如UNE10型、REL10型等,同时加装一次消谐器和二次消谐器,并且选择微机型的二次消谐器,如WXJ-620型和KSX196-H型,效果会更好。

3.6 经济成本比较

通过上面对电压互感器和消谐器的选择可知,选择抗电谐振型三相电压互感器基本无需加装一次或二次消谐器,经济成本较好;选用质量较好的全绝缘环氧树脂浇注型的电压互感器大多需加装一次或二次消谐器,经济成本稍高,但对于大多用户都能接受;而对于特别重要或非常特殊的用户以及变电站,选择微机消弧消谐及过电压保护装置虽然成本很高,但在保证供电质量的前提下,虽投资了一定的成本也还是合算的。

4 结语

由于电网谐波污染的严重性,所以电网谐波抑制的研究越来越受到人们的重视,已成为当今研究的热点,如未来应用广泛的微机消弧消谐及过电压保护装置等。

本文首先对电网系统谐波产生的原因及危害进行定性分析,然后分别对谐波的抑制措施和抑制技术进行了研究。本文重点地对10 kV电网中电压互感器的选择以及相应消谐器的选择作了非常详细的论述,并对其经济成本进行了比较分析。

参考文献

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消谐措施 篇7

在110-220 kV中性点接地电力系统中,经常发生断口电容与电压互感器形成的铁磁谐振,给电力系统造成很大的危害。围绕这种谐振的产生机理及消除方法,国内外进行了广泛的研究[1,2]。

从方法上看,目前对这种铁磁谐振问题主要采用的方法有如下几种:1)试验研究[3,4],即通过大量的试验数据得到各种经验结论;2)数值模拟和仿真[5,6],通过建立模型,在大范围内改变参数,通过计算机计算得到或验证参数的范围;3)理论研究[7,8],即对这种谐振建立相应的数学模型,通过对模型的理论分析,了解这种谐振的机理,并且寻找消除谐振的方法。这3种方法中,理论分析具有决定性的意义,主要有作图法[1,8]、谐波平衡法[5,6]、平面相图法[4],幅频法、描述函数法[1,2,3]、非线性动态系统理论[4,7]等。但由于该问题在数学上的复杂性,目前采用的都是各种近似的方法,得到的结论和试验数据往往有一定的差距。因此,提出和发展新的分析铁磁谐振的方法,并对该问题进行更深入的分析是很有意义的。

唯一稳态消谐法是近年出现的消除非线性系统谐振新的分析方法[9]。该方法的基本思想是如果非线性系统存在1个非谐振的正常解,并且该系统具有唯一的稳态,则此时对应的条件就是系统不发生谐振的条件。本文将这一方法应用在消除中性点接地电力系统铁磁谐振的分析中,以弱结构扰动理论为工具,得到了相应的消谐条件。研究结果表明,消除谐振的条件可以用矩阵的HURWITZ条件来决定,并用数值模拟进行验证,表明结果正确,同时也说明唯一稳态消谐法的有效性。

2 等效电路及其数学模型

图1为中性点接地电力系统铁磁谐振的模型[1]。

图1中,Esinωt是50 Hz等效正弦交流电源,R1和R2是互感器铁心的等效电阻,L为等效非线性电感,C为线路等效电容,各量的参考方向见图1。

基准值为[3]:对所研究的220 kV系统,三相电压vbase=220 kV,单相视在功率Sbase=100 VA,角频率ωbase=314/(rad·s-1),阻抗的基准值为Rbase=16 MΩ,电容基准值为Cbase=1/(Rbase×ωbase)=1/(5.06×1010)F。

互感器磁链与电流关系由1个三阶代数方程表示如下:

式中:Ψ互感器磁链,此处取a=3.42,b=0.41,为磁链曲线系数。

对于式(1)式表示的非线性电感,可以用分段折线来近似,当|Ψ|≤0.5时,取i=3.42Ψ;当丨Ψ|≥0.5,取i=8.808 8Ψ-4.041 2。

对应于图1,按照图中的参考方向,可以得到电路的状态方程为:(式中q为电荷)

归一化后电路的微分方程为:

式中:Cs、Cg分别为电路的对地电容和并联电容。可以证明,电路至少存在1个以T为周期的[12]。

对于方程(2),设其任意2个有界解为:

并令ΔΨ=Ψ-Ψ*,Δq=-q*

于是可以得到增量状态方程为:

其中,

式中:iL1,iL2为磁链曲线上的坐标。考虑式(4)的一般形式:

显然,如果式(5)的零解X=0是全局渐进稳定的,即:(X为磁链和电荷变量列矩阵)

则图1所示电路的稳态唯一,即为系统的不谐振条件。

3 电路唯一稳态条件(消除谐振条件)的求取

唯一稳态消谐法是近年出现的消除非线性系统谐振新的分析方法[9]。该方法的基本思想是如果非线性系统存在1个非谐振的正常解,并且该系统具有唯一的稳态,则此时对应的条件就是系统不发生谐振的条件。按照这一方法,对于图1和状态方程(3),大量试验和运行经验表明其有多个稳态解,其中最常见的稳态解,就是没有发生谐振时,对应于系统正常工作状态的稳态解。系统的其他非正常的稳态解,则是由于扰动引起C与L之间的铁磁谐振造成的稳态解。显然这些非正常的稳态解对于系统是有害的,如果我们能够使经扰动后的非正常稳态解趋于正常的稳态解,即使系统的稳态解唯一,那就可以达到消除系统铁磁谐振的目的。这样,消除铁磁谐振的问题就转化为求系统的唯一稳态的问题。

为了求得系统的唯一稳态,我们首先进行如下讨论。

将式(5)改写为:

这里A是常数阵,ΔA(t)是时变阵。

如果矩阵A的范数记为[12]:

取:

介绍如下引理:

引理1[12]

对于矩阵A,下式成立:

于是有如下的定理1

定理1

对式(5),如果:

A是HURWITZ阵,并且:

则式(2)有唯一稳态。

证明:

对式(5),有:

有:

由引理1

有

对应于上式，我们有：

注意到z(t)是方程:

的解,

由文献[12]知道,

因此,如:

则式(5)的零解是渐近稳定的,于是有:

即零解全局渐近稳定,式(2)有唯一稳态。证毕。

下面根据定理1,推导消除谐振的条件。

对比式(4)、(5),显然有:

由定理1,得到图1所示的铁磁谐振电路不发生谐振的条件为定理2。

定理2

对于图1所示电路,其不发生谐振的条件为:

根据文献[6]取参数(均为标幺值)E=1,a=3.42,b=0.41,C=0.5,3.422.0,0

4 数值模拟与讨论

下面取不同的参数,在不同的初始条件下,对电路进行模拟仿真,以检验电路是否发生谐振。初始条件顺序为磁链、电容电荷和时间,初始条件按文献[6]选定。

模拟结果表明,如果电路参数满足定理2的条件,则电路无论在何种初始条件下,虽然经过非常复杂的振荡过程,其稳态都将是唯一的,最终所有解都将趋近正常解,不会出现铁磁谐振,验证了本文给出条件的正确性。如下是其中1组数据的振荡过程。

初始条件:Ψ0=2.4,q0=1.4,t0=0,电路稳态相图见图2。图2中各量为标幺值,无物理单位。

5 结论