電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生及消除防范對(duì)策

1、淺析電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生及消除防范對(duì)策摘要：利用圖解法對(duì)非線性振蕩回路中電流變化時(shí) ,感性負(fù)載、容性負(fù)載電壓的變化特性進(jìn)行了分析，得出鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因 , 指出對(duì)電氣設(shè)備造成的危害和鐵磁諧振發(fā)生的現(xiàn)象 , 提出了消除這種過電壓的方法和防范對(duì)策。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；鐵磁諧振；理論分析；對(duì)策引言鐵磁諧振是電力系統(tǒng)中常見的現(xiàn)象之一 , 諧振過電壓事故也屢有發(fā)生。電力系統(tǒng)中存在著許多電感和電容元件, 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí), 這些電感和電容元件可能構(gòu)成各種振蕩回路, 在一定條件下會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象, 從而導(dǎo)致系統(tǒng)的某些部分或元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓, 危及電氣設(shè)備的安全, 影響保護(hù)裝置的可靠

2、性。如果滿足一定條件，就可能激發(fā)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振過電壓可以是基波諧振 , 可以是高次諧波諧振 , 也可以是分頻諧振。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中比較常見的發(fā)生鐵磁諧振過電壓的情況有 :接有電磁式電壓互感器的空載母線;配電變壓器高壓線圈對(duì)地短路 ; 用電磁式電壓互感器在高壓側(cè)進(jìn)行雙電源的定相 ; 輸電線路一相斷線后一端接地以及開關(guān)非同步動(dòng)作等。鐵磁諧振過電壓可以在 3330KV 的任何系統(tǒng)中 , 甚至在有載長(zhǎng)線的情況下發(fā)生 , 過電壓幅值一般不超過 1. 52.5Uxg (最高運(yùn)行相電壓, 個(gè)別可達(dá) 3.5 Uxg; 諧振過電壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) , 可達(dá)十分之幾秒以上 , 甚至可能長(zhǎng)期存在

3、 , 因此不能用避雷器限制。鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式可能是單相、 兩相或三相對(duì)地電壓升高 , 出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象或不正確的接地指示; 或者高 , 或以低頻擺動(dòng) , 引起絕緣閃絡(luò)或避雷器爆炸; 或產(chǎn)生高次諧波在互感器中出現(xiàn)過電流 , 引起熔斷器熔斷或互感器燒毀等。1鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因電磁式電壓互感器引起的諧振過電壓 , 從本質(zhì)上講是由于電磁式電壓互感器的非線性勵(lì)磁電感與系統(tǒng)的對(duì)地電容構(gòu)成的鐵磁諧振引起的電網(wǎng)中性點(diǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的必要和充分條件為:(1 系統(tǒng)電源中性點(diǎn)對(duì)地絕緣。(2 電壓互感器的一次線圈中性點(diǎn)直接接地, 開口三角零序電壓線圈為開路狀態(tài)。(3 電網(wǎng)的對(duì)地電容與互感

4、器的勵(lì)磁電感相匹配, 且初始感抗大于容抗(X L > X C。(4 具有一定的外界“突發(fā)”條件。在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中 ,由于運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障和切換操作因素 ,或者某一特定條件下電路參數(shù)發(fā)生變化 ,達(dá)到諧振條件即會(huì)形成鐵磁諧振現(xiàn)象 ,產(chǎn)生諧振過電壓 ,危及電氣設(shè)備絕緣 ,使絕緣閃絡(luò)或擊穿 ,設(shè)備短路、起火或爆炸 ,迫使保護(hù)動(dòng)作和開關(guān)跳閘 。 具體原因一般有以下幾種情況。1.1對(duì)空載母線充電引起鐵磁諧振過電壓向空載母線送電操作之前,如果先投入母線電壓互感器,然后啟用電源變壓器對(duì)母線充電,由于母線對(duì)地電容和電壓互感器感抗構(gòu)成振蕩回路。容抗與感抗的數(shù)值接近相等時(shí)將會(huì)引起鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象,產(chǎn)生

5、諧振過電壓。1.2單相接地產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中,母線負(fù)荷出線由于絕緣閃絡(luò)導(dǎo)致?lián)舸?發(fā)生弧光接地,導(dǎo)線燒斷,靠近電源側(cè)一端掉在地面上,出線兩相運(yùn)行。這時(shí)出線所接變壓器激磁阻抗與電路電容發(fā)生變化,形成串聯(lián)諧振回路,當(dāng)非故障兩相的等效電感和電容并聯(lián)后而呈容性,整個(gè)供電系統(tǒng)即形成串聯(lián),不會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振,當(dāng)呈感性時(shí)與故障相對(duì)地電容參數(shù)接近時(shí)則產(chǎn)生諧振過電壓傳遞至母線上,導(dǎo)致母線電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。1.3電壓互感器鐵心飽和產(chǎn)生諧振過電壓電壓互感器鐵磁諧振將引起電壓互感器鐵心飽和,產(chǎn)生飽和過電壓。在電壓互感器鐵磁諧振出現(xiàn)較為頻繁,任何一種鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生,對(duì)系統(tǒng)電感、電容參

6、數(shù)都有一定要求,而且需要有一定的外界“激發(fā)”,電壓互感器鐵磁諧振也是如此。當(dāng)用斷路器對(duì)只帶電壓互感器的空母線突然合閘,或者母線發(fā)生單相接地的情況下,均能產(chǎn)生諧振過電壓。電源的突然投入,電壓互感器一次電流增大,出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流,嚴(yán)重時(shí)可達(dá)到額定勵(lì)磁電流的百倍以上,誘發(fā)電壓互感器過電壓。另外 ,由于電壓互感器激磁電抗的非線性或各相激磁特性的差異,致使兩相勵(lì)磁電流突增,也會(huì)使其飽和產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,出現(xiàn)過電壓。圖1 非線性振蕩回路圖2串聯(lián)鐵磁諧振原理分析 在圖1中,L為帶有鐵芯的電感,即非線性電感,C 為電容,R 為電阻。當(dāng)開關(guān) K合閘后 , 回路微分方程式可寫為 :d/dt+iR+1/Cidt= U

7、(t式中 與非線性電感線圈所匝鏈的磁鏈 ;i 回路中電流的瞬時(shí)值。解這樣的微分方程是很復(fù)雜的,所以一般均采用圖解法計(jì)算 , 同時(shí)在計(jì)算中假設(shè):(1電源電壓和回路中各元件的電壓、電流都是正弦波,為此可以利用電壓、電流有效值的概念 ;(2鐵芯線圈的伏安特性 UL =f (I 可以代替它的勵(lì)磁曲線 ;(3 回路中的電阻為零。于是 , 圖 1 的回路方程可以簡(jiǎn)化了 , 對(duì)每一穩(wěn)態(tài)來說 , 可寫成 U = UL + UC (1式中U 電源電壓 ;UL 非線性電感上的電壓;UC 電容 C上的電壓。我們知道,電壓 UL和UC相差180°,若UL>UC,則回路中的電流呈感性;反之,則呈容性。如

8、果取感性電流為正 , 容性電流為負(fù) , 由式 (1可改寫為 : ±UL = U + UC或 ±UL = U +IXC (2式中左側(cè)部分的正號(hào)相當(dāng)于感性的工作狀態(tài) , 負(fù)號(hào)相當(dāng)于容性的工作狀態(tài);I是回路中的電流,XC =1/C,是回路電容 C 所表現(xiàn)的容抗。將式 (2 的左右兩部分繪于圖 2。 圖2 電壓、電流關(guān)系圖等式的右面部分是一條直線,它和縱軸相交于(0, U點(diǎn),和橫軸的夾角為,且tg =1/C如將該直線向左延長(zhǎng),則它與橫軸交于(I,0點(diǎn),而I =U/-tg= -CU顯然 ,I 就是電源電壓 U 作用下流過電容 C的充電電流。式 (2 左面部分UL =fL(I 是一條給

9、定的曲線,它的形狀相當(dāng)于鐵磁體勵(lì)磁曲線的形狀。曲線UL =fL(I和直線 U + UC =f(I的交點(diǎn),滿足于式 (2 的條件,亦即是該式的解答。由圖 2 可見,當(dāng)回路中的電容C小時(shí),U + UC=f (I 的斜率 tg =1/C大 , 如直線1; 它和曲線UL =fL (I只有一個(gè)交點(diǎn),這個(gè)交點(diǎn)在電流為負(fù)的區(qū)域內(nèi),即對(duì)應(yīng)于電容電流。當(dāng)回路中的電容 C大時(shí) , U + UC =f (I 的斜率 tg =1/C小 , 如直線 3;它和曲線 UL =fL (I 有三個(gè)交點(diǎn);其中兩個(gè)在曲線的上半部分(b及c點(diǎn),一個(gè)在下半部分 (a點(diǎn)。前兩個(gè)交點(diǎn) b 和 c 在電流為正的區(qū)域內(nèi) , 對(duì)應(yīng)于電感電流 ,

10、 此時(shí)電源電壓與電感上的電壓同相,即UL-UC=U; 后一個(gè)交點(diǎn) a 在電流為負(fù)的區(qū)域內(nèi),對(duì)應(yīng)于電容電流,此時(shí)電源電壓與電容上的電壓同相,即UC-UL=U。但這三個(gè)交點(diǎn)(a、b、c 所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)都是穩(wěn)定的,因此不能在實(shí)際中出現(xiàn)。通常,檢驗(yàn)解答是否穩(wěn)定的方法,是研究電流有不大的變動(dòng)情況下的回路特性。在穩(wěn)定狀態(tài)下,當(dāng)電流有小的變化時(shí),回路能夠恢復(fù)到原來的起始狀態(tài);在不穩(wěn)定的狀態(tài)下,任何小的電流變動(dòng),將使得回路越來越遠(yuǎn)地離開平衡狀態(tài)。圖 2中的b點(diǎn),處在電流為正的區(qū)域內(nèi),即對(duì)應(yīng)于電感電流,此 UL-UC=U0。若電流有小的增加時(shí),電感上的電壓將比電容上的電壓以更快的速率增加。這就是說,電感與電容

11、上的電壓值差增加,因此要求電源電壓增加,設(shè)電源是無限大的電源,其電壓將保持不變,故使電流減小,所以回路在最后總能回到原來的起始狀態(tài)。若電流減小時(shí),也有類似的現(xiàn)象,所以b點(diǎn)相當(dāng)于回路的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)回路工作在c點(diǎn)時(shí),則有相反的關(guān)系。若電流有小的增加 , 電容上的電壓將比電感上的電壓以更快的速率增加,因此要求電源電壓減少,由于電源電壓不變,所以回路中的電流將越來越大,于是回路越來越遠(yuǎn)地離開穩(wěn)定狀態(tài),故 c 點(diǎn)是不穩(wěn)定的 。不難看出,a點(diǎn)相當(dāng)于穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)?a 點(diǎn)處在電流為負(fù)的區(qū)域 , 對(duì)應(yīng)于電容電流,此時(shí)UC -UL = U,當(dāng)電流向更負(fù)的方向增加時(shí),電容上的電壓將比電感上的電壓以更快的速率增加,

12、由于電源電流不變 , 所以回路中的電流越來越小,最后能回到原來的起始位置。當(dāng)電流在負(fù)的方向上減少時(shí),也有類似的現(xiàn)象,故 a點(diǎn)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。通過上述分析,我們可以知道,在這種情況下,可能有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài):一個(gè)是b點(diǎn),此時(shí)有比較小的電壓和滯后的電流;另一個(gè)是a點(diǎn) ,此時(shí)有比較大的電壓和超前的電流。如果在工作點(diǎn)c, 由于某一種原因,電流或電源電壓有較大的增加,當(dāng)達(dá)到某一限度時(shí),穩(wěn)定將破壞 , 電壓、電流的驟增將導(dǎo)致鐵磁元件損壞以及系統(tǒng)絕緣遭到破壞的后果。3鐵磁諧振過電壓的危害3.1諧振時(shí),電壓互感器一次線圈通過電流較大,一次側(cè)熔斷器尚未熔斷時(shí),可能使電壓互感器噴油、線圈燒毀甚至爆炸,從而引起開關(guān)跳

13、閘造成大范圍停電,破壞系統(tǒng)的正常工作,給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來極大的威脅。3.2引起母線三相、二相及單相對(duì)地電壓升高,形成過電壓使母線絕緣套管或其他設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)和損壞,避雷器爆炸等事故。3.3諧振時(shí),電壓互感器一次側(cè)熔斷器熔斷后可能造成母線低電壓保護(hù)誤動(dòng),母線負(fù)荷誤跳閘或廠用電誤動(dòng),聯(lián)動(dòng)不成功時(shí),將造成發(fā)電廠被迫停機(jī)、停爐等嚴(yán)重事故。4鐵磁諧振發(fā)生的現(xiàn)象4.1電壓互感器發(fā)生基波諧振時(shí),某一相電壓降低,但不為零 , 其余兩相對(duì)地電壓升高,大于線電壓;開口三角形線圈電壓超過 100 V。4.2電壓互感器發(fā)生分頻諧振時(shí),三相電壓同時(shí)或依次輪流升高 , 電壓表指針在相同范圍內(nèi)低頻擺動(dòng)(每秒一次左右,一般不

14、超過2倍相電壓開口三角形線圈電壓一般在 8595 V 之間,也有超過 100 V 的情況。4.3高次諧波諧振時(shí),三相電壓同時(shí)升高,升高數(shù)值大于線電壓, 一般不超過 33.5 倍相電壓開口三角形線圈電壓超過 100 V。4.4發(fā)生電壓互感器諧振時(shí) , 線電壓指示不變。4.5諧振時(shí),可能引起電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷,低電壓保護(hù)誤動(dòng)作。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生諧振時(shí),結(jié)合以上現(xiàn)象或?qū)⑦\(yùn)行記錄與諧振范圍曲線相結(jié)合即可判定系統(tǒng)出現(xiàn)的是何種頻率諧振,也可以根據(jù)故障錄波器進(jìn)行判斷,以便及時(shí)進(jìn)行妥善處理,防止事故擴(kuò)大。5防范鐵磁諧振的措施1、在TV開口三角繞組兩端連接一適當(dāng)數(shù)值的阻尼電阻R，R約為幾十歐（R=0.45XL，XL為回路歸算到TV二次側(cè)的工頻激磁感抗）。2、使用電容式電壓互感器或在母線上接入一定大小的電容器，使XC/XL0.01，就可避免諧振。3、改變操作順序。如為避免變壓器中性點(diǎn)過電壓，向母線充電前，先合上變壓器中性點(diǎn)的接地開關(guān)，送電后再拉開或先合線路斷路器再向母線充電等。4、同一母線上的電壓互感器 , 應(yīng)選用勵(lì)磁特性相同的電壓互感器。5、在電壓互感器高壓繞組的中性點(diǎn)上接電阻 , 可抑制或消除因電壓互感器飽和所引起的鐵磁諧振。6結(jié)束語通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中可能遇