供電系統(tǒng)鐵磁諧振的產(chǎn)生條件及消除防范措施

1、供電系統(tǒng)鐵磁諧振的產(chǎn)生條件及消除防范措施 0引言我國的中壓配電網(wǎng)大多為中性點不接地方式，為了監(jiān)測變電站母線的線電壓及各相的對地電壓, 通常需在其配電母線接裝電壓互感器（Potential Transformer 簡稱PT ），其一次繞組須為星形連接且其中性點須直接接地。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時可能會使PT 某相端部對地電壓升高很多，對于目前普遍使用的電磁式PT 來說在電壓升高的過程中PT 勵磁電感的非線性特性會使該電感與系統(tǒng)對地電容形成參數(shù)匹配, 發(fā)生鐵磁諧振，造成系統(tǒng)的過電壓和PT 繞組的過電流, 導(dǎo)致PT 入口的高壓培斷器培斷甚至PT 爆炸等事故，嚴重影響系統(tǒng)的安全運行，在中性點不接地配電系

2、統(tǒng)中, 當(dāng)線路對地電容與PT 鐵芯電感參數(shù)相匹配時, 會發(fā)生高頻諧振、基頻諧振、分頻諧振, 出現(xiàn)最多的是分頻鐵磁諧振。由于分頻諧振發(fā)生的頻率最高, 最容易激發(fā), 且諧振區(qū)域大, 而且其危害最大。這里紅巖變至九頂山線路（簡稱“天紅九線”）發(fā)生單相接地故障產(chǎn)生鐵磁諧振導(dǎo)致九頂山35KV 變電站電壓互感器擊穿為例，闡述電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及機理，并提出相應(yīng)的防范措施。1鐵磁諧振產(chǎn)生的特征、機理及原因1.1 鐵磁諧振的分類及諧振特征在電力系統(tǒng)中，三相鐵磁諧振主要是因為電壓互感器帶鐵心的非線性電感引起的，當(dāng)其接在三相交流電源上時，就可能產(chǎn)生不同頻率的諧振，可以是頻率為50Hz 的基波諧振，或是頻率

3、為 2 次、3次、5次諧波的高頻諧振，也會是頻率為 1/2、1/3、1/5的分頻諧振。振蕩回路的等值電感 0L 和等值電容0C 決定了發(fā)生諧振的頻率0f ，從 2/(1000C L f =可以得出，電壓互感器的感抗L X 和系統(tǒng)對地電容的容抗cn X 兩者的比L cn X X /決定著系統(tǒng)中發(fā)生鐵磁諧振的不同頻率。鐵磁諧振過電壓在一定的情況下可自激產(chǎn)生，但大多需要有外部激發(fā)條件，回路中事先經(jīng)歷過足夠強烈的過渡過程的沖擊擾動，逐漸發(fā)展成鐵磁諧振過電壓。電磁式電壓互感器高壓側(cè)具有很高的勵磁阻抗，而低壓側(cè)負荷很小，基本接近空載，在一些接地故障消失后，或是一些倒閘操作中(中性點不解地系統(tǒng)的非同期合閘

4、，設(shè)備的雜散電容或?qū)Ь€的對地電容會和非線性電感組成單相或三相諧振電路，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生含各種諧波的鐵磁諧振過電壓。不管是何種頻率的諧振，其過電壓產(chǎn)生的原因都在于中性點出現(xiàn)了位移過電壓。中性點不接地系統(tǒng)中, 母線上經(jīng)常會有接線方式是高壓側(cè)為星形連接、中性點接地的電磁式電壓互感器，其等值電路圖如圖1-1所示。上圖中，C B A E E E , , 為對稱的三相電勢0C 為母線和各相導(dǎo)線的對地電容，321, , L L L 為PT 的的三相非線性電感，R 為阻尼電阻。設(shè)三相電容和電感并聯(lián)后的導(dǎo)納值分別為321, , Y Y Y 。正常情況下, 電感的阻抗值大于電容，所以二者并聯(lián)后相當(dāng)于一個等值電容。

5、又穩(wěn)態(tài)運行時三相參數(shù)對稱，故并聯(lián)后的導(dǎo)納也相等，即C j Y Y Y =321，此時系統(tǒng)不會產(chǎn)生諧振。 3圖1三相等值電路圖由于系統(tǒng)中性點不接地，接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組, 就成為系統(tǒng)三相對地的唯一金屬通道。正常運行時，PT 的勵磁阻抗很大，每相對地阻抗呈容性，三相基本平衡，系統(tǒng)中性點O 的位移電壓很小。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點會流過電容電流，非故障相的相電壓升高至線電壓, 其對地電容上會充以與線電壓相對應(yīng)的電荷。在接地故障期間，此電荷產(chǎn)生的電容電流以接地點為通路，在電源-導(dǎo)線-大地間流通。由于PT 的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小，一旦接地故障消失，電流通路就會被斷開。而非故障

6、相在接地期間己經(jīng)充電至與線電壓對應(yīng)的電荷，這些電荷中有一部分通過PT 高壓繞組，經(jīng)其中性點進入大地。在這一瞬變過程中，母線側(cè)PT 高壓繞組中將會流過比其額定勵磁電流高數(shù)百倍的低頻飽和電流，導(dǎo)致PT 鐵芯嚴重飽和。從而使PT 勵磁阻抗急劇下降，與線路對地電容參數(shù)匹配，形成諧振回路，激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。根據(jù)圖1等值電路，由電路第一定律得中性點電壓：321321Y Y Y Y E Y E Y E U C B A o +-= (1 文獻1詳細分析了一相（兩相）輕度和嚴重飽和情況下的中性點位移電壓情況。當(dāng)暫態(tài)過程使得A 相電壓升高B C 、相降低時，過高的A 相電壓使得1L 線圈飽和而電感值降低而2L

7、 ，3L 不變，設(shè)2301=L L L L >，三相不再平衡，中性點電壓出現(xiàn)位移，此時0U 為式（2）。要使變化的電壓穩(wěn)定必須滿足0U 與A E 同相位，且0A C B I I I +=, 相量圖如圖2（a ），中性點' O 點移動到三角形外。10001011123( A L L U E C L L -=-+ (2A BBC B (a A 相電壓升高 (b B 、C 相電壓升高圖 2 不同條件下的電壓、電流相量圖當(dāng)擾動使得B C 、兩相電壓升高而A 相電壓減低時，23L L ，飽和而1L 不變，此時的中性點電壓由式（3）所示，此時A 相導(dǎo)納為容性，B C 、相為感性，其相量圖如圖

8、2（b ）。20001011123( A L L U E C L L -=-+ (3 常見的使電壓互感器產(chǎn)生嚴重飽和的情況有：電源突然合鬧到母線上，使接在母線上的PT 某一相或兩相繞組出現(xiàn)較大的勵磁涌流，導(dǎo)致PT 飽和；由于雷擊或其他原因使線路發(fā)生瞬間單相電弧接地，使系統(tǒng)產(chǎn)生直流分量，而故障相接地消失時，該直流分量通過PT 繞組釋放能量，引起PT 飽和；傳遞過電壓，如高壓繞組側(cè)發(fā)生單相接地或不同期合鬧，低壓側(cè)的過電壓傳遞至高壓側(cè)使PT 飽和。其中，單相接地故障消失引起PT 飽和是最常見的鐵磁諧振激發(fā)方式2。鐵磁諧振的危害：(1諧振能量會導(dǎo)致持續(xù)過電壓(包括相間過電壓或相對地過電壓 ，過電壓致使

9、電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并且在過電壓的作用下極易造成第二點接地發(fā)展為相間短路，造成設(shè)備損壞和停電事故，嚴重烕脅電網(wǎng)安全運行。(2諧振的熱效應(yīng)或絕緣崩淸引起電氣設(shè)備損壞：變壓器或感抗長期的連續(xù)噪音；空載狀況下，變壓器過熱；PT 高壓側(cè)焰絲溶斷甚至PT 本身會被燒毀。(3諧振發(fā)生后電路由原來的感性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪誀顟B(tài)，電流基波相位發(fā)生180°反轉(zhuǎn), 發(fā)生相位反傾現(xiàn)象，可導(dǎo)致逆序分量勝于正序分量，從而使小容量的異步電動機發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。(4中性點電壓偏移導(dǎo)致母線電壓指示不正?；虺霈F(xiàn)接地信號(PT開口三角電壓達到或超過100V ，保護裝置誤動作，會造成值班人員的誤判；(5事故初期時事故表象

10、不明顯，分辨困難；(6事故的破壞性強，對安全威脅大。鑒于鐵磁諧振的頻繁性和危害性，多年來，專家和學(xué)者在研究其基本原理檢測方法同時，一直也在致力于防止和消除鐵磁諧振的措施的研究。根據(jù)鐵磁諧振的現(xiàn)象特征和發(fā)生的機理，主要在以下三方面進行采取措施：(1改變電感、電容參數(shù)，使其不滿足諧振條件。例如：增大電容，回路需要更強烈的過渡過程才能激發(fā)諧振的發(fā)生。補償電網(wǎng)的消弧線圈再投入，破壞諧振條件，諧振立即消失。(2消耗諧振能量，增大阻尼，抑制諧振發(fā)生。在系統(tǒng)中串聯(lián)合適的電阻，消耗諧振能量。但是電阻的接入必須滿足一定條件：不影響原系統(tǒng)的正常運行；阻尼有效，具有足夠的熱容量和較長的壽命；不會引起繞組過熱；設(shè)備正

11、常運行時，絕緣上不會出現(xiàn)危險的過電壓。(3設(shè)計時改變系統(tǒng)的接地方式或運行中臨時進行倒閘操作破壞鐵磁諧振發(fā)生條件。 在實際中常應(yīng)用到的措施主要有以下幾個：(1一次消諧阻尼器：在PT 的一次側(cè)中性點與地之間串聯(lián)一個非線性電阻， 正常運 行下，電阻阻值高達幾百千歐，較高的阻尼作用，在最初狀態(tài)不易發(fā)生鐵磁諧振。發(fā)生諧振后，該電阻減小，在很短的時間內(nèi)消除鐵磁諧振。微機消諧裝置：安裝在電壓互感器的開口三角處，也叫二次消諧。系統(tǒng)正常運行或其他故障時，裝置不動作。當(dāng)鐵磁諧振發(fā)生時，并聯(lián)在開口三角的兩個晶閘管導(dǎo)通，用以阻尼和限制鐵磁諧振。裝置啟動后，晶閘管全部導(dǎo)通，并呈低阻態(tài)，消除鐵磁諧振。(24TV消諧法3：

12、在電壓互感器一次側(cè)的中性點串聯(lián)一個單相電壓器，也就是加裝零序電壓互感器，與其他三相電壓互感器構(gòu)成4TV ，其接線方式如圖3所示。圖中，P1為一次線圈，P2為二次輔助線圈，P3為二次線圈，P4和P5為零序互感器的一、二次線圈，YJ 為接地繼電器。該方法相當(dāng)于在中性點處接入一個高阻抗，能夠很有效的抑制電壓互感器的鐵心飽和引起的諧振。AB C P2a圖3 4TV消諧法(3改善PT 的勵磁特性：從根本上解決鐵磁諧振的發(fā)生問題。選用較好勵磁特性的電壓互感器，使鐵心很難進入飽和區(qū)，從而不滿足鐵磁諧振條件。(4改變系統(tǒng)中性點接地方式：系統(tǒng)采用中性點采用經(jīng)消弧線圈接地或是經(jīng)小電阻接地方式。中性點處串聯(lián)消弧線圈相當(dāng)于在PT 的每一相勵磁電感處并聯(lián)一個很小的電感，參數(shù)不能匹配，不會發(fā)生鐵磁諧振。中性點經(jīng)小電阻接地方式中，串聯(lián)的電阻值越大對鐵磁諧振阻尼作用越明顯。當(dāng)電阻趨于無窮大時，相當(dāng)于中性點絕緣，則不可能發(fā)生鐵磁諧振。當(dāng)然，還有其他一些的應(yīng)用措施，有的變電站還會采用各種方法相結(jié)合的抑制措施4。各種不同方法有各自的優(yōu)缺點，而且也有一定的適用條件。根據(jù)系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)電壓等級的不同，采用合適的抑制措施。參考文獻1 齊鄭，董迪，楊以涵，中性點不接地