電壓互感器的鐵磁諧振及其消諧措施

1、五、關(guān)于電壓互感器的鐵磁諧振及其消諧措施。1、諧振條件在中點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于接地保護(hù)的需要，三相電壓互感器的中點(diǎn)是直接接地的，因此電壓互感器與電網(wǎng)線路對(duì)地電容并聯(lián)而形成諧振回路，電磁式電壓互感器的電感是非線性的，這種諧振回路為非線性諧振回路，或稱(chēng)鐵磁諧振回路，如圖5-1。通常，在正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的感抗XL遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對(duì)地電容的容抗XC，即XL與XC不會(huì)形成諧振，但由于某些原因，例如單相接地故障、線路合閘、雷電沖擊等等，使電壓互感器的電感量發(fā)生變化，如果XL與XC匹配合適則將產(chǎn)生諧振。由于電網(wǎng)中點(diǎn)不接地，正常運(yùn)行時(shí)互感器中點(diǎn)N和電源中點(diǎn)對(duì)地同電位，即中點(diǎn)不發(fā)生位移，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，互感器一相

2、、兩相或三相繞組電壓升高，各相對(duì)地電位發(fā)生變動(dòng)，但因電源電勢(shì)由發(fā)電機(jī)的正序電勢(shì)所固定，EA、EB、EC保持不變，在電網(wǎng)這一部分對(duì)地電壓的變動(dòng)則表現(xiàn)為電源中點(diǎn)發(fā)生位移，而出現(xiàn)零序電壓，這就是說(shuō)，諧振的發(fā)生是由于中點(diǎn)位移而引起的。圖5-1 電壓互感器接線圖圖5-2 不對(duì)稱(chēng)阻抗產(chǎn)生的中點(diǎn)位移電壓假定當(dāng)A相電壓下降，B、C相電壓升高，則A相顯容性，而B(niǎo)、C相顯感性，等值電路圖如圖5-2所示。 如圖，三相中各阻抗不對(duì)稱(chēng)，電源中點(diǎn)產(chǎn)生位移，在一定條件下將產(chǎn)生諧振。根據(jù)圖5-1，解出中點(diǎn)位移電壓如下式： （1）， 代入得： （2）由（2）式可看出，當(dāng)時(shí)則U0無(wú)窮大，即要發(fā)生諧振，這也意味著只有當(dāng)電壓互感器的

3、感抗與線路容抗在一定比例下，諧振才會(huì)產(chǎn)生。有人（HA.Peterson）對(duì)此曾做了專(zhuān)門(mén)的模擬試驗(yàn)，得到了諧振范圍的曲線，如圖5-3b所示。模擬試驗(yàn)用互感器的V-A特性如圖5-3 a。5-3 a非線性電感的伏安特性曲線U試驗(yàn)電源相電壓 Uj非線性電感額定電壓 I*電流標(biāo)幺值5-3b 不同諧振區(qū)域， 額定線電壓下非線性電感的勵(lì)磁感抗從圖5-3b可看出，諧振有可能是分頻諧振（低于工頻，一般為工頻），也可能是工頻諧振，或高頻諧振。圖5-3b中XC為線路的每相對(duì)地電容（線性的），XL為電壓互感器每相繞組在電壓下的勵(lì)磁感抗。顯然，當(dāng)XC/XL0.XC / XLXC/XL1時(shí)會(huì)發(fā)生工頻諧振（基波），XC/X

4、L1時(shí)進(jìn)入高頻諧振區(qū)。由此可以看出，分頻諧振是容易發(fā)生的。西安交通大學(xué)用大一互提供的JDZX18-10，JDZX9-10G及JDZX9-35Q電壓互感器的V-A特性采用EMTP電磁暫態(tài)軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，其諧振范圍與上模擬試驗(yàn)曲線有些差別，例如：=0.001590.0133，發(fā)生分頻諧振，基頻諧振，=0.13326.7，發(fā)生高頻諧振。諧振的發(fā)生必須有激發(fā)條件，即必須有使電壓到感器的電感量發(fā)生變化的條件。系統(tǒng)中激發(fā)條件往往是：空載母線或送電線路的突然合閘；單相接地故障（非故障相電壓升高）；傳遞過(guò)電壓及經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)有時(shí)消弧線圈退出運(yùn)行，等等，這些激發(fā)條件以單相接地故障最頻繁。2 諧振的基本

5、特性a、工頻諧振（基波諧振）試驗(yàn)和分析表明，由互感器引發(fā)的基波諧振表現(xiàn)為一相電壓降低，兩相電壓升高，且中點(diǎn)移到線電壓三角形之外，各相電壓相量圖如圖5-4?；ㄖC振產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值一般不高，對(duì)地穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)2倍。b、高頻諧振（三次諧振波諧振）圖5-4 基波諧振向量圖在中點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，由于電源不能向電壓互感器提供三次諧波勵(lì)磁電流，而使鐵芯中磁通為平頂波，含有三次諧波磁通，對(duì)于三個(gè)單相電壓互感器而言，三次諧波磁通可在每相電壓互感器鐵芯上流通，因而產(chǎn)生三次諧波電勢(shì)，使中點(diǎn)位移產(chǎn)生而發(fā)生諧振。高頻諧振的表現(xiàn)是三相電壓同時(shí)升高，即在工頻電壓下迭加三次諧波電壓 ，因?yàn)楦飨嗷妷号c三次諧波電壓均相等，所

6、以三相電壓指示相同。高頻諧振通常在空母線合閘的激發(fā)條件下產(chǎn)生。有時(shí)，變電站出線很短是也會(huì)發(fā)生。高頻諧振會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，最高可達(dá)3。c、1/2分頻諧振除了基波和三次諧波諧振以外，電壓互感器的鐵磁諧振電路還可產(chǎn)生低于電源頻率的分次諧波諧振，其中大多數(shù)為1/2次諧波諧振。1/2分頻諧振時(shí)，其諧波波源必然存在電源中點(diǎn)與互感器高壓繞組中點(diǎn)之間，即在UNN，中，它是零序性質(zhì)的。因此，分頻諧振電壓一般都認(rèn)為每相對(duì)地電壓為電源電勢(shì)（基波）和中點(diǎn)位移電壓（1/2次諧波）的相量和。其均方根值為， 電源相電壓次諧波諧振時(shí)中點(diǎn)位移電壓。由此可見(jiàn)，1/2分頻諧振表現(xiàn)為三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，實(shí)際上諧振頻率與1/2工頻

7、略有差別，所以，電壓表計(jì)以低頻來(lái)回?cái)[動(dòng)。1/2分頻諧振過(guò)電壓不高（不超過(guò)2），這是由于鐵芯深度飽和所致。因?yàn)轭l率減半，互感器鐵芯中磁密要比額定時(shí)大1倍，使鐵芯飽和，勵(lì)磁感抗急劇下降，因而高壓繞組流過(guò)極大的過(guò)電流，一般可達(dá)幾十倍甚至上百倍額定電流，使互感器過(guò)熱并產(chǎn)生電動(dòng)力的破壞。由于是熱和電動(dòng)力的破壞，互感器往往有一發(fā)展過(guò)程，表現(xiàn)為互感器冒煙、熔絲熔斷、油浸互感器噴油等。如果XC /XL處在兩種諧振區(qū)的交界處，有可能是發(fā)生基波振而后轉(zhuǎn)入分頻諧振。1/2分頻諧振的激發(fā)條件大都是單相接地故障又突然消除的暫態(tài)過(guò)程。由于其起振電壓較低，在一定電網(wǎng)條件下1/2分頻諧振是最容易發(fā)生的，而且破壞力很強(qiáng)，也是互

8、感器出現(xiàn)燒壞事故的主要原因。3、消諧措施35KV級(jí)以下電力網(wǎng)電磁式電壓互感器的鐵磁諧振現(xiàn)象，曾經(jīng)引起電力部門(mén)的高度重視，消除鐵磁諧振的措施有兩大類(lèi)：破壞諧振條件，阻尼諧振。屬于第一類(lèi)的有：增加網(wǎng)絡(luò)電容，使，不使用電磁式電壓互感器，采用電壓互感器中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，（針對(duì)接地故障）；第二類(lèi)措施是在二次或在互感器中點(diǎn)對(duì)地加電阻。另外，對(duì)電壓互感器有較好的勵(lì)磁特性減少諧振的發(fā)生，也是有作用的?；ジ衅鬏^好的勵(lì)磁特性是建立在降低互感器額定磁密上的，但這很有限，因?yàn)槭芑ジ衅魅萘?，?zhǔn)確級(jí)及開(kāi)關(guān)柜的尺寸及制造成本的制約，額定磁密不能降到很低的。現(xiàn)代大連第一互感器廠互感器已經(jīng)作了盡可能的降低。通觀國(guó)內(nèi)外

9、情況，及使用常用的優(yōu)質(zhì)冷軋鋼片（Z11，Z10），互感器在額定電壓因數(shù)電壓下，磁密不超過(guò)T，同時(shí)，在生產(chǎn)控制上也嚴(yán)格控制了勵(lì)磁特性的不一致性的偏差。31阻尼諧振阻尼諧振措施包括以下兩類(lèi)a） 二次回路加電阻圖5-5 二次加消諧器接線圖在互感器開(kāi)口角回路加阻尼電阻，有固定電阻和電子型，統(tǒng)稱(chēng)二次消諧，電子型目前普遍采用的微機(jī)型消諧器其接線如圖5-5，其原理是，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，使三相電壓不對(duì)稱(chēng)，互感器飽和，出現(xiàn)零序磁通，高壓繞組流過(guò)零序電流，在開(kāi)口角兩端，要感應(yīng)零序電壓，接有電阻時(shí)，則有零序電流流通。這個(gè)電流是對(duì)高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用的。二次零序電流越大，

10、去磁效果越大，短接時(shí)效果最好，如果長(zhǎng)期處于短接狀態(tài)，則可能不發(fā)生諧振。但短接對(duì)互感器是不能長(zhǎng)期運(yùn)行的，只允許運(yùn)行1s以?xún)?nèi)。因此利用可控硅，在發(fā)生諧振時(shí)，由CPU采集數(shù)據(jù)，超過(guò)正常電壓值后使可控硅導(dǎo)通，使諧振瞬間消除。諧振消失后，可控硅又恢復(fù)阻斷狀態(tài)。這種消諧器的致命弱點(diǎn)是一旦可控硅阻斷失效，即開(kāi)口三角處于永久性短路，在單相接地或其他故障使三相電壓不平衡時(shí)，電壓互感器即處于短路運(yùn)行，會(huì)燒壞互感器。這種消諧器失效而造成互感器損壞已經(jīng)不是“危言聳聽(tīng)”，事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)，“瞬間消諧”的概念也是不確切的。諧振一旦發(fā)生，要消除總得有個(gè)過(guò)程。尤其是由于采集數(shù)據(jù)的延時(shí)，可能錯(cuò)過(guò)阻尼的最佳時(shí)間。其“瞬間”如果超

11、過(guò)1s，則已不保護(hù)互感器的安全了，因?yàn)榛ジ衅鞫搪愤\(yùn)行只允許1s。過(guò)去的這類(lèi)消諧器對(duì)可控硅阻斷失效沒(méi)有顯示，運(yùn)行人是不可檢查，不會(huì)發(fā)現(xiàn)，這又是其弱點(diǎn)。b）互感器高壓中點(diǎn)經(jīng)電阻接地互感器高壓中點(diǎn)經(jīng)電阻接地，此稱(chēng)一次消諧，接線圖如圖5-6，電阻可以是線性的，也可以是非線性的，對(duì)于非線性電阻，在工作時(shí)，可保持中點(diǎn)對(duì)地電位不超過(guò)互感器N端對(duì)地的絕緣水平。圖5-7 單相接地及消失時(shí)的電容電流途徑圖5-6 互感器高壓中點(diǎn)經(jīng)電阻接地接線圖其消諧機(jī)理是單相接地消逝時(shí)線路在由線電壓恢復(fù)到相電壓的過(guò)渡過(guò)程中，電容放電電流只能通過(guò)電壓互感器高壓繞組入地，理論分析（計(jì)算機(jī)仿真）及實(shí)測(cè)表明，這過(guò)電流的頻率很低，特別是電容

12、較大的網(wǎng)絡(luò)中其頻率只有幾個(gè)HZ。我們稱(chēng)此為超低頻振蕩電流。這個(gè)放電電流一般可達(dá)到上百倍互感器正常的勵(lì)磁電流，因而會(huì)使互感器飽和，激發(fā)諧振也會(huì)使高壓熔斷器熔斷，由于放電電流可達(dá)到熔斷器瞬間熔斷的電流，因此，往往深斷器熔斷，而保護(hù)了互感器，但有時(shí)這個(gè)電流小于熔斷器瞬時(shí)熔斷值，而引發(fā)諧振，則燒壞互感器。當(dāng)在中點(diǎn)經(jīng)電阻接地后，這個(gè)電阻即限制了放電電流，從而防止了熔斷器熔斷和諧振。單相接地電容放電電流如圖5-7。電阻的選擇，目前是通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算決定，而西安交通大學(xué)用計(jì)算法得出，臨界電阻為5.6%互感器相電壓下的感抗值。一次消諧器也有一些弱點(diǎn)，即電阻的熱容量如果不夠的，會(huì)引起電阻的損壞，而失去消諧作用，一

13、次消諧電阻如果過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生危及N端對(duì)地的耐壓水平。一般，互感器N端對(duì)地耐壓水平為3kV，1min，所以要求消諧電阻上產(chǎn)生的壓降應(yīng)低于3kV。選用時(shí)要注意。另外,該消諧措施帶來(lái)一個(gè)弊病是三次諧波電流在電阻上產(chǎn)生壓降，已使開(kāi)口角回路濾出的三次諧波電壓影響正常運(yùn)行，也造成三相電壓不平衡。32破壞諧振條件互感器高壓繞組中點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，即所謂“4VT”接法，屬于破壞諧振條件（指單相接地）類(lèi)消諧措施。圖5-8 4PT接線圖接線路圖如圖5-8，是由三個(gè)單相全絕緣電壓互感器和一個(gè)半絕緣（或全絕緣）單相電壓互感器構(gòu)成。其消諧原理是，當(dāng)單相接地時(shí)，電壓互感器的一次電壓出現(xiàn)零序和正序電壓，其正序電壓施加在

14、接成三相星形的主PT上，即主PT上的各相電壓不發(fā)生變化，而零序電壓（每相零序電壓為電源相電壓U）則由三相主PT和零序電壓互感器承擔(dān)，由于三相主PT的零序繞組（開(kāi)口角回路）短接，其零序阻抗很小，與零序電壓互感器的阻抗相比可以忽略，如此，零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上，即零序電壓互感器有相電壓產(chǎn)生，其二次側(cè)有電壓輸出而發(fā)出接地報(bào)警。當(dāng)接地消逝時(shí)，電容放電電流亦通過(guò)主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地，由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個(gè)放電電流，不致引起互感器飽和而不發(fā)生諧振。由圖5- 8 還可以看出，電壓表所測(cè)量的是各相對(duì)地的電壓，即為各二次繞組的電壓與零序互感器的電壓之和（相

15、量和）。因此正常運(yùn)行時(shí)，電壓表測(cè)量的是相電壓，而在單相接地時(shí)則由于零序電壓互感器二次側(cè)有相電壓，其方向與接地相的正序電壓方向相反，即接地相的電壓表讀數(shù)為0，而其他非故障相的電壓上升到線電壓。其二次相量圖如圖5-9。因此，該接線可以反映接地的相別。圖5-10 JSZF-10三相防諧振電壓互感器接線圖根據(jù)這種原理，我公司曾經(jīng)開(kāi)發(fā)了三相防諧振電壓互感器，其型號(hào)為JSZF-10型，其接線圖如圖5-10 。其中j1j2端子為零序電壓輸出為100V，而j2-n端子的電壓為100/3V。這種三相互感器為三相三柱，其零序阻抗很小，所以零序互感器測(cè)量的電壓基本上是一次零序電壓U理論分析和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，上述這

16、種主PT開(kāi)口角短接的4PT接線還有不完善的地方，還不能有效地抑制超低頻振蕩電流和消除諧振，還偶爾有燒壞的事故發(fā)生。該接線，由于開(kāi)口角回路短接，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)單相斷線，變壓器空投母線，單相弧光接地等非正常工況下，由此產(chǎn)生的零序電壓而在開(kāi)口角回路形成的環(huán)流，在電容量較大的電網(wǎng)中，這個(gè)環(huán)流可能超過(guò)互感器的熱容量而被燒壞；另外，該接線測(cè)量的零序電壓不準(zhǔn)確，同時(shí)，因?yàn)榱阈螂妷夯ジ衅魇浅Ｒ?guī)的產(chǎn)品，其感抗和直流電阻較小，沒(méi)有達(dá)到抑制超低頻振蕩電流的要求，據(jù)此，為更加可靠地安全運(yùn)行，大連零序科技開(kāi)發(fā)有限公司提出“4PT”的優(yōu)化方案，該方案經(jīng)大一互的模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。優(yōu)化方案主要有兩點(diǎn)：其一是接線優(yōu)化，將主PT

17、的開(kāi)口角打開(kāi)與零序PT的一個(gè)繞組串接接至電壓繼電器；其二是，零PT的直流電阻和感抗加大了很多，即零序PT是特殊設(shè)計(jì)的。這種互感器組我們稱(chēng)為抗諧振阻振蕩電壓互感器。其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)附后。優(yōu)化接線的原理是，測(cè)量零序電壓準(zhǔn)確，因?yàn)橹鱌T的開(kāi)口角和零序互感器是串接，即其兩端電壓是主PT承擔(dān)的零序電壓之和，消除開(kāi)口角短接的接線方案中只有零序電壓互感器承擔(dān)的零序電壓，而不存在測(cè)量零序電壓不準(zhǔn)確的缺陷，同時(shí)，由于兩個(gè)回路的串聯(lián)，正常運(yùn)行時(shí)三次諧振電勢(shì)則相互抵消，從而沒(méi)有三相電壓不平衡和開(kāi)口角回路電壓超標(biāo)的麻煩，還有，零序電壓互感器的直流電阻加大，加大到與一次消諧器的電阻值接近，有效地抑制超低頻振蕩電流。這一優(yōu)化

18、方案，通過(guò)了在鐵嶺電業(yè)局一個(gè)10kV的變電所的單相接地試驗(yàn)，該試驗(yàn)的電容電流達(dá)32A，試驗(yàn)結(jié)果是預(yù)期的。為此，我們現(xiàn)在推廣的是優(yōu)化的4PT方案。歸納一下，三種消諧措施比較，二次消諧器對(duì)諧振發(fā)生后起著阻尼作用，能減少或消除諧振對(duì)互感器的破壞，但它對(duì)超低頻放電電流的抑制不起作用，而不能消除熔斷器頻繁熔斷的現(xiàn)象，一次消諧器的應(yīng)用，能有效地消諧，同時(shí)也很好抑制超低頻放電電流，但其麻煩是正常運(yùn)行時(shí)三相電壓不平衡和零序電壓超標(biāo)，以及中性點(diǎn)對(duì)地的電壓可能超過(guò)互感器的絕緣水平，甚至消諧器的熱容量可能不夠也導(dǎo)致消諧器自己被燒壞而失去消諧作用。因此，必須采取一些補(bǔ)救措施才能得以安全運(yùn)行。開(kāi)口角短接的4PT接線對(duì)消

19、諧和抑制超低頻振蕩電流都是有效的，但有其測(cè)量零序電壓不準(zhǔn)確和開(kāi)口角內(nèi)的環(huán)流會(huì)導(dǎo)致互感器有燒壞的隱患，因此而不完善，開(kāi)口角打開(kāi)的4PT接線及零序電壓互感器的特殊設(shè)計(jì)，消除了開(kāi)口角短接的4PT接線的缺陷，因此，目前，該方案是較優(yōu)的消諧方案。但要注意，試驗(yàn)證明4PT接線方案只能是保護(hù)自己，而不能消除系統(tǒng)中其他非4PT接線的互感器，這就是說(shuō)，變電所中，無(wú)論進(jìn)線，出線都應(yīng)用4PT接線方案，不能只是某一側(cè)單獨(dú)采用抗諧振阻振蕩電壓互感器說(shuō)明書(shū)抗諧振阻振蕩電壓互感器適用于10kV以下中點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)（絕緣系統(tǒng)和共振接地系統(tǒng)）中作電能、電壓測(cè)量和繼電保護(hù)及絕緣監(jiān)測(cè)（接地保護(hù)）用，在絕緣系統(tǒng)中,它具有抗鐵磁諧振

20、過(guò)電壓與抑制超低頻振蕩過(guò)電流的獨(dú)特功能，能有效地防止電壓互感器高壓繞組燒損和高壓熔斷器熔斷;在共振接地系統(tǒng)中,它具有抗各種內(nèi)部過(guò)電壓的功能?？怪C振阻振蕩電壓互感器由主電壓互感器T與零序電壓互感器T0構(gòu)成，其中T由三臺(tái)單相電壓互感器組成并接成星形，其高壓繞組中性點(diǎn)經(jīng)T0接地，原理接線圖如圖1。圖1抗諧振阻振蕩電壓互感器原理接線圖圖1中，組成主電壓互感器T的三臺(tái)單相電壓互感器為全絕緣型，其技術(shù)參數(shù)與普通單相接地電壓互感器相同；零序電壓互感器T0，為半絕緣型，它有兩個(gè)二次補(bǔ)償繞組：一個(gè)是電壓補(bǔ)償繞組，其額定電壓為UN/3（即額定相電壓），端子標(biāo)志為a-n；另一個(gè)是零序電壓補(bǔ)償繞組（稱(chēng)補(bǔ)償繞組），端子標(biāo)志為da-dn，額定電壓為100V。零序電壓互感