電力系統(tǒng)中的諧振過電壓課件

第八章電力系統(tǒng)中的諧振過電壓主要內(nèi)容線性諧振的條件消弧線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的諧振超高壓補(bǔ)償線路中不對稱操作引起的諧振傳遞過電壓非線性（鐵磁）諧振的特點(diǎn)斷線引起的鐵磁諧振過電壓電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過電壓參數(shù)諧振過電壓電力系統(tǒng)諧振現(xiàn)象電力系統(tǒng)包含有許多電感和電容元件L：發(fā)電機(jī)、變壓器、互感器、電抗器、消弧線圈等;C：線路對地電容、導(dǎo)線間電容、補(bǔ)償用的并、串聯(lián)電容、高壓設(shè)備的雜散電容、均壓電容等。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時，這些電感、電容元件形成各種振蕩回路，在一定條件下，可以產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中某部分或某元件上出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過電壓。諧振過電壓持續(xù)時間比操作過電壓長得多，甚至可穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。但在某些情況，諧振發(fā)生一段時間后會自動消失，不能自保持。諧振過電壓的危害性既決定于其幅值大小，也決定于持續(xù)時間長短。諧振過電壓將危及電氣設(shè)備絕緣，也可能因諧振持續(xù)的過電流燒毀小容量電感元件設(shè)備(如電壓互感器)。

8.1線性諧振的條件回路的阻尼率回路的自振角頻率8.2消弧線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的諧振在中性點(diǎn)不接地的配電網(wǎng)中,消弧線圈的主要作用是補(bǔ)償系統(tǒng)單相接地故障的短路電流。系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)10kV線路的Ijd不超過30A（即：架空線路長度不超過1000km）和35kV線路的Ijd不超過10A（即：架空線路長度不超過100km）時，接地電弧一般能夠自熄，這可避免單相電弧接地故障跳閘，這是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)超過上述允許值時，接地電弧往往不能自熄，并將產(chǎn)生間歇性電弧接地過電壓。在變壓器中性點(diǎn)上接消弧線圈L。當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接有消弧線圈時，單相接地時流過消弧線圈的電流為流過故障點(diǎn)的電流Ic

利用消弧線圈滅弧后，故障相恢復(fù)電壓的自由振蕩的角頻率與系統(tǒng)電源的角頻率相接近，恢復(fù)電壓將以拍頻的規(guī)律緩慢上升，從而可以保證電弧不再發(fā)生重燃和最終趨于熄滅，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。系統(tǒng)裝設(shè)消弧線圈后，熄弧后故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓為消弧線圈的功能有：補(bǔ)償系統(tǒng)單相接地電容電流、延緩恢復(fù)電壓的上升速度促使電弧自熄。消弧線圈調(diào)諧至使脫諧度Vc=0時，系統(tǒng)將發(fā)生諧振現(xiàn)象。8.3超高壓補(bǔ)償線路中不對稱操作引起的諧振在超高壓電網(wǎng)中，為抑制空載長線路的重合閘過電壓，一般采用單相自動重合閘，即電網(wǎng)中單相斷路器操作是一種正常的不對稱操作，而且超高壓電網(wǎng)并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度TK通常在60%以上。系統(tǒng)發(fā)生不對稱操作情況時，會使健全相對斷開相的相間電容與斷開相的對地電抗器形成串聯(lián)諧振回路，由于電抗器的線性度很高，這種電感、電容效應(yīng)將會產(chǎn)生較高的工頻過電壓，使得故障開斷相的工頻接地電?。摴╇娏鳎┎荒芟?，自動重合閘也就歸于失敗。

并聯(lián)電抗器的正序與零序電抗分別為XL1和XL0、線路的正序與零序波阻抗分別為Z1和Z0和導(dǎo)線的正序與零序電角度分別為λ1和λ0。等值電路圖中Zr1為從線路首端求得的正序入口阻抗。零序入口阻抗等于由線路首端求得的Zr0，在等值電路圖中附加一個接地阻抗ZrN，根據(jù)等效原理ZrN應(yīng)滿足電抗器的正序與零序補(bǔ)償角忽略線路電阻，Zr1=jXr1、Zr0=jXr0

空載長線路末端接有電抗器的等值入口阻抗表達(dá)式單相開斷時，開斷相（圖中A相）的電壓表達(dá)式為單相開斷時，電網(wǎng)發(fā)生諧振的條件為忽略導(dǎo)線電感，令導(dǎo)線的正序和零序電容分別為C1和C0，容抗為－jXC1和－jXC0，線路首端的入口阻抗為單相開斷發(fā)生諧振的條件開斷相的電壓為消除電網(wǎng)諧振，要求G＜1，即要求電抗器的零序電抗大于正序電抗，實(shí)際系統(tǒng)就采用并聯(lián)電抗器的中性點(diǎn)串接小電抗的方法來滿足G＜1的要求。若線路中不接并聯(lián)電抗器，當(dāng)發(fā)生單相不對稱開斷時，在開斷相上亦會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓是由非開斷相與開斷相的相間電容和開斷相的對地電容分壓傳遞而來的。8.4傳遞過電壓在電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生不對稱接地故障或斷路器的不同期操作時，將會出現(xiàn)零序電壓和零序電流，通過靜電和電磁耦合，會在相鄰的低壓平行線路中感應(yīng)出傳遞過電壓；當(dāng)變壓器的高壓繞組側(cè)出現(xiàn)零序電壓時，會通過繞組間的雜散電容傳遞至低壓側(cè)，危及低壓繞組絕緣或接在低壓繞組側(cè)的電氣設(shè)備。高壓牽引線路與信號電纜間存在耦合電容，而信號電纜芯線本身也有對地電容，通過這些分布電容會在信號電纜上產(chǎn)生靜電傳遞電壓。傳遞電壓值與電纜間幾何尺寸、電纜金屬護(hù)套的連接方式等因素有關(guān)，這種影響稱為容性耦合影響，也就是靜電影響。在實(shí)際工程中，按相關(guān)規(guī)程要求信號電纜的金屬護(hù)套應(yīng)接地，所以高壓牽引線路與信號電纜平行鋪設(shè)時，在信號電纜芯線上不會產(chǎn)生靜電感應(yīng)分量。在高壓牽引線路的工作電流作用下，在空間產(chǎn)生交變磁場，其磁力線交鏈鄰近信號線路，在信號線路上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（電力電纜與信號電纜間存在互感），通過這種感性耦合在通信電纜上感應(yīng)出電動勢。由于此感應(yīng)電動勢是沿著通信線路芯線軸向分布的，又稱為縱向感應(yīng)電動勢。鐵路供電強(qiáng)電線路在信號電纜的芯線上產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動勢，與強(qiáng)電線路中的影響電流、信號電纜的金屬護(hù)套屏蔽層、信號電纜的直徑、信號電纜屏蔽層的接地方式以及它們之間的距離等因素有關(guān)。信號電纜線芯的磁感應(yīng)電勢與強(qiáng)電線路的影響電流成正比關(guān)系，還和強(qiáng)電線路與信號電纜間的互感系數(shù)、信號電纜屏蔽層的自電感和電阻有關(guān)。當(dāng)信號電纜屏蔽層兩端接地時，屏蔽層中產(chǎn)生的感應(yīng)電流起了去磁的作用，使電纜芯線的感應(yīng)電勢減小。信號電纜的屏蔽系數(shù)定義為：有金屬護(hù)套時電纜線芯上的感應(yīng)電動勢與無金屬護(hù)套時相同電纜線芯上的感應(yīng)電動勢之比當(dāng)屏蔽層兩端的接地電阻等于零時，屏蔽層的屏蔽系數(shù)稱為理想屏蔽系數(shù)S0

當(dāng)信號電纜無金屬護(hù)套時信號電纜的理想屏蔽系數(shù)為

若不考慮低壓側(cè)的等值電感L的作用，則傳遞到變壓器低壓繞組側(cè)的電壓為若考慮低壓側(cè)的等值電感L的作用，則傳遞到變壓器低壓繞組側(cè)的電壓為,L與3C0呈并聯(lián)諧振，等值電路相當(dāng)于開路，零序電壓全部傳遞到低壓繞組側(cè)在過補(bǔ)償狀態(tài)，＜0，等值電路呈串聯(lián)諧振狀態(tài)。會急劇增大低壓繞組側(cè)電壓增高后，消弧線圈會趨于飽和，使得自動增大，過電壓也就受到限制。

抑制傳遞過電壓的措施：避免出現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓，如盡量使斷路器三相同期操作；裝設(shè)消弧線圈后，應(yīng)當(dāng)保持一定的脫諧度，避免出現(xiàn)諧振條件；在低壓繞組側(cè)不裝消弧線圈的情況下，可在低壓側(cè)加裝三相對地電容，以增大3C0。三、超高壓電網(wǎng)中的潛供電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，采取跳開故障相線路兩側(cè)的斷路器來排除故障，然后再重合閘使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行（單相重合閘操作）系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相的工作電壓和負(fù)載電流可以通過相間電容和互感對故障相產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，使故障相在與電源斷開后仍能維持一定的接地電流，被稱為潛供電流（二次電流）。潛供電流以電弧的形式存在，而潛供電流的自熄是單相自動重合閘成功的必要條件。潛供電流的自熄取決于潛供電流的大小及電弧熄滅后作用于故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓。電弧的自熄時間為潛供電流自熄后，為防止故障點(diǎn)的電弧重燃，還要求電弧熄滅后作用于故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓不能太大。故障相導(dǎo)線的恢復(fù)電壓仍由靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個分量組成。故障點(diǎn)恢復(fù)電壓的電磁感應(yīng)分量與故障點(diǎn)的位置有關(guān)。

潛供電流和恢復(fù)電壓均由靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個分量組成，而起主導(dǎo)作用的是靜電感應(yīng)分量，靜電感應(yīng)分量是通過相間電容傳遞過來的。要限制潛供電流和接地故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓，可采取在導(dǎo)線間裝設(shè)一組三角聯(lián)接的電抗器，補(bǔ)償相間電容，使相間阻抗趨向無窮大，這樣潛供電流的橫分量和恢復(fù)電壓的靜電感應(yīng)分量都將趨于零（補(bǔ)償法

）?？紤]系統(tǒng)限制空載長線路工頻電壓升高的要求，系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)一組星形聯(lián)接而中性點(diǎn)接地的電抗器。超高壓和特高壓電網(wǎng)中可采用快速接地開關(guān)HSGS(HighSpeedGroundingSwitches)來限制潛供電流（故障轉(zhuǎn)移法）?？焖俳拥亻_關(guān)HSGS是接在輸電線路兩端對地的一組開關(guān)，其工作原理是將故障點(diǎn)的開放性電弧轉(zhuǎn)移至兩側(cè)接地開關(guān),使故障相上的電壓和故障點(diǎn)的潛供電流大大降低,從而使電弧易于熄滅。8.5非線性（鐵磁）諧振的特點(diǎn)

忽略回路電阻鐵磁諧振具有以下特點(diǎn)：產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的必要條件是：電感和電容的伏安特性曲線必需相交在相同的電源電勢作用下，回路有兩種不同性質(zhì)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。在外界激發(fā)下，電路可能從非諧振工作狀態(tài)躍變到諧振工作狀態(tài)，相應(yīng)回路從感性變成容性，發(fā)生相位反傾現(xiàn)象，同時產(chǎn)生過電壓與過電流。非線性電感的鐵磁特性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件飽和效應(yīng)本身也限制了過電壓的幅值。此外，回路損耗也是阻尼和限制鐵磁諧振過電壓的有效措施?；ㄨF磁諧振、高次諧波諧振、分頻諧振8.6斷線引起的鐵磁諧振過電壓斷線泛指導(dǎo)線因故障折斷、斷路器拒動以及斷路器和熔斷器的不同期切合等。非全相運(yùn)行時的諧振電路，在一定的參數(shù)配合和激發(fā)條件下，可能會產(chǎn)生基頻、高頻或分頻諧振。當(dāng)發(fā)生基頻諧振時，會出現(xiàn)三相對地電壓不平衡，如兩相電壓升高、一相電壓降低，或三相電壓同時升高的現(xiàn)象。在負(fù)載變壓器側(cè)可能發(fā)生負(fù)序電壓占主要成分的情況，引起系統(tǒng)相序反傾，造成小容量電機(jī)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。為防止斷線過電壓，可采取下列的限制措施：保證斷路器的三相同期動作，不采用熔斷器設(shè)備；加強(qiáng)線路的巡視和檢修，預(yù)防發(fā)生斷線；若斷路器操作后有異?，F(xiàn)象，可立即復(fù)原，并進(jìn)行檢查；不要把空載變壓器常期接在系統(tǒng)中；在中性點(diǎn)接地的電網(wǎng)中，合閘中性點(diǎn)不接地的變壓器時，先將變壓器中性點(diǎn)臨時接地。這樣做可使變壓器未合閘相的電位被三角形聯(lián)接的低壓繞組感應(yīng)出來的恒定電壓所固定，不會引起諧振。8.7電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過電壓

正常運(yùn)行時，電壓互感器的勵磁阻抗很大，所以每相對地阻抗（L和C0并聯(lián)后）呈容性，三相基本平衡，系統(tǒng)中性點(diǎn)0的位移電壓很小。但當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某些擾動，使電壓互感器三相電感飽和程度不同時，系統(tǒng)中性點(diǎn)就有可能出現(xiàn)較高的位移電壓，激發(fā)起諧振過電壓。常見的使電壓互感器產(chǎn)生嚴(yán)重飽和的情況有：電源突然合閘到母線上，使接在母線上的電壓互感器某一相或兩相繞組出現(xiàn)較大的勵磁涌流，而導(dǎo)致電壓互感器飽和；由于雷擊或其它原因使線路發(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，該直流分量通過電壓互感器釋放，而引起電壓互感器飽和；傳遞過電壓，例如高壓繞組側(cè)發(fā)生單相接地或不同期合閘，低壓側(cè)有傳遞過電壓使電壓互感器產(chǎn)生飽和。由于電壓互感器飽和程度不同，會造成系統(tǒng)兩相或三相對地電壓同時升高，整個電網(wǎng)對地電壓的變動表現(xiàn)為電源中性點(diǎn)0的位移（電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移過電壓）。中性點(diǎn)的位移電壓也就是電網(wǎng)的對地零序電壓，將全部反映至互感器的開口三角繞組，引起虛幻的接地信號和其它的過電壓現(xiàn)象，造成值班人員的錯覺。中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的情況下，不會出現(xiàn)此類諧振過電壓。系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓為當(dāng)系統(tǒng)遭受干擾，使電壓互感器的鐵芯出現(xiàn)飽和，例如，B、C兩相電壓升高，電壓互感器電感飽和，則流過和的電感電流增大，使其等值電感減小，B、C相的對地導(dǎo)納變成電感性，即、為感性導(dǎo)納，而A仍為容性導(dǎo)納。由于容性導(dǎo)納與感性導(dǎo)納相互抵消的作用，造成系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓大大增加。虛幻接地現(xiàn)象是電磁式電壓互感器飽和引起工頻（基頻）諧振過電壓的標(biāo)志。干擾造成電壓互感器鐵芯飽和后，將會產(chǎn)生一系列諧波，若系統(tǒng)參數(shù)配合恰當(dāng)，會使某次諧波放大，引起諧波諧振過電壓。配電網(wǎng)中常見的諧波諧振有次分頻諧振與3次高頻諧振。系統(tǒng)出現(xiàn)諧波諧振的特點(diǎn)是三相電壓同時升高。當(dāng)系統(tǒng)線路較長時，等效大，回路的自振角頻率低，就可能激發(fā)產(chǎn)生分頻諧振過電壓，發(fā)生分頻諧振的頻率為24～25Hz，存在頻差，會引起配電盤上的表計(jì)指示有抖動或以低頻來回?cái)[動現(xiàn)象。這時互感器等值感抗降低，會造成勵磁電流急劇增加，引起高壓熔斷器熔斷，甚至造成電壓互感器燒毀。

限制和消除這種鐵磁諧振過電壓的措施：改變系統(tǒng)零序參數(shù)，在母線上加裝三相對地電容，可使系統(tǒng)參數(shù)越出諧振范圍，零序阻尼，在電壓互感器的零序回路中投入阻尼電阻。阻尼電阻R可以接在開口三角繞組的兩端。采用專門的消諧裝置

近年來，我國中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)規(guī)模越來越大，相應(yīng)線路的對地電容很大，這種系統(tǒng)中發(fā)生接地故障消失擾動，仍可能發(fā)生電壓互感器的高壓熔斷器頻繁熔斷的故障。這種故障是由于系統(tǒng)單相接地消失引起了超低頻振蕩現(xiàn)象，在超低頻情況作用下，電壓互感器的感抗大幅度降低，故在電壓互感器中會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電流，引起高壓熔斷器的熔斷。在110、220kV電網(wǎng)中，當(dāng)斷路器的斷口采用均壓電容時，系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，則有可能發(fā)生由斷口均壓電容與接在系統(tǒng)母線上的電磁式電壓互感器構(gòu)成的鐵磁諧振。這種諧振也可僅僅具有正序或負(fù)序性質(zhì)。這種諧振有別與不接地系統(tǒng)中的電壓互感器飽和引起的諧振，諧振一旦產(chǎn)生要消除更困難，而應(yīng)從根本上采取措施避免諧振發(fā)