電力系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)的現(xiàn)象之一，諧振過(guò)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(guò)電壓，危及電氣設(shè)備的安全，影響保護(hù)裝置的可靠性。如果滿足一定條件，就

2、可能 激發(fā)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鐵磁諧振過(guò)電壓。鐵磁諧振過(guò)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(jiàn)的發(fā)生鐵磁諧振過(guò)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(kāi)關(guān)非同步動(dòng)作等。鐵磁諧振過(guò)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(guò)電壓幅值一般不超過(guò) 1. 52.5Uxg （最高運(yùn)行相電壓, 個(gè)別可達(dá)3.5 Uxg;諧振過(guò)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，因此不能用避雷器限制。鐵磁諧振過(guò)電壓的表現(xiàn)形式可能是單

3、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(guò)電流，引起熔斷器熔斷或互感器燒毀等。1鐵磁諧振過(guò)電壓產(chǎn)生的原因電磁式電壓互感器引起的諧振過(guò)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(guò)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(kāi)口三角零序電壓線圈為開(kāi)路狀態(tài)。(3電網(wǎng)的對(duì)地電容與互感器的勵(lì)磁電感相匹配，且初始感抗大于容抗(XLX。C(4具有一定的外界 “突發(fā)”條件。在中性點(diǎn)不接

4、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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)電壓現(xiàn)象，產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。1.2 單相接地產(chǎn)生鐵磁諧振過(guò)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

5、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(guò)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(guò)電壓。1.3 電壓互感器鐵心飽和產(chǎn)生諧振過(guò)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(guò)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(guò)電壓的產(chǎn)生 , 對(duì)系統(tǒng)電感、電容參數(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，

6、或者母線發(fā)生單相接地的情況下，均能產(chǎn)生諧振過(guò)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(guò)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 ,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(kāi)關(guān)K合閘后，回路微分方程式可寫為 ：dW /dt+iR+1/C / idt= U(t式中w 與非線性電感線圈所匝鏈的磁鏈；i一回路中電流的瞬時(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

7、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(lái)說(shuō)，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ULUC,則回路中的電流呈感性;反之，則呈容性。如果取感性電流為正 ，容性電流為負(fù)，由式(1可改寫 為:士 UL=U+UC或 土 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/ 3是C,回路電容C所表

8、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a,且 tg a =1/ 3 C如將該直線向左延長(zhǎng)，則它與橫軸交于(I入，0點(diǎn)，而I入=U/-tg a=-3 CU顯然，I入就是電源電壓 U作用下流過(guò)電容C的充電電流。式 (2左面 部分UL =fL(I是一條給定的曲線，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(jiàn)，當(dāng)回路中的電容 C小時(shí),U + UC=f (I的斜率tg a =1/ coC大, 如直線1；它和曲線UL =f

9、L (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 a=1/ coC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，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

10、 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(lái)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(lái)越遠(yuǎn)地 離開(kāi)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，止匕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(shuō)，電感與電容上的電壓值差增加，因此要求電源電壓增加，設(shè)電源是無(wú)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(lái)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

11、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(lái)越大，于是回路越來(lái)越遠(yuǎn)地離開(kāi)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 ，由于電源電流不變，所以回路中的 電流越來(lái)越小，最后能回到原來(lái)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(guò)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

12、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(guò)電壓的危害3.1 諧振時(shí)，電壓互感器一次線圈通過(guò)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(kāi)關(guān)跳閘造成 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(lái)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(guò)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

13、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(kāi)口三角形線圈電壓超過(guò) 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，一般不超過(guò)2倍相電壓開(kāi)口三角形線圈電壓一般在8595 V之間，也有超過(guò)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(guò)33.5倍相電壓開(kāi)口三角形線圈電壓超過(guò)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

14、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(kāi)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/XL 0.01 ,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(guò)電壓，向母線充電前， 先合上變壓器中性點(diǎn)的接地開(kāi)關(guān)，送電后再拉開(kāi)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(yǔ)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中可能遇見(jiàn)的幾種常