電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生機(jī)理的探討

1、電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生機(jī)理的探討王 坤，張國紅，王世旭鄭州供電公司摘要：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的電磁式電壓互感器，因單相電弧接地故障或合閘充電過程的激發(fā)可能引起鐵磁諧振過電壓。本文系統(tǒng)的分析了鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生機(jī)理，并指出了實(shí)際中應(yīng)注意的問題。 關(guān)鍵詞：過電壓 鐵磁諧振Abstract: The electromagnetic voltage transformer in the Neutral end grounding system could excite ferromagnetic resonance over-voltage during single phase arcing e

2、arthing fault or line energization when no load on bus bar or less output lines appearedThis paper analyses the generation mechanism of resonance over-voltage，and points out some precautions for practicalKeywords: over-voltage Ferromagnetic resonance1 前言在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在進(jìn)行正常的倒閘操作中，如投入空載母線時，或者線路發(fā)生單相電弧接地故障過程

3、中往往發(fā)現(xiàn)母線電壓指示不正常，接地指示誤動作，高壓熔斷器熔斷等異?，F(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致燒毀，繼而引發(fā)其它事故1。這些現(xiàn)象主要是由于各種激發(fā)而使電壓互感器和系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振造成的。此類情況經(jīng)常會使人誤判為變電所內(nèi)母線系統(tǒng)發(fā)生接地故障。這是新制造的和檢修后的電氣設(shè)備在投運(yùn)時發(fā)生損壞的重要原因之一，也是電壓互感器燒毀及其高壓保險(xiǎn)頻繁熔斷的主要原因之一，對電氣設(shè)備的安全運(yùn)行威脅較大。僅今年3月份，220KV 金岱集控中心所轄變電站接連發(fā)生了三次PT 高壓保險(xiǎn)熔斷現(xiàn)象，給鄭州電網(wǎng)的安全運(yùn)行形成了一定的隱患。2 鐵磁諧振在有些用電單位的電氣工程技術(shù)人員對鐵磁諧振過電壓的發(fā)生機(jī)理不甚了解，往往認(rèn)為，按一般電氣

4、理論常識，電壓互感器的一次側(cè)和二次側(cè)中性點(diǎn)都應(yīng)采取直接地的運(yùn)行方式，只有這樣才能準(zhǔn)確測量各相對地電壓。特別是當(dāng)采用三相五柱式電壓互感器時。只有當(dāng)電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)接地時，才能有效地利用電壓互感器的開口三角接線構(gòu)成絕緣監(jiān)示系統(tǒng)。對特別有無單相接地故障能起到較為準(zhǔn)確的鑒別作用。但是，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)卻不是這樣，在中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中。由于用戶的母線PT 高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，當(dāng)高壓電纜或者終端頭發(fā)生某相接地時。在這個10千伏系統(tǒng)內(nèi)，其他兩相對地電壓從相電壓升高到線電壓，即升高了173倍，造成電壓互感器這兩相過勵磁，引起鐵芯飽和。特別是在電纜間隙性電弧的作用下，激發(fā)產(chǎn)生鐵磁分頻諧振過電壓。其電壓互感

5、器鐵芯飽和更為嚴(yán)重。這樣電壓互感器的激磁電流猛增?？蛇_(dá)正常激磁電流的上百倍。線圈在過電壓和過電流的同時作用下?lián)舸?。鐵磁諧振過電壓是電力系統(tǒng)中常出現(xiàn)的一種內(nèi)部過電壓在10千伏配電網(wǎng)絡(luò)及更高電壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多有發(fā)生。鐵磁諧振過電壓就是具有鐵芯導(dǎo)磁系統(tǒng)的電感與電容串聯(lián)諧振過電壓。由于電感的導(dǎo)磁介質(zhì)為鐵芯，這是一種具有非線性導(dǎo)磁系數(shù)的物質(zhì)，因此隨著電源電壓的波動有可能出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)，并引起電容、電感上的電壓突變升高，造成電氣設(shè)備的損壞。 3 電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的條件電力系統(tǒng)中許多元件是屬于電感性的或電容性的，如電力變壓器、互感器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈為電感元件，補(bǔ)償用的并或串聯(lián)電容器組、高壓設(shè)備的寄生電容為電容

6、元件，而線路各導(dǎo)線對地和導(dǎo)線間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成復(fù)雜的LC 震蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數(shù)配合的回路就會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。由于鐵芯電感的磁通和電流之間的非線性關(guān)系，電壓升高導(dǎo)致鐵芯電感飽，極容易使電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，如果不考慮線路的有功損耗和相間電容，僅考慮電壓互感器電感L 與線路的對地電容Co ,當(dāng)Co 大到一定值，且電壓互感器不飽和時，感抗XL 大于容抗X C0。而當(dāng)電壓互感器上電壓上升到一定數(shù)值時，電壓互感器的鐵芯飽和，感抗XL 小于容抗X C0，這樣就構(gòu)成了諧振條件，下列幾種激發(fā)條件可以造成鐵磁諧振2：1） 電壓互感器的突然投入；2

7、） 線路發(fā)生單相接地；3） 系統(tǒng)運(yùn)行方式的突然改變或電氣設(shè)備的投切；4） 系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生較大的波動；5） 電網(wǎng)頻率的波動；6） 負(fù)荷的不平衡變化等。電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去，如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。在我公司10KV 配電網(wǎng)內(nèi)，發(fā)生互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，特別是每到雷雨季節(jié)，熔斷電壓互感器保險(xiǎn)的情況頻繁發(fā)生。4 電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因4.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視絕緣，發(fā)電廠、變電所的母線上通常接有Y 0 接線的電磁式電壓互感器，由于接有Y 0 接線的電壓互感器，網(wǎng)絡(luò)對地參數(shù)除了電力導(dǎo)線

8、和設(shè)備的對地電容C 0 外，還有互感器的勵磁電感L ，由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，Y 0接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統(tǒng)對地的唯一金屬通道。其諧振原理如圖1所示。正常運(yùn)行時，三相基本平衡，中性點(diǎn)的位移電壓很小。但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后，由于三相PT 在擾動后電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡，它與線路對地電容形成諧振回路，可能激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器 鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中最常見和造成事故最多的一種內(nèi)部過電壓。在實(shí)際運(yùn)行設(shè)備中，由于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中設(shè)備絕緣低或者絕緣子閃烙等單相接地故障相對頻繁，一般說來，單相接地故障是鐵磁諧振最

9、常見的一種激發(fā)方式。由于早期的電壓互感器，在額定電壓下鐵心就工作在磁飽和曲線附近，單相弧光接地造成的電壓升高，就可能使鐵心趨近飽和，電壓互感器的參數(shù)會發(fā)生變化，這就給鐵磁諧振過電壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件。這跟實(shí)際情況也是吻合的，經(jīng)常發(fā)生PT 高壓保險(xiǎn)熔斷的變電站都是早期投運(yùn)的常規(guī)變電站。Xm 二次線圈輔助線圈圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振原理示意圖4.2 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因若中性點(diǎn)直接接地，則電壓互感器 繞組分別與各相電源電勢相連，電網(wǎng)中各點(diǎn)電位被固定，不會出現(xiàn)中性點(diǎn)位移過電壓；若中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，其電感值遠(yuǎn)小于電壓互感器的勵磁電感，相當(dāng)于電壓互感器的電感被短接，電壓互感器 的

10、變化也不會引起過電壓。但是，當(dāng)中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)過消弧線圈接地的系統(tǒng)中，由于操作不當(dāng)和某些倒閘過程，也會形成局部電網(wǎng)在中性點(diǎn)不接地方式下臨時運(yùn)行。在中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)中，一般鐵磁諧振的激發(fā)因素為合刀閘和斷路器分閘。在進(jìn)行此操作時，由于電路內(nèi)受到足夠強(qiáng)烈的沖擊擾動，使得電感L 兩端 出現(xiàn)短時間的電壓升高、大電流的震蕩過程或鐵芯電感的涌流現(xiàn)象。這時候很容易和斷路器的均壓電容Ck 一起形成鐵磁諧振。其諧振原理如圖2所示。U Xck R Xm PT 二次線圈輔助線圈圖2 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振原理示意圖 5 鐵磁諧振對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響在正常條件下，電感、電容串聯(lián)回路中一般感抗要大于容抗，

11、由于出現(xiàn)某種因素電感兩端電壓有所升高，使電感鐵磁飽和，感抗減小，出現(xiàn)感抗和容抗相等，甚至感抗小于容抗，形成相位反轉(zhuǎn)，引起鐵磁諧振。鐵磁諧振可以是基波諧振、高次諧振，也可以是分次諧波諧振，其表現(xiàn)形式可能是單相、兩相或三相對地電壓升高，或以低頻擺動，引起絕緣閃絡(luò)或避雷器爆炸；或產(chǎn)生高值零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地和不正確的接地指示，或者在電壓互感器中出現(xiàn)過電流，引起熔斷器中出現(xiàn)過電流，引起熔斷器熔斷或互感器燒損，甚至可能使小容量的異步電動機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。6 結(jié)論通過以上分析，為了防止中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振對系統(tǒng)造成的不良影響，若將中性點(diǎn)采用諧振接地方式，便可限制電弧接地過電壓的發(fā)展，改善了電磁式電壓互感器的運(yùn)行環(huán)境；至于采用何種消諧方法，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行方式，在充分借鑒和積累的基礎(chǔ)上，分別采取措施，以達(dá)到預(yù)期的目的。本工區(qū)所轄新建變電站也在設(shè)計(jì)的時候采取了各種不同的消諧方法， 也都取得了預(yù)期的目的。我們也要對其他變電站進(jìn)行相關(guān)改造，消除鐵磁諧振對我公司安全運(yùn)行產(chǎn)生的安全隱患。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，消諧裝置也開始由模擬式向數(shù)字式、智能式發(fā)展。智能式消諧裝置功能強(qiáng)，抗干擾性能好，并能存儲一定的歷史信息，在新一代消諧裝置中有一定的代表性，已 得到廣泛應(yīng)用，并有日益取代模擬式消諧裝置的趨勢。參考文獻(xiàn)1王曉云, 李