鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的機理 在最簡單的帶鐵芯電感L和電容C與電

1、1鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的機理 在最簡單的帶鐵芯電感L和電容C與電源E的串聯(lián)回路中，電容壓降此主題相關(guān)圖片如下：，電感壓降UL =IL。 由于與Uc 和UL 反向，所以此主題相關(guān)圖片如下：式中Uc-電容壓降 UL-電感壓降 I-線路電流 E-電源電壓 L-電感量 C-電容量 -2f 此主題相關(guān)圖片如下： 圖1串聯(lián)鐵磁諧振電路特性曲線 由于鐵磁電感具有非線性特征，求解這一電路采用圖解法。圖1表示ULI、UcI的伏安特性?？梢钥闯觯琔cI是一條斜直線，而UcI具有鐵磁飽和的特性，它們相交于e點。圖中同時畫出u與I的關(guān)系曲線，它和E直線相交于a1，a2，a3三點，在三個點上，E=u時，稱為平衡點，即電路

2、可能的工作點。由圖可知，電源E沒有足夠大擾動，則電路便穩(wěn)定工作在a1點，電感和電容上的電壓分別為 和，且 ，故 電路呈感性，這時電流較小，電路處于非諧振狀態(tài)。但由于10kV配電系統(tǒng)大多采用中性點不接地方式運行，其線路(尤其是電纜出線)對地存在分布電容，當系統(tǒng)運行正常時，各相電壓互感器的感抗相等，中性點電壓等于零。但如果當線路因斷線、雷擊或其他原因而產(chǎn)生單相接地故障時(如A相)，接地相對地電壓降到接近于零，而非故障相對地電壓上升倍，導(dǎo)致嚴重的中性點位移，中性點對地電壓升高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對稱性遭到破壞。 另一方面由于中性點不接地運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間，一般為2h，不致

3、于引起用戶斷電。但隨著中壓電網(wǎng)的擴大，出線回路數(shù)增多、線路增長，中壓電網(wǎng)對電容電流亦大幅度增加，在發(fā)生單相接地故障時，其接地點電阻較大且接觸不良，因而在接地點出現(xiàn)瞬燃瞬熄的電弧放電，從而造成電壓瞬高瞬低，同時引發(fā)電能、磁能的振蕩。 單相接地時接地電弧不能自動熄滅，必然產(chǎn)生弧光過電壓，一般為35倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故。對于全部(或大部分)是電纜出線的電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的電容電流會更大，單相接地后電弧不能自行熄滅，產(chǎn)生的弧光過電壓可能導(dǎo)致相間短路而電纜放炮。所以當線路發(fā)生單相接地故障時，就會使電源電壓瞬間升高，工作點越過UI曲線的最高點

4、達到a2點，但a2點并不是穩(wěn)定工作點，因為電路中電流一旦偏離a2點而增大時，電源電勢E便大于U，使回路電流I繼續(xù)增大，這使帶鐵芯電感更加飽和，L值進一步下降，I隨之增加，達到串聯(lián)諧振點e點，在e點L=1/C，理論上此時過電壓將趨于無窮大，但e點也不是穩(wěn)定工作點，隨著電流激增L將繼續(xù)減少，電路就自動偏離諧振條件而躍變到新的穩(wěn)定工作點a3為止，此時，雖然工作點已偏離理論上的諧振工作點e，但這時電流已經(jīng)很大， 、 都很高，所以我們說電路仍處于諧振狀態(tài)。此時由于 ，電路呈容性。從以上分析可以看出，所謂鐵磁諧振就是由于鐵芯飽和而引起的一種躍變過程，由于a1點到a3點的躍變，使電路由原來的感性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?/p>

5、性狀態(tài)，電路相位發(fā)生180反轉(zhuǎn)。 通過以上對串聯(lián)鐵磁諧振電路的分析，我們就能夠明白，當線路發(fā)生單相接地時，兩相電壓瞬時升高，三相鐵芯受到不同的激勵而呈現(xiàn)不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生變化，各相電感值不相同， 中性點位移產(chǎn)生零序電壓。由于線路電流持續(xù)增大，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，其電感迅速減小，當電感降到滿足L1/C時，即具備諧振條件，從而產(chǎn)生諧振過電壓。在發(fā)生諧振時，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流尚未達到熔絲的熔斷值，但超過了電壓互感器額定電流，長時間處于過電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。 2消除鐵磁諧振的技術(shù)措施 (1)選擇勵磁特性好的電壓互

6、感器或改用電容式電壓互感器。 (2)在同一個10kV配電系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺數(shù)。 (3)在三相電壓互感器一次側(cè)中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻。 (4)在母線上接入一定大小的電容器，使容抗(Xc)與感抗(XL)的比值小于0.01可避免諧振。 (5)系統(tǒng)中性點裝設(shè)消弧線圈。 (6)采用自動調(diào)諧原理的接地補償裝置，通過過補、全補和欠補的運行方式，來較好地解決此類問題。 目前自動調(diào)諧接地補償裝置主要是由五大部分組成：接地變壓器、電動式消弧線圈、微機控制部分、阻尼電阻部分、中性點專用互感器和非線性電阻。接地變壓器是作為人工中性點接入消弧線圈。消弧線圈電流通過

7、有載開關(guān)調(diào)節(jié)并實現(xiàn)遠方自動控制，采用預(yù)調(diào)節(jié)方式，即在正常運行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。利用微機控制器實現(xiàn)自動跟蹤和自動調(diào)諧。通過測量位移電壓為主和中性點電流與電壓之間的相位，能夠準確的計算、判斷、發(fā)出指令自動進行調(diào)整，顯示有關(guān)參數(shù)：電容電流、電感電流、殘流和位移電壓等。還能追憶、報警、自動打印和信號遠送，滿足無人值班變電所的需要。 110 kV良站10 kV系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，在10 kV系統(tǒng)出現(xiàn)A相單相接地時，發(fā)生10 kV母線干式電壓互感器燒壞的故障。事后檢查，母線電壓互感器本體炸裂、內(nèi)部絕緣物噴出，非接地相B、C相一次熔絲熔斷，母線電壓互感器

8、的避雷器未動作，中性點所接消諧電阻正常，中性點絕緣正常，勵磁特性在正常范圍，二次回路絕緣正常?，F(xiàn)分析單相接地時，電壓互感器燒壞及鐵磁諧振產(chǎn)生的原因。電力系統(tǒng)中存在著許多儲能元件，當系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時，變壓器、互感器等含鐵芯元件的非線性電感元件與系統(tǒng)中電容串聯(lián)可能引起鐵磁諧振，對電力系統(tǒng)安全運行構(gòu)成危害。在中性點不接地的非直接接地系統(tǒng)中，鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是常見的，是造成事故較多的一種內(nèi)部過電壓。這種過電壓輕則使電壓互感器一次熔絲熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器造成系統(tǒng)停運。在一定的電源作用下會產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴重的諧振過電壓。1 電壓互

9、感器引起鐵磁諧振的原因分析在中性點不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視對地絕緣，母線上常接有Y接線的電磁式電壓互感器，如圖1所示，圖中u0為電源電勢，C為線路等設(shè)備的對地電容，L為電壓互感器激磁電感，R0為中性點串聯(lián)消諧電阻。在正常運行狀態(tài)下電壓互感器勵磁感抗很大，其數(shù)值范圍在兆毆級以上且各相對稱。C數(shù)值視線路長短而定，線路愈長容抗愈小，即以1 km線路而言，其每相對地電容約0.004F ，故其容抗小于1 M，所以整個網(wǎng)絡(luò)對地仍呈容性且基本對稱，電網(wǎng)中性點的位移電壓很小,接近地電位。但電壓互感器的勵磁電感隨通過的電流大小而變化，其U-I特性如圖2所示。由圖2可見，曲線的起始一段接近直線，其電感相應(yīng)地保持常數(shù)

10、。當激磁電流過大時，鐵芯飽和，則L值隨之大大降低。正常運行時鐵芯工作在直線范圍，當系統(tǒng)中出現(xiàn)某些波動，如電壓互感器突然合閘的巨大涌流、線路瞬間單相弧光接地等，使電壓互感器發(fā)生三相不同程度的飽和，以至破壞了電網(wǎng)的對稱，電網(wǎng)中性點就出現(xiàn)較高的位移電壓，造成工頻諧振或激發(fā)分頻諧振。2 鐵磁諧振的特點對于鐵磁諧振電路，在相同的電源電勢作用下，回路可能不只有一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)。電路到底穩(wěn)定在哪種工作狀態(tài)，要看外界沖擊引起的過渡過程的情況。TV的非線性鐵磁特性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件的飽和效應(yīng)本身，也限制了過電壓的幅值。此外回路損耗也使諧振過電壓受到阻尼和限制。當回路電阻大于一定的數(shù)值時，就不

11、會出現(xiàn)強烈的鐵磁諧振過電壓。串聯(lián)諧振電路，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓的的必要條件是0 = 1/L0C。因此鐵磁諧振可在很大的范圍內(nèi)發(fā)生。維持諧振振蕩和抵償回路電阻損耗的能量均由工頻電源供給。為使工頻能量轉(zhuǎn)化為其它諧振頻率的能量，其轉(zhuǎn)化過程必須是周期性，且有節(jié)律的，即1/2(1，2，3)倍頻率的諧振。鐵磁諧振對TV的損壞，鐵磁諧振(分頻)一般應(yīng)具備如下三個條件。鐵磁式電壓互感器(TV)的非線性效應(yīng)，是產(chǎn)生鐵磁諧振的主要原因。TV感抗為容抗的100倍以內(nèi)，即參數(shù)匹配在諧振范圍。要有激發(fā)條件，如投入和斷開空載母線、TV突然合閘、單相接地突然消失、外界對系統(tǒng)的干擾或系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓等。由前面分析可知，事故

12、中具備了3個條件，才導(dǎo)致了此次事故。當良站10 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點流過電容電流，未接地的兩相B、C相電壓升高31/2，對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，在這一瞬間電壓突變過程中，TV高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，甚至飽和，由此構(gòu)成相間串聯(lián)諧振。飽和后的TV勵磁電感變小，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對地阻抗趨于感性，此時若系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對地電感與對地電容相匹配，就形成共振回路，激發(fā)各種鐵磁諧振過電壓。尤其是分頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，產(chǎn)生過電壓，過電壓幅值可達到近23.5Ue以上，但此過電壓達不到避雷器的動作電壓1.7 kV，故母線避雷器并未動作。同時，感抗下降會使勵磁回路嚴重飽和，勵磁

13、電流急劇加大，電流大大超過額定值，據(jù)試驗，分頻諧振的電流可達正常電流的240倍以上，導(dǎo)致鐵芯劇烈振動。TV是在這樣大的電流下運行，使本身的溫度也迅速升高，當熱量積累到一定程度，干式TV中大量絕緣紙、絕緣介質(zhì)會受熱氣化，體積急速膨脹，而存放絕緣紙、絕緣介質(zhì)的干式互感器內(nèi)部空間有限，當壓強積累到一定程度時便產(chǎn)生了TV爆炸。3 鐵磁諧振頻率區(qū)域的判別電力網(wǎng)中發(fā)生不同頻率的諧振，與系統(tǒng)中導(dǎo)線對地分布電容的容抗Xc0，和電壓互感器并聯(lián)運行的綜合電感的感抗Xm，兩者的比值Xc0/Xm有直接關(guān)系。Xco視具體情況而定，架空線路Xco35031/2/L，k/km；電纜Xco1031/2/L，k/km；變壓器線

14、圈對地電容的容抗Xc0一般取6001 000 k。其中L為線路長度，單位km。Xm為由電壓互感器的二次側(cè)感抗100 V/I折算到一次側(cè)的感抗。其中I為二次側(cè)的實際測試電流。3.1 分頻諧振當比值Xc0/Xm較?。ㄔ?.010.07）時發(fā)生的諧振是分頻諧振。電容和電感在振蕩時能量交換所需的時間較長，振蕩頻率較低，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)較低，一般不超過2.5倍相電壓；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，并周期性擺動，線電壓正常。3.2 高頻諧振當比值Xc0/Xm較大（在0.552.8）時發(fā)生的諧振是高頻諧振。發(fā)生高頻諧振時線路的對地電容較小，振蕩時能量交換較快。表現(xiàn)為過電壓倍數(shù)較高；三相電壓表的指示數(shù)值同時

15、升高，最大值可達到45倍相電壓，線電壓基本正常；諧振時過電流較小。3.3 基頻諧振當比值Xc0Xm接近于1時，發(fā)生諧振的諧振頻率與電網(wǎng)頻率相同，故稱之為基頻諧振。其表現(xiàn)為：三相電壓表中指示數(shù)值為兩相升高、一相降低，線電壓正常；過電流很大，往往導(dǎo)致電壓互感器熔絲熔斷，嚴重時甚至?xí)龎幕ジ衅?；過電壓不超過3.2倍相電壓，伴有接地信號指示，稱為虛幻接地現(xiàn)象。當Xc0/Xm0.01或Xc0/Xm2.8時，系統(tǒng)不會發(fā)生鐵磁諧振。在不同的諧振區(qū)域，諧振的外施觸發(fā)電壓是不同的。分頻諧振區(qū)諧振外施電壓為最低，在正常額定電壓下系統(tǒng)稍有波動就可觸發(fā)諧振。而高頻諧振區(qū)的諧振外施電壓最高。在同一諧振區(qū)域內(nèi)不同的Xc0

16、/Xm比值下，諧振的最低外施觸發(fā)電壓（臨界值）也是不同的。良站10 kV TV 二次側(cè)的實際測試電流為19 A，則TV的感抗Xm = 100 V/I = 5.2 M。出線總長為：95.034 km，10 kV線路電容值為0.004F/km，良站10 kV出線的容抗比情況如表2所示。4 防止鐵磁諧振的措施電網(wǎng)的不斷發(fā)展使線路參數(shù)發(fā)生變化，鐵磁式電壓互感器的大量使用，使電網(wǎng)產(chǎn)生鐵磁諧振的可能性增大。所以，為了使電網(wǎng)安全可靠供電，必須采取有效措施防止鐵磁諧振的發(fā)生。防止鐵磁諧振的產(chǎn)生，應(yīng)從改變供電系統(tǒng)電氣參數(shù)著手，破壞回路中發(fā)生鐵磁諧振的參數(shù)匹配。這樣既可防止電壓互感器發(fā)生磁飽和，又可預(yù)防電壓互感器

17、鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生。4.1 改變電氣參數(shù)當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，為改變電壓互感器的諧振參數(shù)，可通過裝設(shè)一套繼電保護設(shè)備來實現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時所產(chǎn)生的較大諧振電流，啟動電流繼電器投入，將電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組短接。當故障排除后，保護裝置恢復(fù)原狀，電壓互感器恢復(fù)正常運行。10 kV系統(tǒng)中使用的電壓互感器，應(yīng)選用勵磁感抗大于1.5 M的電壓互感器。在同一電網(wǎng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺數(shù)，尤其是限制中性點接地電壓互感器的臺數(shù)。如變電所的電壓互感器，只作為測量儀表和保護用時，其中性點不允許接地。在三相電壓互感器一次側(cè)中性點串接單相互感器，使三相電壓互感器等值電抗顯著增大，以滿足Xc

18、0/Xm0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。此法可使網(wǎng)絡(luò)等值電容變小，網(wǎng)絡(luò)等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。在10 kV系統(tǒng)中發(fā)生諧振，且單相接地電流值較大或接近30 A時，可將中性點通過消弧線圈接地。當系統(tǒng)中只有一組電壓互感器投入的情況下，若供電線路總長度較短時，可投入部分備用線路，以增加分布電容來防止諧振的發(fā)生。4.2 消耗諧振能量當電網(wǎng)運行正常時，電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組兩端沒有電壓，或僅有極小的不對稱電壓。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，由于此電阻阻值較小，故繞組兩端近似于短接，起到了改變電壓互感器參數(shù)的作用。這一措施不僅能防止電壓互感器發(fā)生磁飽和，而且能有效地消耗諧振能量，防止產(chǎn)生諧振過電壓。此方法常用在要求不太高的變電站，如消諧電阻采用電燈泡或電阻絲，當其損壞后將不會有消諧作用；當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在開口三角側(cè)將產(chǎn)生100 V的電壓，而由于電燈泡或電阻絲的冷態(tài)電阻是較小的，這將在TV開口三角側(cè)流過較大的電流引起TV損壞。此電阻可用