淺談電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振

1、淺談電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振    摘  要：簡(jiǎn)述鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及激發(fā)條件。 關(guān)鍵詞：鐵磁諧振；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；電壓互感器；電容；電感         1 概述         鐵磁諧振是由鐵心電感元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和和系統(tǒng)的電容元件，如輸電線路、電容補(bǔ)償器等形成共諧條件，激發(fā)持續(xù)的鐵磁諧振，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過電壓。  &

2、#160;      電力系統(tǒng)的鐵磁諧振可分二大類：一類是在66kV及以下中性點(diǎn)絕緣的電網(wǎng)中，由于對(duì)地容抗與電磁式電壓互感器勵(lì)磁感抗的不利組合，在系統(tǒng)電壓大擾動(dòng)作用下而激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在220kV（或110kV）變電站空載母線上，當(dāng)用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)對(duì)帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除帶有電磁式電壓互感器的空母線時(shí)，操作暫態(tài)過程使連接在空母線上的電磁式電壓互感器組中的一相、兩相或三相激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象，簡(jiǎn)單地講就是由高壓斷路器電容與母線電壓互感器的電感耦合產(chǎn)生的諧

3、振。         2 鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及激發(fā)條件         電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)中，存在著很多電感及電容元件，尤其在不接地系統(tǒng)中，常常出現(xiàn)鐵磁諧振現(xiàn)象，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患，下面先從簡(jiǎn)單的鐵磁諧振電路中進(jìn)行分析。         在簡(jiǎn)單的R、C和鐵鐵芯電感L電路中，假設(shè)在正常運(yùn)行條件下，其初始狀態(tài)是感抗

4、大于容抗，即L（1/C），此時(shí)不具備線性諧振條件，回路保持穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)電源電壓有所升高時(shí)，或電感線圈中出現(xiàn)涌流時(shí)，就有可能使鐵芯飽和，其感抗值減小，當(dāng)L（1/C）時(shí)，即滿足了串聯(lián)諧振條件，在電感和電容兩端便形成過電壓，回路電流的相位和幅值會(huì)突變，發(fā)生磁諧振現(xiàn)象，諧振一旦形成，諧振狀態(tài)可能“自保持”，維持很長(zhǎng)時(shí)間而不衰減，直到遇到新的干擾改變了其諧振條件諧振才可能消除。         下列激發(fā)條件造成鐵磁諧振：         （1）

5、電壓互感器的突然投入；         （2）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(dòng)；         （5）電網(wǎng)頻率的波動(dòng)；      &

6、#160;  （6）負(fù)荷的不平衡變化等。         3 常用的消諧方法及優(yōu)缺點(diǎn)         3.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)常見的消諧措施         3.1.1采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器         目前，在我單位新建變電站電壓互感器選型

7、時(shí)盡量采用采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺(tái)電壓互感器起始飽和電壓為15Ue，使電壓互感器在一般的過電壓下還不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，從而不易構(gòu)成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。顯然，若電壓互感器伏安特性非常好，電壓互感器有可能在一般的過電壓下還不會(huì)進(jìn)入較深的飽和區(qū)，從而不易構(gòu)成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來說，這是治本的措施。但電壓互感器的勵(lì)磁特性越好，產(chǎn)生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過電壓、過電流更大。         3.1.2在母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相

8、星形電容器組，增加對(duì)地電容這種方法，當(dāng)增大各相對(duì)地電容Co，使XCo/XL0.01時(shí)（諧振區(qū)為小于0.01或大于3）回路參數(shù)超出諧振的范圍，可防止諧振。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會(huì)發(fā)生。         3.1.3電流互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，Yo接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統(tǒng)三相對(duì)地的唯一金屬通道。系統(tǒng)單相接地有兩個(gè)過渡過程，一是接地時(shí)；二是接地消失時(shí)。接地時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)某相接地時(shí)，該相直接與地接通，另兩相對(duì)地也有電源電路（如主變繞組）成為良好的金屬通

9、道。因此在接地時(shí)的三相對(duì)地電容的充放電過程的通道，不會(huì)走電壓互感器高壓繞組，就是說發(fā)生接地時(shí)電壓互感器高壓繞組中不會(huì)產(chǎn)生涌流，因?yàn)橐延心诚喙潭ㄔ诘仉娢唬簿筒粫?huì)發(fā)生鐵磁諧振。但是當(dāng)接地消失時(shí)，情況就不同了。在接地消失的過程中，固定的地電位已消失，三相對(duì)地的金屬通道已無其他路可走，只有走電壓互感器高壓繞組，即此時(shí)三相對(duì)地電容（零序電容）3Co中存儲(chǔ)的電荷，對(duì)三相電壓互感器高壓繞組電感L/3放電，相當(dāng)一個(gè)直流源作用在帶有鐵芯的電感線圈上，鐵芯會(huì)深度飽和。對(duì)于接地相來說，更是相當(dāng)一個(gè)空載變壓器突然合閘，疊加出更大的暫態(tài)涌流。在高壓繞組中性點(diǎn)安裝電阻器Ro后，能夠分擔(dān)加在電壓互感器兩端的電壓，從而能限

10、制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時(shí)流過電壓互感器的高幅值電流，將高壓繞組中的涌流抑制在很小的水平，相當(dāng)于改善電壓互感器的伏安特性。         3.1.4電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，此類型接線方式的的電壓互感器稱為抗諧振電壓互感器，這種措施在部分地區(qū)有成功經(jīng)驗(yàn)，其原理是提高電壓互感器的零序勵(lì)磁特性，從而提高電壓互感器的抗燒毀能力，已有很多廠家按此原理制造抗諧振電壓互感器。但是應(yīng)注意到，電壓互感器中性點(diǎn)仍承受較高電壓，且電壓互感器在諧振時(shí)雖可能不損壞，但諧振依然存在。  &#

11、160;      3.1.5電壓互感器二次側(cè)開三角繞組接阻尼電阻，在三相電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)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，用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。若R0，即將開口三角兩端短接，相當(dāng)于電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地，諧振就不會(huì)發(fā)生。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于原理及裝置的可靠性欠佳，這些裝置的運(yùn)行情況并不理想。二次側(cè)電子消諧裝置仍有待從理論、制造上加以完善。在單相持續(xù)接地時(shí)，開三角繞組也必須具備足夠大的容量；這類消諧措施對(duì)非諧振區(qū)域內(nèi)流過電壓互感器的大電流不起限

12、制作用。         3.1.6中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地有以下優(yōu)點(diǎn)：瞬間單相接地故障可經(jīng)消弧線圈動(dòng)作消除，保證系統(tǒng)不斷電；永久單相接地故障時(shí)消弧線圈動(dòng)作可維持系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間，可以使運(yùn)行部門有足夠的時(shí)間啟動(dòng)備用電源或轉(zhuǎn)移負(fù)荷，不至于造成被動(dòng)；系統(tǒng)單相接地時(shí)消弧線圈動(dòng)作可有效避免電弧接地過電壓，對(duì)全網(wǎng)電力設(shè)備起保護(hù)作用；由于接地電弧的時(shí)間縮短，使其危害受到限制，因此也減少維修工作量；由于瞬時(shí)接地故障等可由消弧線圈自動(dòng)消除，因此減少了保護(hù)錯(cuò)誤動(dòng)作的概率；系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地可有效抑制單相接地電

13、流，因此可降低變電所和線路接地裝置的要求，且可以減少人員傷亡，對(duì)電磁兼容性也有好處?？梢?，中性點(diǎn)諧振接地是中壓電網(wǎng)（包括電纜網(wǎng)絡(luò)）乃至高壓系統(tǒng)的比較理想的中性點(diǎn)接地方式。但是由于不適當(dāng)操作或某些倒閘過程會(huì)導(dǎo)致局部電網(wǎng)在中性點(diǎn)不接地方式下臨時(shí)運(yùn)行，所以這種系統(tǒng)也曾經(jīng)發(fā)生過電壓互感器諧振，同時(shí)安裝消弧線圈自然會(huì)增加投資，此外，消弧線圈自身的維護(hù)和整定還需要不斷的完善。         4 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)諧振消除方法及優(yōu)缺點(diǎn)        

14、; 4.1盡量保證斷路器三相同期、防止非全相運(yùn)行。         4.2改用電容式電壓互感器（CVT），從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件，但是電容式電壓互感器價(jià)格高、帶負(fù)載能力差、且仍帶有電感，二次側(cè)仍要采用消諧措施。增加對(duì)地電容，操作時(shí)讓母線帶上一段空線路或耦合電容器。         4.3帶空載線路可以很好地消諧，但有可能產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流通過互感器線圈，對(duì)互感器不利，而耦合電容器十分昂貴，目前尚無高壓電容器。         4.4與高壓繞組串接或并接一個(gè)阻尼繞組，可消除基頻諧振，在發(fā)生諧振的瞬間投入此阻尼電阻將會(huì)增加投切設(shè)備和復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)。         4