電壓互感器鐵磁諧振原因和對策

1、關于電壓互感器鐵磁諧振原因與對策第一張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月電力系統(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生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導致系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴重的諧振過電壓。1鐵磁諧振發(fā)生機理分析鐵磁諧振是諧振過電壓中最常見的，也是最難以預防的。鐵磁諧振

2、又分為鐵磁電壓諧振（串聯(lián)諧振）和鐵磁電流諧振（并聯(lián)諧振），兩種諧振以鐵磁電壓諧振較為常見。下面以鐵磁電壓諧振為例，分析鐵磁諧振發(fā)生的機理。第二張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1（a）為最簡單的電阻R、電容C和鐵芯電感L的串聯(lián)電路。設在正常運行條件下初始感抗大于容抗。圖1（b）為電路中電壓與電流的相量圖。設電流是正弦的，并以I為參考相量。UL和UC分別為L和C上的電壓。當略去鐵損而把線圈的電感用等效電感代替，其等效正弦電壓相量即UL比I超前90。當鐵芯線圈用等效的非線性電感表示時，其伏安特性與鐵磁物質的磁化曲線相似，如圖1（c）UL(I)所示。電容上的電壓UC=，與電流的關系為一直線

3、關系，如圖1（c）UC(I)所示。為簡單起見，令R=0，則有E=ULUC 由于UL和UC為反相，故上式可改寫為E=U，U=ULUC第三張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月在電源電壓E一定的條件下，電路出現(xiàn)a、b、c三個平衡點，其中b點是不穩(wěn)定的。在b點時，回路中電流有任何微小擾動，都會使其傾向a或c兩個穩(wěn)定點中的一個，故b點不成為回路的實際工作點?；芈饭ぷ髟赼點時，ULUC，整個回路為感性，電感和電容上電壓都不高，電流也不大，處于非諧振狀態(tài)。當工作在c點時，UCUL，回路呈容性，電流增大，電容和電感都出現(xiàn)較高的過電壓，此時回路處于諧振狀態(tài)。第四張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月在

4、I0點處，等效感抗L等于，這與線性諧振相仿，壓降和電流將趨于無窮大，但因電感非線性的特點，當I越過I0而繼續(xù)增大時，等效感抗進一步下降，使得L與自動錯開，最后到達新的穩(wěn)定點c點，所以鐵磁諧振過電壓雖由電感的非線性引起，但其幅值最終又受到非線性所限制，一般不超過電源電壓的三倍。2幾種常見的鐵磁諧振2.1斷線諧振所謂斷線泛指導線斷落、斷路器非全相操作以及熔斷器的一相或二相熔斷。斷線的結果可能形成電感電容的串聯(lián)諧振回路，其中電感是指空載或輕負載變壓器的勵磁電感等，電容是指導線的對地和相間電容，或電感線圈的對地雜散電容等。在中性不接地的配電網(wǎng)絡中，斷線諧振出現(xiàn)的比較頻繁，并且造成各種后果，即：在繞組兩

5、端和導線對地間出電壓；負載變壓器的相序反傾；中性點位移和虛幻接地；繞組鐵芯發(fā)出異常響聲和導線出現(xiàn)電暈聲。在嚴重情況下，甚至瓷瓶閃絡，避雷器爆炸和擊毀電氣設備。第五張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2傳遞過電壓當高壓線路中發(fā)生不對稱接地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分量，通過靜電和電磁耦合，能在近旁的低壓平行線路中感應出瞬間的或持續(xù)性的傳遞過電壓；同樣，變壓器高壓繞組側的零序電壓通過繞組間的雜散電容傳遞至低壓側，危及后者的電氣絕緣。如果低壓側接有鐵芯電感元件（消弧線圈、空載變壓器或電壓互感器等），則有可能產生鐵磁諧振過電壓。2.3電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振在電

6、力系統(tǒng)中，為了監(jiān)測發(fā)、變電所母線對地電壓，通常在發(fā)電機或變電所母線上接有電壓互感器，并且其一次繞組接成星形，中性點直接接地。這樣當進行某些操作時（例如中性點絕緣系統(tǒng)非同期合閘，或接地故障消失之后），電壓互感器的激磁阻抗與系統(tǒng)的對地電容形成非線性諧振回路，由于回路參數(shù)及外界激發(fā)條件的不同，可能造成分頻、工頻或高頻鐵磁諧振過電壓。第六張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月統(tǒng)計表明，電磁式互感器引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統(tǒng)中最常見且造成事故最多的一種內部過電壓，嚴重地影響供電安全，必須予以重視。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，電網(wǎng)中性點電位已被固定，但高壓斷路器斷口均壓電容與電壓互感器繞組電

7、感形成的串聯(lián)回路，在參數(shù)配合時，也有可能出現(xiàn)諧振過電壓。 2.4串聯(lián)電容補償線路中的鐵磁諧振串聯(lián)補償裝置是多個串、并聯(lián)連接的三相電容器組，它串接在輸電線路的首端、中間或者末端，其目的是使容抗補償線路的正序感抗。在中、低壓配電線路中，串補主要用來提高線路末端電壓。當串補線路末端接有空載或輕載變壓器時，其勵磁電感很大，它與線路正序電感相加，并與串補電容組成很低的自振角頻率，在線路合閘或投入串補時將會產生分頻鐵磁諧振，使得壓降和電流波形發(fā)生畸變。在超高壓線路中，投入串補的目的是為了提高線路的傳輸能力。與中低壓配電線路一樣，如在線路末端接有空載變壓器，則會產生同樣的分頻鐵磁諧振。第七張，PPT共二十七

8、頁，創(chuàng)作于2022年6月3電壓互感器引起鐵磁諧振的發(fā)生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。第八張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月在正常運行狀態(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

9、，其U-I特性如圖2所示。第九張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月由圖2可見，曲線的起始一段接近直線，其電感相應地保持常數(shù)。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。4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生鐵磁諧振的根本原

10、因，但鐵磁元件的飽和效應本身，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，就不會出現(xiàn)強烈的鐵磁諧振過電壓。第十張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月串聯(lián)諧振電路，產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。為使工頻能量轉化為其它諧振頻率的能量，其轉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)一般應具備如下三個條件:、電磁式電壓互感器(TV)的非線性效應，是產生鐵磁諧振的主要原因。、TV感

11、抗為容抗的100倍以內，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)操作產生的過電壓等。第十一張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月由前面分析可知，事故中具備了3個條件，才導致了此次事故。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)絡對地阻抗趨于感性，此時若系統(tǒng)網(wǎng)絡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

12、諧振過電壓。尤其是分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，產生過電壓，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、絕緣介質會受熱氣化，體積急速膨脹，而存放絕緣紙、絕緣介質的干式互感器內部空間有限，當壓強積累到一定程度時便產生了TV爆炸。第十二張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5鐵

13、磁諧振頻率區(qū)域的判別（分頻、高頻）電力網(wǎng)中發(fā)生不同頻率的諧振，與系統(tǒng)中導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感抗100 V/I折算到一次側的感抗。其中I為二次側的實際測試電流。5.1 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，

14、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。第十三張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 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。5.3 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，往往導致電壓互感器熔絲

15、熔斷，嚴重時甚至會燒壞互感器；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)域內不同的Xc0/Xm比值下，諧振的最低外施觸發(fā)電壓（臨界值）也是不同的。第十四張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月6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

16、效措施防止鐵磁諧振的發(fā)生。防止鐵磁諧振的產生，應從改變供電系統(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，又可預防電壓互感器鐵磁諧振過電壓的產生。6.1 改變電氣參數(shù)6.1.1 裝設繼電保護設備當電網(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)，可通過裝設一套繼電保護設備來實現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時所產生的較大諧振電流，啟動電流繼電器投入，將電壓互感器二次側開口三角處繞組短接。當故障排除后，保護裝置恢復原狀，電壓互感器恢復正常運行。6.1.2 選用不易飽和的或三相五柱式電壓互感器10 kV系統(tǒng)中使用的電壓互感器，應選用勵磁感抗大于1.5 M的電壓互感器

17、。第十五張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月6.1.3 減少電壓互感器臺數(shù)在同一電網(wǎng)中，應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。6.1.4 串接單相互感器在三相電壓互感器一次側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Xc0/Xm0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。6.1.5 每相對地加裝電容器此法可使網(wǎng)絡等值電容變小，網(wǎng)絡等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。6.1.6 在中性點裝設消弧線圈在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

18、過消弧線圈接地。6.1.7 投入備用線路當系統(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。第十六張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月6.2 消耗諧振能量6.2.1 在TV開口三角形側并聯(lián)阻尼電阻當電網(wǎng)運行正常時，電壓互感器二次側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，

19、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，在開口三角側將產生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開口三角側流過較大的電流引起TV損壞。6.2.2 在電壓互感器一次側中性點與地之間串接消諧電阻R0（又稱消諧器）此電阻可用以削弱或消除引起系統(tǒng)諧振的高次諧波。模擬試驗表明：當R0/Xm551103時，即使系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，也不會激發(fā)分頻鐵磁諧振。但阻值太大，則會影響系統(tǒng)接地保護的靈敏度。第十七張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月消諧電阻R0的計算。先測出各電壓互感器二次側的勵磁感抗Xm，求出各電壓互感器并聯(lián)后的Xm值，再折算至一次側，即為系統(tǒng)總的Xm

20、。R0的值應在0.008 80.0500Xm間選擇。R0的容量可按P0U20/R0 = (3R0U/Xm)2/R0來選擇。消諧電阻應按電壓互感器中性點處串接R0后，用開口三角處電壓U的變化量U來校驗。U = (-U)5%U = 1/6(3R0/Xm)2(12Xm/Xj)100式中 Xj電壓互感器在Uj下的勵磁電抗。選擇消諧器應選擇通流500mA以上的銅材產品。第十八張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7三相防諧振電壓互感器 在中性點對地絕緣的電力系統(tǒng)中，為了監(jiān)視線路的絕緣狀況，采用3臺星形聯(lián)結的接地式電壓互感器，其中性點直接接地，這樣當任何一相母線發(fā)生單相完全接地事故時，其故障相對地的電

21、壓為0 V，而非故障相的相電壓上升到線電壓，即提高了31/2倍，借助電壓互感器二次繞組測量每相電壓的3塊電壓表就可以方便地監(jiān)視到哪一相絕緣出了問題。然而母線對地分布電容的存在，并且該電容與電壓互感器的一次繞組形成并聯(lián)電路，由于互感器是典型的非線性鐵磁元件，電壓的突然升高以及短路點的電弧所導致的瞬間涌流，很可能使電壓互感器鐵芯進入飽和區(qū)，這樣非線性鐵磁元件的感抗XL降低，當線路中感抗等于容抗（XL = XC）時，將產生鐵磁諧振。諧振一旦發(fā)生，將會給設備造成很大的破壞。為了預防諧振的發(fā)生，人們采取了許多措施，包括：采用低磁密或高導磁率鐵芯的電壓互感器；在電源中性點與地之間或互感器開口三角內串入適當

22、的阻抗；調整、加大線路母線對地電容量，以及在電源中性點與地之間接入消弧線圈；在電壓互感器一次與地之間接入第十九張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月消弧線圈；在電壓互感器一次與地之間接入消諧裝置適當?shù)碾娮杌螂妷夯ジ衅鳎徊捎秒娙菔诫妷夯ジ衅鞯鹊取?7.1 鐵磁諧振產生的基本原理 人們如此重視鐵磁諧振，是因為在供電線路中存在產生諧振的潛在因素，主要發(fā)生在線路中包含有電容和非線性鐵磁元件所形成的并聯(lián)電路，而且電源的中性點對地絕緣以及線路處于空載或輕載時，產生諧振離不開外界的激勵條件，在并聯(lián)鐵磁諧振中，激勵諧振產生的因素是電流。理論上，當XL = XC時，將產生諧振，但對于鐵磁諧振而言，由于XL

23、= XC條件在某一電流下成立，而導致諧振開始于如圖1所示的拐點處，曲線上的拐點即為諧振的激發(fā)點。第二十張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1（b）的曲線U(I)的第二個拐點實際上是不存在的。在圖1(a)中，已清楚的看出，曲線U(I)在XLXC時，電路為容性，處在第一象限，而在XLXC時，電路為感性，進入第四象限，只是為了分析問題的方便，把本來是在兩個象限的軌跡劃在了同一個象限內，才出現(xiàn)第二個拐點。圖1(b)中U(I)曲線與圖1(a)略有差別，是考慮到電路中實際電阻及鐵芯損耗的影響.第二十一張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1中UL(I)與UC(I)兩條曲線的交點表示XL =

24、XC，其中1點所對應的電流為激發(fā)電流。在該電流的激發(fā)下，電壓由1點突變到2點所對應的值，并且電路由容性變?yōu)楦行?。產生諧振時，在總電流不變的情況下，通過每個支路的電流就會有很大的增加，往往比總電流大許多倍，導線過熱很可能會引發(fā)互感器的爆炸事故。 7.2 三相防諧振式電壓互感器原理 三相防諧振式電壓互感器，是專門針對母線單相接地事故導致電源中性點偏移而引發(fā)的并聯(lián)鐵磁諧振而設計制造的。很明顯，如果用來監(jiān)視線路絕緣的3個電壓互感器的一次繞組中性點不接地，那么不管哪一相母線接地都不會引起互感器繞組電壓的任何改變。然而在這種情況下，監(jiān)視線路絕緣狀況的電壓表的指標值，并不會因母線接地與否而改變，反而失去了監(jiān)

25、視的作用。能否使互感器中性點既不接地，電壓表又能達到監(jiān)視的目的呢？三相防諧振式電壓互感器就可以滿足上述要求，即互感器的中性點通過另一臺電壓互感器接地的方法，將3臺電壓互感器的一次中性點N通過另1臺規(guī)格、型號、參數(shù)相同，第二十二張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月全絕緣電壓互感器接地，這里稱其為零序電壓互感器，其極性聯(lián)結與3臺測量用互感器相同，并且極性端接地，如圖2所示。在正常運行時，由于三相平衡，其中性點對地電壓為0 V，零序電壓互感器初級電壓為零，故其二次無輸出。當任何一相母線接地時，零序互感器與接地相電壓互感器繞組形成并聯(lián)關系，其一次電壓與接地相電壓相同，二次產生一個對應的相電壓，因為互感器的次級所有非極性端聯(lián)結在一起并接地，則由于零序互感器的二次與接地相二次幅值一致，相位相同，所以零序互感器的極性端與接地相極性端之間的電壓為0 V，與非故障相電壓為相電壓的31/2倍，達到了監(jiān)視絕緣的目的。二次極性的聯(lián)結如圖3所示可以出現(xiàn)以下兩種情況：其中在不正確的聯(lián)結時，與接地相的電壓為2倍的相電壓，與非故障相之間的電壓不變，這與習慣上的判定原則相違背，可以認為是錯誤的（如圖3b所示）。 第二十三張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十四張，PPT共二十七頁，創(chuàng)作于2022年6月