電磁式電壓互感器鐵磁諧振的原理及其消除措施

./電磁式電壓互感器鐵磁諧振的原理及其消除措施白瑞雪,高紅杰,亞峰〔供電局,,710032摘要：電磁式電壓互感器的鐵磁諧振是非有效接地系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象。HAROLDA.PETERSON建立了鐵磁諧振的經(jīng)典研究模型。本文闡述了諧振產(chǎn)生的機(jī)理,應(yīng)用PETERSON鐵磁諧振經(jīng)典模型對(duì)電壓互感器的各種防鐵磁諧振措施的原理和其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,并對(duì)指出在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞鐵磁諧振；消諧措施；消諧器；設(shè)計(jì)；PrincipleofElectromagnetismTypeVoltageTransformer’sFerro-resonanceandVariousTreatmentstoEliminateFerro-resonanceBAIRuixue,GAOHongjie,LIYafeng<Xi’anPowersupplyBureau,Xi’an710032,China>Abstract:ElectromagnetismTypeVoltageTransformer’sferro-resonanceiscommoninnon-effectiveearthingsystem.HAROLDA.PETERSONbuildstheclassicmodelforresearchingferro-resonance.Thispaperdiscussesthemechanismofresonance,andbyusingHAROLD’model,analysesthemeritandthefaultofthevarioustreatmentsofeliminatingferro-resonance,pointsoutthekeyfactorsindesignofeliminatingferro-resonance.Keywords:Ferro-resonance;Treatmentstoeliminateferro-resonance；Resonanceeliminator;Design引言在電力系統(tǒng)中引起電網(wǎng)過(guò)電壓的原因很多,其中諧振過(guò)電壓出現(xiàn)頻繁,其危害性較大。過(guò)電壓一旦發(fā)生,往往會(huì)造成電氣設(shè)備的損壞甚至發(fā)生停電事故。尤其是在非有效接地系統(tǒng)中,由于電磁式電壓互感器<下面簡(jiǎn)稱(chēng)TV>為非線性的電感元件,它與線路〔母線的對(duì)地電容會(huì)形成諧振回路,并在系統(tǒng)接地、開(kāi)關(guān)合閘等激發(fā)條件下出現(xiàn)鐵磁諧振,使得TV受到過(guò)電壓和過(guò)電流的沖擊。為防止鐵磁諧振,常采取一些消諧措施。由于鐵磁諧振現(xiàn)象的復(fù)雜性,各種措施均有其局限性。因此,有必要從系統(tǒng)發(fā)生諧振的原理出發(fā),分析防止諧振的各種措施,明確其各自的適用圍和優(yōu)缺點(diǎn),減少在使用中的盲目性,對(duì)不同的情況采取有針對(duì)性的防諧振措施。鐵磁諧振過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理正常時(shí)TV的勵(lì)磁阻抗很大,網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗呈容性,三相基本平衡,中性點(diǎn)O的位移電壓很小,但在某些擾動(dòng)下,如:①單相接地的發(fā)生和消失;②TV的投入；③系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變,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)頻率發(fā)生波動(dòng)；這些系統(tǒng)的干擾都會(huì)使TV中暫態(tài)勵(lì)磁電流急劇增大,電感值下降,于是三相電感值有所不同,使O點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓。設(shè)L0為T(mén)V三相并聯(lián)的零值電抗,而當(dāng)L0與3C0回路達(dá)到固定振蕩頻率ω0時(shí),將會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。隨著系統(tǒng)對(duì)地的電容3C0的增大,依次發(fā)生高次<2、3次>、基波、1/2次分頻諧振。諧振一旦形成,諧振狀態(tài)可能"自保持",維持很長(zhǎng)時(shí)間不衰減直到遇到新的干擾改變了諧振的條件才可能消除。Peterson對(duì)鐵磁諧振的研究得出了鐵芯電感的經(jīng)典伏安特性曲線〔見(jiàn)圖1<a>和相應(yīng)的基波、分次諧波或高頻諧波諧振過(guò)電壓區(qū)域〔見(jiàn)圖1<b>。對(duì)于典型的鐵芯電感,當(dāng)外施電壓U/U和XC0/XLe的相應(yīng)座標(biāo)處于Peterson經(jīng)典曲線<圖1<b>>包絡(luò)線時(shí)極易諧振,在包絡(luò)線以外時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生諧振[1]。Peterson經(jīng)典曲線表明:不同XC0/XLe值下,產(chǎn)生不同的頻率諧振區(qū)。XC0/XLe=0.01～0.07時(shí),為分頻諧振;XC0/XLe=0.07～0.55時(shí),為基頻諧振區(qū);XC0/XLe=0.45～2.8時(shí),為高頻諧振區(qū)。不同頻率諧振區(qū)的最低臨界電壓不同,不同XC0/XLe值下臨界動(dòng)作電壓值不同。分頻諧振區(qū)要求的外施電壓最低,高頻諧振區(qū)最高。在正常額定電壓U下,即U/U=0.55時(shí)已落在分頻諧振區(qū),系統(tǒng)稍有波動(dòng)就可激發(fā)。在實(shí)際運(yùn)行條件下,只要滿足一定的參數(shù)圍,工頻諧振和分諧波現(xiàn)象最易發(fā)生。圖1勵(lì)磁電感的伏安特性曲線和共振區(qū)域圖2<a>為電磁式互感器的諧振回路圖。諧振發(fā)生時(shí),互感器的一相、二相或三相繞組相電壓同時(shí)升高,即各相對(duì)地的電壓發(fā)生變動(dòng),而電源電勢(shì)E1、E2、E3由電網(wǎng)的正序電勢(shì)所決定維持恒定不變,因此對(duì)地電壓的變動(dòng)表現(xiàn)為電源的中性點(diǎn)"0"發(fā)生位移,故這種過(guò)電壓現(xiàn)象又稱(chēng)電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移現(xiàn)象。中性點(diǎn)的位移電壓即為電網(wǎng)的對(duì)地零序電壓,它被反映至互感器的開(kāi)口三角繞組上。圖2<b>為諧振回路的等效電路圖。3C0中的正序電流不參與震蕩過(guò)程,互感器中的零序電流流過(guò)流3C0回路,其零序壓降與將3C0移接至電源的中性點(diǎn)是等效的。高頻諧振時(shí),過(guò)電壓可高達(dá)5U,但因其激發(fā)電壓較高,實(shí)際中不易產(chǎn)生。對(duì)于分頻諧振,絕大多數(shù)是2分頻,因其頻率等于工頻的一半,勵(lì)磁電抗相應(yīng)降低一半,激磁電流急劇上升,有時(shí)高達(dá)額定勵(lì)磁電流的百倍以上。TV的嚴(yán)重磁飽和,大電流的時(shí)間持續(xù)過(guò)長(zhǎng),會(huì)使保護(hù)TV的熔絲熔斷或者造成互感器本身繞組的燒毀事故。圖2電磁式TV的諧振回路及其等效電路2各種消諧措施分析2.1TV中性點(diǎn)經(jīng)消諧器或電阻電阻接地中性點(diǎn)串入電阻等價(jià)于每相對(duì)地接入電阻,能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。其原理圖見(jiàn)圖3。在線路單相接地時(shí),由于中性點(diǎn)對(duì)地帶有一定電位,能相應(yīng)減少非故障相TV繞組的電壓,降低TV的飽和程度,減少鐵磁諧振幾率,降低諧振的振幅。但是電阻的接入使TV開(kāi)口三角繞組輸出電壓降低,會(huì)影響接地指示裝置的靈敏性。一次消諧器的原理與串接電阻相似,由SiC非線性電阻片與線性電阻<6～7kΩ>串接,在低壓時(shí)呈高阻值,使諧振在初始階段不易發(fā)展起來(lái)。在線路出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間單相接地時(shí),消諧器上將出現(xiàn)千余伏電壓,電阻下降至稍大于6～7kΩ,使其不至于影響接地指示裝置的靈敏度,同時(shí)非線性電阻片的熱容量相當(dāng)大,可滿足放電電流的要求。圖310kVTV一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻R接地電氣結(jié)線圖采用這種消諧方式要考慮電阻和消諧器本身的熱容量和絕緣水平。如果電阻〔消諧器的熱容量及絕緣水平選擇不當(dāng)會(huì)造成使引線燒斷,電阻〔消諧器燒毀,沿面閃絡(luò)等。同時(shí),由于TV的中性點(diǎn)本身不直接接地,最高可能承受數(shù)千伏的電壓,對(duì)TV中性點(diǎn)的絕緣要求較高,不能使用半絕緣的TV。TV的絕緣選擇不當(dāng)會(huì)造成一次中性點(diǎn)對(duì)地或?qū)Χ味俗娱g的絕緣擊穿。此外,這種消諧方式對(duì)各相TV特性的一致性要求較高,如一致性不好正常情況下可能會(huì)產(chǎn)生零序電壓,打出虛假的接地信號(hào)。TV中性點(diǎn)串電阻或消諧器后,非故障相繞組的電壓雖有降低,但幅度有限,TV仍有可能進(jìn)入飽和區(qū)域,不能完全避免諧振。2.2TV開(kāi)口三角繞組接電阻或二次消諧裝置TV開(kāi)口三角繞組接入電阻可消耗諧振零序回路的能量,等效于在線圈的一次側(cè)串接電阻,其電氣原理圖見(jiàn)圖4。由于電阻接在開(kāi)口三角繞組兩端,會(huì)導(dǎo)致一次側(cè)電流增大,也就要求TV的容量要相應(yīng)增大。從抑制諧波方面考慮,R值越小,效果越顯著,但TV的過(guò)載現(xiàn)象越嚴(yán)重,在諧振或單相接地時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)甚至?xí)?dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或TV燒毀。二次消諧裝置的原理與接入電阻類(lèi)似。裝置一般接在開(kāi)口三角繞組兩端,正常運(yùn)行和出現(xiàn)單相接地時(shí)開(kāi)口三角繞組開(kāi)路,不影響正常運(yùn)行和打出接地信號(hào)。在電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)裝置導(dǎo)通,將TV開(kāi)口三角短接,消耗諧振能量,當(dāng)諧振消失后,恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。從這種消諧方式的原理可看出其不能防止諧振的發(fā)生,只是在諧振發(fā)生后消耗諧振的能量,使TV的工作點(diǎn)離開(kāi)諧振區(qū)域。圖410kVTV開(kāi)口三角繞組接電阻的電氣原理圖2.3采用消弧線圈在系統(tǒng)的中性點(diǎn)上接入消弧線圈相當(dāng)于在系統(tǒng)中與TV并聯(lián)了一個(gè)電感線圈,而這個(gè)電感線圈的電抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TV的電抗值,使并聯(lián)后的電抗值更小于TV和消弧線圈的電抗值,可破壞諧振產(chǎn)生條件,在一定程度上消除諧振。另一方面若無(wú)消弧線圈,單相接地發(fā)生間歇性電弧時(shí)系統(tǒng)對(duì)地電容的多次充放電可能造成TV燒毀、熔絲熔斷;有了消弧線圈后,電容對(duì)小感抗放電,TV中電流很小,不會(huì)因過(guò)電流而損壞。2.4采用用勵(lì)磁特性好的TV勵(lì)磁特性有兩個(gè)方面：一是勵(lì)磁特性的量值,即對(duì)飽和點(diǎn)的要求。二是勵(lì)磁特性的一致性,即不同相互感器間的勵(lì)磁電抗的差異。對(duì)勵(lì)磁特性的控制措施主要有兩方面,一是改變互感器鐵芯的分布,使其不易出現(xiàn)飽和。二是出廠前對(duì)互感器按3臺(tái)進(jìn)行配組,提高其一致性。勵(lì)磁特性好的TV,在一般的電壓水平線不會(huì)進(jìn)入深度其飽和區(qū),不易形成諧振的匹配參數(shù)。分相式TV的勵(lì)磁特性不如三相五柱式TV,因此較其更容易發(fā)生諧振。理論上線性度越好的TV越不容易產(chǎn)生諧振,但工藝上實(shí)現(xiàn)有一定的困難,一般要求TV在1.9Um/下不飽和。此外,三相TV勵(lì)磁特性的一致性不好,會(huì)使鐵磁諧振的幾率增大[2]。一般要求三相TV勵(lì)磁電流最大和最小值之比不超過(guò)130％。在實(shí)際運(yùn)行中,上述幾種措施仍不能完全避免諧振的發(fā)生。2.5采用電容式TV或電子式互感器電容式TV可避免TV本身與對(duì)地電容之間發(fā)生諧振。但TV自身的分壓電容和電感線圈之間也可能產(chǎn)生諧振。此外,35kV以下無(wú)電容式互感器。電子式互感器,由于無(wú)鐵磁回路,不存在鐵芯飽和的可能,就從根本上杜絕了發(fā)生諧振的可能,但是相應(yīng)的保護(hù)和測(cè)量裝置都必須與其配套,一般在數(shù)字化變電站中采用。2.6采用抗諧振型TV或在TV中性點(diǎn)串單相TV采用抗諧振型TV和在TV中性點(diǎn)串單相TV的原理相同,電氣原理見(jiàn)圖5。圖5抗諧振型TV的電氣原理圖在額定正常運(yùn)行時(shí),主TV二次側(cè)相電壓為57.7V,線電壓為100V。電壓指示、計(jì)量、保護(hù)與三TV接線方式完全類(lèi)同。零序互感器二次側(cè)只有1～2V的不平衡電壓。當(dāng)生電網(wǎng)發(fā)一相接地時(shí),主TV中性點(diǎn)的電壓將上升到相電壓,零序TV的二次側(cè)兩端電壓57.7V,接地指示有足夠的靈敏度。若中性點(diǎn)串入TV的勵(lì)磁電抗XL0遠(yuǎn)大于XL1值,則效果更佳。高壓側(cè)中性點(diǎn)串入零序TV后,由于二次接近開(kāi)路。Xm顯著增大,將使3種頻率的鐵磁諧振最低動(dòng)作電壓提高到極大的數(shù)值,即產(chǎn)生諧振的觸發(fā)電壓幾乎成為不可能。3防諧振措施的設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)3．1防止TV的諧振除采用一、二次消諧、消弧線圈等手段外,還可產(chǎn)生諧振的源頭著手,如采用勵(lì)磁特性好TV、抗諧振TV等。對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)易產(chǎn)生鐵磁諧振的35kV系統(tǒng),其TV可設(shè)計(jì)為電容式。3．2在同等條件下采用勵(lì)磁特性好的TV不易發(fā)生諧振。為減少發(fā)生諧振的幾率應(yīng)在TV的技術(shù)條件中增加對(duì)勵(lì)磁特性的要求。勵(lì)磁特性有兩個(gè)方面：一是勵(lì)磁特性的一致性,二是勵(lì)磁特性的量值。目前國(guó)標(biāo)〔GB1207-1997和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〔DL/T726-2000對(duì)40.5kV及以下的互感器勵(lì)磁特性無(wú)規(guī)定?！秶?guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中對(duì)勵(lì)磁特性的量值有一些要求。對(duì)勵(lì)磁特性的控制措施主要有兩方面,一是改變互感器鐵芯的分布,使其不易出現(xiàn)飽和。二是出廠前對(duì)互感器按3臺(tái)進(jìn)行配組,提高其一致性。技術(shù)條件中的具體要求如下：①一致性要求：要求各相TV在一次額定電壓下勵(lì)磁電流最大和最小之比不超過(guò)130％。②勵(lì)磁特性的量值：在1.9Um/電壓下,TV的鐵芯磁通不飽和。3．3采用一次消諧器應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題：1TV的中性由直接接地改為經(jīng)過(guò)消諧器接地后,其中性點(diǎn)最高電壓可達(dá)到數(shù)千伏,應(yīng)考慮一次N端子的對(duì)地和對(duì)二次端子間的絕緣要求,不能使用半絕緣的TV。2為防止在運(yùn)行中打出虛假的接地信號(hào),應(yīng)對(duì)TV的一致性提出要求。4結(jié)論鐵磁諧振是非有效接地系統(tǒng)中一種較為常見(jiàn)的現(xiàn)象,它嚴(yán)重地危害了系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。必須采取有效的措施防止諧振的發(fā)生或降低其幅值,縮短其存在時(shí)間。通過(guò)前面的討論,我們可得到以下結(jié)論[3]：4．1一二次消諧器的原理類(lèi)似,都是在諧振發(fā)生時(shí)通過(guò)消耗諧振的能量,使TV的工作點(diǎn)脫離諧振區(qū)域來(lái)消除諧振。但鐵磁諧振過(guò)電壓本身是一個(gè)非線性過(guò)程,現(xiàn)象比較復(fù)雜,有時(shí)幾種諧振同時(shí)發(fā)生,消諧器無(wú)法產(chǎn)生有效的抑制作用。4．2在同等條件下采用勵(lì)磁特性好的TV不易發(fā)生諧振。一般要求TV在1.9倍的UN下不飽和并且三相TV勵(lì)磁電流最大和最小值之比應(yīng)不超過(guò)130％。4．3在中性點(diǎn)接入消弧線圈,對(duì)于由TV鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓具有很好的抑制作用。消弧線圈消除諧振的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變系統(tǒng)的XL0,改變了圖一〔b中諧振可能發(fā)生的區(qū)域,抑制了運(yùn)行中最容易發(fā)生的分頻和工頻諧振。4．4電子式互感器雖能從根本上杜絕鐵磁諧振的發(fā)生,但其使用必須同時(shí)更換為配套的二次設(shè)備,只能隨數(shù)字化變電站的建設(shè)逐步采用。4．5對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)易產(chǎn)生鐵磁諧振的35kV系統(tǒng),可采用電容式電壓互感器。采用時(shí)要有加入阻尼等消除TV本身諧振的措施。4．6采用抗諧振型TV,在線路單相接地時(shí)能夠使TV各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會(huì)飽和,從而很好地抑制鐵磁諧振,降低TV一次側(cè)電流,同時(shí)亦保持了接地指示裝置對(duì)零序電壓幅值和相位的靈敏度。因此,對(duì)于采用其它消諧措施仍難消除諧振的變電站可更換為抗諧振型TV。同時(shí)可逐步在