電力系統(tǒng)中的諧振過(guò)電壓.ppt

1、第八章 電力系統(tǒng)中的諧振過(guò)電壓,主要內(nèi)容,線性諧振的條件 消弧線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的諧振 超高壓補(bǔ)償線路中不對(duì)稱操作引起的諧振 傳遞過(guò)電壓 非線性（鐵磁）諧振的特點(diǎn) 斷線引起的鐵磁諧振過(guò)電壓 電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓 參數(shù)諧振過(guò)電壓,電力系統(tǒng)諧振現(xiàn)象,電力系統(tǒng)包含有許多電感和電容元件 L：發(fā)電機(jī)、變壓器、互感器、電抗器、消弧線圈等; C：線路對(duì)地電容、導(dǎo)線間電容、補(bǔ)償用的并、串聯(lián)電容、高壓設(shè)備的雜散電容、均壓電容等。 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電感、電容元件形成各種振蕩回路，在一定條件下，可以產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中某部分或某元件上出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過(guò)電壓。 諧振過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間

2、比操作過(guò)電壓長(zhǎng)得多，甚至可穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。但在某些情況，諧振發(fā)生一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)消失，不能自保持。 諧振過(guò)電壓的危害性既決定于其幅值大小，也決定于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短。諧振過(guò)電壓將危及電氣設(shè)備絕緣，也可能因諧振持續(xù)的過(guò)電流燒毀小容量電感元件設(shè)備(如電壓互感器)。,諧振的類型,8.1 線性諧振的條件,回路的阻尼率,回路的自振角頻率,8.2 消弧線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的諧振,在中性點(diǎn)不接地的配電網(wǎng)中, 消弧線圈的主要作用是補(bǔ)償系統(tǒng)單相接地故障的短路電流。,系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)10kV線路的Ijd不超過(guò)30A（即：架空線路長(zhǎng)度不超過(guò)1000km）和35kV線路的Ijd不超過(guò)10A（即：架空線路長(zhǎng)度不

3、超過(guò)100km）時(shí)，接地電弧一般能夠自熄，這可避免單相電弧接地故障跳閘，這是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)超過(guò)上述允許值時(shí)，接地電弧往往不能自熄，并將產(chǎn)生間歇性電弧接地過(guò)電壓。 在變壓器中性點(diǎn)上接消弧線圈L。當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接有消弧線圈時(shí)，單相接地時(shí)流過(guò)消弧線圈的電流為 流過(guò)故障點(diǎn)的電流 Ic,消弧線圈的補(bǔ)償可由脫諧度Vc,利用消弧線圈滅弧后，故障相恢復(fù)電壓的自由振蕩的角頻率與系統(tǒng)電源的角頻率相接近，恢復(fù)電壓將以拍頻的規(guī)律緩慢上升，從而可以保證電弧不再發(fā)生重燃和最終趨于熄滅，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。 系統(tǒng)裝設(shè)消弧線圈后，熄弧后故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓為 消弧線圈的功能有：補(bǔ)償系統(tǒng)單相接地電容電流、延緩恢復(fù)電壓的

4、上升速度促使電弧自熄。,從減小殘流、熄滅接地電弧來(lái)說(shuō)，消弧線圈的脫諧度越小越好。 實(shí)際系統(tǒng)中消弧線圈又不宜運(yùn)行在全補(bǔ)償狀態(tài)，因?yàn)橄到y(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)三相對(duì)地電容不對(duì)稱，可能在系統(tǒng)中性點(diǎn)上出現(xiàn)較大的位移電壓。當(dāng)系統(tǒng)接入消弧線圈后，恰好形成零序諧振回路，在系統(tǒng)位移電壓的作用下將發(fā)生線性諧振現(xiàn)象。,消弧線圈調(diào)諧至使脫諧度Vc=0時(shí) ，,系統(tǒng)將發(fā)生諧振現(xiàn)象。,我國(guó)電力行業(yè)規(guī)程規(guī)定，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)應(yīng)采用過(guò)補(bǔ)償方式，其脫諧度不超過(guò)10%，同時(shí)還要求中性點(diǎn)位移電壓一般不超過(guò)相電壓的15%。 現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中使用的消弧線圈一般采用隨調(diào)式消弧線圈，即系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將消弧線圈的脫諧度調(diào)大，使其不放大系統(tǒng)的

5、位移電壓，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，自動(dòng)調(diào)小脫諧度使其發(fā)揮補(bǔ)償作用。但對(duì)這種調(diào)諧方式，要求消弧線圈應(yīng)有盡快的響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)故障時(shí)能快速發(fā)揮補(bǔ)償作用。,8.3 超高壓補(bǔ)償線路中不對(duì)稱操作引起的諧振,在超高壓電網(wǎng)中，為抑制空載長(zhǎng)線路的重合閘過(guò)電壓，一般采用單相自動(dòng)重合閘，即電網(wǎng)中單相斷路器操作是一種正常的不對(duì)稱操作，而且超高壓電網(wǎng)并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度TK通常在60%以上。 系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱操作情況時(shí)，會(huì)使健全相對(duì)斷開(kāi)相的相間電容與斷開(kāi)相的對(duì)地電抗器形成串聯(lián)諧振回路，由于電抗器的線性度很高，這種電感、電容效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生較高的工頻過(guò)電壓，使得故障開(kāi)斷相的工頻接地電弧（潛供電流）不能熄滅，自動(dòng)重合閘也就歸于

6、失敗。,并聯(lián)電抗器的正序與零序電抗分別為XL1和XL0、線路的正序與零序波阻抗分別為Z1和Z0和導(dǎo)線的正序與零序電角度分別為1和0。等值電路圖中Zr1為從線路首端求得的正序入口阻抗。零序入口阻抗等于由線路首端求得的Zr0，在等值電路圖中附加一個(gè)接地阻抗ZrN，根據(jù)等效原理ZrN應(yīng)滿足,電抗器的正序與零序補(bǔ)償角,忽略線路電阻，Zr1=jXr1、 Zr0=jXr0,空載長(zhǎng)線路末端接有電抗器的等值入口阻抗表達(dá)式,單相開(kāi)斷時(shí)，開(kāi)斷相（圖中A相）的電壓表達(dá)式為,單相開(kāi)斷時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生諧振的條件為,忽略導(dǎo)線電感，令導(dǎo)線的正序和零序電容分別為C1和C0，容抗為jXC1和jXC0，線路首端的入口阻抗為,單相開(kāi)斷

7、發(fā)生諧振的條件,開(kāi)斷相的電壓,電抗器的補(bǔ)償度,諧振條件,輸電線路電容,電抗器采用單相形式， XL1=XL0，G=1,電抗器采用三相形式， XL0XL1，若XL1=2XL0， G=2,諧振條件,為消除電網(wǎng)諧振，要求G1，即要求電抗器的零序電抗大于正序電抗，實(shí)際系統(tǒng)就采用并聯(lián)電抗器的中性點(diǎn)串接小電抗的方法來(lái)滿足G1的要求。 若線路中不接并聯(lián)電抗器，當(dāng)發(fā)生單相不對(duì)稱開(kāi)斷時(shí)，在開(kāi)斷相上亦會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓是由非開(kāi)斷相與開(kāi)斷相的相間電容和開(kāi)斷相的對(duì)地電容分壓傳遞而來(lái)的。,8.4 傳遞過(guò)電壓,在電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障或斷路器的不同期操作時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)零序電壓和零序電流，通過(guò)靜電和電磁耦合，

8、會(huì)在相鄰的低壓平行線路中感應(yīng)出傳遞過(guò)電壓； 當(dāng)變壓器的高壓繞組側(cè)出現(xiàn)零序電壓時(shí)，會(huì)通過(guò)繞組間的雜散電容傳遞至低壓側(cè)，危及低壓繞組絕緣或接在低壓繞組側(cè)的電氣設(shè)備。,一、平行線路間的電壓傳遞,電氣化鐵路的高壓（27.5kV）牽引線路與鐵路沿線鋪設(shè)的信號(hào)電纜。牽引供電線路與信號(hào)電纜處于同一電磁環(huán)境中，牽引線路中的交變電流在其周圍會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，通過(guò)回路間的電容耦合和電感耦合作用，在信號(hào)電纜中將感應(yīng)電壓和電流，可能危及信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和設(shè)備絕緣。（平行多導(dǎo)體系統(tǒng)）,高壓牽引線路與信號(hào)電纜間存在耦合電容，而信號(hào)電纜芯線本身也有對(duì)地電容，通過(guò)這些分布電容會(huì)在信號(hào)電纜上產(chǎn)生靜電傳遞電壓。傳遞電壓值與電纜

9、間幾何尺寸、電纜金屬護(hù)套的連接方式等因素有關(guān)，這種影響稱為容性耦合影響，也就是靜電影響。 在實(shí)際工程中，按相關(guān)規(guī)程要求信號(hào)電纜的金屬護(hù)套應(yīng)接地，所以高壓牽引線路與信號(hào)電纜平行鋪設(shè)時(shí)，在信號(hào)電纜芯線上不會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)分量。,在高壓牽引線路的工作電流作用下，在空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，其磁力線交鏈鄰近信號(hào)線路，在信號(hào)線路上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電力電纜與信號(hào)電纜間存在互感），通過(guò)這種感性耦合在通信電纜上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。由于此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是沿著通信線路芯線軸向分布的，又稱為縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 鐵路供電強(qiáng)電線路在信號(hào)電纜的芯線上產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與強(qiáng)電線路中的影響電流、信號(hào)電纜的金屬護(hù)套屏蔽層、信號(hào)電纜的直徑、信號(hào)

10、電纜屏蔽層的接地方式以及它們之間的距離等因素有關(guān)。,當(dāng)信號(hào)電纜屏蔽層不接地時(shí)，強(qiáng)電線路有影響電流，會(huì)通過(guò)互感抗在信號(hào)電纜屏蔽層和線芯產(chǎn)生磁感應(yīng)電勢(shì)分別為,屏蔽層兩端接地,屏蔽層電流,屏蔽層電流在電纜線芯上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為,電纜線芯的磁感應(yīng)電勢(shì),信號(hào)電纜線芯的磁感應(yīng)電勢(shì)與強(qiáng)電線路的影響電流成正比關(guān)系，還和強(qiáng)電線路與信號(hào)電纜間的互感系數(shù)、信號(hào)電纜屏蔽層的自電感和電阻有關(guān)。,當(dāng)信號(hào)電纜屏蔽層兩端接地時(shí)，屏蔽層中產(chǎn)生的感應(yīng)電流起了去磁的作用，使電纜芯線的感應(yīng)電勢(shì)減小。 信號(hào)電纜的屏蔽系數(shù)定義為：有金屬護(hù)套時(shí)電纜線芯上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與無(wú)金屬護(hù)套時(shí)相同電纜線芯上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比 當(dāng)屏蔽層兩端的接地電阻等于零時(shí)

11、，屏蔽層的屏蔽系數(shù)稱為理想屏蔽系數(shù)S0,當(dāng)信號(hào)電纜無(wú)金屬護(hù)套時(shí) 信號(hào)電纜的理想屏蔽系數(shù)為,二、變壓器繞組間的電壓傳遞,在變壓器的不同繞組之間亦會(huì)發(fā)生電壓的傳遞現(xiàn)象。如果傳遞的方向是從高壓側(cè)到低壓側(cè)，那就可能危及低壓側(cè)的電氣設(shè)備絕緣的安全。若與接在電源中性點(diǎn)的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振回路，還可能產(chǎn)生線性諧振或鐵磁諧振的傳遞過(guò)電壓。,若不考慮低壓側(cè)的等值電感L的作用，則傳遞到變壓器低壓繞組側(cè)的電壓為 若考慮低壓側(cè)的等值電感L的作用，則傳遞到變壓器低壓繞組側(cè)的電壓為, L與3C0呈并聯(lián)諧振，等值電路相當(dāng)于開(kāi)路，零序電壓全部傳遞到低壓繞組側(cè) 在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)， 0，等值電路呈串聯(lián)諧振狀態(tài)。

12、會(huì)急劇增大 低壓繞組側(cè)電壓增高后，消弧線圈會(huì)趨于飽和，使得自動(dòng)增大，過(guò)電壓也就受到限制。,抑制傳遞過(guò)電壓的措施： 避免出現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓，如盡量使斷路器三相同期操作； 裝設(shè)消弧線圈后，應(yīng)當(dāng)保持一定的脫諧度，避免出現(xiàn)諧振條件； 在低壓繞組側(cè)不裝消弧線圈的情況下，可在低壓側(cè)加裝三相對(duì)地電容，以增大3C0。,三、超高壓電網(wǎng)中的潛供電流,系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采取跳開(kāi)故障相線路兩側(cè)的斷路器來(lái)排除故障，然后再重合閘使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行 （單相重合閘操作 ） 系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相的工作電壓和負(fù)載電流可以通過(guò)相間電容和互感對(duì)故障相產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，使故障相在與電源斷開(kāi)后仍能維持一定的接

13、地電流，被稱為潛供電流（二次電流）。,潛供電流以電弧的形式存在，而潛供電流的自熄是單相自動(dòng)重合閘成功的必要條件。潛供電流的自熄取決于潛供電流的大小及電弧熄滅后作用于故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓。電弧的自熄時(shí)間為 潛供電流自熄后，為防止故障點(diǎn)的電弧重燃，還要求電弧熄滅后作用于故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓不能太大。故障相導(dǎo)線的恢復(fù)電壓仍由靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個(gè)分量組成。故障點(diǎn)恢復(fù)電壓的電磁感應(yīng)分量與故障點(diǎn)的位置有關(guān)。,潛供電流和恢復(fù)電壓均由靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個(gè)分量組成，而起主導(dǎo)作用的是靜電感應(yīng)分量，靜電感應(yīng)分量是通過(guò)相間電容傳遞過(guò)來(lái)的。 要限制潛供電流和接地故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓，可采取在導(dǎo)線間裝設(shè)一組三角聯(lián)接的電抗器，補(bǔ)償

14、相間電容，使相間阻抗趨向無(wú)窮大，這樣潛供電流的橫分量和恢復(fù)電壓的靜電感應(yīng)分量都將趨于零（補(bǔ)償法 ）?？紤]系統(tǒng)限制空載長(zhǎng)線路工頻電壓升高的要求，系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)一組星形聯(lián)接而中性點(diǎn)接地的電抗器。,超高壓和特高壓電網(wǎng)中可采用快速接地開(kāi)關(guān)HSGS (High Speed Grounding Switches)來(lái)限制潛供電流（故障轉(zhuǎn)移法）。 快速接地開(kāi)關(guān)HSGS是接在輸電線路兩端對(duì)地的一組開(kāi)關(guān)，其工作原理是將故障點(diǎn)的開(kāi)放性電弧轉(zhuǎn)移至兩側(cè)接地開(kāi)關(guān),使故障相上的電壓和故障點(diǎn)的潛供電流大大降低,從而使電弧易于熄滅。,8.5 非線性（鐵磁）諧振的特點(diǎn),忽略回路電阻,鐵磁諧振具有以下特點(diǎn)：,產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的必要條件

15、是：電感和電容的伏安特性曲線必需相交 在相同的電源電勢(shì)作用下，回路有兩種不同性質(zhì)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。在外界激發(fā)下，電路可能從非諧振工作狀態(tài)躍變到諧振工作狀態(tài)，相應(yīng)回路從感性變成容性，發(fā)生相位反傾現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓與過(guò)電流。 非線性電感的鐵磁特性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件飽和效應(yīng)本身也限制了過(guò)電壓的幅值。此外，回路損耗也是阻尼和限制鐵磁諧振過(guò)電壓的有效措施。 基波鐵磁諧振 、高次諧波諧振、分頻諧振,8.6 斷線引起的鐵磁諧振過(guò)電壓,斷線泛指導(dǎo)線因故障折斷、斷路器拒動(dòng)以及斷路器和熔斷器的不同期切合等。,非全相運(yùn)行時(shí)的諧振電路，在一定的參數(shù)配合和激發(fā)條件下，可能會(huì)產(chǎn)生基頻、高頻或分頻諧振。

16、當(dāng)發(fā)生基頻諧振時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三相對(duì)地電壓不平衡，如兩相電壓升高、一相電壓降低，或三相電壓同時(shí)升高的現(xiàn)象。在負(fù)載變壓器側(cè)可能發(fā)生負(fù)序電壓占主要成分的情況，引起系統(tǒng)相序反傾，造成小容量電機(jī)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。,為防止斷線過(guò)電壓，可采取下列的限制措施： 保證斷路器的三相同期動(dòng)作，不采用熔斷器設(shè)備； 加強(qiáng)線路的巡視和檢修，預(yù)防發(fā)生斷線； 若斷路器操作后有異?，F(xiàn)象，可立即復(fù)原，并進(jìn)行檢查； 不要把空載變壓器常期接在系統(tǒng)中； 在中性點(diǎn)接地的電網(wǎng)中，合閘中性點(diǎn)不接地的變壓器時(shí)，先將變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地。這樣做可使變壓器未合閘相的電位被三角形聯(lián)接的低壓繞組感應(yīng)出來(lái)的恒定電壓所固定，不會(huì)引起諧振。,8.7 電磁式電壓互感器

17、飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓,正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，所以每相對(duì)地阻抗（L和C0并聯(lián)后）呈容性，三相基本平衡，系統(tǒng)中性點(diǎn)0的位移電壓很小。但當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某些擾動(dòng)，使電壓互感器三相電感飽和程度不同時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)就有可能出現(xiàn)較高的位移電壓，激發(fā)起諧振過(guò)電壓。,常見(jiàn)的使電壓互感器產(chǎn)生嚴(yán)重飽和的情況有： 電源突然合閘到母線上，使接在母線上的電壓互感器某一相或兩相繞組出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流，而導(dǎo)致電壓互感器飽和； 由于雷擊或其它原因使線路發(fā)生瞬間單相電弧接地，使系統(tǒng)產(chǎn)生直流分量，而故障相接地消失時(shí)，該直流分量通過(guò)電壓互感器釋放，而引起電壓互感器飽和； 傳遞過(guò)電壓，例如高壓繞組側(cè)發(fā)生單相接地或不同期

18、合閘，低壓側(cè)有傳遞過(guò)電壓使電壓互感器產(chǎn)生飽和。,由于電壓互感器飽和程度不同，會(huì)造成系統(tǒng)兩相或三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，整個(gè)電網(wǎng)對(duì)地電壓的變動(dòng)表現(xiàn)為電源中性點(diǎn)0的位移（電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移過(guò)電壓）。 中性點(diǎn)的位移電壓也就是電網(wǎng)的對(duì)地零序電壓，將全部反映至互感器的開(kāi)口三角繞組，引起虛幻的接地信號(hào)和其它的過(guò)電壓現(xiàn)象，造成值班人員的錯(cuò)覺(jué)。 中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng) 、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的情況下 ，不會(huì)出現(xiàn)此類諧振過(guò)電壓。,系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓為,當(dāng)系統(tǒng)遭受干擾，使電壓互感器的鐵芯出現(xiàn)飽和，例如，B、C兩相電壓升高，電壓互感器電感飽和，則流過(guò)和的電感電流增大，使其等值電感減小，B、C相的對(duì)地導(dǎo)納變成電感性，即、為

19、感性導(dǎo)納，而A仍為容性導(dǎo)納。由于容性導(dǎo)納與感性導(dǎo)納相互抵消的作用，造成系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓大大增加。,虛幻接地現(xiàn)象是電磁式電壓互感器飽和引起工頻（基頻）諧振過(guò)電壓的標(biāo)志。,干擾造成電壓互感器鐵芯飽和后，將會(huì)產(chǎn)生一系列諧波，若系統(tǒng)參數(shù)配合恰當(dāng)，會(huì)使某次諧波放大，引起諧波諧振過(guò)電壓。配電網(wǎng)中常見(jiàn)的諧波諧振有次分頻諧振與3次高頻諧振。 系統(tǒng)出現(xiàn)諧波諧振的特點(diǎn)是三相電壓同時(shí)升高。 當(dāng)系統(tǒng)線路較長(zhǎng)時(shí)，等效大，回路的自振角頻率低，就可能激發(fā)產(chǎn)生分頻諧振過(guò)電壓，發(fā)生分頻諧振的頻率為2425Hz，存在頻差，會(huì)引起配電盤(pán)上的表計(jì)指示有抖動(dòng)或以低頻來(lái)回?cái)[動(dòng)現(xiàn)象。這時(shí)互感器等值感抗降低，會(huì)造成勵(lì)磁電流急劇增加，引起高壓熔斷器熔斷，甚至造成電壓互感器燒毀。,限制和消除這種鐵磁諧振過(guò)電壓的措施：,改變系統(tǒng)零序參數(shù) ，在母線上加裝三相對(duì)地電容，可使系統(tǒng)參數(shù)越出諧振范圍， 零序