電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓的分析及預防措施

1、電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓的分析及預防措施analysis of iron - core saturat ion resonance over - voltage onvoltage mutual inductor and its preca ut ionary mea sures黃河水電開發(fā)公司龍羊峽發(fā)電分公司李順福 (811800)【摘 要】 文章闡述了電壓互感器產(chǎn)生鐵芯飽和諧振 (又稱鐵磁諧振) 的原因 。以實際現(xiàn)場發(fā)生的鐵磁諧振實例為出發(fā)點 ,剖析在外部因素的激發(fā)下 ,激磁電抗如何與線路對地電容配匹形 成串聯(lián)諧振 。同時 ,通過原因分析 ,制定相應的預防措施和防范對策 ?！娟P鍵詞】

2、電壓互感器 鐵芯飽和諧振 中性點【abstract】 the paper describes t he reaso n of voltage mut ual inducto r p ro duced iro n - co re sat u2 ratio n reso nance ( also called ferro magnetic reso nance ) . based o n t he field ferro magnetic reso2 nance ,t he paper analyses how to match t he circuits eart h capacitance w

3、it h exter nal f acto rs exci2tatio n reactance to fo r m series reso nance . at t he same time , acco rding to t his reaso n , t he paper makes t he co rrespo nding p recautio nary measures and co unter measures.【 key words】 voltage mut ual inducto r ferro magnetic reso nance neut ral point危及電壓互感器絕

4、緣 ,且因互感器鐵芯是非線性元件 ,特別在發(fā)生分頻諧振時 ,互感器工作在嚴重 飽和狀態(tài)下 , 互感器激磁感抗下降 , 勵磁電流劇增 ,有時可達額定電流的幾十倍 ,持續(xù)時間較長 ,就會造成熔斷器的熔斷 ,設備的燒損或爆炸 ,乃至 大面積停電事故 。據(jù)不完全統(tǒng)計 ,自 1982 年 ,廣東平高崗變電站 35 kv 系統(tǒng)高壓熔斷器熔斷 30多次 , 燒毀電壓互感器 7 臺 , 油開關壁管閃絡 3次 ,用戶降壓站避雷器爆炸 1 臺 。我省城南變在4 個月內(nèi)發(fā)生 5 次諧振過電壓 ,熔斷 9 支高壓保 險絲 。甘肅一變電所發(fā)生諧振過電壓 ,燒毀 2 組電壓互感器 。概述電力系統(tǒng)中性點 (發(fā)電機和變壓器的

5、中性點) 的運行方式有中性點不接地 、中性點經(jīng)消弧線圈 接地 、中性點直接接地三種 。中性點的運行方式 不同 ,其技術特性和工作條件也不同 ,因而對運行 的可靠性及其保護措施要求也不一樣 。在中性點 非直接接地系統(tǒng)中 ,為正確指示各相對地的電壓 , 在母線上接有電磁式電壓互感器 ,其中一次繞組 為中性點直接接地的星形接法 ,二次繞組接成星 形接法 ,三次繞組接成開口三角 ,用以連接測量和 反映各相及零序電壓的電氣儀表 、繼電保護 ,作為 判斷或切除故障的提示 。電壓互感器鐵磁諧振過電壓也稱為電壓互感 器鐵芯飽和過電壓 ,是一種內(nèi)部過電壓現(xiàn)象 ,多發(fā)生于 635 kv 不接地系統(tǒng)中 。當電網(wǎng)參數(shù)

6、 ( 線路對地感抗 ,互感器感抗) 配和不當時 ,在外部條件 激發(fā)下 ,如進行倒閘操作 、雷擊 、斷路器合閘 、單相 接地等會使電壓互感器激磁阻抗與導線的對地容12 電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓的分析對于上述內(nèi)部過電壓現(xiàn)象 ,許多變電工作人 員缺乏理性認識 ,由于飽和諧振過電壓常常發(fā)生 在外部條件的激發(fā)下 ,因此高壓熔斷器熔斷 、互感 器噴油冒煙 、油開關壁管閃絡等事故 ,都認為是外可能找到正確的預防措施 。211鐵芯飽和諧振過電壓產(chǎn)生的原因 鐵芯飽和諧振事故實例 :某變電所主接線圖如圖 1 所示 。正常運行 時 ,1 # 變 帶 10 kv 段 母 線 , 2 # 變 帶 段 母 線 ,10

7、 kv 母聯(lián)開關 12 斷開 ; 1 # 變停運時 , 合 12 開 關 ,由 2 # 變向 10 kv 、母線供電 ,約半小時后 ,10 kv 系統(tǒng) a 相接地 ,現(xiàn)地的電壓表選測指示 : ua= 0 , ub 和 u c 均指示 11 kv 。p t 柜上有接地信 號繼電器動作 、接地白燈亮 。按照運行規(guī)程 ,允許帶接地故障運行 2 h ,運行人員發(fā)現(xiàn)母線電壓互感 器噴油冒煙 ,經(jīng)判斷后 ,拉出 p t 柜 ,在操作時 ,電 弧造成母線相間短路 , 2 # 變斷路器跳閘 , 燒毀電 壓互感器 13 臺 。說 ,其負荷均為三相負荷 ,不存在相負荷的問題 ,故三相負載是相同的 ,各相對地的電容

8、是相等的 ,各項的電壓是對稱的 。在不接地系統(tǒng) ,當發(fā)生單相接地 ,電壓的大小 和相位維持不變 ,所以對負載沒有任何影響 ,等值 圖簡化見圖 3 。圖 3電壓互感器激磁電感 l 1 = l 2 = l 3 , c0 與 l 并聯(lián)后的導納分別為 y1 、y2 、y3 故 y1 = y2 = y3 , 電網(wǎng)中性點的電位為零 , 此時鐵芯不飽和 ,l 1/c0 ,即電容電流大于電感電流 ,相當于一個等 值電容 c0 ,三相均一樣 。由于鐵芯電感線圈是一個非線性電感元件 ,當加在線圈上的電壓增加 ,使通過線圈的電流增 大時 ,激磁電感值由于鐵芯飽和而不斷下降 ,所以某種原因線路中 a 相發(fā)生間歇性單相

9、弧光接地 ,使得相 b 和相 c 電壓升到線電壓 ,而故障相在弧 光瞬間熄滅后又恢復至相電壓 ,致使互感器中兩相的激磁電流急劇增大而發(fā)生飽和 ,磁電感相應減少 ,這時 ,b 相和 c 相的l 0101 , 均處于諧振范圍 內(nèi) ,只要具備激發(fā)條件 ,就會產(chǎn)生鐵芯飽和諧振 。采取的措施及防范對策中性點不接地系統(tǒng)的電壓互感器 ,產(chǎn)生鐵芯 飽和諧振的主要原因是諧波電源和諧振電路參數(shù) 的匹配 。由于電力系統(tǒng)故障的形式是多種多樣 的 ,目前尚無有效措施對諧波電源加以限制 ,此外 由于故障形式的不同 ,系統(tǒng)諧振參數(shù)也是隨機變 化的 。因此 , 消除 10 kv 系統(tǒng)發(fā)生諧振的方法有 兩種 :一種是改變零序網(wǎng)

10、絡中 xc 與 xm 的比值 , 使 xc/ xm 的比值躲過諧振試驗曲線的諧振區(qū)域 , 或固定接入電阻 ,從根本上破壞諧振的基本條件 。 根據(jù)邵特和彼得遜的研究 ,當 xc/ xm 0108 時 ,會出現(xiàn)基頻 諧振 ; 隨著比值的增高 ,還會出現(xiàn)倍頻諧振 ,但這 些諧振所需要的電源電壓較高 ,不會輕易發(fā)生 ,如 圖 4 所 示 。上 述 變 電 所 發(fā) 生 諧 振 時 xc/ xm =0104101085 ,是一種分頻諧振現(xiàn)象 ,所需要的電 源相電壓的最小值約為 0101 u xg ,因此較易發(fā)生 。 另一種方法是在諧振發(fā)生后 ,自動投入阻尼電阻 ,破壞諧振持續(xù)存在的條件 ,使諧振迅速消除

11、,圍繞 這兩種方法 ,制定了以下具體措施 。311 開口三角繞組接入阻尼電阻運行實踐表明 ,在電壓互感器的開口三角繞 組接入一個電阻 ,可以增大回路的阻尼作用 ,并有效地防止或消除鐵磁諧振過電壓 。3圖 4前述母線電壓互感器噴油冒煙 ,互感器燒損 ,就是 過電流所致 ,如果在此時電壓互感器在斷口處產(chǎn) 生弧光 ,造成母線相間短路 ,就會造成全廠失電事 故發(fā)生 。飽和諧振可以由幾種激發(fā)條件造成 。雷雨期 間 ,因雷擊或風雨造成線路發(fā)生弧光 ,接地是最常 遇到的激發(fā)因素 。此外 ,有時在電源對只帶電壓互感器的空母線突然合閘 ,系統(tǒng)運行方式的突變 ,負荷發(fā)生較大的波動等情況時也會激發(fā)起諧振 。 所有的

12、外界因素干擾最終致使電壓互感器鐵芯飽 和 ,導致鐵芯內(nèi)部諧振過電壓 。串聯(lián)諧振過電壓會產(chǎn)生很高的過電壓和過電 流 ,實驗測量證明 ,電壓互感器飽和過電壓可高達315 倍相電壓 , 過電流值可高達 100 %額定電流 值 。造成電壓互感器飽和諧振的原因 ,主要是鐵 芯質(zhì)量低 ,使用低質(zhì)硅鋼片 ,使鐵芯工作點接近飽 和區(qū) ,裝有激磁特性高飽和的電壓互感器的電網(wǎng)常會發(fā)生飽和過電壓 。另外一個原因 ,電路參數(shù) 的匹配和諧振電源 ,表 1 列出了通過計算和模擬實驗 所 得 的 有 關 參 數(shù) 。10 kv 架 空 對 地 電 容 按0104a/ km 估計 ,電纜接地電容電流取 116a/ km ,并考

13、慮變電所設備使總的對地電容增值 15 % ,電 壓互感器的激磁感抗 ,可由實測伏特曲線求得 。開口三角繞組接入電阻如圖 5 所示 。當電壓互感器發(fā)生諧振時 ,中性點出現(xiàn)位移電壓 ,使三相 電壓不對稱 ,電壓互感器鐵芯嚴重飽和 ,出現(xiàn)零序磁通 , 電 壓 互 感 器 高 壓 繞 組 中 將 流 過 零 序 電 流i10 ,在開口三角繞組兩端感應零序電壓 u 20 。如果在開口三角繞組兩端接入一個電阻 r0 ,將流過 零序電流 i20 ,它對高壓繞組產(chǎn)生去磁作用 ,從而表 1等值阻抗計算值抑制了諧振 。r 愈小 , i 愈大 ,去磁作用也愈顯020等值 c0等值架空線等值 xc 阻抗比著 。如果將

14、開口三角繞組兩端短接 ,即 r0 = 0 ,諧振就不會發(fā)生 。母線 xm ( k) ( km) (f ) ( k) ( xc/ xm)2914261133134414112731012151110601085010412在圖 5 中 , i 10 = i20 /i10 = 3 u 20 / k2 r 0k , i 20 = 3 u 20 / r 0 , 則、并聯(lián)13183771741280174401054所以 u / i= r = r k2 / 3但是 ,對于單相接地故障消失時所激發(fā)的鐵磁諧振現(xiàn)象 ,由于白熾燈在故障消失前的接地期 間因發(fā)熱電阻已顯著增大了 ,以致有時起不到消 除諧振的作用

15、,這是互感器開口三角繞組兩端接 白熾燈的一個固有缺點 。312高壓繞組中性點經(jīng)電阻接地 通過試驗和運行實踐證明 ,在電壓互感器一次繞組和中性點經(jīng)一個較大的電阻接地 ,利用該 電阻限制互感器繞組中的電流 ,是防止或消除互 感器鐵芯飽和諧振的一個有效而簡便的措施 ,見圖 6 。圖 5式中 : k 為電壓互感器的高壓繞組與開口三角繞組 之間變比 ?？梢?,開口三角繞組兩端接入電阻 r0 , 就相當于在電壓互感器的高壓側(cè)每相并聯(lián)一個 ( k2 /3) r0 的電阻 ,增大了回路的阻尼率 。通過模擬試 驗 ,一般來說 ,消除分頻諧振所需的 r0 值較小 ,高 頻諧振要求的電阻最高 。因此如果按消除分頻諧

16、 振的要求來選擇電阻 ,就可同時滿足消除基頻和 高頻的要求 。故分頻諧振和基頻諧振的 r0 確定方式為 r0 = xm/ k0 2 。從消振效果來說 ,希望 r0 盡可能小些 。但是r0 太小 ,系統(tǒng)發(fā)生單相接地時 ,電壓互感器漏抗上的壓降太大 ,開口三角繞組兩端電壓過低 ,不能 滿足繼電保護的要求 。在現(xiàn)場為了電阻的取材方 便 ,同時滿足繼電保護的要求 ,310 kv 互感器可 采用 200500 w 普通白熾燈泡作為開口三角電 阻 。燈泡的鎢絲在冷熱狀態(tài)下的溫差極大 ,其電 阻呈非線性特性 。如 500 w 燈光在冷狀態(tài)下 ,電 阻僅有 7 左右 , 足以消除空母線合閘的諧振現(xiàn) 象 ;單相

17、接地時 ,三角開口電壓約 100v ,燈泡電阻 在 100v 電壓下增至約 70 , 能滿足繼電保護和 互感器熱容量的要求 。某電廠 3 kv 廠用電系統(tǒng) 曾多次發(fā)生諧振 ,造成互感器熔絲熔斷 ,甚至全廠 停電事故 。在開口三角接入 500 w 白熾燈后立即圖 6圖 6 中 ,當系統(tǒng) c 相發(fā)生單相接地時 , 故障 點流過電容電流 ,非故障相 a 、b 的電壓升高為線 電壓 , 其對地電容 c0 上充以與線電壓相應的電 荷 。在接地故障期間 ,此電荷產(chǎn)生電容電流 ,以接地點為通路 ,在電源導線和大地間流通 ,由于互感 器激磁阻抗很大 ,故流過互感器的電流很小 。但 是 ,一旦接地故障消除 ,這

18、個電流通路被切斷 ,而 非接地相必須由線電壓瞬間恢復到正常相電壓水 平 。由于接地故障已斷開 ,非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷 ,就只能通過互感器 高壓繞組 ,經(jīng)其接地的中性點泄入大地 。在這一 瞬變過程中 ,互感器高壓繞組中將流過一個很大 的工頻沖擊電流 ,使互感器鐵心嚴重飽和 ,激發(fā)諧 振現(xiàn)象 。如果在電壓互感器高壓繞組中性點串一個足 夠大的電阻接地 ,在單相接地故障消失時 ,就可阻 尼流過高壓繞組和中性點的沖擊振蕩電流 ,使其 急劇衰減 ,避免鐵心飽和 ,防止鐵磁諧振的產(chǎn)生 。 單純從消振效果來看 ,中性點電阻越大越好 ,若該電阻為無限大 ,即互感器高壓側(cè)中性點不接 地 ,則

19、諧振條件不成立 ,諧振根本不會發(fā)生 。但是中性點電阻的選擇要受到中性點絕緣水平 、電壓互感器接地指示器的靈敏度 、正常電壓測量和電 網(wǎng)運行方式的限制 ,不能選擇得太大 。對于不同 電壓等級的電網(wǎng) 、不同伏安特性的電壓互感器 ,中 性點 電 阻 值 最 好 通 過 試 驗 確 定 , 一 般 可 控 制 在10 k 左右 。上述變電所 ,將每臺電壓互感器中性 點改為經(jīng) 15 k 電阻接地后 ,運行多年 ,消諧效果 良好 。313用消諧器消除諧振 消諧器的主要元件消諧管 ,是具有特異電阻特性的真空器件 。它有較高的冷熱電阻比率和一 定的阻值變化速度 。在 35 kv 及以下的中性點不 接地電網(wǎng)中

20、,消諧器接在開口三角繞組兩端 ,用以 消除電壓互感器引起的基頻 、分頻和倍頻鐵磁諧 振 ,避免虛幻接地信號的出現(xiàn) ,防止互感器噴油 、避雷器爆炸和電網(wǎng)的停電事故 。而在電網(wǎng)正常運 行時 ,消諧管的接入 ,不影響互感器的準確測量和 繼電保護的正確運作 。消諧裝置由監(jiān)頻環(huán)節(jié)與消諧環(huán)節(jié)兩大部分構 成 ,其原理接線如圖 7 所示 。接地 ,開口三角電壓達 100v 左右 ,燈絲 r1 此時的熱電阻升到 60 以上 ,對接于互感器的測量系統(tǒng) 無影響 ,當單相接地故障消除時 ,如果出現(xiàn)基頻和 高頻諧振 ,該電阻足以消除諧振 ;若為 1/ 2 次分頻 諧振 ,監(jiān)頻回路呈現(xiàn)出低電阻 ,電壓達到動作電壓時 ,監(jiān)

21、頻繼電器動作 ,常開接點 j l 閉合 ,將電阻 r2 與 r1 并聯(lián) ,開口三角投入低電阻消諧 , 分頻諧振 得以消除 。電網(wǎng)恢復正常后 ,監(jiān)頻回路呈現(xiàn)高阻 抗 ,監(jiān)頻繼電器的動作電 壓 也 25 周 波 時 的 電 壓 ,繼電器的接點斷開 。某發(fā)電廠廠用 6 kv 系統(tǒng)采用 fx g 型消諧裝置 ,運行實踐表明 ,消除諧振 效果顯著 ,安全可靠 。防止諧振的其他措施還有 :(1) 選用勵磁特性好的 、在線電壓下鐵芯不易 飽和的電壓互感器 ;(2) 選用 v 接電壓互感器或使用電容式的電 壓互感器 ;(3) 定期對已運行的電壓互感器進行勵磁特 性試驗 ,發(fā)現(xiàn)問題及時解決 。4結論綜上所述 ,開口三角繞組兩端接入電阻 、電壓互感器中性點經(jīng)電阻接地和采用消諧裝置等 3 種防止諧振措施 ,都具有簡單方便 、消諧效果良好 、 對接地指示靈敏度沒有多大影響等優(yōu)點 。但在實際工程應用時 ,必須通過計算和模擬試驗 ,選擇適 合本地電網(wǎng)的方案 ,并受運行實踐的考驗 。比較起來 ,開口三角繞組接電阻或白熾燈 ,對 于防止帶電壓互感器投入空載母線引起的諧振較 有效 ,如果諧振是由單相接地引起的 ,當單相接地時間較長時 ,燈泡在開