教案9-斷線諧振和電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過(guò)電壓

1、電力系統(tǒng)過(guò)電壓與保護(hù) （Power System Over Voltage）課程編號(hào)200320總學(xué)時(shí)32總學(xué)分2先修課程電路理論、電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)適合專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化所屬院系部電力系所屬教研室高電壓與電磁兼容§第一講 集中參數(shù)回路和長(zhǎng)線路中的暫態(tài)過(guò)程 （請(qǐng)與本講具體內(nèi)容鏈接）§第二講 變壓器和電機(jī)繞組內(nèi)的暫態(tài)過(guò)程 （同上）§第三講 過(guò)電壓保護(hù)裝置 （同上）§第四講 工頻過(guò)電壓類型、原理及限制措施（1） （同上）§第五講 工頻過(guò)電壓類型、原理及限制措施（2） （同上）§第六講 諧振分類及特點(diǎn) （同上）§第七講 消弧線圈

2、補(bǔ)償電網(wǎng)中的線性諧振 （同上）§第八講 超高壓電網(wǎng)中的諧振過(guò)電壓傳遞過(guò)電壓 （同上）§第九講 斷線和電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓 §第十講 操作過(guò)電壓-間歇電弧接地過(guò)電壓 （同上）§第十一講 操作過(guò)電壓-投、切空載線路過(guò)電壓 （同上）§第十二講 操作過(guò)電壓-切空載變壓器過(guò)電壓和解列過(guò)電壓 （同上）§第十三講 電力系統(tǒng)的絕緣配合 （同上）§第十四講 電力系統(tǒng)的絕緣配合-實(shí)例 （同上）§第十五講 測(cè)控系統(tǒng)電子設(shè)備的過(guò)電壓防護(hù)導(dǎo)論 （同上）§第十六講 總結(jié)復(fù)習(xí) （同上）教案執(zhí)筆： 屠幼萍教案審核：制

3、定日期：2005-9-10§ 第 9 講 斷線和電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓一、 教學(xué)目標(biāo)1. 掌握斷線引起鐵磁諧振過(guò)電壓的機(jī)理，包括中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)和中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相斷線等情況；2. 了解電力系統(tǒng)運(yùn)行中為避免發(fā)生斷線鐵磁諧振而采取的措施；3. 掌握電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起工頻位移過(guò)電壓和諧波諧振過(guò)電壓的機(jī)理；4. 了解抑制由于電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓的措施。二、 教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)闡述斷線引起鐵磁諧振過(guò)電壓的機(jī)理，重點(diǎn)闡述電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起工頻位移過(guò)電壓和諧波諧振過(guò)電壓的機(jī)理三、 教學(xué)難點(diǎn)四、 教學(xué)內(nèi)容和要點(diǎn)(一) 中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中

4、發(fā)生單相斷線時(shí)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓設(shè)有一中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，線路末端接有空載變壓器，A相導(dǎo)線折斷，如上圖所示。線路長(zhǎng)度為，導(dǎo)線折斷處至電源短距離為，線路對(duì)地電容及相間電容分別為、，A相電源側(cè)導(dǎo)線對(duì)地電容及相間電容分別為，負(fù)載側(cè)，。忽略電源內(nèi)阻抗、線路感抗。等值電源定理：任何一個(gè)復(fù)雜電路，對(duì)外都可以轉(zhuǎn)化為由等值電勢(shì)和等值內(nèi)阻串聯(lián)的簡(jiǎn)單等值電路。上圖中，看作為負(fù)載，等值電勢(shì)應(yīng)為將拿開后用電壓表在A點(diǎn)與地間側(cè)得的電壓值，應(yīng)是A點(diǎn)和o間電壓，考慮到電壓源B、C的負(fù)荷是對(duì)稱的，o點(diǎn)的電位應(yīng)是的中點(diǎn)，從向量圖顯見，求等值阻抗時(shí)，將全部電壓源短路、全部電流源開路后，從A點(diǎn)與地間測(cè)得的阻抗為等值電源的內(nèi)阻抗。單相等值電

5、路圖如下圖所示。對(duì)上圖進(jìn)一步利用等值電源進(jìn)行簡(jiǎn)化，mn電感支路左側(cè)部分簡(jiǎn)化為等值電壓源，等值電勢(shì)即m、n兩點(diǎn)間的開路電壓，等值電容為m 、n兩點(diǎn)間的入口電容。其中 為線路正序電容與零序電容的比值簡(jiǎn)單的等值串聯(lián)諧振回路。如下圖所示。在簡(jiǎn)單單相等值電路中不發(fā)生基波諧振的必要條件：如果單相斷線同時(shí)伴有負(fù)載側(cè)導(dǎo)線接地，則A相對(duì)地電容被短接，如果單相斷線同時(shí)伴有電源側(cè)導(dǎo)線接地，則將短接，此時(shí)直接接在電勢(shì)兩端，故可不予考慮。隨著斷線（非全相運(yùn)行）的具體情況不同，都有相應(yīng)的等值單相接線圖和等值簡(jiǎn)單串聯(lián)諧振回路，其等值參數(shù)Q、K的計(jì)算式參看表。(二) 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相斷線時(shí)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓設(shè)A相斷線

6、，將看作負(fù)載，去掉圖中直接接于電源上的電容、，A相電勢(shì)與右側(cè)電路部分沒(méi)有關(guān)系，由此得單相等值電路。簡(jiǎn)化的諧振電路，等值電勢(shì)E及電容C分別為因此，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中也會(huì)因操作中性點(diǎn)不接地的變壓器時(shí)斷路器拒動(dòng)或斷線而引起鐵磁諧振，造成事故。消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)，諧振回路中起主要作用的還是負(fù)載變壓器的勵(lì)磁電感。因此，不論消弧線圈原來(lái)是欠補(bǔ)償或是過(guò)補(bǔ)償，斷線的結(jié)果都有可能激發(fā)起鐵磁諧振。諧振的結(jié)果使得負(fù)載變壓器三相對(duì)地電壓呈現(xiàn)出不平衡：一相高兩相低，兩相高一相低，甚至三相電壓同時(shí)升高。諧振過(guò)電壓的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)位移，負(fù)載變壓器的相序反傾，繞阻電流急劇增大，繞阻兩端即導(dǎo)線對(duì)地的過(guò)電壓。參看武水方瑜

7、P.119120。畫出諧振后的電壓相量示意圖。如上圖所示，A點(diǎn)接地，等值電動(dòng)勢(shì)等于1.5EA，“S”點(diǎn)位于向量B、C連線的中點(diǎn).。假定UL2EA，由于UL與1.5EA處于反相，故a點(diǎn)應(yīng)位于S點(diǎn)的下方2EA處。又因，由此確定中性點(diǎn)“0”位置；連接0b和0c，即得負(fù)載變壓器其它兩相的繞組電壓。aA兩點(diǎn)間的電位差就是斷線相導(dǎo)線的對(duì)地電壓，由此可知，不僅斷線相出現(xiàn)了嚴(yán)重過(guò)電壓，負(fù)載變壓器的電壓相序0a、0b和0c與原來(lái)的完全相反(反傾)，這使接在負(fù)載變壓器上(或其低壓側(cè))的小容量的電動(dòng)機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)。(三) 不發(fā)生斷線鐵磁諧振的條件為避免發(fā)生基頻諧振，可使和兩曲線無(wú)交點(diǎn)，即等值回路中的容抗應(yīng)大于初始勵(lì)磁電

8、抗，也就是等值電容C應(yīng)當(dāng)足夠小，線路很短。在所列幾種斷線故障中，第三種情況即中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)單相斷線且負(fù)載側(cè)導(dǎo)線接地時(shí)，等值電容較大，尤以在x=1即斷線發(fā)生在負(fù)載端時(shí)電容C最大，意味著這種故障情況下滿足諧振條件所對(duì)應(yīng)的線路長(zhǎng)度最短。其中為變壓器為飽和時(shí)的勵(lì)磁電抗，可根據(jù)變壓器的額定線電壓（單位Kv）、額定容量（單位MV×A），空載電流對(duì)額定電流的百分?jǐn)?shù)（%），不難計(jì)算出勵(lì)磁阻抗 ，單位W設(shè)每公里長(zhǎng)導(dǎo)線對(duì)地電容為，以Pf計(jì)，有，單位km滿足式（1）的條件可避免基頻及分頻諧振，但仍可能產(chǎn)生高頻諧振。(四) 限制斷線鐵磁諧振過(guò)電壓措施1. 保證斷路器的三相同期動(dòng)作，避免發(fā)生拒動(dòng)，不采用熔斷器

9、。2. 加強(qiáng)線路的巡視和檢修，避免發(fā)生斷線。3. 如斷路器操作后發(fā)生異?，F(xiàn)象，應(yīng)即復(fù)原和進(jìn)行檢查。4. 在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，操作空載變壓器時(shí)應(yīng)將其中性點(diǎn)臨時(shí)接地；必要時(shí)，可在中性點(diǎn)上接以棒間隙。(五) 電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的工頻位移過(guò)電壓顯然，中性點(diǎn)位移過(guò)電壓值決定于零序回路的參數(shù)。接在相間的元件不起作用，線電壓是由電源所固定不變，所以這些參數(shù)在電路圖中略去。如下圖中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)帶有Y0聯(lián)接的電壓互感器的三相電路等值電路電壓互感器各相激磁電感為 LA、LB、LC ，各相導(dǎo)線及母線等的對(duì)地電容為C0 ，并聯(lián)后的導(dǎo)納分別為YA、YB、YC ，中性點(diǎn)電位偏移系統(tǒng)正常運(yùn)行，三相參數(shù)對(duì)稱，

10、鐵芯不飽和時(shí)有，XL > XC0，三相導(dǎo)納呈容性，且有，無(wú)過(guò)電壓系統(tǒng)受到擾動(dòng)，電壓互感器繞組受激磁涌流的激發(fā)而飽和，且由于三相繞組飽和的程度不同，致使三相導(dǎo)納的數(shù)值、性質(zhì)的不同，即，則必然導(dǎo)致中性點(diǎn)位移，位移電壓可能是工頻，也可能是諧波頻率。 （a） （b） （c）1）三相雖有不同程度的飽和，但各相仍為容性導(dǎo)納。CA、CB、CC表示并聯(lián)支路的等值電容，中性點(diǎn)電位偏移矢量分析，電流平衡條件，只要三相導(dǎo)納性質(zhì)相同，中性點(diǎn)O¢在電壓三角形之內(nèi)，如圖（a），這種情況下會(huì)出現(xiàn)一相或兩相電壓升高的現(xiàn)象，但電壓升高不會(huì)超過(guò)線電壓。2）一相因嚴(yán)重飽和而導(dǎo)納呈感性，其余兩相仍為容性。A相飽和等值

11、電感為L(zhǎng)，B、C兩相等值電容為，中性點(diǎn)電位偏移與同相，且，中性點(diǎn)O¢偏移至電壓三角形之外，如圖（b）。于是造成一相（飽和相）電壓升高的現(xiàn)象。3）兩相因嚴(yán)重飽和而導(dǎo)納呈感性，一相仍為容性，若相互感器不飽和，其等值電容為C，B、C兩相等值電感為L(zhǎng)，中性點(diǎn)電位偏移式中可知，與反相，且，作電源測(cè)電壓三角形，原來(lái)中性點(diǎn)與地（）是重合的，現(xiàn)因出現(xiàn)，移至三角形之外，如圖（c）所示。、飽和相對(duì)地電壓升高，不飽和相相的對(duì)地電壓降低，電網(wǎng)出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象。顯然，位移電壓愈高，相對(duì)地過(guò)電壓愈高。4）三相均因嚴(yán)重飽和而呈感性。情況與三相呈電容性相似，中性點(diǎn)O¢不會(huì)偏移至電壓三角形之外。三項(xiàng)電壓將不

12、會(huì)同時(shí)升高，至少有一相電壓是降低的，該相電感就無(wú)法達(dá)到是導(dǎo)納呈現(xiàn)感性的飽和程度，實(shí)際上不可能出現(xiàn)三相同時(shí)飽和的情況擾動(dòng)使互感器鐵芯飽和是隨機(jī)的，所以出現(xiàn)虛幻接地時(shí)，哪一相是零電位（低電壓）也是隨機(jī)。需指出的是，在時(shí)，即發(fā)生諧振，其實(shí)不然，和均是的函數(shù)，諧振時(shí)，上的電壓升高，其并聯(lián)的將迅速飽和，自動(dòng)將支路轉(zhuǎn)化為為感性，串聯(lián)諧振回路也隨之消失。注意，互感器三相飽和程度不同使電網(wǎng)中性點(diǎn)出現(xiàn)，不是諧振引起，是電感電容效應(yīng)的結(jié)果。(六) 電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的諧波諧振過(guò)電壓電網(wǎng)電源三相工頻電勢(shì)對(duì)稱，不存在諧波分量，分析諧波諧振時(shí)，三相工頻電源為零，但諧波諧振時(shí)，電路中的能量是非線性電感元件的非線

13、性效應(yīng)將工頻電源能量轉(zhuǎn)化為諧波能量而提供。如圖所示，L為電壓互感器鐵芯電感，C為電網(wǎng)對(duì)地電容，G為電感非線性效應(yīng)形成的等值諧波發(fā)電機(jī)，組成串聯(lián)諧振回路。當(dāng)線路很長(zhǎng)，C很大，回路自振頻率w0很低，有可能產(chǎn)生分頻諧振，反之，線路很短，C很小，或者互感器的勵(lì)磁電感很?。ㄈ玷F芯質(zhì)量差或電網(wǎng)中有很多臺(tái)電壓互感器），w0很高，則有可能出現(xiàn)高頻諧振。電網(wǎng)中性點(diǎn)位移諧波電壓與工頻電源電壓的頻率不同，不能采用電壓相量疊加求各相對(duì)地電壓，而需采用有效值合成的方法。設(shè)中性點(diǎn)位移諧波電壓有效值為UO，工頻電源相電勢(shì)有效值為E，則三相對(duì)地電壓的有效值同時(shí)升為：實(shí)測(cè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，工頻位移過(guò)電壓和高頻諧振過(guò)電壓的幅值很少

14、超過(guò)3Uxg ，在35KV電網(wǎng)中曾測(cè)得3.5Uxg，60KV電網(wǎng)中曾測(cè)得4.74 Uxg，對(duì)于60KV及以下電網(wǎng)中的設(shè)備，一般沒(méi)有危險(xiǎn)。分頻諧振過(guò)電壓，雖幅值不高（<2Uxg），但頻率低，互感器繞組感抗小，使激磁電流大為增加，可達(dá)額定值得百倍以上，易燒斷互感器的高壓熔絲，或引起互感器嚴(yán)重過(guò)熱，進(jìn)而冒油、燒損、爆炸。電壓互感器的開口三角繞組是專門為反映零序電壓設(shè)置，它能全面反映電壓互感器飽和引起過(guò)電壓的零序電壓大小和頻率?？偨Y(jié)，產(chǎn)生電壓互感器飽和過(guò)電壓的必要條件：a) 電網(wǎng)電源中性點(diǎn)對(duì)地絕緣；b) 電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)直接接地；c) 具有一定的外界“激發(fā)”條件。其特點(diǎn)是：a) 對(duì)地絕緣

15、的電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓使相對(duì)地出現(xiàn)過(guò)電壓；b) 電網(wǎng)中性電位移電壓可以是基頻，也可以是分頻或高頻。(七) 限制措施可從兩方面著手：一是在零序回路中增加電阻，阻尼諧振的產(chǎn)生和發(fā)展；二是：設(shè)法改變互感器的電抗或電網(wǎng)對(duì)地容抗，避免匹配成諧振參數(shù)。具體做法有下列幾種。1. 在互感器開口三角繞組端口接電阻或消諧裝置系統(tǒng)的負(fù)荷（通常是正序性質(zhì)）對(duì)于具有零序性質(zhì)的中性點(diǎn)位移電壓沒(méi)有阻尼作用，因此必須在零序回路中引入阻尼電阻，如圖所示。開口三角繞組端口接電阻R，相當(dāng)于在互感器高壓繞組側(cè)Y0接線繞組上并聯(lián)電阻，而且只有在電網(wǎng)有零序電壓時(shí)才出現(xiàn)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，開口三角端口基本無(wú)電壓，R0不消耗能量，當(dāng)中性點(diǎn)有位移

16、電壓，開口三角繞組端口出現(xiàn)電壓U0，R0將消耗能量，R0值愈小，消耗能量愈多，限制和阻尼諧振的作用愈明顯。R0=0（開口三角繞祖被短接），則L為互感器的漏感，三相相等，過(guò)電壓也就不存在。但在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，允許單相運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)2小時(shí)，阻值過(guò)小的R0長(zhǎng)期接在開口三角繞組上，會(huì)使互感器過(guò)熱而燒毀。所以選取R0，既要滿足消除飽和過(guò)電壓的要求，又要保證單相接地時(shí)不超過(guò)互感器的容量允許范圍。通過(guò)模擬試驗(yàn)，消除飽和過(guò)電壓所需R0的上限值，分頻諧振的要求值最小，工頻位移次之，高頻諧振最大，因此滿足消除分頻諧振的電阻值，其它兩種也就同時(shí)滿足了。防止電壓互感器過(guò)熱，可作如下兩種改進(jìn)1）當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓超過(guò)一

17、定數(shù)值時(shí)，過(guò)電壓繼電器將小電阻R接入，然后自動(dòng)切除。根據(jù)開口三角繞組電壓的大小和頻率，投入相應(yīng)的電阻。技術(shù)規(guī)程建議的經(jīng)驗(yàn)值是，是電磁式電壓互感器在線電壓下每相勵(lì)磁感抗換算至開口三角繞組兩端的值。電壓等級(jí)越高，要求的R0 值越小，因?yàn)殡S變比的平方而迅速減小。2）對(duì)電壓較低的電網(wǎng)，可在開口三角繞組固定接入普通照明用的白熾燈跑，利用鎢絲電阻在由冷轉(zhuǎn)熱狀態(tài)下電阻變大的性能，即達(dá)到消諧目的，又滿足互感器熱容量的要求。發(fā)生諧振前，溫度低，電阻小，可以抑制諧振的發(fā)生，在單相接地故障時(shí)，溫度上升，阻值變大，所消耗的功率在電壓互感器容量允許范圍內(nèi)。例如，35kV，接入500-1000W的燈泡，6-10kV，接入

18、200W-600W的燈泡。消諧裝置，如消諧器、選頻消諧裝置、電腦消諧裝置等，其基本原理是根據(jù)開口三角繞組電壓的大小和頻率，投入相應(yīng)的電阻或電容。2. 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地如圖所示，為限制諧振，互感器高壓測(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，值愈大，阻尼作用愈大，限制過(guò)電壓效果愈好；若，則等值電感不參與零序回路，也就不存在互感其飽和引起的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。但值過(guò)大，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，大部分零序電壓降落在上，開口三角繞組電壓將太低，影響保護(hù)裝置的動(dòng)作。對(duì)于635kV電網(wǎng)，一般情況可取2030kW。另外，需考慮的熱容量（不小于50W）、沿面濕耐壓（2000V，時(shí)間10min）。西安電磁研究所將裝入瓷套中，制

19、成RXQ-35kV、RXQ-610kV型消諧器，克制姐姐在互感器高壓測(cè)中性點(diǎn)上。其由非線性SiO電阻片和線性電阻（67 kW）串接組成，在低壓下呈高電阻值（可達(dá)幾百千歐），使諧振在起始階段不宜發(fā)展；單相接地時(shí)，上出現(xiàn)千余伏電壓，中非線性電阻下降，使其不影響接地保護(hù)的工作。由于非線性電阻片熱容量相當(dāng)大，足以滿足弧光接地對(duì)的熱容量要求。 上面措施的共同缺點(diǎn)是不能正確區(qū)分基波諧振和單相接地，因?yàn)樵诖藘煞N情況下，開口三角形繞組兩端的電壓及波形幾乎一樣，消諧措施無(wú)法識(shí)別，也就不能保證只在基波諧振時(shí)動(dòng)作。3. 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電容接地措施在低壓側(cè)每相繞組兩端并接雙極性的整流電路。在正常情況下，k聯(lián)至A點(diǎn)，直流電容C被充電，當(dāng)發(fā)生諧振，通過(guò)信號(hào)接觸器k接至B點(diǎn)以使C進(jìn)行放電，然后瞬間返回A點(diǎn)，吸收諧振能量而使諧振立即消失，C的大小為1001000mF該措施有兩特點(diǎn)，一是能夠正確區(qū)分鐵磁諧振與單相接地或弧光接地，有選擇的短接互感器開口三角繞組；二是中性點(diǎn)接