鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的機(jī)理 在最簡單的帶鐵芯電感L和電容C與電

1、1鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的機(jī)理 在最簡單的帶鐵芯電感L和電容C與電源E的串聯(lián)回路中，電容壓降此主題相關(guān)圖片如下：，電感壓降UL =IL。 由于與Uc 和UL 反向，所以此主題相關(guān)圖片如下：式中Uc-電容壓降 UL-電感壓降 I-線路電流 E-電源電壓 L-電感量 C-電容量 -2f 此主題相關(guān)圖片如下： 圖1串聯(lián)鐵磁諧振電路特性曲線 由于鐵磁電感具有非線性特征，求解這一電路采用圖解法。圖1表示ULI、UcI的伏安特性?？梢钥闯觯琔cI是一條斜直線，而UcI具有鐵磁飽和的特性，它們相交于e點(diǎn)。圖中同時(shí)畫出u與I的關(guān)系曲線，它和E直線相交于a1，a2，a3三點(diǎn)，在三個(gè)點(diǎn)上，E=u時(shí)，稱為平衡點(diǎn)，即電路

2、可能的工作點(diǎn)。由圖可知，電源E沒有足夠大擾動，則電路便穩(wěn)定工作在a1點(diǎn)，電感和電容上的電壓分別為 和，且 ，故 電路呈感性，這時(shí)電流較小，電路處于非諧振狀態(tài)。但由于10kV配電系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，其線路(尤其是電纜出線)對地存在分布電容，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，各相電壓互感器的感抗相等，中性點(diǎn)電壓等于零。但如果當(dāng)線路因斷線、雷擊或其他原因而產(chǎn)生單相接地故障時(shí)(如A相)，接地相對地電壓降到接近于零，而非故障相對地電壓上升倍，導(dǎo)致嚴(yán)重的中性點(diǎn)位移，中性點(diǎn)對地電壓升高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對稱性遭到破壞。 另一方面由于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式的主要特點(diǎn)是單相接地后，允許維持一定的時(shí)間，一般為2h，不致

3、于引起用戶斷電。但隨著中壓電網(wǎng)的擴(kuò)大，出線回路數(shù)增多、線路增長，中壓電網(wǎng)對電容電流亦大幅度增加，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，其接地點(diǎn)電阻較大且接觸不良，因而在接地點(diǎn)出現(xiàn)瞬燃瞬熄的電弧放電，從而造成電壓瞬高瞬低，同時(shí)引發(fā)電能、磁能的振蕩。 單相接地時(shí)接地電弧不能自動熄滅，必然產(chǎn)生弧光過電壓，一般為35倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故。對于全部(或大部分)是電纜出線的電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的電容電流會更大，單相接地后電弧不能自行熄滅，產(chǎn)生的弧光過電壓可能導(dǎo)致相間短路而電纜放炮。所以當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，就會使電源電壓瞬間升高，工作點(diǎn)越過UI曲線的最高點(diǎn)

4、達(dá)到a2點(diǎn)，但a2點(diǎn)并不是穩(wěn)定工作點(diǎn)，因?yàn)殡娐分须娏饕坏┢xa2點(diǎn)而增大時(shí)，電源電勢E便大于U，使回路電流I繼續(xù)增大，這使帶鐵芯電感更加飽和，L值進(jìn)一步下降，I隨之增加，達(dá)到串聯(lián)諧振點(diǎn)e點(diǎn)，在e點(diǎn)L=1/C，理論上此時(shí)過電壓將趨于無窮大，但e點(diǎn)也不是穩(wěn)定工作點(diǎn)，隨著電流激增L將繼續(xù)減少，電路就自動偏離諧振條件而躍變到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)a3為止，此時(shí)，雖然工作點(diǎn)已偏離理論上的諧振工作點(diǎn)e，但這時(shí)電流已經(jīng)很大， 、 都很高，所以我們說電路仍處于諧振狀態(tài)。此時(shí)由于 ，電路呈容性。從以上分析可以看出，所謂鐵磁諧振就是由于鐵芯飽和而引起的一種躍變過程，由于a1點(diǎn)到a3點(diǎn)的躍變，使電路由原來的感性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?/p>

5、性狀態(tài)，電路相位發(fā)生180反轉(zhuǎn)。 通過以上對串聯(lián)鐵磁諧振電路的分析，我們就能夠明白，當(dāng)線路發(fā)生單相接地時(shí)，兩相電壓瞬時(shí)升高，三相鐵芯受到不同的激勵而呈現(xiàn)不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生變化，各相電感值不相同， 中性點(diǎn)位移產(chǎn)生零序電壓。由于線路電流持續(xù)增大，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，其電感迅速減小，當(dāng)電感降到滿足L1/C時(shí)，即具備諧振條件，從而產(chǎn)生諧振過電壓。在發(fā)生諧振時(shí)，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流尚未達(dá)到熔絲的熔斷值，但超過了電壓互感器額定電流，長時(shí)間處于過電流狀況下運(yùn)行，必然造成電壓互感器燒損。 2消除鐵磁諧振的技術(shù)措施 (1)選擇勵磁特性好的電壓互

6、感器或改用電容式電壓互感器。 (2)在同一個(gè)10kV配電系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺數(shù)。 (3)在三相電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻。 (4)在母線上接入一定大小的電容器，使容抗(Xc)與感抗(XL)的比值小于0.01可避免諧振。 (5)系統(tǒng)中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈。 (6)采用自動調(diào)諧原理的接地補(bǔ)償裝置，通過過補(bǔ)、全補(bǔ)和欠補(bǔ)的運(yùn)行方式，來較好地解決此類問題。 目前自動調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置主要是由五大部分組成：接地變壓器、電動式消弧線圈、微機(jī)控制部分、阻尼電阻部分、中性點(diǎn)專用互感器和非線性電阻。接地變壓器是作為人工中性點(diǎn)接入消弧線圈。消弧線圈電流通過

7、有載開關(guān)調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方自動控制，采用預(yù)調(diào)節(jié)方式，即在正常運(yùn)行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。利用微機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)自動跟蹤和自動調(diào)諧。通過測量位移電壓為主和中性點(diǎn)電流與電壓之間的相位，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算、判斷、發(fā)出指令自動進(jìn)行調(diào)整，顯示有關(guān)參數(shù)：電容電流、電感電流、殘流和位移電壓等。還能追憶、報(bào)警、自動打印和信號遠(yuǎn)送，滿足無人值班變電所的需要。 110 kV良站10 kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在10 kV系統(tǒng)出現(xiàn)A相單相接地時(shí)，發(fā)生10 kV母線干式電壓互感器燒壞的故障。事后檢查，母線電壓互感器本體炸裂、內(nèi)部絕緣物噴出，非接地相B、C相一次熔絲熔斷，母線電壓互感器

8、的避雷器未動作，中性點(diǎn)所接消諧電阻正常，中性點(diǎn)絕緣正常，勵磁特性在正常范圍，二次回路絕緣正?！，F(xiàn)分析單相接地時(shí)，電壓互感器燒壞及鐵磁諧振產(chǎn)生的原因。電力系統(tǒng)中存在著許多儲能元件，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，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(yùn)行構(gòu)成危害。在中性點(diǎn)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(nèi)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(yùn)。在一定的電源作用下會產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過電壓。1 電壓互

9、感器引起鐵磁諧振的原因分析在中性點(diǎn)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(shè)備的對地電容，L為電壓互感器激磁電感，R0為中性點(diǎn)串聯(lián)消諧電阻。在正常運(yùn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)對地仍呈容性且基本對稱，電網(wǎng)中性點(diǎn)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，其U-I特性如圖2所示。由圖2可見，曲線的起始一段接近直線，其電感相應(yīng)地保持常數(shù)

10、。當(dāng)激磁電流過大時(shí)，鐵芯飽和，則L值隨之大大降低。正常運(yùn)行時(shí)鐵芯工作在直線范圍，當(dāng)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(diǎn)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。2 鐵磁諧振的特點(diǎn)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(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件的飽和效應(yīng)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(dāng)回路電阻大于一定的數(shù)值時(shí)，就不

11、會出現(xiàn)強(qiáng)烈的鐵磁諧振過電壓。串聯(lián)諧振電路，產(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)化為其它諧振頻率的能量，其轉(zhuǎn)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(yīng)具備如下三個(gè)條件。鐵磁式電壓互感器(TV)的非線性效應(yīng)，是產(chǎn)生鐵磁諧振的主要原因。TV感抗為容抗的100倍以內(nèi)，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(chǎn)生的過電壓等。由前面分析可知，事故

12、中具備了3個(gè)條件，才導(dǎo)致了此次事故。當(dāng)良站10 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)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(chǎn)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(gòu)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(luò)對地阻抗趨于感性，此時(shí)若系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對地電感與對地電容相匹配，就形成共振回路，激發(fā)各種鐵磁諧振過電壓。尤其是分頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，產(chǎn)生過電壓，過電壓幅值可達(dá)到近23.5Ue以上，但此過電壓達(dá)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(shí)，感抗下降會使勵磁回路嚴(yán)重飽和，勵磁

13、電流急劇加大，電流大大超過額定值，據(jù)試驗(yàn)，分頻諧振的電流可達(dá)正常電流的240倍以上，導(dǎo)致鐵芯劇烈振動。TV是在這樣大的電流下運(yùn)行，使本身的溫度也迅速升高，當(dāng)熱量積累到一定程度，干式TV中大量絕緣紙、絕緣介質(zhì)會受熱氣化，體積急速膨脹，而存放絕緣紙、絕緣介質(zhì)的干式互感器內(nèi)部空間有限，當(dāng)壓強(qiáng)積累到一定程度時(shí)便產(chǎn)生了TV爆炸。3 鐵磁諧振頻率區(qū)域的判別電力網(wǎng)中發(fā)生不同頻率的諧振，與系統(tǒng)中導(dǎo)線對地分布電容的容抗Xc0，和電壓互感器并聯(lián)運(yùn)行的綜合電感的感抗Xm，兩者的比值Xc0/Xm有直接關(guān)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

14、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(cè)感抗100 V/I折算到一次側(cè)的感抗。其中I為二次側(cè)的實(shí)際測試電流。3.1 分頻諧振當(dāng)比值Xc0/Xm較?。ㄔ?.010.07）時(shí)發(fā)生的諧振是分頻諧振。電容和電感在振蕩時(shí)能量交換所需的時(shí)間較長，振蕩頻率較低，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(shí)升高，并周期性擺動，線電壓正常。3.2 高頻諧振當(dāng)比值Xc0/Xm較大（在0.552.8）時(shí)發(fā)生的諧振是高頻諧振。發(fā)生高頻諧振時(shí)線路的對地電容較小，振蕩時(shí)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(shí)

15、升高，最大值可達(dá)到45倍相電壓，線電壓基本正常；諧振時(shí)過電流較小。3.3 基頻諧振當(dāng)比值Xc0Xm接近于1時(shí)，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(dǎo)致電壓互感器熔絲熔斷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎幕ジ衅鳎贿^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(dāng)Xc0/Xm0.01或Xc0/Xm2.8時(shí)，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(nèi)不同的Xc0

16、/Xm比值下，諧振的最低外施觸發(fā)電壓（臨界值）也是不同的。良站10 kV TV 二次側(cè)的實(shí)際測試電流為19 A，則TV的感抗Xm = 100 V/I = 5.2 M。出線總長為：95.034 km，10 kV線路電容值為0.004F/km，良站10 kV出線的容抗比情況如表2所示。4 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(chǎn)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，必須采取有效措施防止鐵磁諧振的發(fā)生。防止鐵磁諧振的產(chǎn)生，應(yīng)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(yù)防電壓互感器

17、鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生。4.1 改變電氣參數(shù)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，為改變電壓互感器的諧振參數(shù)，可通過裝設(shè)一套繼電保護(hù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時(shí)所產(chǎn)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(cè)開口三角處繞組短接。當(dāng)故障排除后，保護(hù)裝置恢復(fù)原狀，電壓互感器恢復(fù)正常運(yùn)行。10 kV系統(tǒng)中使用的電壓互感器，應(yīng)選用勵磁感抗大于1.5 M的電壓互感器。在同一電網(wǎng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺數(shù)，尤其是限制中性點(diǎn)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(hù)用時(shí)，其中性點(diǎn)不允許接地。在三相電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)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Xc

18、0/Xm0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。此法可使網(wǎng)絡(luò)等值電容變小，網(wǎng)絡(luò)等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。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(shí)，可將中性點(diǎn)通過消弧線圈接地。當(dāng)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(shí)，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。4.2 消耗諧振能量當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行正常時(shí)，電壓互感器二次側(cè)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(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(chǎn)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，當(dāng)其損壞后將不會有消諧作用；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，在開口三角側(cè)將產(chǎn)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(cè)流過較大的電流引起TV損壞。此電阻可用