電磁式電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象淺析論文
摘要：某燃機(jī)電廠發(fā)生了電磁式電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象，針對(duì)該現(xiàn)象I簡(jiǎn)要分析產(chǎn)生電壓互感器鐵磁諧振的原因及鐵磁諧振的危害，并總結(jié)了限制電壓互感器鐵磁諧振的一些措施。
關(guān)鍵詞：電壓互感器;鐵磁諧振;消諧電阻
一、緒論
鐵磁諧振(也叫非線性諧振)是指發(fā)生在含有非線性電感(如鐵芯電感元件)的振蕩回路。
鐵磁諧振是由鐵芯電感元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統(tǒng)的電容元件，如輸電線路、電容補(bǔ)償器等形成共諧條件，激發(fā)持續(xù)的諧振，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓的過(guò)程。引起鐵磁諧振的種類很多，電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振是一種。當(dāng)由于外界原因造成互感器鐵芯不同程度的飽和時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。下面為一個(gè)電壓互感器鐵磁諧振的例子。
某燃機(jī)電廠有三臺(tái)機(jī)組，均為調(diào)峰用機(jī)組，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)由靜止變頻器(SFC)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到700rpm(每分鐘700轉(zhuǎn))時(shí)，燃機(jī)點(diǎn)火，后再經(jīng)SFC拖動(dòng)到自持轉(zhuǎn)速2000rpm左右，然后SFC退出，燃機(jī)可自行升速到3000rpm。
該廠每臺(tái)發(fā)電機(jī)出口接有三組電磁式電壓互感器(PT)，其中第一組PT和第二組PT -次繞組中性點(diǎn)直接接地，第三組PT中性點(diǎn)接至發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)并且經(jīng)單相電壓互感器接地。該廠燃機(jī)在啟動(dòng)時(shí)要經(jīng)SFC帶動(dòng)，帶動(dòng)過(guò)程發(fā)電機(jī)從盤(pán)車狀態(tài)3rpm升速到2000rpm，在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)工作在低頻工況，發(fā)電機(jī)電壓同時(shí)又存在諧波，容易發(fā)生鐵磁諧振。2007年，該廠一臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了PT鐵磁諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致兩組PT嚴(yán)重?zé)龤А?/p>
二、電磁式電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生的原因
電壓互感器二次側(cè)負(fù)載很小，接近空載，高壓側(cè)的勵(lì)磁感抗則很大。在合閘或接地故障消失時(shí)，會(huì)引起互感器鐵芯不同程度的飽和，圖1給出了鐵芯原件的非線性特性曲線。
圖1(a)所示鐵芯線圈，其磁鏈妒及電感隨線圈中電流f變化關(guān)系曲線如圖1 (b)所示。由圖可知，當(dāng)電流較小時(shí)，可以認(rèn)為磁鏈妒與E rTiibrC正比，反映這一關(guān)系的電感值L=妒li基本保持不變。隨著電流的逐漸增加，鐵芯中的磁通也逐漸增加，鐵芯開(kāi)始飽和，磁鏈與電流的關(guān)系呈現(xiàn)非線性，電感值不再是常數(shù)，而是隨著電流(磁鏈)的增加而減小。由于諧振回路中的鐵芯電感會(huì)因磁飽和程度不同而相應(yīng)有不同的電感量，所以鐵磁諧振的自振角頻率也不是固定的。研究表明，在不同的條件下，鐵磁諧振回路可產(chǎn)生三種諧振狀態(tài)：工頻諧振;分頻諧振;高頻諧振a以下簡(jiǎn)要說(shuō)明產(chǎn)生的原因。
(一)工頻諧振
在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視絕緣，發(fā)電廠、變電所的母線上通常接有L接線的電磁式電壓互感器，如圖2所示，其一次繞組接成星型，中性點(diǎn)直接接地，因此各相對(duì)地勵(lì)磁電感L,，L，L3與母線對(duì)地電容Co間各自組成獨(dú)立的振蕩回路。由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，K接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組就成為系統(tǒng)三相對(duì)地的唯一金屬通道。
在正常運(yùn)行條件下，勵(lì)磁電感Li=L。=L，=L。故各相對(duì)地導(dǎo)納Yi=E= Y3：Yo，三相對(duì)地負(fù)荷是平衡的，電網(wǎng)的中性點(diǎn)處在零電位，即不發(fā)生位移現(xiàn)象。但是，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生沖擊擾動(dòng)時(shí)，例如開(kāi)關(guān)突然合閘，或母線發(fā)生瞬間弧光接地現(xiàn)象等，都可能是一相或兩相的對(duì)地電壓瞬間提高。假設(shè)由于擾動(dòng)的原因，A相對(duì)地電壓瞬間提高，這使得A相互感器的勵(lì)磁電流突然增大而發(fā)生飽和，其等值勵(lì)磁電感厶相應(yīng)減小，以致K≠Yo，這樣，三相對(duì)地負(fù)荷不平衡，中性點(diǎn)發(fā)生位移，導(dǎo)納K決定于勵(lì)磁電感厶和電容Co的大小，如果正常狀態(tài)下擾動(dòng)結(jié)束使L1減小，可能使新的y_.lL >c.o Co。在這種情況下，總導(dǎo)納∑y顯著減小，中性點(diǎn)位移電壓顯著增加。如果參數(shù)配合得當(dāng)，擾動(dòng)后的∑河能接近于零，這就產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧振現(xiàn)象。
(二)分頻諧振和高頻諧振
假設(shè)系統(tǒng)電源的三相電動(dòng)勢(shì)中不含諧波分量，維持電路諧波諧振的電源是非線性電感元件的非線性效應(yīng)將工頻電源能量轉(zhuǎn)化為諧波能量而供給的。其等效電路是等效諧波發(fā)生器和電感、電容的串聯(lián)電路，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容很大時(shí)，回路自振角頻率很低，可能出現(xiàn)分頻諧振。反之，電容很小時(shí)，自振角頻率很高，則可能出現(xiàn)高頻諧振。
產(chǎn)生諧振時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓是諧波電壓，而不是工頻電壓。無(wú)論系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓是工頻電壓還是諧波電壓，均屬零序電壓。所以電壓互感器開(kāi)口三角繞組電壓能直觀地反映諧振電壓的大小和頻率。由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，三相電路中最易產(chǎn)生接近1/2次諧波的分頻諧振，其諧振頻率是系統(tǒng)頻率1/2的96%-100%，一般偏低些。
三、鐵磁諧振產(chǎn)生后的危害
(一)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，其運(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2小時(shí)不引起用戶斷電。但隨著中低壓電網(wǎng)的擴(kuò)大，出線回路數(shù)增多、線路增長(zhǎng)，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網(wǎng)對(duì)地電容電流亦大幅度增加，單相接地時(shí)接地電弧不能自動(dòng)熄滅必然產(chǎn)生電弧過(guò)電壓，一般為3-5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，并且在過(guò)電壓的作用下極易造成第二點(diǎn)接地發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。
(二)在發(fā)生諧振時(shí)，電壓互感器一次勵(lì)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(guò)了電壓互感器額定電流，長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)電流狀況下運(yùn)行，必然造成電壓互感器燒損。
總之，鐵磁諧振的產(chǎn)生會(huì)威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電壓互感器，影響設(shè)備的安全運(yùn)行，還可能出現(xiàn)不正確的接地指示。
四、限制電壓互感器鐵磁諧振的措施及優(yōu)缺點(diǎn)
一般來(lái)講，消除諧振應(yīng)從兩方面著手，即改變電感電容參數(shù)以破壞諧振條件和吸收與消耗諧振能量以抑制諧振的產(chǎn)生，或使其受阻尼而消失。常見(jiàn)的措施有如下幾種。
(一)加裝非線性消諧電阻
PT的一次側(cè)中性點(diǎn)串入消諧裝置，該裝置是一種特別配置的`非線性復(fù)合電阻，它的接入相當(dāng)于在PT -次側(cè)每相對(duì)地都接入電阻，能夠起到抑制PT過(guò)電壓，過(guò)電流和抑制諧波的作用。
前述例子中針對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中的諧振現(xiàn)象，該廠在#1PT和#2PT -次中性點(diǎn)加裝了非線性消諧電阻，在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，即SFC拖動(dòng)過(guò)程，經(jīng)消諧電阻接地，拖動(dòng)結(jié)束后，合上刀閘，使消諧電阻短接，#1PT和樣2PT中性點(diǎn)直接接地，其安裝后如圖2。
加裝消諧電阻后對(duì)抑制諧振有很大作用，但加裝消諧電阻后，電壓互感器開(kāi)口三角出現(xiàn)三次諧波電壓，這主要會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)有一定影響。為消除此影響，通過(guò)調(diào)整適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)定值或改變接線來(lái)消除三次諧波的影響。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表明，此種方法滿足了抑制諧波的作用，同時(shí)又沒(méi)有使保護(hù)誤動(dòng)。
(二)采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器
在電壓互感器選型時(shí)盡量采用采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺(tái)電壓互感器起始飽和電壓為1.5倍額定電壓，使電壓互感器在一般的過(guò)電壓下還不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，從而不易構(gòu)成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是治本的措施。但電壓互感器的勵(lì)磁特性越好，產(chǎn)生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過(guò)電壓、過(guò)電流的可能更大。
(三)電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角繞組接阻尼電阻
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(kāi)口三角處接入阻尼電阻，用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過(guò)電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。
(四)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地可以消除瞬間單相接地故障，保證系統(tǒng)不斷電，永久單相接地故障時(shí)，消弧線圈動(dòng)作可維持系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間。系統(tǒng)單相接地時(shí)，消弧線圈動(dòng)作可有效避免電弧接地過(guò)電壓，對(duì)全網(wǎng)電力設(shè)備起保護(hù)作用。由于接地電弧的時(shí)間縮短，使其危害受到限制，能有效抑制諧振。
五、小結(jié)
電磁式電壓互感器發(fā)生諧振的原因很復(fù)雜，其預(yù)防措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在預(yù)防諧振時(shí)，應(yīng)選擇適合的措施抑制諧振。當(dāng)系統(tǒng)的鐵磁諧振發(fā)生后，會(huì)引起設(shè)備過(guò)電壓事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞，因此操作人員應(yīng)根據(jù)具體情況分析，破壞諧振的條件，使危害減到最小。
參考文獻(xiàn)：
[1]周澤存，高電壓技術(shù)[M]，北京：中國(guó)電力出版社，2004.
[2]要煥年，曹梅月，電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.
[3]邱關(guān)源，羅先覺(jué).電略[M].北京：高等教育出版社，2006.
[4]鄭仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析(上下冊(cè))[M].武漢：華中科技大學(xué)，2002
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