發(fā)生鐵磁諧振的防范措施

1、110 kV良站10 kV系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，在10 kV系統(tǒng)出現(xiàn)A相單相接地時，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，母線電壓互感器的避雷器未動作，中性點所接消諧電阻正常，中性點絕緣正常，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，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，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)安全運行構(gòu)成危害。在中性點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

2、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。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 電壓互感器引起鐵磁諧振的原因分析在中性點不接地系統(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為中性點串聯(lián)消諧電阻。在正常運行狀態(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

3、 ，故其容抗小于1 M，所以整個網(wǎng)絡(luò)對地仍呈容性且基本對稱，電網(wǎng)中性點的位移電壓很小,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)。當(dāng)激磁電流過大時，鐵芯飽和，則L值隨之大大降低。正常運行時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

4、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，就不會出現(xiàn)強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)具備如下三個條件。鐵磁式電壓互感器(TV

5、)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，事故中具備了3個條件，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，故障點流過電容電流，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

6、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，感抗下降會使勵磁回路嚴(yán)重飽和，勵磁電流急劇加大，電流大大超過額定值，據(jù)試驗，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)壓強積累到一定程度時便產(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

7、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Xco350×31/2/L，k/km；電纜Xco10×31/2/L，k/km；變壓器線圈對地電容的容抗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)的實際測試電流。3.1 分頻諧振當(dāng)比值Xc0/Xm較?。ㄔ?.010.07）時發(fā)生的諧振是分頻諧振。電容和電感在振蕩時能量交換所需的時間較長，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

8、倍相電壓；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，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）時發(fā)生的諧振是高頻諧振。發(fā)生高頻諧振時線路的對地電容較小，振蕩時能量交換較快。表現(xiàn)為過電壓倍數(shù)較高；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，最大值可達(dá)到45倍相電壓，線電壓基本正常；諧振時過電流較小。3.3 基頻諧振當(dāng)比值Xc0Xm接近于1時，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

9、。當(dāng)Xc0/Xm0.01或Xc0/Xm2.8時，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/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。根據(jù)表1良站線路和TV 的參數(shù)Xc0/Xm數(shù)大于0.01且小于0.07

10、，說明在系統(tǒng)擾動時（如發(fā)生單相接地時）良站是有可能出現(xiàn)鐵磁諧振的，且其中主要是分頻諧振。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)防電壓互感器鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生。4.1 改變電氣參數(shù)4.1.1 裝設(shè)繼電保護(hù)設(shè)備當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，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)備來實現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時所產(chǎn)生的較大諧

11、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)正常運行。4.1.2 選用不易飽和的或三相五柱式電壓互感器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。4.1.3 減少電壓互感器臺數(shù)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，其中性點不允許接地。4.1.4 串接單相互感器在三相電壓互感器一次側(cè)中性點串接單相互感器，使三相電壓互感器等值電抗顯著增大，以滿足Xc0/Xm0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。4.1.

12、5 每相對地加裝電容器此法可使網(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。4.1.6 在中性點裝設(shè)消弧線圈在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，可將中性點通過消弧線圈接地。4.1.7 投入備用線路當(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，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4.2.1 在TV開口三角形側(cè)并聯(lián)阻尼電阻當(dāng)電網(wǎng)運行正常時，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，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

13、。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，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。4.2.2 在電壓互感器一次側(cè)中性點與地之間串接消諧電阻R0此電阻可用以削弱或消除引起系統(tǒng)諧振的高次諧波。模擬試驗表明：當(dāng)R0/Xm551×103時，即使系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，也不會激發(fā)分頻鐵磁諧振。但阻值太大，則會影響系統(tǒng)接地保護(hù)的靈敏度。消諧電阻R0的計算。先測

14、出各電壓互感器二次側(cè)的勵磁感抗Xm，求出各電壓互感器并聯(lián)后的Xm值，再折算至一次側(cè)，即為系統(tǒng)總的Xm。R0的值應(yīng)在0.008 80.0500Xm間選擇。R0的容量可按P0U20/R0 = (3R0U/Xm)2/R0來選擇。消諧電阻應(yīng)按電壓互感器中性點處串接R0后，用開口三角處電壓U的變化量U來校驗。U = (-U)5%U = 1/6(3R0/Xm)2(12Xm/Xj)×100式中 Xj電壓互感器在Uj下的勵磁電抗。4.2.3 裝設(shè)消諧裝置可在電壓互感器的開口三角繞組處直接裝設(shè)消諧裝置，當(dāng)發(fā)生諧振時，電壓在設(shè)計周波下達(dá)到動作值時，裝置的鑒頻系統(tǒng)自動投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。消諧裝置動作較可靠，還