電壓互感器的鐵磁諧振及其消諧措施

1、五、關(guān)于電壓互感器的鐵磁諧振及其消諧措施。1、諧振條件在中點不接地系統(tǒng)中，由于接地保護(hù)的需要，三相電壓互感器的中點是直接接地的，因此電壓互感器與電網(wǎng)線路對地電容并聯(lián)而形成諧振回路，電磁式電壓互感器的電感是非線性的，這種諧振回路為非線性諧振回路，或稱鐵磁諧振回路，如圖5-1。通常，在正常運行時，電壓互感器的感抗XL遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對地電容的容抗XC，即XL與XC不會形成諧振，但由于某些原因，例如單相接地故障、線路合閘、雷電沖擊等等，使電壓互感器的電感量發(fā)生變化，如果XL與XC匹配合適則將產(chǎn)生諧振。由于電網(wǎng)中點不接地，正常運行時互感器中點N和電源中點對地同電位，即中點不發(fā)生位移，當(dāng)發(fā)生諧振時，互感器一相

2、、兩相或三相繞組電壓升高，各相對地電位發(fā)生變動，但因電源電勢由發(fā)電機(jī)的正序電勢所固定，EA、EB、EC保持不變，在電網(wǎng)這一部分對地電壓的變動則表現(xiàn)為電源中點發(fā)生位移，而出現(xiàn)零序電壓，這就是說，諧振的發(fā)生是由于中點位移而引起的。圖5-1 電壓互感器接線圖圖5-2 不對稱阻抗產(chǎn)生的中點位移電壓假定當(dāng)A相電壓下降，B、C相電壓升高，則A相顯容性，而B、C相顯感性，等值電路圖如圖5-2所示。 如圖，三相中各阻抗不對稱，電源中點產(chǎn)生位移，在一定條件下將產(chǎn)生諧振。根據(jù)圖5-1，解出中點位移電壓如下式： （1）， 代入得： （2）由（2）式可看出，當(dāng)時則U0無窮大，即要發(fā)生諧振，這也意味著只有當(dāng)電壓互感器的

3、感抗與線路容抗在一定比例下，諧振才會產(chǎn)生。有人（HA.Peterson）對此曾做了專門的模擬試驗，得到了諧振范圍的曲線，如圖5-3b所示。模擬試驗用互感器的V-A特性如圖5-3 a。5-3 a非線性電感的伏安特性曲線U試驗電源相電壓 Uj非線性電感額定電壓 I*電流標(biāo)幺值5-3b 不同諧振區(qū)域， 額定線電壓下非線性電感的勵磁感抗從圖5-3b可看出，諧振有可能是分頻諧振（低于工頻，一般為工頻），也可能是工頻諧振，或高頻諧振。圖5-3b中XC為線路的每相對地電容（線性的），XL為電壓互感器每相繞組在電壓下的勵磁感抗。顯然，當(dāng)XC/XL0.XC / XLXC/XL1時會發(fā)生工頻諧振（基波），XC/X

4、L1時進(jìn)入高頻諧振區(qū)。由此可以看出，分頻諧振是容易發(fā)生的。西安交通大學(xué)用大一互提供的JDZX18-10，JDZX9-10G及JDZX9-35Q電壓互感器的V-A特性采用EMTP電磁暫態(tài)軟件進(jìn)行了仿真計算，其諧振范圍與上模擬試驗曲線有些差別，例如：=0.001590.0133，發(fā)生分頻諧振，基頻諧振，=0.13326.7，發(fā)生高頻諧振。諧振的發(fā)生必須有激發(fā)條件，即必須有使電壓到感器的電感量發(fā)生變化的條件。系統(tǒng)中激發(fā)條件往往是：空載母線或送電線路的突然合閘；單相接地故障（非故障相電壓升高）；傳遞過電壓及經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)有時消弧線圈退出運行，等等，這些激發(fā)條件以單相接地故障最頻繁。2 諧振的基本

5、特性a、工頻諧振（基波諧振）試驗和分析表明，由互感器引發(fā)的基波諧振表現(xiàn)為一相電壓降低，兩相電壓升高，且中點移到線電壓三角形之外，各相電壓相量圖如圖5-4?；ㄖC振產(chǎn)生的過電壓幅值一般不高，對地穩(wěn)態(tài)過電壓不超過2倍。b、高頻諧振（三次諧振波諧振）圖5-4 基波諧振向量圖在中點絕緣系統(tǒng)中，由于電源不能向電壓互感器提供三次諧波勵磁電流，而使鐵芯中磁通為平頂波，含有三次諧波磁通，對于三個單相電壓互感器而言，三次諧波磁通可在每相電壓互感器鐵芯上流通，因而產(chǎn)生三次諧波電勢，使中點位移產(chǎn)生而發(fā)生諧振。高頻諧振的表現(xiàn)是三相電壓同時升高，即在工頻電壓下迭加三次諧波電壓 ，因為各相基波電壓與三次諧波電壓均相等，所

6、以三相電壓指示相同。高頻諧振通常在空母線合閘的激發(fā)條件下產(chǎn)生。有時，變電站出線很短是也會發(fā)生。高頻諧振會產(chǎn)生較高的過電壓，最高可達(dá)3。c、1/2分頻諧振除了基波和三次諧波諧振以外，電壓互感器的鐵磁諧振電路還可產(chǎn)生低于電源頻率的分次諧波諧振，其中大多數(shù)為1/2次諧波諧振。1/2分頻諧振時，其諧波波源必然存在電源中點與互感器高壓繞組中點之間，即在UNN，中，它是零序性質(zhì)的。因此，分頻諧振電壓一般都認(rèn)為每相對地電壓為電源電勢（基波）和中點位移電壓（1/2次諧波）的相量和。其均方根值為， 電源相電壓次諧波諧振時中點位移電壓。由此可見，1/2分頻諧振表現(xiàn)為三相對地電壓同時升高，實際上諧振頻率與1/2工頻

7、略有差別，所以，電壓表計以低頻來回擺動。1/2分頻諧振過電壓不高（不超過2），這是由于鐵芯深度飽和所致。因為頻率減半，互感器鐵芯中磁密要比額定時大1倍，使鐵芯飽和，勵磁感抗急劇下降，因而高壓繞組流過極大的過電流，一般可達(dá)幾十倍甚至上百倍額定電流，使互感器過熱并產(chǎn)生電動力的破壞。由于是熱和電動力的破壞，互感器往往有一發(fā)展過程，表現(xiàn)為互感器冒煙、熔絲熔斷、油浸互感器噴油等。如果XC /XL處在兩種諧振區(qū)的交界處，有可能是發(fā)生基波振而后轉(zhuǎn)入分頻諧振。1/2分頻諧振的激發(fā)條件大都是單相接地故障又突然消除的暫態(tài)過程。由于其起振電壓較低，在一定電網(wǎng)條件下1/2分頻諧振是最容易發(fā)生的，而且破壞力很強(qiáng)，也是互

8、感器出現(xiàn)燒壞事故的主要原因。3、消諧措施35KV級以下電力網(wǎng)電磁式電壓互感器的鐵磁諧振現(xiàn)象，曾經(jīng)引起電力部門的高度重視，消除鐵磁諧振的措施有兩大類：破壞諧振條件，阻尼諧振。屬于第一類的有：增加網(wǎng)絡(luò)電容，使，不使用電磁式電壓互感器，采用電壓互感器中性點經(jīng)零序電壓互感器接地，（針對接地故障）；第二類措施是在二次或在互感器中點對地加電阻。另外，對電壓互感器有較好的勵磁特性減少諧振的發(fā)生，也是有作用的?；ジ衅鬏^好的勵磁特性是建立在降低互感器額定磁密上的，但這很有限，因為受互感器容量，準(zhǔn)確級及開關(guān)柜的尺寸及制造成本的制約，額定磁密不能降到很低的?，F(xiàn)代大連第一互感器廠互感器已經(jīng)作了盡可能的降低。通觀國內(nèi)外

9、情況，及使用常用的優(yōu)質(zhì)冷軋鋼片（Z11，Z10），互感器在額定電壓因數(shù)電壓下，磁密不超過T，同時，在生產(chǎn)控制上也嚴(yán)格控制了勵磁特性的不一致性的偏差。31阻尼諧振阻尼諧振措施包括以下兩類a） 二次回路加電阻圖5-5 二次加消諧器接線圖在互感器開口角回路加阻尼電阻，有固定電阻和電子型，統(tǒng)稱二次消諧，電子型目前普遍采用的微機(jī)型消諧器其接線如圖5-5，其原理是，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時，中性點產(chǎn)生位移，使三相電壓不對稱，互感器飽和，出現(xiàn)零序磁通，高壓繞組流過零序電流，在開口角兩端，要感應(yīng)零序電壓，接有電阻時，則有零序電流流通。這個電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用的。二次零序電流越大，

10、去磁效果越大，短接時效果最好，如果長期處于短接狀態(tài)，則可能不發(fā)生諧振。但短接對互感器是不能長期運行的，只允許運行1s以內(nèi)。因此利用可控硅，在發(fā)生諧振時，由CPU采集數(shù)據(jù)，超過正常電壓值后使可控硅導(dǎo)通，使諧振瞬間消除。諧振消失后，可控硅又恢復(fù)阻斷狀態(tài)。這種消諧器的致命弱點是一旦可控硅阻斷失效，即開口三角處于永久性短路，在單相接地或其他故障使三相電壓不平衡時，電壓互感器即處于短路運行，會燒壞互感器。這種消諧器失效而造成互感器損壞已經(jīng)不是“危言聳聽”，事實上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過，“瞬間消諧”的概念也是不確切的。諧振一旦發(fā)生，要消除總得有個過程。尤其是由于采集數(shù)據(jù)的延時，可能錯過阻尼的最佳時間。其“瞬間”如果超

11、過1s，則已不保護(hù)互感器的安全了，因為互感器短路運行只允許1s。過去的這類消諧器對可控硅阻斷失效沒有顯示，運行人是不可檢查，不會發(fā)現(xiàn)，這又是其弱點。b）互感器高壓中點經(jīng)電阻接地互感器高壓中點經(jīng)電阻接地，此稱一次消諧，接線圖如圖5-6，電阻可以是線性的，也可以是非線性的，對于非線性電阻，在工作時，可保持中點對地電位不超過互感器N端對地的絕緣水平。圖5-7 單相接地及消失時的電容電流途徑圖5-6 互感器高壓中點經(jīng)電阻接地接線圖其消諧機(jī)理是單相接地消逝時線路在由線電壓恢復(fù)到相電壓的過渡過程中，電容放電電流只能通過電壓互感器高壓繞組入地，理論分析（計算機(jī)仿真）及實測表明，這過電流的頻率很低，特別是電容

12、較大的網(wǎng)絡(luò)中其頻率只有幾個HZ。我們稱此為超低頻振蕩電流。這個放電電流一般可達(dá)到上百倍互感器正常的勵磁電流，因而會使互感器飽和，激發(fā)諧振也會使高壓熔斷器熔斷，由于放電電流可達(dá)到熔斷器瞬間熔斷的電流，因此，往往深斷器熔斷，而保護(hù)了互感器，但有時這個電流小于熔斷器瞬時熔斷值，而引發(fā)諧振，則燒壞互感器。當(dāng)在中點經(jīng)電阻接地后，這個電阻即限制了放電電流，從而防止了熔斷器熔斷和諧振。單相接地電容放電電流如圖5-7。電阻的選擇，目前是通過試驗和計算決定，而西安交通大學(xué)用計算法得出，臨界電阻為5.6%互感器相電壓下的感抗值。一次消諧器也有一些弱點，即電阻的熱容量如果不夠的，會引起電阻的損壞，而失去消諧作用，一

13、次消諧電阻如果過大，會產(chǎn)生危及N端對地的耐壓水平。一般，互感器N端對地耐壓水平為3kV，1min，所以要求消諧電阻上產(chǎn)生的壓降應(yīng)低于3kV。選用時要注意。另外,該消諧措施帶來一個弊病是三次諧波電流在電阻上產(chǎn)生壓降，已使開口角回路濾出的三次諧波電壓影響正常運行，也造成三相電壓不平衡。32破壞諧振條件互感器高壓繞組中點經(jīng)零序電壓互感器接地，即所謂“4VT”接法，屬于破壞諧振條件（指單相接地）類消諧措施。圖5-8 4PT接線圖接線路圖如圖5-8，是由三個單相全絕緣電壓互感器和一個半絕緣（或全絕緣）單相電壓互感器構(gòu)成。其消諧原理是，當(dāng)單相接地時，電壓互感器的一次電壓出現(xiàn)零序和正序電壓，其正序電壓施加在

14、接成三相星形的主PT上，即主PT上的各相電壓不發(fā)生變化，而零序電壓（每相零序電壓為電源相電壓U）則由三相主PT和零序電壓互感器承擔(dān)，由于三相主PT的零序繞組（開口角回路）短接，其零序阻抗很小，與零序電壓互感器的阻抗相比可以忽略，如此，零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上，即零序電壓互感器有相電壓產(chǎn)生，其二次側(cè)有電壓輸出而發(fā)出接地報警。當(dāng)接地消逝時，電容放電電流亦通過主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地，由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個放電電流，不致引起互感器飽和而不發(fā)生諧振。由圖5- 8 還可以看出，電壓表所測量的是各相對地的電壓，即為各二次繞組的電壓與零序互感器的電壓之和（相

15、量和）。因此正常運行時，電壓表測量的是相電壓，而在單相接地時則由于零序電壓互感器二次側(cè)有相電壓，其方向與接地相的正序電壓方向相反，即接地相的電壓表讀數(shù)為0，而其他非故障相的電壓上升到線電壓。其二次相量圖如圖5-9。因此，該接線可以反映接地的相別。圖5-10 JSZF-10三相防諧振電壓互感器接線圖根據(jù)這種原理，我公司曾經(jīng)開發(fā)了三相防諧振電壓互感器，其型號為JSZF-10型，其接線圖如圖5-10 。其中j1j2端子為零序電壓輸出為100V，而j2-n端子的電壓為100/3V。這種三相互感器為三相三柱，其零序阻抗很小，所以零序互感器測量的電壓基本上是一次零序電壓U理論分析和實際運行經(jīng)驗表明，上述這

16、種主PT開口角短接的4PT接線還有不完善的地方，還不能有效地抑制超低頻振蕩電流和消除諧振，還偶爾有燒壞的事故發(fā)生。該接線，由于開口角回路短接，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)單相斷線，變壓器空投母線，單相弧光接地等非正常工況下，由此產(chǎn)生的零序電壓而在開口角回路形成的環(huán)流，在電容量較大的電網(wǎng)中，這個環(huán)流可能超過互感器的熱容量而被燒壞；另外，該接線測量的零序電壓不準(zhǔn)確，同時，因為零序電壓互感器是常規(guī)的產(chǎn)品，其感抗和直流電阻較小，沒有達(dá)到抑制超低頻振蕩電流的要求，據(jù)此，為更加可靠地安全運行，大連零序科技開發(fā)有限公司提出“4PT”的優(yōu)化方案，該方案經(jīng)大一互的模擬試驗進(jìn)行了驗證。優(yōu)化方案主要有兩點：其一是接線優(yōu)化，將主PT

17、的開口角打開與零序PT的一個繞組串接接至電壓繼電器；其二是，零PT的直流電阻和感抗加大了很多，即零序PT是特殊設(shè)計的。這種互感器組我們稱為抗諧振阻振蕩電壓互感器。其產(chǎn)品說明書附后。優(yōu)化接線的原理是，測量零序電壓準(zhǔn)確，因為主PT的開口角和零序互感器是串接，即其兩端電壓是主PT承擔(dān)的零序電壓之和，消除開口角短接的接線方案中只有零序電壓互感器承擔(dān)的零序電壓，而不存在測量零序電壓不準(zhǔn)確的缺陷，同時，由于兩個回路的串聯(lián)，正常運行時三次諧振電勢則相互抵消，從而沒有三相電壓不平衡和開口角回路電壓超標(biāo)的麻煩，還有，零序電壓互感器的直流電阻加大，加大到與一次消諧器的電阻值接近，有效地抑制超低頻振蕩電流。這一優(yōu)化

18、方案，通過了在鐵嶺電業(yè)局一個10kV的變電所的單相接地試驗，該試驗的電容電流達(dá)32A，試驗結(jié)果是預(yù)期的。為此，我們現(xiàn)在推廣的是優(yōu)化的4PT方案。歸納一下，三種消諧措施比較，二次消諧器對諧振發(fā)生后起著阻尼作用，能減少或消除諧振對互感器的破壞，但它對超低頻放電電流的抑制不起作用，而不能消除熔斷器頻繁熔斷的現(xiàn)象，一次消諧器的應(yīng)用，能有效地消諧，同時也很好抑制超低頻放電電流，但其麻煩是正常運行時三相電壓不平衡和零序電壓超標(biāo)，以及中性點對地的電壓可能超過互感器的絕緣水平，甚至消諧器的熱容量可能不夠也導(dǎo)致消諧器自己被燒壞而失去消諧作用。因此，必須采取一些補(bǔ)救措施才能得以安全運行。開口角短接的4PT接線對消

19、諧和抑制超低頻振蕩電流都是有效的，但有其測量零序電壓不準(zhǔn)確和開口角內(nèi)的環(huán)流會導(dǎo)致互感器有燒壞的隱患，因此而不完善，開口角打開的4PT接線及零序電壓互感器的特殊設(shè)計，消除了開口角短接的4PT接線的缺陷，因此，目前，該方案是較優(yōu)的消諧方案。但要注意，試驗證明4PT接線方案只能是保護(hù)自己，而不能消除系統(tǒng)中其他非4PT接線的互感器，這就是說，變電所中，無論進(jìn)線，出線都應(yīng)用4PT接線方案，不能只是某一側(cè)單獨采用抗諧振阻振蕩電壓互感器說明書抗諧振阻振蕩電壓互感器適用于10kV以下中點非有效接地系統(tǒng)（絕緣系統(tǒng)和共振接地系統(tǒng)）中作電能、電壓測量和繼電保護(hù)及絕緣監(jiān)測（接地保護(hù)）用，在絕緣系統(tǒng)中,它具有抗鐵磁諧振

20、過電壓與抑制超低頻振蕩過電流的獨特功能，能有效地防止電壓互感器高壓繞組燒損和高壓熔斷器熔斷;在共振接地系統(tǒng)中,它具有抗各種內(nèi)部過電壓的功能。抗諧振阻振蕩電壓互感器由主電壓互感器T與零序電壓互感器T0構(gòu)成，其中T由三臺單相電壓互感器組成并接成星形，其高壓繞組中性點經(jīng)T0接地，原理接線圖如圖1。圖1抗諧振阻振蕩電壓互感器原理接線圖圖1中，組成主電壓互感器T的三臺單相電壓互感器為全絕緣型，其技術(shù)參數(shù)與普通單相接地電壓互感器相同；零序電壓互感器T0，為半絕緣型，它有兩個二次補(bǔ)償繞組：一個是電壓補(bǔ)償繞組，其額定電壓為UN/3（即額定相電壓），端子標(biāo)志為a-n；另一個是零序電壓補(bǔ)償繞組（稱補(bǔ)償繞組），端子標(biāo)志為da-dn，額定電壓為100V。零序電壓互感