關(guān)于電壓互感器的鐵磁諧振及其消諧措施講義

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系統(tǒng)中，由于于接地保護的的需要，三相相電壓互感器器的中點是直直接接地的，因因此電壓互感感器與電網(wǎng)線線路對地電容容并聯(lián)而形成成諧振回路，電電磁式電壓互互感器的電感感是非線性的的，這種諧振振回路為非線線性諧振回路路，或稱鐵磁磁諧振回路，如如圖5-1。通常，在正常運運行時，電壓壓互感器的感感抗XL遠大于電網(wǎng)網(wǎng)對地電容的的容抗XC，即XL與XC不會形成諧諧振，但由于于某些原因，例例如單相接地地故障、線路路合閘、雷電電沖擊等等，使使電壓互感器器的電感量發(fā)發(fā)生變化，如如果XL與XC匹配合適則則將產(chǎn)生諧振振。由于電網(wǎng)中點不不接地，正常常運行時互感感器中點N＇和電源中中點對地同電電位，即中點點不發(fā)生位移移，當發(fā)生諧諧振時，互感感器一相、兩兩相或三相繞繞組電壓升高高，各相對地地電位發(fā)生變變動，但因電電源電勢由發(fā)發(fā)電機的正序序電勢所固定定，EA、EB、EC保持不變，在在電網(wǎng)這一部部分對地電壓壓的變動則表表現(xiàn)為電源中中點發(fā)生位移移，而出現(xiàn)零零序電壓，這這就是說，諧諧振的發(fā)生是是由于中點位位移而引起的的。圖5-1電壓互感器接線圖圖5-1電壓互感器接線圖圖5-2不對稱阻抗產(chǎn)生的中點位移電壓圖5-2不對稱阻抗產(chǎn)生的中點位移電壓假定當A相電壓壓下降，B、C相電壓升高高，則A相顯容性，而而B、C相顯感性，等等值電路圖如如圖5-2所示。如圖，三相中各各阻抗不對稱稱，電源中點點產(chǎn)生位移，在在一定條件下下將產(chǎn)生諧振振。根據(jù)圖5-1，解解出中點位移移電壓如下式式：（1），代入入得：（2）由（2）式可看看出，當時則則U0無窮大，即即要發(fā)生諧振振，這也意味味著只有當電電壓互感器的的感抗與線路路容抗在一定定比例下，諧諧振才會產(chǎn)生生。有人（HA.Petersson）對此此曾做了專門門的模擬試驗驗，得到了諧諧振范圍的曲曲線，如圖5-3b所示。模擬擬試驗用互感感器的V-A特性如圖5--3a。5-3a非線線性電感的伏伏安特性曲線線U—試驗電源相相電壓U—非線性電感感額定電壓I*—電流標幺值值5-3b不同同諧振區(qū)域，—額定線電電壓下非線性性電感的勵磁磁感抗從圖5-3b可可看出，諧振振有可能是分分頻諧振（低低于工頻，一一般為工頻），也也可能是工頻頻諧振，或高高頻諧振。圖5-3b中XXC為線路的每每相對地電容容（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XC/XL＜0.01時，諧振不會發(fā)生，當0.01≤XC/XL≤0.1時，會發(fā)生分頻諧振，而且起振電壓很低；當0.1≤XC/XL≤1時會發(fā)生工頻諧振（基波），XC/XL≥1時進入高頻諧振區(qū)。由此可以看出，分分頻諧振是容容易發(fā)生的。西西安交通大學(xué)學(xué)用大一互提提供的JDZX118-10，JDZX99-10G及JDZX99-35Q電壓互感器器的V-A特性采用EMTP電磁暫態(tài)軟軟件進行了仿仿真計算，其其諧振范圍與與上模擬試驗曲曲線有些差別別，例如：==0.001159~0..0133，發(fā)生分頻頻諧振，=00.001559~0.3312發(fā)生基頻諧振，=00.133~~26.7，發(fā)生高頻頻諧振。諧振的發(fā)生必須須有激發(fā)條件件，即必須有有使電壓到感感器的電感量量發(fā)生變化的的條件。系統(tǒng)統(tǒng)中激發(fā)條件件往往是：空空載母線或送送電線路的突突然合閘；單單相接地故障障（非故障相相電壓升高）；；傳遞過]電壓及經(jīng)消消弧線圈接地地的系統(tǒng)有時時消弧線圈退退出運行，等等等，這些激激發(fā)條件以單單相接地故障障最頻繁。2諧振的基本本特性a、工頻諧振（基基波諧振）試驗和分析表明明，由互感器器引發(fā)的基波波諧振表現(xiàn)為為一相電壓降降低，兩相電電壓升高，且且中點移到線線電壓三角形形之外，各相相電壓相量圖圖如圖5-4。基波諧振產(chǎn)生的的過電壓幅值值一般不高，對對地穩(wěn)態(tài)過電電壓不超過2倍，暫態(tài)過電電壓也不過3.6。b、高頻諧振（三三次諧振波諧諧振）圖5-4基波諧振向量圖在中點絕緣系統(tǒng)統(tǒng)中，由于電電源不能向電電壓互感器提提供三次諧波波勵磁電流，而而使鐵芯中磁磁通為平頂波波，含有三次次諧波磁通，對對于三個單相相電壓互感器器而言，三次次諧波磁通可可在每相電壓壓互感器鐵芯芯上流通，因因而產(chǎn)生三次次諧波電勢，使使中點位移產(chǎn)產(chǎn)生而發(fā)生諧諧振。圖5-4基波諧振向量圖高頻諧振的表現(xiàn)現(xiàn)是三相電壓壓同時升高，即即在工頻電壓壓下迭加三次次諧波電壓，因為各相相基波電壓與與三次諧波電電壓均相等，所所以三相電壓壓指示相同。高頻諧振通常在在空母線合閘閘的激發(fā)條件件下產(chǎn)生。有有時，變電站站出線很短是是也會發(fā)生。高頻諧振會產(chǎn)生生較高的過電電壓，最高可可達3。c、1/2分頻頻諧振除了基波和三次次諧波諧振以以外，電壓互互感器的鐵磁磁諧振電路還還可產(chǎn)生低于于電源頻率的的分次諧波諧諧振，其中大大多數(shù)為1/2次諧波諧振振。1/2分頻諧振振時，其諧波波波源必然存存在電源中點點與互感器高高壓繞組中點點之間，即在在UNN，中，它是零零序性質(zhì)的。因因此，分頻諧諧振電壓一般般都認為每相相對地電壓為為電源電勢（基基波）和中點點位移電壓（1/2次諧波）的的相量和。其其均方根值為為，—電源相電壓壓—次諧波諧振振時中點位移移電壓。由此可見，1//2分頻諧振表表現(xiàn)為三相對對地電壓同時時升高，實際際上諧振頻率率與1/2工頻略有差差別，所以，電電壓表計以低低頻來回擺動動。1/2分頻諧振振過電壓不高高（不超過2），這是由由于鐵芯深度度飽和所致。因因為頻率減半半，互感器鐵鐵芯中磁密要要比額定時大大1倍，使鐵芯芯飽和，勵磁磁感抗急劇下下降，因而高高壓繞組流過過極大的過電電流，一般可可達幾十倍甚甚至上百倍額額定電流，使使互感器過熱熱并產(chǎn)生電動動力的破壞。由于是熱和電動動力的破壞，互互感器往往有有一發(fā)展過程程，表現(xiàn)為互互感器冒煙、熔熔絲熔斷、油油浸互感器噴噴油等。如果XC/XXL處在兩種諧諧振區(qū)的交界界處，有可能能是發(fā)生基波波振而后轉(zhuǎn)入入分頻諧振。1/2分頻諧振振的激發(fā)條件件大都是單相相接地故障又又突然消除的的暫態(tài)過程。由由于其起振電電壓較低，在在一定電網(wǎng)條條件下1/2分頻諧振是是最容易發(fā)生生的，而且破破壞力很強，也也是互感器出出現(xiàn)燒壞事故故的主要原因因。3、消諧措施35KV級以下下電力網(wǎng)電磁磁式電壓互感感器的鐵磁諧諧振現(xiàn)象，曾曾經(jīng)引起電力力部門的高度度重視，消除除鐵磁諧振的的措施有兩大大類：破壞諧諧振條件，阻阻尼諧振。屬于第一類的有有：增加網(wǎng)絡(luò)絡(luò)電容，使≤≤0.01，不不使用電磁式式電壓互感器器，采用電壓壓互感器中性性點經(jīng)零序電電壓互感器接接地，（針對對接地故障）；；第二類措施施是在二次或或在互感器中中點對地加電電阻。另外，對對電壓互感器器有較好的勵勵磁特性減少少諧振的發(fā)生生，也是有作作用的。互感感器較好的勵勵磁特性是建建立在降低互互感器額定磁磁密上的，但但這很有限，因因為受互感器器容量，準確確級及開關(guān)柜柜的尺寸及制制造成本的制制約，額定磁磁密不能降到到很低的?，F(xiàn)現(xiàn)代大連第一一互感器廠互互感器已經(jīng)作作了盡可能的的降低。通觀觀國內(nèi)外情況況，及使用常常用的優(yōu)質(zhì)冷冷軋鋼片（Z11－0.35，Z10－0.35），互互感器在額定定電壓因數(shù)電電壓下，磁密密不超過1..6T～1.65TT，同時，在在生產(chǎn)控制上上也嚴格控制制了勵磁特性性的不一致性性的偏差。3．1阻尼諧振振阻尼諧振措施包包括以下兩類類二次回路加電阻阻圖5-5二次加消諧器接線圖在互感器開口角角回路加阻尼尼電阻，有固固定電阻和電電子型，統(tǒng)稱稱二次消諧，電電子型目前普普遍采用的微微機型消諧器器其接線如圖圖5-5，其原理是是，電壓互感感器發(fā)生鐵磁磁諧振時，中中性點產(chǎn)生位位移，使三相相電壓不對稱稱，互感器飽飽和，出現(xiàn)零零序磁通，高高壓繞組流過過零序電流，在在開口角兩端端，要感應(yīng)零零序電壓，接接有電阻時，則則有零序電流流流通。這個個電流是對高高壓繞組中的的零序電流所所建立的磁通通起去磁作用用的。二次零零序電流越大大，去磁效果果越大，短接接時效果最好好，如果長期期處于短接狀狀態(tài)，則可能能不發(fā)生諧振振。但短接對對互感器是不不能長期運行行的，只允許許運行1s以內(nèi)。因因此利用可控控硅，在發(fā)生生諧振時，由由CPU采集數(shù)據(jù)，超超過正常電壓壓值后使可控控硅導(dǎo)通，使使諧振瞬間消消除。諧振消消失后，可控控硅又恢復(fù)阻阻斷狀態(tài)。圖5-5二次加消諧器接線圖這種消諧器的致致命弱點是一一旦可控硅阻阻斷失效，即即開口三角處處于永久性短短路，在單相相接地或其他他故障使三相相電壓不平衡衡時，電壓互互感器即處于于短路運行，會會燒壞互感器器。這種消諧諧器失效而造造成互感器損損壞已經(jīng)不是是“危言聳聽”，事實上已已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過，“瞬間消諧”的概念也是是不確切的。諧諧振一旦發(fā)生生，要消除總總得有個過程程。尤其是由由于采集數(shù)據(jù)據(jù)的延時，可可能錯過阻尼尼的最佳時間間。其“瞬間”如果超過1s，則已不保保護互感器的的安全了，因因為互感器短短路運行只允允許1s。過去的的這類消諧器器對可控硅阻阻斷失效沒有有顯示，運行行人是不可檢檢查，不會發(fā)發(fā)現(xiàn)，這又是是其弱點。b）互感器高壓壓中點經(jīng)電阻阻接地互感器高壓中點點經(jīng)電阻接地地，此稱一次次消諧，接線線圖如圖5-6，電阻可以以是線性的，也也可以是非線線性的，對于于非線性電阻阻，在工作時時，可保持中中點對地電位位不超過互感感器N端對地的絕絕緣水平。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理是單單相接地消逝逝時線路在由由線電壓恢復(fù)復(fù)到相電壓的的過渡過程中中，電容放電電電流只能通通過電壓互感感器高壓繞組組入地，理論論分析（計算算機仿真）及及實測表明，這這過電流的頻頻率很低，特特別是電容較較大的網(wǎng)絡(luò)中中其頻率只有有幾個HZ。我們稱此此為超低頻振振蕩電流。這這個放電電流流一般可達到到上百倍互感感器正常的勵勵磁電流，因因而會使互感感器飽和，激激發(fā)諧振也會會使高壓熔斷斷器熔斷，由由于放電電流流可達到熔斷斷器瞬間熔斷斷的電流，因因此，往往深深斷器熔斷，而而保護了互感感器，但有時時這個電流小小于熔斷器瞬瞬時熔斷值，而而引發(fā)諧振，則則燒壞互感器器。當在中點點經(jīng)電阻接地地后，這個電電阻即限制了了放電電流，從從而防止了熔熔斷器熔斷和和諧振。單相相接地電容放放電電流如圖圖5-7。電阻的選擇，目目前是通過試試驗和計算決決定，而西安安交通大學(xué)用用計算法得出出，臨界電阻阻為5.6%互感器相電電壓下的感抗抗值。一次消諧器也有有一些弱點，即即電阻的熱容容量如果不夠夠的，會引起起電阻的損壞壞，而失去消消諧作用，一一次消諧電阻阻如果過大，會會產(chǎn)生危及N端對地的耐耐壓水平。一一般，互感器N端對地耐壓壓水平為3kV，1min，所以以要求消諧電電阻上產(chǎn)生的的壓降應(yīng)低于于3kV。選用時要要注意。另外外,該消諧措施施帶來一個弊弊病是三次諧諧波電流在電電阻上產(chǎn)生壓壓降，已使開開口角回路濾濾出的三次諧諧波電壓影響響正常運行，也也造成三相電電壓不平衡。3．2破壞諧振振條件互感器高壓繞組組中點經(jīng)零序序電壓互感器器接地，即所所謂“4VT”接法，屬于于破壞諧振條條件（指單相相接地）類消消諧措施。圖5-84PT接線圖接線路圖如圖55-8，是由三個個單相全絕緣緣電壓互感器器和一個半絕絕緣（或全絕絕緣）單相電電壓互感器構(gòu)構(gòu)成。其消諧諧原理是，當當單相接地時時，電壓互感感器的一次電電壓出現(xiàn)零序序和正序電壓壓，其正序電電壓施加在接接成三相星形形的主PT上，即主PT上的各相電電壓不發(fā)生變變化，而零序序電壓（每相相零序電壓為為電源相電壓壓Uφ）則由三相相主PT和零序電壓壓互感器承擔擔，由于三相相主PT的零序繞組組（開口角回回路）短接，其其零序阻抗很很小，與零序序電壓互感器器的阻抗相比比可以忽略，如如此，零序電電壓就幾乎全全部加在零序序電壓互感器器上，即零序序電壓互感器器有相電壓產(chǎn)產(chǎn)生，其二次次側(cè)有電壓輸輸出而發(fā)出接接地報警。當當接地消逝時時，電容放電電電流亦通過過主PT一次繞組和和零序PT一次繞組至至地，由于零零序PT的高阻抗及及較大的直流流電阻抑制了了這個放電電電流，不致引引起互感器飽飽和而不發(fā)生生諧振。圖5-84PT接線圖由圖5-8還可以看出出，電壓表所所測量的是各各相對地的電電壓，即為各各二次繞組的的電壓與零序序互感器的電電壓之和（相相量和）。因因此正常運行行時，電壓表表測量的是相相電壓，而在在單相接地時時則由于零序序電壓互感器器二次側(cè)有相相電壓，其方方向與接地相相的正序電壓壓方向相反，即即接地相的電電壓表讀數(shù)為為0，而其他非非故障相的電電壓上升到線線電壓。其二二次相量圖如如圖5-9。因此，該該接線可以反反映接地的相相別。圖5-10JSZF-10三相防諧振電壓互感器接線圖根據(jù)這種原理，我我公司曾經(jīng)開開發(fā)了三相防防諧振電壓互互感器，其型型號為JSZF--10型，其接線線圖如圖5-10。圖5-10JSZF-10三相防諧振電壓互感器接線圖其中j1—j22端子為零序序電壓輸出為為100V，而j2-n端子的電壓壓為100/√3V。這種三相相互感器為三三相三柱，其其零序阻抗很很小，所以零零序互感器測測量的電壓基基本上是一次次零序電壓Uφ理論分析和實際際運行經(jīng)驗表表明，上述這這種主PT開口角短接接的4PT接線還有不不完善的地方方，還不能有有效地抑制超超低頻振蕩電電流和消除諧諧振，還偶爾爾有燒壞的事事故發(fā)生。該該接線，由于于開口角回路路短接，當系系統(tǒng)中出現(xiàn)單單相斷線，變變壓器空投母母線，單相弧弧光接地等非非正常工況下下，由此產(chǎn)生生的零序電壓壓而在開口角角回路形成的的環(huán)流，在電電容量較大的的電網(wǎng)中，這這個環(huán)流可能能超過互感器器的熱容量而而被燒壞；另另外，該接線線測量的零序序電壓不準確確，同時，因因為零序電壓壓互感器是常常規(guī)的產(chǎn)品，其其感抗和直流流電阻較小，沒沒有達到抑制制超低頻振蕩蕩電流的要求求，據(jù)此，為為更加可靠地地安全運行，大大連零序科技技開發(fā)有限公公司提出“4PT”的優(yōu)化方案案，該方案經(jīng)經(jīng)大一互的模模擬試驗進行行了驗證。優(yōu)優(yōu)化方案主要要有兩點：其其一是接線優(yōu)優(yōu)化，將主PT的開口角打打開與零序PT的一個繞組組串接接至電電壓繼電器；；其二是，零零PT的直流電阻阻和感抗加大大了很多，即即零序PT是特殊設(shè)計計的。這種互互感器組我們們稱為抗諧振振阻振蕩電壓壓互感器。其其產(chǎn)品說明書書附后。優(yōu)化化接線的原理理是，測量零零序電壓準確確，因為主PT的開口角和和零序互感器器是串接，即即其兩端電壓壓是主PT承擔的零序序電壓之和，消消除開口角短短接的接線方方案中只有零零序電壓互感感器承擔的零零序電壓，而而不存在測量量零序電壓不不準確的缺陷陷，同時，由由于兩個回路路的串聯(lián)，正正常運行時三三次諧振電勢勢則相互抵消消，從而沒有有三相電壓不不平衡和開口口角回路電壓壓超標的麻煩煩，還有，零零序電壓互感感器的直流電電阻加大，加加大到與一次次消諧器的電電阻值接近，有有效地抑制超超低頻振蕩電電流。這一優(yōu)優(yōu)化方案，通通過了在鐵嶺嶺電業(yè)局一個個10kV的變電所的的單相接地試試驗，該試驗驗的電容電流流達32A，試驗結(jié)果果是預(yù)期的。為此，我們現(xiàn)在在推廣的是優(yōu)優(yōu)化的4PT方案。歸納一下，三種種消諧措施比比較，二次消消諧器對諧振振發(fā)生后起著著阻尼作用，能能減少或消除除諧振對互感感器的破壞，但但它對超低頻頻放電電流的的抑制不起作作用，而不能能消除熔斷器器頻繁熔斷的的現(xiàn)象，一次次消諧器的應(yīng)應(yīng)用，能有效效地消諧，同同時也很好抑抑制超低頻放放電電流，但但其麻煩是正正常運行時三三相電壓不平平衡和零序電電壓超標，以以及中性點對對地的電壓可可能超過互感感器的絕緣水水平，甚至消消諧器的熱容容量可能不夠夠也導(dǎo)致消諧諧器自己被燒燒壞而失去消消諧作用。因因此，必須采采取一些補救救措施才能得得以安全運行行。開口角短接的44PT接線對消諧諧和抑制超低低頻振蕩電流流都是有效的的，但有其測測量零序電壓壓不準確和開開口角內(nèi)的環(huán)環(huán)流會導(dǎo)致互互感器有燒壞壞的隱患，因因此而不完善善，開口角打打開的4PT接線及零序序電壓互感器器的特殊設(shè)計計，消除了開開口角短接的的4PT接線的缺陷陷，因此，目目前，該方案案是較優(yōu)的消消諧方案。但但要注意，試試驗證明4PT接線方案只只能是保護自自己，而不能能消除系統(tǒng)中中其他非4PT接線的互感感器，這就是是說，變電所所中，無論進進線，出線都都應(yīng)用4PT接線方案，不不能只是某一一側(cè)單獨采用用抗諧振阻振蕩電電壓互感器說說明書抗諧振阻振蕩電電壓互感器適適用于10kV以下中點非非有效接地系系統(tǒng)（絕緣系系統(tǒng)和共振接接地系統(tǒng)）中中作電能、電電壓測量和繼繼電保護及絕絕緣監(jiān)測（接接地保護）用用，在絕緣系系統(tǒng)中,它具有抗鐵鐵磁諧振過電電壓與抑制超超低頻振蕩過過電流的獨特特功能，能有有效地防止電電壓互感器高高壓繞組燒損損和高壓熔斷斷器熔斷;在共振接地地系統(tǒng)中,它具有抗各各種內(nèi)部過電電壓的功能。1.抗諧振阻振振蕩電壓互感感器的構(gòu)成與與接線抗諧振阻振蕩電電壓互感器由由主電壓互感感器T與零序電壓壓互感器T0構(gòu)成，其中T由三臺單相相電壓互感器器組成并接成成星形，其高高壓繞組中性性點經(jīng)T0接地，原理理接線圖如圖圖1。圖1抗諧振阻振振蕩電壓互感感器原理接線線圖圖1中，組成主主電壓互感器器T的三臺單相相電壓互感器器為全絕緣型型，其技術(shù)參參數(shù)與普通單單相接地電壓壓互感器相同同；零序電壓壓互感器T0，為半絕緣緣型，它有兩兩個二次補償償繞組：一個個是電壓補償償繞組，其額額定電壓為UN/√3（即額定相相電壓），端端子標志為a-n；另一個是是零序電壓補補償繞組（稱稱補償繞組），端端子標志為da-dn，額定電壓壓為100V。零序電壓壓互感器的技技術(shù)參數(shù)，明明顯區(qū)別于常常用互感器?？怪C振阻振蕩電電壓互感器是是按專利技術(shù)術(shù)生產(chǎn)專利號號為：2004220070447.12．產(chǎn)品型號與與技術(shù)