电磁式电压互感器铁磁谐振现象浅析论文

2021-04-25 论文

　　摘要：某燃机电厂发生了电磁式电压互感器铁磁谐振现象，针对该现象I简要分析产生电压互感器铁磁谐振的原因及铁磁谐振的危害，并总结了限制电压互感器铁磁谐振的一些措施。

　　关键词：电压互感器;铁磁谐振;消谐电阻

　　一、绪论

　　铁磁谐振(也叫非线性谐振)是指发生在含有非线性电感(如铁芯电感元件)的振荡回路。

　　铁磁谐振是由铁芯电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等和系统的电容元件，如输电线路、电容补偿器等形成共谐条件，激发持续的谐振，使系统产生谐振过电压的过程。引起铁磁谐振的种类很多，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振是一种。当由于外界原因造成互感器铁芯不同程度的饱和时，系统就会产生谐振现象。下面为一个电压互感器铁磁谐振的例子。

　　某燃机电厂有三台机组，均为调峰用机组，机组启动时由静止变频器(SFC)拖动，转速达到700rpm(每分钟700转)时，燃机点火，后再经SFC拖动到自持转速2000rpm左右，然后SFC退出，燃机可自行升速到3000rpm。

　　该厂每台发电机出口接有三组电磁式电压互感器(PT)，其中第一组PT和第二组PT -次绕组中性点直接接地，第三组PT中性点接至发电机中性点并且经单相电压互感器接地。该厂燃机在启动时要经SFC带动，带动过程发电机从盘车状态3rpm升速到2000rpm，在这个过程中，发电机工作在低频工况，发电机电压同时又存在谐波，容易发生铁磁谐振。2007年，该厂一台机组启动过程中，出现了PT铁磁谐振现象，导致两组PT严重烧毁。

　　二、电磁式电压互感器铁磁谐振产生的原因

　　电压互感器二次侧负载很小，接近空载，高压侧的励磁感抗则很大。在合闸或接地故障消失时，会引起互感器铁芯不同程度的饱和，图1给出了铁芯原件的非线性特性曲线。

　　图1(a)所示铁芯线圈，其磁链妒及电感随线圈中电流f变化关系曲线如图1 (b)所示。由图可知，当电流较小时，可以认为磁链妒与E rTiibrC正比，反映这一关系的电感值L=妒li基本保持不变。随着电流的逐渐增加，铁芯中的磁通也逐渐增加，铁芯开始饱和，磁链与电流的关系呈现非线性，电感值不再是常数，而是随着电流(磁链)的增加而减小。由于谐振回路中的铁芯电感会因磁饱和程度不同而相应有不同的电感量，所以铁磁谐振的自振角频率也不是固定的。研究表明，在不同的条件下，铁磁谐振回路可产生三种谐振状态：工频谐振;分频谐振;高频谐振a以下简要说明产生的原因。

　　(一)工频谐振

　　在中性点不接地系统中，为了监视绝缘，发电厂、变电所的母线上通常接有L接线的电磁式电压互感器，如图2所示，其一次绕组接成星型，中性点直接接地，因此各相对地励磁电感L,，L，L3与母线对地电容Co间各自组成独立的振荡回路。由于系统中性点不接地，K接线的电磁式电压互感器的高压绕组就成为系统三相对地的唯一金属通道。

　　在正常运行条件下，励磁电感Li=L。=L，=L。故各相对地导纳Yi=E= Y3：Yo，三相对地负荷是平衡的，电网的中性点处在零电位，即不发生位移现象。但是，当电网发生冲击扰动时，例如开关突然合闸，或母线发生瞬间弧光接地现象等，都可能是一相或两相的对地电压瞬间提高。假设由于扰动的原因，A相对地电压瞬间提高，这使得A相互感器的励磁电流突然增大而发生饱和，其等值励磁电感厶相应减小，以致K≠Yo，这样，三相对地负荷不平衡，中性点发生位移，导纳K决定于励磁电感厶和电容Co的大小，如果正常状态下扰动结束使L1减小，可能使新的y_.lL >c.o Co。在这种情况下，总导纳∑y显著减小，中性点位移电压显著增加。如果参数配合得当，扰动后的.∑河能接近于零，这就产生了严重的谐振现象。

　　(二)分频谐振和高频谐振

　　假设系统电源的三相电动势中不含谐波分量，维持电路谐波谐振的电源是非线性电感元件的非线性效应将工频电源能量转化为谐波能量而供给的。其等效电路是等效谐波发生器和电感、电容的串联电路，当系统对地电容很大时，回路自振角频率很低，可能出现分频谐振。反之，电容很小时，自振角频率很高，则可能出现高频谐振。

　　产生谐振时，系统中性点位移电压是谐波电压，而不是工频电压。无论系统中性点位移电压是工频电压还是谐波电压，均属零序电压。所以电压互感器开口三角绕组电压能直观地反映谐振电压的大小和频率。由大量实验数据表明，三相电路中最易产生接近1/2次谐波的分频谐振，其谐振频率是系统频率1/2的96%-100%，一般偏低些。

　　三、铁磁谐振产生后的危害

　　(一)中性点不接地系统中，其运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2小时不引起用户断电。但随着中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压，一般为3-5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并且在过电压的作用下极易造成第二点接地发展为相间短路造成设备损坏和停电事故，严重威胁电网安全运行。

　　(二)在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。

　　总之，铁磁谐振的产生会威胁电网的安全运行，严重时会烧毁电压互感器，影响设备的安全运行，还可能出现不正确的接地指示。

　　四、限制电压互感器铁磁谐振的措施及优缺点

　　一般来讲，消除谐振应从两方面着手，即改变电感电容参数以破坏谐振条件和吸收与消耗谐振能量以抑制谐振的产生，或使其受阻尼而消失。常见的措施有如下几种。

　　(一)加装非线性消谐电阻

　　PT的一次侧中性点串入消谐装置，该装置是一种特别配置的非线性复合电阻，它的接入相当于在PT -次侧每相对地都接入电阻，能够起到抑制PT过电压，过电流和抑制谐波的作用。

　　前述例子中针对启动过程中的谐振现象，该厂在#1PT和#2PT -次中性点加装了非线性消谐电阻，在机组启动过程中，即SFC拖动过程，经消谐电阻接地，拖动结束后，合上刀闸，使消谐电阻短接，#1PT和样2PT中性点直接接地，其安装后如图2。

　　加装消谐电阻后对抑制谐振有很大作用，但加装消谐电阻后，电压互感器开口三角出现三次谐波电压，这主要会对发电机保护有一定影响。为消除此影响，通过调整适当的保护定值或改变接线来消除三次谐波的影响。经过长时间的运行表明，此种方法满足了抑制谐波的作用，同时又没有使保护误动。

　　(二)采用励磁特性较好的电压互感器

　　在电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好的电压互感器。电压互感器伏安特性非常好，如每台电压互感器起始饱和电压为1.5倍额定电压，使电压互感器在一般的过电压下还不会进入饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。从某种意义上来说，这是治本的措施。但电压互感器的励磁特性越好，产生电压互感器谐振的电容参数范围就越小。虽可降低谐振发生的概率，但一旦发生，过电压、过电流的可能更大。

　　(三)电压互感器二次侧开口三角绕组接阻尼电阻

　　在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻，用于消耗电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压，其电阻值越小，越能抑制谐振的发生。

　　(四)中性点经消弧线圈接地

　　中性点经消弧线圈接地可以消除瞬间单相接地故障，保证系统不断电，永久单相接地故障时，消弧线圈动作可维持系统运行一定时间。系统单相接地时，消弧线圈动作可有效避免电弧接地过电压，对全网电力设备起保护作用。由于接地电弧的时间缩短，使其危害受到限制，能有效抑制谐振。

　　五、小结

　　电磁式电压互感器发生谐振的原因很复杂，其预防措施各有优缺点，所以在预防谐振时，应选择适合的措施抑制谐振。当系统的铁磁谐振发生后，会引起设备过电压事故，严重时会造成设备损坏，因此操作人员应根据具体情况分析，破坏谐振的条件，使危害减到最小。

　　参考文献：

　　[1]周泽存，高电压技术[M]，北京：中国电力出版社，2004.

　　[2]要焕年，曹梅月，电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社，2009.

　　[3]邱关源，罗先觉.电略[M].北京：高等教育出版社，2006.

　　[4]郑仰赞，温增银.电力系统分析(上下册)[M].武汉：华中科技大学，2002