谐振过电压.ppt

1 谐振过电压 2 谐振过电压 谐振过电压特点及分类线性谐振铁磁谐振 非线性谐振 参数谐振 3 电力系统中存在大量电感和电容元件电感元件 电力变压器 互感器 发电机 消弧线圈 电抗器 线路导线电感等电容元件 线路导线对地和相间电容 补偿用的并联和串联电容器组 高压设备的杂散电容 当系统进行操作或发生故障时 电感 电容元件可形成各种振荡回路 如某一自由振荡频率等于外加强迫频率 发生谐振 谐振是一种周期性或准周期性的运行状态 1 谐振过电压特点及分类 4 发生谐振的那个谐波的振幅会急剧上升 且持续时间长 甚至稳定存在 性质上属于暂时过电压谐振过电压的严重性既取决于它的幅值 也取决于它的持续时间谐振过电压危及电气设备的绝缘持续的过电流烧毁小容量的电感元件 还影响保护装置的工作条件 如避雷器的灭弧条件系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压得有利因素 但对于零序回路的谐振 则正序的有功负荷不起作用 1 谐振过电压特点及分类 5 对应三种电感参数 在一定的电容参数和其他条件的配合下 可能产生三种不同性质的谐振现象 线性谐振铁磁谐振参数谐振 1 谐振过电压特点及分类 6 线性谐振 谐振回路由不带铁芯的电感元件 如输电线路的电感 变压器的漏感 或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件 如消弧线圈 其铁芯中有气隙 和系统中的电容元件所组成 在正弦电源作用下 系统自振频率与电源频率相等或接近时 可能产生线性谐振 7 铁磁谐振 非线性谐振 谐振回路由带铁芯的电感元件 如空载变压器 电压互感器 和系统的电容元件组成 因为铁芯电感元件的饱和现象 使回路的电感参数是非线性的 在满足一定谐振条件时 会产生铁磁谐振 并有许多特有的性质 8 参数谐振 由电感参数作周期性变化的电感元件 如凸极发电机的同步电抗在Xd Xq的周期性变化 和系统的电容元件 如空载长线 组成回路 当参数配合时 通过电感的周期变化 不断向谐振系统输送能量 将会造成参数谐振过电压 9 R很小 0 发生谐振条件 回路自振角频率 忽略损耗电阻 在操作或故障引起的过渡过程出现 2 线性谐振过电压 串联线性谐振电路 计及损耗电阻 10 2 线性谐振过电压 电容电压uC t 暂态分量 与 值有关 值越大 衰减越快电力系统的平均 值约为16 自由分量在5个周波后下降到20 在15 16周波后可认为为零 11 2 线性谐振过电压 稳态分量的幅值UC 在谐振条件下 R是限制UC的唯一因素 12 分析讨论 0 0 如图中曲线中在区间内所示 不同 0下UC与 0的关系曲线 13 分析讨论 0 0 回路处于谐振状态 电容电压幅值将出现最大 如图中曲线中在点所示 不同 0下UC与 0的关系曲线 14 分析讨论 0 0 电容电压幅值有可能大于E 如图中曲线中在区间内所示 不同 0下UC与 0的关系曲线 15 如图中曲线中在点所示 分析讨论 0 0 电容电压幅值为 不同 0下UC与 0的关系曲线 16 分析讨论 0 0 将作为变量 对电容电压幅值表达式求导 如图中的各条曲线中显示出相应的UCM值 UCM的位置偏于 0的较小侧 17 分析讨论 电容上的过电压仅由左式决定 例如 要求 则应有 即 18 当时有2倍左右的过电压 当时电容和电感上的电压可达电源电压的5倍 不同 0下UC与 0的关系曲线 谐振趋势危险并非仅仅在谐振点 在接近谐振的参数范围内 都会引起严重的稳态过电压 离开以上范围电压很快下降 19 电力系统中可能发生线性谐振的情况 当空载线路到达一定长度时 会发生工频线性谐振不对称接地故障或非全相操作则使谐振时的导线长度更加缩短 消弧线圈补偿电网中的线性谐振超高压补偿线路 并联电抗器 中不对称切合引起的工频谐振 两种补偿电网中的线性谐振 20 3 参数谐振 参数谐振的原因参数周期性变化参数谐振发展过程参数谐振特点消除参数谐振的措施实例计算 21 3 参数谐振 参数谐振的原因电机旋转时的电感参数发生周期性变化同步发电机接有容性负载时 如空载线路 即使激磁电流很小 也会使发电机的端电压和电流急剧上升 最终产生很高的过电压 又称为自励磁 过电压为自励磁过电压 同步自励磁 异步自励磁 22 参数周期性变化同步电抗 周期变化异步电抗 周期变化设电感变化曲线如下图 每个电源周期内在Ld和Lq间变化两周 3 参数谐振 电机端部接电容性负载 23 3 参数谐振 参数谐振发展过程设 L1 2L2 t 0时 回路有微小电流i1 1 电感储能W1 则自振频率 变动周期 24 参数谐振发展过程 t t1 电感突变 L1 L2 磁链不能突变 电流发生突变至2 储能增加一倍 t1 t t2 周期为T2的自由振荡 t t2电感突变 L2 L1 电流过零 磁能为零 能量以电能形式贮存在电容C中 能量增加来自使参数发生变化的机械能 25 t t3 电感突变 L1 L2 磁链不能突变 电流发生突变至2 储能为4W1 参数谐振发展过程 t2 t t3 周期为T1的自由振荡 t t3 电能全部转化为磁能 根据能量不灭定理 电流升至 26 参数谐振发展过程 t t4 电感突变 L2 L1 电流过零时电容端电压为 如此循环 电流依次递增 经过电磁振荡 不断把机械能转化为电磁能 回路中能量愈积愈多 电感电流和电容电压越来越大 27 3 参数谐振 产生参数谐振的条件电机的电感参数变化的频率是电源频率的两倍 参数谐振的频率为电源的频率 考虑回路损耗 XC和R参数的配合 异步自激参数谐振条件 同步自激参数谐振条件 自激的异步区 自励磁边界曲线 自激的同步区 28 3 参数谐振 参数谐振特点谐振所需的能量由改变参数的原功机所供给 不需要单独的电源电压对于同步电机来说 改变参数的能源就是汽轮机或水轮机 同时 在起始阶段 只要回路中具有某些残余能量 例如 转子剩磁割切绕组而产生不大的感应电压 或电容两端有微小的残压 就可保证谐振现象的持续发展 29 3 参数谐振 参数谐振特点实际电网中存在着一定的损耗电阻 所以每次参数变化所引入的能量应当足够大 即 L1 L2 应足够大 以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗 并使回路中的储能愈积愈多 保证谐振的发展 30 3 参数谐振 参数谐振特点谐振发生后 回路中的电流和电压的幅值 理论上能趋于无穷大 这与线性谐振现象有着显著区别 即使在完全谐振的条件下 其振荡的幅值也受损耗电阻所限制 参数谐振发生后 随着电流的增大 电感线圈达到磁饱和状态 电感值迅速变小 使回路自动地偏离谐振条件 从而限制了谐振过电压和过电流的幅值 31 3 参数谐振 参数谐振特点当参数变化的频率与谐振频率之比等于2时 谐振最容易发 如比值等于1 2 3 1 2等 谐振虽可能发生 但是随着参数变化频率的减小 能量的引入相应减小 因而难于抵偿回路中的能量损耗 谐振的可能性大大减小 或者甚至变成不可能 32 3 参数谐振 消除参数谐振的措施 采用快速自动调节励磁装 一般能消除同步自励磁增大回路中的阻尼电阻 使它大于 1和 值 则可防止自励磁若条件许可 空载线路的充电合闸 应在大容量的系统侧进行 不在孤立电机侧进行 33 3 参数谐振 消除参数谐振的措施 增加投入发电机的数量 即容量 使总的 d和 q小于 C 破坏产生自励磁的条件在超高压电网中 可在线路侧装并联电抗器XL 补偿容抗XC 使总的等值容抗大于 d和 34 不发生自励磁的判据 实例计算 二昭线 昭洪线 Wh 发电机额定容量Qc 线路充电功率Xd 发电机等值同步电抗 包括升压变漏抗 以发电机为基准的标幺值 35 二滩发电机带空载长线自励磁的核算结果 核算结果表明 二滩电站单机带二昭线不产生自励磁 若单机带二 昭 洪线 则线上应至少保留一台180Mvar容量或150Mvar的高压电抗器 方可消除自励磁 36 4 铁磁谐振 基波铁磁谐振发展过程和特点断线引起的铁磁谐振过电压电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压传递过电压分频 次 和高频 次 铁磁谐振 37 交流电源作用于电感 若磁链 保持正弦波形 则电流i的波形发生畸变 波形中有3 5 奇次谐波 铁磁元件的非线性特性 随着电流的逐渐增加 铁心开始饱和 磁链与电流的关系呈现非线性 电感值随电流 磁链 逐渐减小 38 动态电感值Ld在电流或磁链变化一周期内 电感参数变化了两次 得到按二倍电源频率变化的电感的波形 铁磁元件的非线性特性 设磁链为正弦波形 电感随时间的变化 39 铁磁谐振 在交流电源作用下铁心元件的电感值作周期性变化 这是产生铁磁谐振的基本原因在铁芯电感的振荡回路中 如果满足一定条件 可能出现工频谐振谐振频率可能等于工频的整数倍 2 3 5倍等 称为高次谐波谐振谐振频率可能等于工频的分数倍 1 2 1 3 1 5 2 3 3 5倍等 称为分次谐波谐振在基波谐振时 除基波分量外 还可能有高次谐波 40 基波铁磁谐振产生的条件 基波铁磁谐振图解法 串联铁磁谐振回路 是一条直线 在起始阶段为一直线 其斜率称为起始感抗L0 即在额定电压下的励磁感抗 随着电流的增加 铁心逐渐饱和 电感值下降 不再是直线 41 铁心电感在电流较小时具有未饱和的电感值L0 在满足条件 基波铁磁谐振产生的条件 电压平衡关系 忽略回路电阻 在I Ij处 曲线UL I 与UC I 有交点K UL UC 在电流逐渐增大的过程中电路由感性经K点后变为容性 42 回路可能有3个平衡状态 如图中a b c三点 判断a c两点是稳定工作点 而b点是不稳定的 a点为电路的非谐振工作点 回路呈感性 回路电流及电感 电容上的电压都不大c点是谐振工作点 回路呈容性 不仅回路电流大 电感 电容上出现过电压 铁磁元件的饱和效应又限制了过电压的幅值 基波铁磁谐振图解法 43 基波铁磁谐振的特点 产生铁磁谐振的条件在铁心未饱和时 回路参数满足的条件 随着线圈中电流的增加 电感值下降 0上升到接近或等于 满足了串联谐振的条件 回路由非谐振状态转化为谐振状态 44 相位反倾现象 电动势E由零逐渐增加 回路的工作点将由0点逐渐上升到m点 随后突变到n点 回路电流将由电感性突变为电容性若电动势E继续上升 工作点将沿nd变化 若此后电动势E缓慢下降 工作点将不会沿nm回到m点 而是沿np降至p点 再突降到0点 回路由电容性变成电感性工作点的跃变使回路电流相位发生180 的变化 称为相位反倾现象 基波铁磁谐振的特点 45 外激发现象需要经过过渡过程建立起的谐振现象 当E U0时 E逐渐上升 回路只能处在非谐振的工作点a 只有当回路经过强烈的 冲击扰动 回路才能处在谐振的工作点c 冲击扰动 包括系统的突然合闸 发生故障以及故障的消除等 这些可造成铁芯电感两端的短时电压升高 大电流的振荡过程或电感中的涌流现象一旦 激发 起来以后 谐振状态可以 自保持 维持很长时间不会衰减 基波铁磁谐振的特点 46 基波铁磁谐振的特点 自激现象 当电动势E U0时 电路只有一个稳定的工作点c 即使没有外界的 冲击扰动 也总是工作在谐振状态 这种现象称为 自激 47 如果增大R 以至 图中的e点高于E 消除了出现基波铁磁谐振的可能性 谐振点从c点转移到c L C两端的过电压有所下降 但通常损耗电阻R很小 故下降不多 限制谐振过电压幅值的仍是电感的磁饱和效应 回路损耗作用 当计及回路电阻R时 回路总压降 基波铁磁谐振的特点 48 高次 分次铁磁谐振 高频谐振的产生条件 铁磁电感元件参数以角频率2 4 6 变化 经过铁磁元件的电流中包含有3 5 等奇次谐波 当电路的自振频率等于或接近这些谐波中的某次谐波频率 就可能产生这种谐波的谐振电感参数变化即使在稳态交变电源作用下也会发生 所以高频铁磁谐振的产生不需要过渡过程的激发 而在电源平滑变化 如在缓慢升压 过程中自激产生 49 分频谐振的产生条件 稳态时 电感参数不能以分数倍频率变化 所以分频谐振的产生只能通过较强的过渡过程来激发强烈的过渡过程中 回路阻尼使自由振荡衰减 电感电流 磁通 减少 电感值增大 回路自振频率下降 下降过程中的某一瞬间恰好等于某一分频频率 就可能建立起持续的分频谐振而不再衰减 高次 分次铁磁谐振 50 高次 分次铁磁谐振的能量来源 电源电动势中不存在k次谐波 L C R上的压降总和应成闭合三角形 电感压降UKL与电流IK的夹角 必须大于90 非线性电感呈现负电阻性质 相当于一个k次谐波频率的发电机铁芯电感应当达到足够的饱和程度 使转化的能量维持谐振发生第k次谐波谐振的必要条件 k次谐波的电动势平衡图 51 铁磁谐振与线性谐振的差异 线性谐振的参数条件是铁磁谐振则为对于一定的L0值 在很大的C范围内都可能产生谐振 即 52 铁磁谐振与线性谐振的差异 线性谐振与电源电势的大小及电路的瞬间变化无关在铁磁回路中 若施加电源 且回路原来处于感性工作状态 则产生谐振必须有激发因素当激发消失后 在正常电源电压作用下 较多情况 铁磁谐振能继续维持存在 自保持 53 铁磁谐振与线性谐振的差异 线性谐振是随着参数逐渐接近而逐渐发展非线性谐振却是由