电压互感器铁芯饱和谐振过电压的分析及预防措施

1、电压互感器铁芯饱和谐振过电压的分析及预防措施analysis of iron - core saturat ion resonance over - voltage onvoltage mutual inductor and its preca ut ionary mea sures黄河水电开发公司龙羊峡发电分公司李顺福 (811800)【摘 要】 文章阐述了电压互感器产生铁芯饱和谐振 (又称铁磁谐振) 的原因 。以实际现场发生的铁磁谐振实例为出发点 ,剖析在外部因素的激发下 ,激磁电抗如何与线路对地电容配匹形 成串联谐振 。同时 ,通过原因分析 ,制定相应的预防措施和防范对策 。【关键词】

2、电压互感器 铁芯饱和谐振 中性点【abstract】 the paper describes t he reaso n of voltage mut ual inducto r p ro duced iro n - co re sat u2 ratio n reso nance ( also called ferro magnetic reso nance ) . based o n t he field ferro magnetic reso2 nance ,t he paper analyses how to match t he circuits eart h capacitance w

3、it h exter nal f acto rs exci2tatio n reactance to fo r m series reso nance . at t he same time , acco rding to t his reaso n , t he paper makes t he co rrespo nding p recautio nary measures and co unter measures.【 key words】 voltage mut ual inducto r ferro magnetic reso nance neut ral point危及电压互感器绝

4、缘 ,且因互感器铁芯是非线性元件 ,特别在发生分频谐振时 ,互感器工作在严重 饱和状态下 , 互感器激磁感抗下降 , 励磁电流剧增 ,有时可达额定电流的几十倍 ,持续时间较长 ,就会造成熔断器的熔断 ,设备的烧损或爆炸 ,乃至 大面积停电事故 。据不完全统计 ,自 1982 年 ,广东平高岗变电站 35 kv 系统高压熔断器熔断 30多次 , 烧毁电压互感器 7 台 , 油开关壁管闪络 3次 ,用户降压站避雷器爆炸 1 台 。我省城南变在4 个月内发生 5 次谐振过电压 ,熔断 9 支高压保 险丝 。甘肃一变电所发生谐振过电压 ,烧毁 2 组电压互感器 。概述电力系统中性点 (发电机和变压器的

5、中性点) 的运行方式有中性点不接地 、中性点经消弧线圈 接地 、中性点直接接地三种 。中性点的运行方式 不同 ,其技术特性和工作条件也不同 ,因而对运行 的可靠性及其保护措施要求也不一样 。在中性点 非直接接地系统中 ,为正确指示各相对地的电压 , 在母线上接有电磁式电压互感器 ,其中一次绕组 为中性点直接接地的星形接法 ,二次绕组接成星 形接法 ,三次绕组接成开口三角 ,用以连接测量和 反映各相及零序电压的电气仪表 、继电保护 ,作为 判断或切除故障的提示 。电压互感器铁磁谐振过电压也称为电压互感 器铁芯饱和过电压 ,是一种内部过电压现象 ,多发生于 635 kv 不接地系统中 。当电网参数

6、 ( 线路对地感抗 ,互感器感抗) 配和不当时 ,在外部条件 激发下 ,如进行倒闸操作 、雷击 、断路器合闸 、单相 接地等会使电压互感器激磁阻抗与导线的对地容12 电压互感器铁芯饱和谐振过电压的分析对于上述内部过电压现象 ,许多变电工作人 员缺乏理性认识 ,由于饱和谐振过电压常常发生 在外部条件的激发下 ,因此高压熔断器熔断 、互感 器喷油冒烟 、油开关壁管闪络等事故 ,都认为是外可能找到正确的预防措施 。211铁芯饱和谐振过电压产生的原因 铁芯饱和谐振事故实例 :某变电所主接线图如图 1 所示 。正常运行 时 ,1 # 变 带 10 kv 段 母 线 , 2 # 变 带 段 母 线 ,10

7、 kv 母联开关 12 断开 ; 1 # 变停运时 , 合 12 开 关 ,由 2 # 变向 10 kv 、母线供电 ,约半小时后 ,10 kv 系统 a 相接地 ,现地的电压表选测指示 : ua= 0 , ub 和 u c 均指示 11 kv 。p t 柜上有接地信 号继电器动作 、接地白灯亮 。按照运行规程 ,允许带接地故障运行 2 h ,运行人员发现母线电压互感 器喷油冒烟 ,经判断后 ,拉出 p t 柜 ,在操作时 ,电 弧造成母线相间短路 , 2 # 变断路器跳闸 , 烧毁电 压互感器 13 台 。说 ,其负荷均为三相负荷 ,不存在相负荷的问题 ,故三相负载是相同的 ,各相对地的电容

8、是相等的 ,各项的电压是对称的 。在不接地系统 ,当发生单相接地 ,电压的大小 和相位维持不变 ,所以对负载没有任何影响 ,等值 图简化见图 3 。图 3电压互感器激磁电感 l 1 = l 2 = l 3 , c0 与 l 并联后的导纳分别为 y1 、y2 、y3 故 y1 = y2 = y3 , 电网中性点的电位为零 , 此时铁芯不饱和 ,l 1/c0 ,即电容电流大于电感电流 ,相当于一个等 值电容 c0 ,三相均一样 。由于铁芯电感线圈是一个非线性电感元件 ,当加在线圈上的电压增加 ,使通过线圈的电流增 大时 ,激磁电感值由于铁芯饱和而不断下降 ,所以某种原因线路中 a 相发生间歇性单相

9、弧光接地 ,使得相 b 和相 c 电压升到线电压 ,而故障相在弧 光瞬间熄灭后又恢复至相电压 ,致使互感器中两相的激磁电流急剧增大而发生饱和 ,磁电感相应减少 ,这时 ,b 相和 c 相的l 0101 , 均处于谐振范围 内 ,只要具备激发条件 ,就会产生铁芯饱和谐振 。采取的措施及防范对策中性点不接地系统的电压互感器 ,产生铁芯 饱和谐振的主要原因是谐波电源和谐振电路参数 的匹配 。由于电力系统故障的形式是多种多样 的 ,目前尚无有效措施对谐波电源加以限制 ,此外 由于故障形式的不同 ,系统谐振参数也是随机变 化的 。因此 , 消除 10 kv 系统发生谐振的方法有 两种 :一种是改变零序网

10、络中 xc 与 xm 的比值 , 使 xc/ xm 的比值躲过谐振试验曲线的谐振区域 , 或固定接入电阻 ,从根本上破坏谐振的基本条件 。 根据邵特和彼得逊的研究 ,当 xc/ xm 0108 时 ,会出现基频 谐振 ; 随着比值的增高 ,还会出现倍频谐振 ,但这 些谐振所需要的电源电压较高 ,不会轻易发生 ,如 图 4 所 示 。上 述 变 电 所 发 生 谐 振 时 xc/ xm =0104101085 ,是一种分频谐振现象 ,所需要的电 源相电压的最小值约为 0101 u xg ,因此较易发生 。 另一种方法是在谐振发生后 ,自动投入阻尼电阻 ,破坏谐振持续存在的条件 ,使谐振迅速消除

11、,围绕 这两种方法 ,制定了以下具体措施 。311 开口三角绕组接入阻尼电阻运行实践表明 ,在电压互感器的开口三角绕 组接入一个电阻 ,可以增大回路的阻尼作用 ,并有效地防止或消除铁磁谐振过电压 。3图 4前述母线电压互感器喷油冒烟 ,互感器烧损 ,就是 过电流所致 ,如果在此时电压互感器在断口处产 生弧光 ,造成母线相间短路 ,就会造成全厂失电事 故发生 。饱和谐振可以由几种激发条件造成 。雷雨期 间 ,因雷击或风雨造成线路发生弧光 ,接地是最常 遇到的激发因素 。此外 ,有时在电源对只带电压互感器的空母线突然合闸 ,系统运行方式的突变 ,负荷发生较大的波动等情况时也会激发起谐振 。 所有的

12、外界因素干扰最终致使电压互感器铁芯饱 和 ,导致铁芯内部谐振过电压 。串联谐振过电压会产生很高的过电压和过电 流 ,实验测量证明 ,电压互感器饱和过电压可高达315 倍相电压 , 过电流值可高达 100 %额定电流 值 。造成电压互感器饱和谐振的原因 ,主要是铁 芯质量低 ,使用低质硅钢片 ,使铁芯工作点接近饱 和区 ,装有激磁特性高饱和的电压互感器的电网常会发生饱和过电压 。另外一个原因 ,电路参数 的匹配和谐振电源 ,表 1 列出了通过计算和模拟实验 所 得 的 有 关 参 数 。10 kv 架 空 对 地 电 容 按0104a/ km 估计 ,电缆接地电容电流取 116a/ km ,并考

13、虑变电所设备使总的对地电容增值 15 % ,电 压互感器的激磁感抗 ,可由实测伏特曲线求得 。开口三角绕组接入电阻如图 5 所示 。当电压互感器发生谐振时 ,中性点出现位移电压 ,使三相 电压不对称 ,电压互感器铁芯严重饱和 ,出现零序磁通 , 电 压 互 感 器 高 压 绕 组 中 将 流 过 零 序 电 流i10 ,在开口三角绕组两端感应零序电压 u 20 。如果在开口三角绕组两端接入一个电阻 r0 ,将流过 零序电流 i20 ,它对高压绕组产生去磁作用 ,从而表 1等值阻抗计算值抑制了谐振 。r 愈小 , i 愈大 ,去磁作用也愈显020等值 c0等值架空线等值 xc 阻抗比著 。如果将

14、开口三角绕组两端短接 ,即 r0 = 0 ,谐振就不会发生 。母线 xm ( k) ( km) (f ) ( k) ( xc/ xm)2914261133134414112731012151110601085010412在图 5 中 , i 10 = i20 /i10 = 3 u 20 / k2 r 0k , i 20 = 3 u 20 / r 0 , 则、并联13183771741280174401054所以 u / i= r = r k2 / 3但是 ,对于单相接地故障消失时所激发的铁磁谐振现象 ,由于白炽灯在故障消失前的接地期 间因发热电阻已显著增大了 ,以致有时起不到消 除谐振的作用

15、,这是互感器开口三角绕组两端接 白炽灯的一个固有缺点 。312高压绕组中性点经电阻接地 通过试验和运行实践证明 ,在电压互感器一次绕组和中性点经一个较大的电阻接地 ,利用该 电阻限制互感器绕组中的电流 ,是防止或消除互 感器铁芯饱和谐振的一个有效而简便的措施 ,见图 6 。图 5式中 : k 为电压互感器的高压绕组与开口三角绕组 之间变比 。可见 ,开口三角绕组两端接入电阻 r0 , 就相当于在电压互感器的高压侧每相并联一个 ( k2 /3) r0 的电阻 ,增大了回路的阻尼率 。通过模拟试 验 ,一般来说 ,消除分频谐振所需的 r0 值较小 ,高 频谐振要求的电阻最高 。因此如果按消除分频谐

16、 振的要求来选择电阻 ,就可同时满足消除基频和 高频的要求 。故分频谐振和基频谐振的 r0 确定方式为 r0 = xm/ k0 2 。从消振效果来说 ,希望 r0 尽可能小些 。但是r0 太小 ,系统发生单相接地时 ,电压互感器漏抗上的压降太大 ,开口三角绕组两端电压过低 ,不能 满足继电保护的要求 。在现场为了电阻的取材方 便 ,同时满足继电保护的要求 ,310 kv 互感器可 采用 200500 w 普通白炽灯泡作为开口三角电 阻 。灯泡的钨丝在冷热状态下的温差极大 ,其电 阻呈非线性特性 。如 500 w 灯光在冷状态下 ,电 阻仅有 7 左右 , 足以消除空母线合闸的谐振现 象 ;单相

17、接地时 ,三角开口电压约 100v ,灯泡电阻 在 100v 电压下增至约 70 , 能满足继电保护和 互感器热容量的要求 。某电厂 3 kv 厂用电系统 曾多次发生谐振 ,造成互感器熔丝熔断 ,甚至全厂 停电事故 。在开口三角接入 500 w 白炽灯后立即图 6图 6 中 ,当系统 c 相发生单相接地时 , 故障 点流过电容电流 ,非故障相 a 、b 的电压升高为线 电压 , 其对地电容 c0 上充以与线电压相应的电 荷 。在接地故障期间 ,此电荷产生电容电流 ,以接地点为通路 ,在电源导线和大地间流通 ,由于互感 器激磁阻抗很大 ,故流过互感器的电流很小 。但 是 ,一旦接地故障消除 ,这

18、个电流通路被切断 ,而 非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水 平 。由于接地故障已断开 ,非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷 ,就只能通过互感器 高压绕组 ,经其接地的中性点泄入大地 。在这一 瞬变过程中 ,互感器高压绕组中将流过一个很大 的工频冲击电流 ,使互感器铁心严重饱和 ,激发谐 振现象 。如果在电压互感器高压绕组中性点串一个足 够大的电阻接地 ,在单相接地故障消失时 ,就可阻 尼流过高压绕组和中性点的冲击振荡电流 ,使其 急剧衰减 ,避免铁心饱和 ,防止铁磁谐振的产生 。 单纯从消振效果来看 ,中性点电阻越大越好 ,若该电阻为无限大 ,即互感器高压侧中性点不接 地 ,则

19、谐振条件不成立 ,谐振根本不会发生 。但是中性点电阻的选择要受到中性点绝缘水平 、电压互感器接地指示器的灵敏度 、正常电压测量和电 网运行方式的限制 ,不能选择得太大 。对于不同 电压等级的电网 、不同伏安特性的电压互感器 ,中 性点 电 阻 值 最 好 通 过 试 验 确 定 , 一 般 可 控 制 在10 k 左右 。上述变电所 ,将每台电压互感器中性 点改为经 15 k 电阻接地后 ,运行多年 ,消谐效果 良好 。313用消谐器消除谐振 消谐器的主要元件消谐管 ,是具有特异电阻特性的真空器件 。它有较高的冷热电阻比率和一 定的阻值变化速度 。在 35 kv 及以下的中性点不 接地电网中

20、,消谐器接在开口三角绕组两端 ,用以 消除电压互感器引起的基频 、分频和倍频铁磁谐 振 ,避免虚幻接地信号的出现 ,防止互感器喷油 、避雷器爆炸和电网的停电事故 。而在电网正常运 行时 ,消谐管的接入 ,不影响互感器的准确测量和 继电保护的正确运作 。消谐装置由监频环节与消谐环节两大部分构 成 ,其原理接线如图 7 所示 。接地 ,开口三角电压达 100v 左右 ,灯丝 r1 此时的热电阻升到 60 以上 ,对接于互感器的测量系统 无影响 ,当单相接地故障消除时 ,如果出现基频和 高频谐振 ,该电阻足以消除谐振 ;若为 1/ 2 次分频 谐振 ,监频回路呈现出低电阻 ,电压达到动作电压时 ,监

21、频继电器动作 ,常开接点 j l 闭合 ,将电阻 r2 与 r1 并联 ,开口三角投入低电阻消谐 , 分频谐振 得以消除 。电网恢复正常后 ,监频回路呈现高阻 抗 ,监频继电器的动作电 压 也 25 周 波 时 的 电 压 ,继电器的接点断开 。某发电厂厂用 6 kv 系统采用 fx g 型消谐装置 ,运行实践表明 ,消除谐振 效果显著 ,安全可靠 。防止谐振的其他措施还有 :(1) 选用励磁特性好的 、在线电压下铁芯不易 饱和的电压互感器 ;(2) 选用 v 接电压互感器或使用电容式的电 压互感器 ;(3) 定期对已运行的电压互感器进行励磁特 性试验 ,发现问题及时解决 。4结论综上所述 ,开口三角绕组两端接入电阻 、电压互感器中性点经电阻接地和采用消谐装置等 3 种防止谐振措施 ,都具有简单方便 、消谐效果良好 、 对接地指示灵敏度没有多大影响等优点 。但在实际工程应用时 ,必须通过计算和模拟试验 ,选择适 合本地电网的方案 ,并受运行实践的考验 。比较起来 ,开口三角绕组接电阻或白炽灯 ,对 于防止带电压互感器投入空载母线引起的谐振较 有效 ,如果谐振是由单相接地引起的 ,当单相接地时间较长时 ,灯泡在开