电磁式电压互感器铁磁谐振的原理及其消除措施

./电磁式电压互感器铁磁谐振的原理及其消除措施白瑞雪,高红杰,亚峰〔供电局,,710032摘要：电磁式电压互感器的铁磁谐振是非有效接地系统中常见的一种现象。HAROLDA.PETERSON建立了铁磁谐振的经典研究模型。本文阐述了谐振产生的机理,应用PETERSON铁磁谐振经典模型对电压互感器的各种防铁磁谐振措施的原理和其优缺点进行了分析,并对指出在设计中应注意的问题。关键词铁磁谐振；消谐措施；消谐器；设计；PrincipleofElectromagnetismTypeVoltageTransformer’sFerro-resonanceandVariousTreatmentstoEliminateFerro-resonanceBAIRuixue,GAOHongjie,LIYafeng<Xi’anPowersupplyBureau,Xi’an710032,China>Abstract:ElectromagnetismTypeVoltageTransformer’sferro-resonanceiscommoninnon-effectiveearthingsystem.HAROLDA.PETERSONbuildstheclassicmodelforresearchingferro-resonance.Thispaperdiscussesthemechanismofresonance,andbyusingHAROLD’model,analysesthemeritandthefaultofthevarioustreatmentsofeliminatingferro-resonance,pointsoutthekeyfactorsindesignofeliminatingferro-resonance.Keywords:Ferro-resonance;Treatmentstoeliminateferro-resonance；Resonanceeliminator;Design引言在电力系统中引起电网过电压的原因很多,其中谐振过电压出现频繁,其危害性较大。过电压一旦发生,往往会造成电气设备的损坏甚至发生停电事故。尤其是在非有效接地系统中,由于电磁式电压互感器<下面简称TV>为非线性的电感元件,它与线路〔母线的对地电容会形成谐振回路,并在系统接地、开关合闸等激发条件下出现铁磁谐振,使得TV受到过电压和过电流的冲击。为防止铁磁谐振,常采取一些消谐措施。由于铁磁谐振现象的复杂性,各种措施均有其局限性。因此,有必要从系统发生谐振的原理出发,分析防止谐振的各种措施,明确其各自的适用围和优缺点,减少在使用中的盲目性,对不同的情况采取有针对性的防谐振措施。铁磁谐振过电压产生机理正常时TV的励磁阻抗很大,网络对地阻抗呈容性,三相基本平衡,中性点O的位移电压很小,但在某些扰动下,如:①单相接地的发生和消失;②TV的投入；③系统运行方式的改变,或电气设备的投切；④系统负荷发生较大的波动；⑤电网频率发生波动；这些系统的干扰都会使TV中暂态励磁电流急剧增大,电感值下降,于是三相电感值有所不同,使O点出现零序电压。设L0为TV三相并联的零值电抗,而当L0与3C0回路达到固定振荡频率ω0时,将会在系统中产生谐振现象。随着系统对地的电容3C0的增大,依次发生高次<2、3次>、基波、1/2次分频谐振。谐振一旦形成,谐振状态可能"自保持",维持很长时间不衰减直到遇到新的干扰改变了谐振的条件才可能消除。Peterson对铁磁谐振的研究得出了铁芯电感的经典伏安特性曲线〔见图1<a>和相应的基波、分次谐波或高频谐波谐振过电压区域〔见图1<b>。对于典型的铁芯电感,当外施电压U/U和XC0/XLe的相应座标处于Peterson经典曲线<图1<b>>包络线时极易谐振,在包络线以外时就不会产生谐振[1]。Peterson经典曲线表明:不同XC0/XLe值下,产生不同的频率谐振区。XC0/XLe=0.01～0.07时,为分频谐振;XC0/XLe=0.07～0.55时,为基频谐振区;XC0/XLe=0.45～2.8时,为高频谐振区。不同频率谐振区的最低临界电压不同,不同XC0/XLe值下临界动作电压值不同。分频谐振区要求的外施电压最低,高频谐振区最高。在正常额定电压U下,即U/U=0.55时已落在分频谐振区,系统稍有波动就可激发。在实际运行条件下,只要满足一定的参数围,工频谐振和分谐波现象最易发生。图1励磁电感的伏安特性曲线和共振区域图2<a>为电磁式互感器的谐振回路图。谐振发生时,互感器的一相、二相或三相绕组相电压同时升高,即各相对地的电压发生变动,而电源电势E1、E2、E3由电网的正序电势所决定维持恒定不变,因此对地电压的变动表现为电源的中性点"0"发生位移,故这种过电压现象又称电网中性点的位移现象。中性点的位移电压即为电网的对地零序电压,它被反映至互感器的开口三角绕组上。图2<b>为谐振回路的等效电路图。3C0中的正序电流不参与震荡过程,互感器中的零序电流流过流3C0回路,其零序压降与将3C0移接至电源的中性点是等效的。高频谐振时,过电压可高达5U,但因其激发电压较高,实际中不易产生。对于分频谐振,绝大多数是2分频,因其频率等于工频的一半,励磁电抗相应降低一半,激磁电流急剧上升,有时高达额定励磁电流的百倍以上。TV的严重磁饱和,大电流的时间持续过长,会使保护TV的熔丝熔断或者造成互感器本身绕组的烧毁事故。图2电磁式TV的谐振回路及其等效电路2各种消谐措施分析2.1TV中性点经消谐器或电阻电阻接地中性点串入电阻等价于每相对地接入电阻,能够起到消耗能量、阻尼和抑制谐波的作用。其原理图见图3。在线路单相接地时,由于中性点对地带有一定电位,能相应减少非故障相TV绕组的电压,降低TV的饱和程度,减少铁磁谐振几率,降低谐振的振幅。但是电阻的接入使TV开口三角绕组输出电压降低,会影响接地指示装置的灵敏性。一次消谐器的原理与串接电阻相似,由SiC非线性电阻片与线性电阻<6～7kΩ>串接,在低压时呈高阻值,使谐振在初始阶段不易发展起来。在线路出现较长时间单相接地时,消谐器上将出现千余伏电压,电阻下降至稍大于6～7kΩ,使其不至于影响接地指示装置的灵敏度,同时非线性电阻片的热容量相当大,可满足放电电流的要求。图310kVTV一次侧中性点经电阻R接地电气结线图采用这种消谐方式要考虑电阻和消谐器本身的热容量和绝缘水平。如果电阻〔消谐器的热容量及绝缘水平选择不当会造成使引线烧断,电阻〔消谐器烧毁,沿面闪络等。同时,由于TV的中性点本身不直接接地,最高可能承受数千伏的电压,对TV中性点的绝缘要求较高,不能使用半绝缘的TV。TV的绝缘选择不当会造成一次中性点对地或对二次端子间的绝缘击穿。此外,这种消谐方式对各相TV特性的一致性要求较高,如一致性不好正常情况下可能会产生零序电压,打出虚假的接地信号。TV中性点串电阻或消谐器后,非故障相绕组的电压虽有降低,但幅度有限,TV仍有可能进入饱和区域,不能完全避免谐振。2.2TV开口三角绕组接电阻或二次消谐装置TV开口三角绕组接入电阻可消耗谐振零序回路的能量,等效于在线圈的一次侧串接电阻,其电气原理图见图4。由于电阻接在开口三角绕组两端,会导致一次侧电流增大,也就要求TV的容量要相应增大。从抑制谐波方面考虑,R值越小,效果越显著,但TV的过载现象越严重,在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或TV烧毁。二次消谐装置的原理与接入电阻类似。装置一般接在开口三角绕组两端,正常运行和出现单相接地时开口三角绕组开路,不影响正常运行和打出接地信号。在电网发生铁磁谐振时装置导通,将TV开口三角短接,消耗谐振能量,当谐振消失后,恢复到阻断状态。从这种消谐方式的原理可看出其不能防止谐振的发生,只是在谐振发生后消耗谐振的能量,使TV的工作点离开谐振区域。图410kVTV开口三角绕组接电阻的电气原理图2.3采用消弧线圈在系统的中性点上接入消弧线圈相当于在系统中与TV并联了一个电感线圈,而这个电感线圈的电抗值远远小于TV的电抗值,使并联后的电抗值更小于TV和消弧线圈的电抗值,可破坏谐振产生条件,在一定程度上消除谐振。另一方面若无消弧线圈,单相接地发生间歇性电弧时系统对地电容的多次充放电可能造成TV烧毁、熔丝熔断;有了消弧线圈后,电容对小感抗放电,TV中电流很小,不会因过电流而损坏。2.4采用用励磁特性好的TV励磁特性有两个方面：一是励磁特性的量值,即对饱和点的要求。二是励磁特性的一致性,即不同相互感器间的励磁电抗的差异。对励磁特性的控制措施主要有两方面,一是改变互感器铁芯的分布,使其不易出现饱和。二是出厂前对互感器按3台进行配组,提高其一致性。励磁特性好的TV,在一般的电压水平线不会进入深度其饱和区,不易形成谐振的匹配参数。分相式TV的励磁特性不如三相五柱式TV,因此较其更容易发生谐振。理论上线性度越好的TV越不容易产生谐振,但工艺上实现有一定的困难,一般要求TV在1.9Um/下不饱和。此外,三相TV励磁特性的一致性不好,会使铁磁谐振的几率增大[2]。一般要求三相TV励磁电流最大和最小值之比不超过130％。在实际运行中,上述几种措施仍不能完全避免谐振的发生。2.5采用电容式TV或电子式互感器电容式TV可避免TV本身与对地电容之间发生谐振。但TV自身的分压电容和电感线圈之间也可能产生谐振。此外,35kV以下无电容式互感器。电子式互感器,由于无铁磁回路,不存在铁芯饱和的可能,就从根本上杜绝了发生谐振的可能,但是相应的保护和测量装置都必须与其配套,一般在数字化变电站中采用。2.6采用抗谐振型TV或在TV中性点串单相TV采用抗谐振型TV和在TV中性点串单相TV的原理相同,电气原理见图5。图5抗谐振型TV的电气原理图在额定正常运行时,主TV二次侧相电压为57.7V,线电压为100V。电压指示、计量、保护与三TV接线方式完全类同。零序互感器二次侧只有1～2V的不平衡电压。当生电网发一相接地时,主TV中性点的电压将上升到相电压,零序TV的二次侧两端电压57.7V,接地指示有足够的灵敏度。若中性点串入TV的励磁电抗XL0远大于XL1值,则效果更佳。高压侧中性点串入零序TV后,由于二次接近开路。Xm显著增大,将使3种频率的铁磁谐振最低动作电压提高到极大的数值,即产生谐振的触发电压几乎成为不可能。3防谐振措施的设计中的注意事项3．1防止TV的谐振除采用一、二次消谐、消弧线圈等手段外,还可产生谐振的源头着手,如采用励磁特性好TV、抗谐振TV等。对于系统参数易产生铁磁谐振的35kV系统,其TV可设计为电容式。3．2在同等条件下采用励磁特性好的TV不易发生谐振。为减少发生谐振的几率应在TV的技术条件中增加对励磁特性的要求。励磁特性有两个方面：一是励磁特性的一致性,二是励磁特性的量值。目前国标〔GB1207-1997和行业标准〔DL/T726-2000对40.5kV及以下的互感器励磁特性无规定。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中对励磁特性的量值有一些要求。对励磁特性的控制措施主要有两方面,一是改变互感器铁芯的分布,使其不易出现饱和。二是出厂前对互感器按3台进行配组,提高其一致性。技术条件中的具体要求如下：①一致性要求：要求各相TV在一次额定电压下励磁电流最大和最小之比不超过130％。②励磁特性的量值：在1.9Um/电压下,TV的铁芯磁通不饱和。3．3采用一次消谐器应注意几个问题：1TV的中性由直接接地改为经过消谐器接地后,其中性点最高电压可达到数千伏,应考虑一次N端子的对地和对二次端子间的绝缘要求,不能使用半绝缘的TV。2为防止在运行中打出虚假的接地信号,应对TV的一致性提出要求。4结论铁磁谐振是非有效接地系统中一种较为常见的现象,它严重地危害了系统的安全、可靠运行。必须采取有效的措施防止谐振的发生或降低其幅值,缩短其存在时间。通过前面的讨论,我们可得到以下结论[3]：4．1一二次消谐器的原理类似,都是在谐振发生时通过消耗谐振的能量,使TV的工作点脱离谐振区域来消除谐振。但铁磁谐振过电压本身是一个非线性过程,现象比较复杂,有时几种谐振同时发生,消谐器无法产生有效的抑制作用。4．2在同等条件下采用励磁特性好的TV不易发生谐振。一般要求TV在1.9倍的UN下不饱和并且三相TV励磁电流最大和最小值之比应不超过130％。4．3在中性点接入消弧线圈,对于由TV铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的抑制作用。消弧线圈消除谐振的实质是通过改变系统的XL0,改变了图一〔b中谐振可能发生的区域,抑制了运行中最容易发生的分频和工频谐振。4．4电子式互感器虽能从根本上杜绝铁磁谐振的发生,但其使用必须同时更换为配套的二次设备,只能随数字化变电站的建设逐步采用。4．5对于系统参数易产生铁磁谐振的35kV系统,可采用电容式电压互感器。采用时要有加入阻尼等消除TV本身谐振的措施。4．6采用抗谐振型TV,在线路单相接地时能够使TV各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和,从而很好地抑制铁磁谐振,降低TV一次侧电流,同时亦保持了接地指示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度。因此,对于采用其它消谐措施仍难消除谐振的变电站可更换为抗谐振型TV。同时可逐步在