電磁式電壓互感器鐵磁諧振現象淺析論文
摘要：某燃機電廠(chǎng)發(fā)生了電磁式電壓互感器鐵磁諧振現象，針對該現象I簡(jiǎn)要分析產(chǎn)生電壓互感器鐵磁諧振的原因及鐵磁諧振的危害，并總結了限制電壓互感器鐵磁諧振的一些措施。
關(guān)鍵詞：電壓互感器;鐵磁諧振;消諧電阻
一、緒論
鐵磁諧振(也叫非線(xiàn)性諧振)是指發(fā)生在含有非線(xiàn)性電感(如鐵芯電感元件)的振蕩回路。
鐵磁諧振是由鐵芯電感元件，如發(fā)電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線(xiàn)圈等和系統的電容元件，如輸電線(xiàn)路、電容補償器等形成共諧條件，激發(fā)持續的諧振，使系統產(chǎn)生諧振過(guò)電壓的過(guò)程。引起鐵磁諧振的種類(lèi)很多，電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振是一種。當由于外界原因造成互感器鐵芯不同程度的飽和時(shí)，系統就會(huì )產(chǎn)生諧振現象。下面為一個(gè)電壓互感器鐵磁諧振的例子。
某燃機電廠(chǎng)有三臺機組，均為調峰用機組，機組啟動(dòng)時(shí)由靜止變頻器(SFC)拖動(dòng)，轉速達到700rpm(每分鐘700轉)時(shí)，燃機點(diǎn)火，后再經(jīng)SFC拖動(dòng)到自持轉速2000rpm左右，然后SFC退出，燃機可自行升速到3000rpm。
該廠(chǎng)每臺發(fā)電機出口接有三組電磁式電壓互感器(PT)，其中第一組PT和第二組PT -次繞組中性點(diǎn)直接接地，第三組PT中性點(diǎn)接至發(fā)電機中性點(diǎn)并且經(jīng)單相電壓互感器接地。該廠(chǎng)燃機在啟動(dòng)時(shí)要經(jīng)SFC帶動(dòng)，帶動(dòng)過(guò)程發(fā)電機從盤(pán)車(chē)狀態(tài)3rpm升速到2000rpm，在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)電機工作在低頻工況，發(fā)電機電壓同時(shí)又存在諧波，容易發(fā)生鐵磁諧振。2007年，該廠(chǎng)一臺機組啟動(dòng)過(guò)程中，出現了PT鐵磁諧振現象，導致兩組PT嚴重燒毀。
二、電磁式電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生的原因
電壓互感器二次側負載很小，接近空載，高壓側的勵磁感抗則很大。在合閘或接地故障消失時(shí)，會(huì )引起互感器鐵芯不同程度的飽和，圖1給出了鐵芯原件的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)。
圖1(a)所示鐵芯線(xiàn)圈，其磁鏈妒及電感隨線(xiàn)圈中電流f變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖1 (b)所示。由圖可知，當電流較小時(shí)，可以認為磁鏈妒與E rTiibrC正比，反映這一關(guān)系的電感值L=妒li基本保持不變。隨著(zhù)電流的逐漸增加，鐵芯中的磁通也逐漸增加，鐵芯開(kāi)始飽和，磁鏈與電流的關(guān)系呈現非線(xiàn)性，電感值不再是常數，而是隨著(zhù)電流(磁鏈)的增加而減小。由于諧振回路中的鐵芯電感會(huì )因磁飽和程度不同而相應有不同的電感量，所以鐵磁諧振的自振角頻率也不是固定的。研究表明，在不同的條件下，鐵磁諧振回路可產(chǎn)生三種諧振狀態(tài)：工頻諧振;分頻諧振;高頻諧振a以下簡(jiǎn)要說(shuō)明產(chǎn)生的原因。
(一)工頻諧振
在中性點(diǎn)不接地系統中，為了監視絕緣，發(fā)電廠(chǎng)、變電所的母線(xiàn)上通常接有L接線(xiàn)的電磁式電壓互感器，如圖2所示，其一次繞組接成星型，中性點(diǎn)直接接地，因此各相對地勵磁電感L,，L，L3與母線(xiàn)對地電容Co間各自組成獨立的振蕩回路。由于系統中性點(diǎn)不接地，K接線(xiàn)的電磁式電壓互感器的高壓繞組就成為系統三相對地的唯一金屬通道。
在正常運行條件下，勵磁電感Li=L。=L，=L。故各相對地導納Yi=E= Y3：Yo，三相對地負荷是平衡的，電網(wǎng)的中性點(diǎn)處在零電位，即不發(fā)生位移現象。但是，當電網(wǎng)發(fā)生沖擊擾動(dòng)時(shí)，例如開(kāi)關(guān)突然合閘，或母線(xiàn)發(fā)生瞬間弧光接地現象等，都可能是一相或兩相的對地電壓瞬間提高。假設由于擾動(dòng)的原因，A相對地電壓瞬間提高，這使得A相互感器的勵磁電流突然增大而發(fā)生飽和，其等值勵磁電感厶相應減小，以致K≠Yo，這樣，三相對地負荷不平衡，中性點(diǎn)發(fā)生位移，導納K決定于勵磁電感厶和電容Co的大小，如果正常狀態(tài)下擾動(dòng)結束使L1減小，可能使新的y_.lL >c.o Co。在這種情況下，總導納∑y顯著(zhù)減小，中性點(diǎn)位移電壓顯著(zhù)增加。如果參數配合得當，擾動(dòng)后的∑河能接近于零，這就產(chǎn)生了嚴重的諧振現象。
(二)分頻諧振和高頻諧振
假設系統電源的三相電動(dòng)勢中不含諧波分量，維持電路諧波諧振的電源是非線(xiàn)性電感元件的非線(xiàn)性效應將工頻電源能量轉化為諧波能量而供給的。其等效電路是等效諧波發(fā)生器和電感、電容的串聯(lián)電路，當系統對地電容很大時(shí)，回路自振角頻率很低，可能出現分頻諧振。反之，電容很小時(shí)，自振角頻率很高，則可能出現高頻諧振。
產(chǎn)生諧振時(shí)，系統中性點(diǎn)位移電壓是諧波電壓，而不是工頻電壓。無(wú)論系統中性點(diǎn)位移電壓是工頻電壓還是諧波電壓，均屬零序電壓。所以電壓互感器開(kāi)口三角繞組電壓能直觀(guān)地反映諧振電壓的大小和頻率。由大量實(shí)驗數據表明，三相電路中最易產(chǎn)生接近1/2次諧波的分頻諧振，其諧振頻率是系統頻率1/2的96%-100%，一般偏低些。
三、鐵磁諧振產(chǎn)生后的危害
(一)中性點(diǎn)不接地系統中，其運行方式的主要特點(diǎn)是單相接地后，允許維持一定的時(shí)間，一般為2小時(shí)不引起用戶(hù)斷電。但隨著(zhù)中低壓電網(wǎng)的擴大，出線(xiàn)回路數增多、線(xiàn)路增長(cháng)，電纜線(xiàn)路的逐漸增多，中低壓電網(wǎng)對地電容電流亦大幅度增加，單相接地時(shí)接地電弧不能自動(dòng)熄滅必然產(chǎn)生電弧過(guò)電壓，一般為3-5倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并且在過(guò)電壓的作用下極易造成第二點(diǎn)接地發(fā)展為相間短路造成設備損壞和停電事故，嚴重威脅電網(wǎng)安全運行。
(二)在發(fā)生諧振時(shí)，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流尚未達到熔絲的熔斷值，但超過(guò)了電壓互感器額定電流，長(cháng)時(shí)間處于過(guò)電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。
總之，鐵磁諧振的產(chǎn)生會(huì )威脅電網(wǎng)的安全運行，嚴重時(shí)會(huì )燒毀電壓互感器，影響設備的安全運行，還可能出現不正確的接地指示。
四、限制電壓互感器鐵磁諧振的措施及優(yōu)缺點(diǎn)
一般來(lái)講，消除諧振應從兩方面著(zhù)手，即改變電感電容參數以破壞諧振條件和吸收與消耗諧振能量以抑制諧振的產(chǎn)生，或使其受阻尼而消失。常見(jiàn)的措施有如下幾種。
(一)加裝非線(xiàn)性消諧電阻
PT的一次側中性點(diǎn)串入消諧裝置，該裝置是一種特別配置的`非線(xiàn)性復合電阻，它的接入相當于在PT -次側每相對地都接入電阻，能夠起到抑制PT過(guò)電壓，過(guò)電流和抑制諧波的作用。
前述例子中針對啟動(dòng)過(guò)程中的諧振現象，該廠(chǎng)在#1PT和#2PT -次中性點(diǎn)加裝了非線(xiàn)性消諧電阻，在機組啟動(dòng)過(guò)程中，即SFC拖動(dòng)過(guò)程，經(jīng)消諧電阻接地，拖動(dòng)結束后，合上刀閘，使消諧電阻短接，#1PT和樣2PT中性點(diǎn)直接接地，其安裝后如圖2。
加裝消諧電阻后對抑制諧振有很大作用，但加裝消諧電阻后，電壓互感器開(kāi)口三角出現三次諧波電壓，這主要會(huì )對發(fā)電機保護有一定影響。為消除此影響，通過(guò)調整適當的保護定值或改變接線(xiàn)來(lái)消除三次諧波的影響。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的運行表明，此種方法滿(mǎn)足了抑制諧波的作用，同時(shí)又沒(méi)有使保護誤動(dòng)。
(二)采用勵磁特性較好的電壓互感器
在電壓互感器選型時(shí)盡量采用采用勵磁特性較好的電壓互感器。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺電壓互感器起始飽和電壓為1.5倍額定電壓，使電壓互感器在一般的過(guò)電壓下還不會(huì )進(jìn)入飽和區，從而不易構成參數匹配而出現諧振。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是治本的措施。但電壓互感器的勵磁特性越好，產(chǎn)生電壓互感器諧振的電容參數范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過(guò)電壓、過(guò)電流的可能更大。
(三)電壓互感器二次側開(kāi)口三角繞組接阻尼電阻
在三相電壓互感器一次側中性點(diǎn)串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開(kāi)口三角處接入阻尼電阻，用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過(guò)電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。
(四)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地可以消除瞬間單相接地故障，保證系統不斷電，永久單相接地故障時(shí)，消弧線(xiàn)圈動(dòng)作可維持系統運行一定時(shí)間。系統單相接地時(shí)，消弧線(xiàn)圈動(dòng)作可有效避免電弧接地過(guò)電壓，對全網(wǎng)電力設備起保護作用。由于接地電弧的時(shí)間縮短，使其危害受到限制，能有效抑制諧振。
五、小結
電磁式電壓互感器發(fā)生諧振的原因很復雜，其預防措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在預防諧振時(shí)，應選擇適合的措施抑制諧振。當系統的鐵磁諧振發(fā)生后，會(huì )引起設備過(guò)電壓事故，嚴重時(shí)會(huì )造成設備損壞，因此操作人員應根據具體情況分析，破壞諧振的條件，使危害減到最小。
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