電磁式電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象淺析論文
摘要：某燃機電廠發(fā)生了電磁式電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象，針對該現(xiàn)象I簡要分析產(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(也叫非線性諧振)是指發(fā)生在含有非線性電感(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、消弧線圈等和系統(tǒng)的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發(fā)持續(xù)的諧振，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過電壓的過程。引起鐵磁諧振的種類很多，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，系統(tǒng)就會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。下面為一個電壓互感器鐵磁諧振的例子。
某燃機電廠有三臺機組，均為調峰用機組，機組啟動時由靜止變頻器(SFC)拖動，轉速達到700rpm(每分鐘700轉)時，燃機點火，后再經(jīng)SFC拖動到自持轉速2000rpm左右，然后SFC退出，燃機可自行升速到3000rpm。
該廠每臺發(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 -次繞組中性點直接接地，第三組PT中性點接至發(fā)電機中性點并且經(jīng)單相電壓互感器接地。該廠燃機在啟動時要經(jīng)SFC帶動，帶動過程發(fā)電機從盤車狀態(tài)3rpm升速到2000rpm，在這個過程中，發(fā)電機工作在低頻工況，發(fā)電機電壓同時又存在諧波，容易發(fā)生鐵磁諧振。2007年，該廠一臺機組啟動過程中，出現(xiàn)了PT鐵磁諧振現(xiàn)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，會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性特性曲線。
圖1(a)所示鐵芯線圈，其磁鏈妒及電感隨線圈中電流f變化關系曲線如圖1 (b)所示。由圖可知，當電流較小時，可以認為磁鏈妒與E rTiibrC正比，反映這一關系的電感值L=妒li基本保持不變。隨著電流的逐漸增加，鐵芯中的磁通也逐漸增加，鐵芯開始飽和，磁鏈與電流的關系呈現(xiàn)非線性，電感值不再是常數(shù)，而是隨著電流(磁鏈)的增加而減小。由于諧振回路中的鐵芯電感會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以下簡要說明產(chǎn)生的原因。
(一)工頻諧振
在中性點不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視絕緣，發(fā)電廠、變電所的母線上通常接有L接線的電磁式電壓互感器，如圖2所示，其一次繞組接成星型，中性點直接接地，因此各相對地勵磁電感L,，L，L3與母線對地電容Co間各自組成獨立的振蕩回路。由于系統(tǒng)中性點不接地，K接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組就成為系統(tǒng)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)的中性點處在零電位，即不發(fā)生位移現(xiàn)象。但是，當電網(wǎng)發(fā)生沖擊擾動時，例如開關突然合閘，或母線發(fā)生瞬間弧光接地現(xiàn)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顯著減小，中性點位移電壓顯著增加。如果參數(shù)配合得當，擾動后的∑河能接近于零，這就產(chǎn)生了嚴重的諧振現(xiàn)象。
(二)分頻諧振和高頻諧振
假設系統(tǒng)電源的三相電動勢中不含諧波分量，維持電路諧波諧振的電源是非線性電感元件的非線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(tǒng)對地電容很大時，回路自振角頻率很低，可能出現(xiàn)分頻諧振。反之，電容很小時，自振角頻率很高，則可能出現(xiàn)高頻諧振。
產(chǎn)生諧振時，系統(tǒng)中性點位移電壓是諧波電壓，而不是工頻電壓。無論系統(tǒng)中性點位移電壓是工頻電壓還是諧波電壓，均屬零序電壓。所以電壓互感器開口三角繞組電壓能直觀地反映諧振電壓的大小和頻率。由大量實驗數(shù)據(jù)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(tǒng)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)中性點不接地系統(tǒng)中，其運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間，一般為2小時不引起用戶斷電。但隨著中低壓電網(wǎng)的擴大，出線回路數(shù)增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網(wǎng)對地電容電流亦大幅度增加，單相接地時接地電弧不能自動熄滅必然產(chǎn)生電弧過電壓，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，并且在過電壓的作用下極易造成第二點接地發(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，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，但超過了電壓互感器額定電流，長時間處于過電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。
總之，鐵磁諧振的產(chǎn)生會威脅電網(wǎng)的安全運行，嚴重時會燒毀電壓互感器，影響設備的安全運行，還可能出現(xiàn)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
一般來講，消除諧振應從兩方面著手，即改變電感電容參數(shù)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。常見的措施有如下幾種。
(一)加裝非線性消諧電阻
PT的一次側中性點串入消諧裝置，該裝置是一種特別配置的`非線性復合電阻，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過電壓，過電流和抑制諧波的作用。
前述例子中針對啟動過程中的諧振現(xiàn)象，該廠在#1PT和#2PT -次中性點加裝了非線性消諧電阻，在機組啟動過程中，即SFC拖動過程，經(jīng)消諧電阻接地，拖動結束后，合上刀閘，使消諧電阻短接，#1PT和樣2PT中性點直接接地，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，電壓互感器開口三角出現(xiàn)三次諧波電壓，這主要會對發(fā)電機保護有一定影響。為消除此影響，通過調整適當?shù)谋Ｗo定值或改變接線來消除三次諧波的影響。經(jīng)過長時間的運行表明，此種方法滿足了抑制諧波的作用，同時又沒有使保護誤動。
(二)采用勵磁特性較好的電壓互感器
在電壓互感器選型時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電壓下還不會進入飽和區(qū)，從而不易構成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來說，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(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過電壓、過電流的可能更大。
(三)電壓互感器二次側開口三角繞組接阻尼電阻
在三相電壓互感器一次側中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開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電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。
(四)中性點經(jīng)消弧線圈接地
中性點經(jīng)消弧線圈接地可以消除瞬間單相接地故障，保證系統(tǒng)不斷電，永久單相接地故障時，消弧線圈動作可維持系統(tǒng)運行一定時間。系統(tǒng)單相接地時，消弧線圈動作可有效避免電弧接地過電壓，對全網(wǎng)電力設備起保護作用。由于接地電弧的時間縮短，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，所以在預防諧振時，應選擇適合的措施抑制諧振。當系統(tǒng)的鐵磁諧振發(fā)生后，會引起設備過電壓事故，嚴重時會造成設備損壞，因此操作人員應根據(jù)具體情況分析，破壞諧振的條件，使危害減到最小。
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