鐵磁諧振過電壓的危害及處理措施

馬海，蔣由頁

1 引言

在電力系統(tǒng)中包含了許多電感元件、比如系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、消弧線圈、變壓器以及電磁式電壓互感器等［1－3］。在正常工作狀態(tài)下，電壓互感器的非線性電感運行在非飽和區(qū)(線性區(qū)域)，但是在受到擾動時，如發(fā)生單相接地故障、斷路器操作、大功率電動機(jī)的開停等，電感的工作狀態(tài)會躍變到飽和區(qū)，導(dǎo)致電流電壓異常上升，電壓互感器燒毀或高壓側(cè)保險熔斷，這種現(xiàn)象稱為“鐵磁諧振”［4－7］。

在60kV及以下的中性點不接地系統(tǒng)上，鐵磁諧振是一種常見故障，經(jīng)常引起運行中的電壓互感器燒毀及一次高壓熔絲頻繁燒斷等事故［8－10］。由于鐵磁諧振發(fā)生時間短，不宜直接觀察，并且與電力系統(tǒng)的一些其他故障現(xiàn)象相似，所以不易引起重視和被發(fā)現(xiàn)。因此對鐵磁諧振的判別及防止措施進(jìn)行分析和歸納具有現(xiàn)實意義。

案例:中石化西北油田分公司發(fā)電一廠35kV開關(guān)廠2010年35kV I段、II段PT高壓側(cè)保險各燒毀1次;2011年至今35kV開關(guān)廠II段PT高壓側(cè)保險燒毀5次。此外，今年發(fā)電二廠也發(fā)生過數(shù)次PT高壓側(cè)保險燒毀，八區(qū)也曾發(fā)生過類似故障。

2 鐵磁諧振過電壓

2.1 鐵磁過電壓產(chǎn)生機(jī)理

首先討論最簡單的有鐵磁元件的振蕩電路［11］，如圖1。

其中ω=2πf;C為電容;L為電感;E為外加電壓。

圖1

發(fā)生諧振時，即發(fā)生基波諧振，基波分量較其他頻率分量(高次及分次頻率)顯著上升，為了便于分析可忽略其他分量，而認(rèn)為諧振時的電壓和電流都是基波頻率的正弦函數(shù)。由于鐵磁電感具有非線性特征，求解這一電路采用圖解法，如圖2。

圖2

回路的工作點為ΔU曲線與外加電壓E水平線的交點，圖示有a1，a2，a3三個交點，這三點都可決定回路的工作狀態(tài)，但其性能是不一樣的。如果E從零上升，電流相應(yīng)從零上升，會在a1點穩(wěn)定下來。而當(dāng)電感經(jīng)受了巨大的電流沖擊(例如突然合閘的巨大涌流，或者巨大的短路電流)，工作點越過ΔU曲線最高點到達(dá)a2點，但a2點并不是穩(wěn)定工作點，電路自動偏離諧振條件而躍變到新的穩(wěn)定工作點a3。使電路由原來的感性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪誀顟B(tài)，電路相位發(fā)生180°反轉(zhuǎn)。

2.2 鐵磁諧振過電壓的危害

表1 電壓互感器鐵磁諧振過電壓和過電流

2.3 鐵磁諧振的鑒別

單相接地是電力系統(tǒng)最常見的故障，在中性點不接地系統(tǒng)中，它的接地電流小，難于實現(xiàn)有選擇性的靈敏的接地保護(hù)。鐵磁諧振的故障現(xiàn)象與單相接地有相同之處，所以發(fā)生鐵磁諧振(即虛幻接地)時，往往使運行人員誤認(rèn)為是系統(tǒng)單相接地，造成查找的時間延誤，常導(dǎo)致設(shè)備的損壞和運行的紊亂。此外電壓互感器的損壞會引起繼電保護(hù)的誤動作和儀表誤指示等，因此有必要對鐵磁諧振與單相接地等其他故障現(xiàn)象進(jìn)行區(qū)別。

3 防止鐵磁諧振的措施

為防止鐵磁諧振過電壓，可在三方面采取措施:

(1)改變電感、電容的參數(shù)，使其不具備匹配條件，不易激發(fā)一起諧振;

(2)消耗諧振能量，阻尼、抑制或消除諧振的發(fā)生;

(3)在電力系統(tǒng)設(shè)計方面采取不同的接地方式或運行時采取臨時倒閘措施，現(xiàn)場具體措施如下:

3.1 改善電壓互感器的勵磁特性

要徹底解決鐵磁諧振問題，最根本的是選用勵磁伏安特性好的電壓互感器，使用一般過電壓水平下不足以進(jìn)入其深度飽和區(qū)，因而構(gòu)不成諧振的匹配參數(shù)。

3.2 減少同一網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電壓互感器臺數(shù)

同一電網(wǎng)中，并聯(lián)運行的電壓互感器臺數(shù)越多，總體伏安特性會變得越差，總體等值感抗也越小。

3.3 系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈或電阻接地

該方法相當(dāng)于在電壓互感器每一相勵磁電感上并聯(lián)一個消弧線圈的電感，因消弧線圈的電感較電壓互感器相對地的電感小，差幾個數(shù)量級，完全打破了參數(shù)匹配的關(guān)系，使鐵磁諧振不易發(fā)生。中性點經(jīng)電阻接地的方法可以限制各類故障時中性點移位電壓幅值，從而抑制了鐵磁諧振的發(fā)生。

3.4 在電壓互感器高壓側(cè)中性點串接電阻

在串聯(lián)諧振回路中串入電阻，磁電阻可消耗諧振的幅度、能量和阻尼，抑制諧振。同一網(wǎng)絡(luò)運行多臺電壓互感器，則每臺都必須安裝消諧器方能有效。

表2

其作用原理是:

①較大的RN值可以限制通過PT繞組電流，從而限制了PT的飽和程度;

②線路電壓升高時，隨著電流增大RN分壓比增大，PT飽和電感分壓下降，也起了降低飽和的作用;

在非線性電感的情況下，L不再是固定值，但電阻的阻尼作用是一樣的，RN越大，阻尼效果越好。若RN→∞，則L不參與零序回路，也就不存在PT飽和引起的過電壓問題。但RN太大后，會影響系統(tǒng)接地保護(hù)的靈敏度。

3.5 案例分析及處理措施

根據(jù)現(xiàn)場分析，排除雷擊、短路等原因致使電壓互感器高壓側(cè)保險燒毀。一相電壓明顯降低，另外兩相電壓相等，約為相電壓。判斷為鐵磁諧振引起，鐵磁飽和，勵磁電流激增，燒毀一次保險。從簡單、經(jīng)濟(jì)、安全上考慮，采用電壓互感器高壓側(cè)中性點串接電阻比較可行。5月2日，在35kV開關(guān)廠I段和II段PT各安裝了RXQ-35KV一次消諧裝置，該消諧裝置采用大容量非線性電阻片組成。由于運行時間較短，具體效果還有待觀察。

4 總結(jié)

至今，塔河電網(wǎng)對鐵磁諧振過電壓引起的故障分析還不夠，對故障沒有進(jìn)行搜集、分類和總結(jié)，另外對故障現(xiàn)象沒有很好地描述和檢測。今后的工作可以在加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，搜集分析此類故障，并找尋到徹底地解決方法。

［1］ 重慶大學(xué).南京工學(xué)院合著.高電壓技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1984.

［2］ 電機(jī)工程手冊編委會.電氣工程師手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［4］ 金雄飛，李之昆.電力系統(tǒng)鐵磁諧振研究現(xiàn)狀［J］.四川電力技術(shù)，2004(1):10－13.

［5］ 劉凡，孫才新，司馬文霞，等.鐵磁諧振過電壓混沌振蕩的理論研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(2):103 －107.

［6］ 孫增杰，王鐵強(qiáng)，王海棠.電力系統(tǒng)鐵磁諧振分析綜述.電力設(shè)備［J］.2007，8(12):62 －64.

［7］ 張向東，張華龍，李英.電力系統(tǒng)鐵磁諧振的危害、鑒別及其防治措施［J］.電力學(xué)報，2002，17(4):283 －286.

［8］ 周浩，余宇紅，張利庭，等.10kV配電網(wǎng)鐵磁諧振消諧措施的仿真比較研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(22)，25 －33.

［9］ 張博，魯鐵成，杜曉磊.中性點接地系統(tǒng)鐵磁諧振非線性動力學(xué)分析［J］.高電壓技術(shù)，2006，(11):56 －58，62.

［10］ 王海棠，竇春霞，王寧等.基于ATP-EMTP的PT鐵磁諧振措施研究［J］.變壓器，2008，45(3):24 －28.

［11］ 邱關(guān)源.電路［M］.北京:人民教育出版社，1978.