CVT鐵磁諧振實(shí)例分析及其預(yù)防

摘要：電容式電壓互感器由電容元件和非線性電感組成，當(dāng)有外部擾動(dòng)時(shí)，電容式電壓互感器內(nèi)部有可能產(chǎn)生鐵磁諧振，導(dǎo)致二次電壓異常。針對(duì)印度尼西亞某150 kV開關(guān)站啟動(dòng)投產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生母線CVT鐵磁諧振的事故，分析計(jì)算產(chǎn)生鐵磁諧振的機(jī)理和條件，并提出了具體的改進(jìn)措施，對(duì)解決此類問(wèn)題有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：CVT;鐵磁諧振;電壓異常

Abstract：capacitor voltage transformer is composed of capacitance components and non-linear inductance。The ferromagnetic resonance may arise within capacitive voltage transformer（CVT）and lead to abnormal rise of secondary voltage when external disturbance occur.According to the Indonesian 150 kV switching station start put into production in the process of busbar CVT ferromagnetic resonance of the accident，Analysis and calculation of Ferro resonance and conditions，And put forward the concrete improvement measures，have certain reference significance to solve such problem.

Key words：capacitor voltage transformer;ferro-resonance problem;abnormal voltage;

1" 前言

在電力系統(tǒng)中有大量的儲(chǔ)能元件，儲(chǔ)磁能的電感元件，如電壓互感器，變壓器的電感;儲(chǔ)靜電能的電容元件，如線路的對(duì)地電容等，這些元件組成了許多串聯(lián)或并聯(lián)振蕩回路。在正常運(yùn)行時(shí)，這些振蕩回路被負(fù)載所分路，不可能產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩，當(dāng)系統(tǒng)處于某些特殊的接線方式下，這就很可能發(fā)生諧振。例如在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中;1）一相斷線接地，受電變壓器和相間電容;2）電壓互感器和線路對(duì)地電容;3）空載長(zhǎng)線路和空載變壓器等形成的振蕩回路，都可能發(fā)生諧振。諧振常常引起持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的過(guò)電壓，有時(shí)候即使過(guò)電壓不太高，但有很大的過(guò)電流，會(huì)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)很大的威脅，必須采取有效措施予以限制或消除。

2" 故障實(shí)例

印度尼西亞巴淡TJK項(xiàng)目150kV升壓站主接線采用的雙母接線方式，包括兩個(gè)線路間隔，兩個(gè)主變間隔，一個(gè)母聯(lián)間隔和一個(gè)備用間隔，其電氣一次系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)時(shí)的工程情況是兩個(gè)主變間隔都不具備送電條件，整個(gè)升壓站為不接地系統(tǒng)

圖1 電氣一次系統(tǒng)圖

Fig.1 Primary diagram of electrical system

現(xiàn)象一：當(dāng)時(shí)Muko Kuning I線對(duì)TJK開關(guān)站的I母進(jìn)行空載受電沖擊，I母母線PT正常，相位幅值正確。

現(xiàn)象二：I母母線通過(guò)母聯(lián)開關(guān)對(duì)II母進(jìn)行空載受電沖擊，II母母線PT正常，相位幅值正確，I母和II母同源核相正確。

現(xiàn)象三：Batu besar II線對(duì)TJK開關(guān)站的II母進(jìn)行空載受電沖擊，II母母線PT有嗡嗡的異音，檢查PT二次電壓A、B兩相在周期性的晃動(dòng)，相電壓最高值達(dá)到87V，波形有明顯的畸變，C相的相電壓為57.9V，波形為規(guī)則的正弦波，開口三角電壓為28V。當(dāng)時(shí)的故障波形如圖2所示

圖2 Batu besar II線沖擊II母的電壓波形

Fig.2 The waveform of Batu besar II impact bus II

現(xiàn)象四：Batu besar II線帶II母母線通過(guò)母聯(lián)開關(guān)對(duì)I母進(jìn)行空載受電沖擊，I母母線PT正常，相位幅值正確，頻率正確。

3" 故障分析

1）針對(duì)上述的故障現(xiàn)象，繼電保護(hù)人員對(duì)PT的二次回路進(jìn)行了詳細(xì)檢查，II母的開關(guān)三角電壓為28V，懷疑CVT二次回路存在多點(diǎn)接地或端子松動(dòng)等情況，測(cè)量N600電路電壓為0 V，排除二次回路端子松動(dòng)的可能;

2）在II母線轉(zhuǎn)接端子箱處斷口外部二次回路，直接測(cè)量CVT的開口三角電壓仍為28V，排除CVT二次回路多點(diǎn)接地的情況。

3）根據(jù)現(xiàn)象四，可以認(rèn)定當(dāng)時(shí)電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率正常，初步懷疑CVT存在鐵磁諧振的可能。在II母母線PT三次電壓回路上并接一個(gè)33.4Ω電阻后，二次電壓幅值恢復(fù)正常。

4）將一次設(shè)備停電后，高壓試驗(yàn)人員對(duì)II母母線PT進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見下表

相別

tgδ%測(cè)量值

C銘牌值（pF）

C測(cè)量值（pF）

電容量偏差%

A" C12

0.070

13.043 nF

（C12+ C11）

20.12nF

0.86

A" C11

0.085

38.00nF

A"" C2

0.080

42.857 nF

42.96 nF

0.20

B" C12

0.073

13.043 nF

（C12+ C11）

20.08

1.15

B" C11

0.084

37.62

B"" C2

0.078

42.857 nF

42.95

0.53

注：試驗(yàn)時(shí)的溫度：28 ℃ 濕度：68 %

從表中可以看出CVT電容正常，排除由于中壓電容C2變化造成CVT二次電壓異常升高現(xiàn)象。

綜合上述各種情況看，本次調(diào)試出現(xiàn)的的電壓異常波動(dòng)是由于電容式電壓互感器二次回路鐵磁諧振引起的

4" 鐵磁諧振原理介紹

眾所周知，電磁式電壓互感器主要是由感性元件組成，很容易和斷路器的斷口電容發(fā)生諧振，這也是電磁式電壓互感器無(wú)法在更高等級(jí)的電力系統(tǒng)中運(yùn)用的重要原因。CVT由電容分壓器和電磁單元組成，參見圖3，成功克服了電磁式電壓互感器的一次諧振問(wèn)題，但在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于電沖擊的作用，二次側(cè)可能產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。虛假的信號(hào)將傳給二次儀表和繼電保護(hù)裝置，使儀表側(cè)得不得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，甚至可能造成保護(hù)誤動(dòng)作，同時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生不利影響。

圖3 電容式電壓互感器原理圖

Fig.3 Fundamental diagram of capacitor voltage transformer

其等效電路原理圖如圖4所示

圖4 電容式電壓互感器等值原理圖

Fig.4 Equivalent diagram of capacitor voltage transformer

任何由電容和帶鐵心的電感所組成的電路都可能產(chǎn)生鐵磁諧振。從等值回路可見，這是一個(gè)典型的串聯(lián)諧振回路，有

z（j ω）=R+Z ′ + j（ω L- 1/ ω C）

當(dāng)ω=ω0時(shí)，出現(xiàn)X（ω0）=0，發(fā)生諧振，u1/k1發(fā)生串聯(lián)諧振是的角頻率ω0和頻率f0分別為：

當(dāng)二次側(cè)空載是，中間變壓器的勵(lì)磁阻抗與等值電容C=C1+C2相串聯(lián)，其自然諧振頻率為額定頻率的十幾分之一或者更低。當(dāng)互感器一次側(cè)突然合閘或者二次側(cè)發(fā)生短路又突然消除等電流沖擊時(shí)，暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)使中間變壓器鐵心出現(xiàn)磁飽和，勵(lì)磁電感急劇下降，從而使此時(shí)回路的自然諧振頻率上升，諧振頻率可以達(dá)到額定頻率的1/2，1/3，1/5等，這就可能出現(xiàn)某一分?jǐn)?shù)次諧波諧振，最常見的是1/3次諧波諧振，由于回路中本身電阻很小，不外加阻尼或者阻尼參數(shù)不當(dāng)，分?jǐn)?shù)次鐵磁諧振就會(huì)持續(xù)下去。這種諧振過(guò)電壓的幅值可達(dá)到額定電壓的2～3倍，長(zhǎng)期過(guò)流可造成中間變壓器和電抗器繞組過(guò)熱和絕緣損壞，同時(shí)由于剩余電壓繞組開口三角電壓值升高，將導(dǎo)致繼電保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，因此電容式電壓互感器制造時(shí)必須設(shè)置阻尼器，以抑制其自身鐵磁諧振。

5" 鐵磁諧振處理對(duì)策

為了有效抑制CVT鐵磁諧振，在CVT二次側(cè)接入適當(dāng)?shù)淖枘嶝?fù)載是常用的方法之一，這也是CVT的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)阻尼器串接于二次繞組中，正常運(yùn)行時(shí)阻抗很大，消耗的功率極小，不影響CVT的運(yùn)行和二次繞組的準(zhǔn)確度;諧振發(fā)生后迅速飽和，電阻減小，使大電流通過(guò)，能夠在短時(shí)間內(nèi)消除諧振。常用的阻尼器有電阻型、諧振型、速飽和電抗型三大類，目前以后兩種為主。從發(fā)展看速飽和電抗阻尼器更有前途，然而諧振型阻尼器也有廣泛應(yīng)用，TJK項(xiàng)目的CVT采用諧振型阻尼器。

此次TJK項(xiàng)目150kV升壓站受電過(guò)程中出現(xiàn)的鐵磁諧振問(wèn)題，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Batu besar II線對(duì)II母母線CVT空載沖擊時(shí)容易發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，主要是由于在特殊的現(xiàn)場(chǎng)條件下，阻尼器的參數(shù)不盡合理造成的

經(jīng)過(guò)和廠家的溝通，在確保CVT參數(shù)其瞬變相應(yīng)滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求，在1.2Un下完全工作在線性范圍，避免波形畸變的前提下，增加了100Ω電阻性阻尼器，以抑制低幅值諧波。阻尼參數(shù)調(diào)整后，TJK項(xiàng)目升壓站的鐵磁諧振問(wèn)題得到有效解決。

6" 結(jié)語(yǔ)

由于電力系統(tǒng)接線方式的不斷改變，有可能使CVT阻尼電阻結(jié)構(gòu)和參數(shù)不匹配，大大增加了CVT諧振的不可預(yù)測(cè)性，面對(duì)各類復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，及時(shí)解決CVT諧振問(wèn)題。加強(qiáng)運(yùn)行設(shè)備的巡視檢查力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的異常情況，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其次，本文中提出的技術(shù)改進(jìn)措施是對(duì)實(shí)際工作的總結(jié)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證效果理想，能對(duì)其他現(xiàn)場(chǎng)CVT鐵磁諧振問(wèn)題提供借鑒作用

參考文獻(xiàn)：

[1]邱關(guān)源.電路【M】.高等教育出版社，1999（1）

[2]周華平，王宇光 鐵磁諧振的發(fā)生對(duì)電壓互感器的危害及其預(yù)防 山西焦煤科技 200406

[3]謝駿，張秀峰，王思源 CVT鐵磁諧振引起的二次電壓升高原因分析及對(duì)策 技術(shù)交流與應(yīng)用 201001

作者簡(jiǎn)介：

錢天人（1984-），男，學(xué)士，助理工程師，從事繼電保護(hù)管理工作。

張志峰（1984-），男，大專，助理工程師，從事繼電保護(hù)管理工作。

上接第246頁(yè)

線性化迭代反演的框架。非線性共軛梯度的模型序列由一系列的一元極小化或沿著計(jì)算的搜索方向的線性搜索所確定，

搜索方向是對(duì)線性共軛梯度的近似，其迭代格式為，

式中，。

成果解釋

通過(guò)上述資料處理及優(yōu)化反演，形成一個(gè)以40×40m為單元網(wǎng)格的三維數(shù)據(jù)體，并采用課題組自主開發(fā)的三維可視化解釋軟件，對(duì)該數(shù)據(jù)體按照解釋資料形成剖面、水平切片以及聯(lián)井剖面等，進(jìn)行資料的最終解釋，三維可視化效果如下圖2，三維可視化效果圖。資料解釋過(guò)程中，采用該可視化軟件可以根據(jù)需要疊加上已知的地質(zhì)、鉆孔、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，形成地質(zhì)、鉆探、測(cè)井、瞬變電磁一體化的三維數(shù)據(jù)體，可對(duì)地下地質(zhì)體完成初步的三維定位和顯示，更好的提高解釋精度及直觀效果，極大的提高了解釋效率。

本課題的研究區(qū)域內(nèi)煤層較厚，各層煤都有燃燒，煤層的頂、底板比較破碎，火區(qū)地面塌陷嚴(yán)重。所以空區(qū)基本都有冒落現(xiàn)象，視電阻率剖面上的相對(duì)高阻對(duì)應(yīng)著老窯和燃燒后形成的空區(qū)或者是這些區(qū)域冒落后形成的松散破碎帶。相對(duì)低阻對(duì)應(yīng)著火燒區(qū)含水體、老窯積水區(qū)、煤層燃燒區(qū)。在對(duì)異常體進(jìn)行解釋的時(shí)候，要在充分利用已知的地形地質(zhì)資料的前提下，除視電阻率值的高低外，在判斷異常方面還要考慮視電阻率等值線的形態(tài)、地形、地表電性不均勻程度、觀測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素。

當(dāng)然，實(shí)際的解釋過(guò)程還是遵循有已知到未知，有剖面到平面的過(guò)程。其中下圖3即為對(duì)驗(yàn)證鉆孔部分局部放大的剖面顯示。從圖上可見，在標(biāo)高500至900m，圖形左側(cè)小出現(xiàn)大面積低電阻率區(qū)，物探推測(cè)為火燒區(qū)含水體，與后期鉆探驗(yàn)證情況完全吻合。

5.結(jié)論及建議

通過(guò)本次優(yōu)化反演形成的瞬變電磁數(shù)據(jù)在低背景電阻率區(qū)域探測(cè)水區(qū)效果較好，能夠在低電阻率的砂泥巖區(qū)見到較為明顯的含水區(qū)邊界，并經(jīng)后期鉆探驗(yàn)證，準(zhǔn)確率較高;采用三維切片的方式使得解釋過(guò)程更為直觀、高效;反演過(guò)程中較好的利用了地質(zhì)模型和綜合測(cè)井資料，使得反演成果更為接近真實(shí)地質(zhì)情況，有效的解決了瞬變電磁深度誤差較大的問(wèn)題。

由于本研究區(qū)后期發(fā)現(xiàn)淺部有大量的老窯采空區(qū)存在，在瞬變電磁資料上反應(yīng)不明顯，可見基于大定源回線的反演技術(shù)針對(duì)淺部（深度小于100m）低阻體探測(cè)存在一定的缺陷，使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合淺層具體情況采用其他的方法進(jìn)行補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]李貅，瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002。

作者簡(jiǎn)介：

苗圃（1967—）高級(jí)工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程碩士學(xué)位，1990年工作，先后從事新疆煤田滅火處技術(shù)科科長(zhǎng)、副總工程師、新疆煤炭科學(xué)研究所所長(zhǎng)等工作