電磁式PT鐵磁諧振的防范與抑制措施

陽(yáng)泉市煤氣公司 趙曉峰

電磁式PT鐵磁諧振的防范與抑制措施

陽(yáng)泉市煤氣公司 趙曉峰

在10KV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，對(duì)經(jīng)常發(fā)生的電磁式PT故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，闡述了鐵磁諧振的諸多特點(diǎn)，提出了有效防范抑制鐵磁諧振的措施。

電磁式PT；電容式CVT；光電式OVT；鐵磁諧振

1 引言

某燃?xì)夤緝?chǔ)配站供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為10KV雙回路供電,采用微機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置,操作電源系統(tǒng)由電磁式PT升壓至220V后提供,一次主接線高壓柜排列為計(jì)量柜、PT柜、進(jìn)線柜、變壓器柜、母聯(lián)柜、隔離柜。該系統(tǒng)投運(yùn)近十年內(nèi),發(fā)生六次PT損毀事件,其中一次還包括計(jì)量PT,而且故障頻度主要產(chǎn)生在熱備用線路端,具體表現(xiàn)為熔斷器炸裂熔斷,PT本體炸裂,內(nèi)部絕緣物質(zhì)噴出,有時(shí)伴有弧光燒損痕跡,對(duì)供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

2 諧振產(chǎn)生原因

經(jīng)檢測(cè)PT二次回路無(wú)接地、短路現(xiàn)象,所帶的5臺(tái)微機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置的負(fù)荷很小,未超過(guò)PT額定功率;僅于短時(shí)工作的真空斷路器的彈簧儲(chǔ)能電機(jī)也未超過(guò)PT極限功率,正常運(yùn)行不會(huì)造成PT內(nèi)部繞組發(fā)熱增加。

然而電力系統(tǒng)的故障除過(guò)負(fù)荷、短路、接地外,由變壓器、電磁式電壓互感器、消弧線圈等設(shè)備鐵芯電感的磁路飽和作用,激發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的較高幅值的鐵磁諧振過(guò)電壓也是引發(fā)電力系統(tǒng)振蕩的常見故障。尤其在35KV及以下中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中,電磁式PT一次繞組采用星形接線,中性點(diǎn)直接接地,成為系統(tǒng)三相對(duì)地放電的唯一金屬通道,在單相接地、倒閘、雷擊等外部因素激發(fā)下,系統(tǒng)的穩(wěn)定性與對(duì)稱性遭到破壞,引發(fā)電網(wǎng)中性點(diǎn)位移,產(chǎn)生的非線性諧振,使得單相、兩相及三相對(duì)電壓升高,或者產(chǎn)生高值零序電壓分量,出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象,或者引發(fā)PT過(guò)電流,PT故障更為頻發(fā),重則引起相位反傾,電機(jī)反轉(zhuǎn)。

諧振過(guò)電壓的危害既取決于它的幅值,也取決于它的持續(xù)時(shí)間,既危及電氣設(shè)備的絕緣,持續(xù)的過(guò)電流將燒毀小容量的電感元件,還影響保護(hù)裝置的工作條件,如避雷器的滅弧等。

3 諧振產(chǎn)生機(jī)理

諧振過(guò)電壓就是具有電感電容等元件的電力系統(tǒng)構(gòu)成一系列不同自振頻率的振蕩回路,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí),某些振蕩回路就有可能與外加電源發(fā)生諧振現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)中某些部分(或設(shè)備)上出現(xiàn)過(guò)電壓。

諧振過(guò)電壓在特定的電感參數(shù)下,配合一定的電容參數(shù)和其它條件,會(huì)產(chǎn)生線性諧振、鐵磁諧振及參數(shù)諧振三種不同性質(zhì)的諧振現(xiàn)象。

線性諧振是由像輸電線路、變壓器漏感等不帶鐵芯的電感元件或如消弧線圈中的氣隙其勵(lì)磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)中的電容元件組成。當(dāng)系統(tǒng)的自振頻率與電源頻率相等或接近時(shí),即能產(chǎn)生線性諧振。工頻線性諧振主要發(fā)生在達(dá)到一定長(zhǎng)度空載線路,不對(duì)稱接地或非全相操作則會(huì)使諧振時(shí)線路長(zhǎng)度更為縮短,線路損耗電阻是限制過(guò)電壓幅值的唯一因素,可經(jīng)消弧線圈對(duì)電網(wǎng)中的線性諧振進(jìn)行補(bǔ)償。

參數(shù)諧振是由像凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗的周期性變化的電感元件與系統(tǒng)空載長(zhǎng)線路的電容元件組成回路,以參數(shù)配合適當(dāng)時(shí),經(jīng)電感周期變化,向諧振系統(tǒng)供應(yīng)能量,即會(huì)造成參數(shù)諧振過(guò)電壓。具體表現(xiàn)為自勵(lì)磁過(guò)電壓,其能量由改變參數(shù)的原動(dòng)機(jī)所供給,不需單獨(dú)的電源電壓?？赏ㄟ^(guò)增大回路阻尼電阻、采用快速自動(dòng)調(diào)勵(lì)裝置、增加投入發(fā)電機(jī)容量以及線路側(cè)并聯(lián)電抗器等措施進(jìn)行抑制。

鐵磁諧振是由像空載變壓器、電磁式電壓互感器等帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)的電容元件組成。由于鐵芯電感的飽和現(xiàn)象,使回路的電感參數(shù)是非線性的,在滿足一定的諧振條件時(shí),即會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振,根據(jù)不同參數(shù),分為基波諧振、分次諧波諧振及高次諧波諧振,非線性諧振是由激發(fā)而突然產(chǎn)生的,同時(shí)能伴有反傾現(xiàn)象,可能使工頻相序由正序變?yōu)樨?fù)序;鐵磁諧振具有激發(fā)消失后,在正常電源電壓作用下,多數(shù)情況鐵磁諧振能繼續(xù)維持存在(自保持);在實(shí)際電力系統(tǒng)中,配電變壓器的故障接地、輸電線路斷線、熔斷器的不對(duì)稱熔斷以及斷路器不同期操作等,均能構(gòu)成串聯(lián)諧振回路,只要有足夠強(qiáng)烈的沖擊擾動(dòng),并且參數(shù)配合適當(dāng)(一定的線路長(zhǎng)度、斷線點(diǎn)),即會(huì)引發(fā)基波、分頻、高頻諧振;尤其在中性不接地系統(tǒng)中電磁式PT不同的飽和程度引起較高的中性點(diǎn)工頻、諧波位移電壓而激發(fā)起諧振過(guò)電壓等。

因此,電PT產(chǎn)生鐵磁諧振的三大因素是：(1)鐵磁式電壓互感器的非線性效應(yīng)。(2)PT感抗為容抗的100倍以內(nèi),即參數(shù)匹配于諧振條件內(nèi)。(3)需要相應(yīng)的激發(fā)條件,如系統(tǒng)空載投入與切斷、單相接地突然消失、外界對(duì)系統(tǒng)的干擾產(chǎn)生的過(guò)電壓等。

4 PT鐵磁諧振防止措施

根據(jù)鐵磁諧振機(jī)理,從兩方面可改善和預(yù)防PT引起的鐵磁諧振現(xiàn)象,一是改變系統(tǒng)的電感電容的參數(shù),使其遠(yuǎn)離諧振的匹配條件;二是吸收諧振時(shí)產(chǎn)生的能量,抑制或消除發(fā)生的諧振。

4.1 選用電容式電壓互感器CVT

電容式電壓互感器主要由瓷套和裝在其中的若干串聯(lián)電容器組成的電容分壓器,以及由裝在密封油箱內(nèi)的變壓器,補(bǔ)償電抗器和阻尼裝置組成的中壓變壓器兩部分構(gòu)成,CVT其特有的結(jié)構(gòu),不會(huì)象鐵磁式PT與斷路器斷口電容產(chǎn)生鐵磁諧振,從而消除了諧振引起的PT故障,至于CVT內(nèi)部的非線性電感僅局限于中壓回路內(nèi)部,可能產(chǎn)生的諧振不會(huì)影響至一次側(cè),同時(shí)由于加裝的阻尼器可有效消除諧振。因而在高壓、超高壓電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用,但其暫態(tài)過(guò)程性能,以及測(cè)量精度等方面有待提升［1］。

4.2 選用勵(lì)磁性能優(yōu)良的PT［2］

選用勵(lì)磁特性好的PT,在系統(tǒng)合閘充電或單相接地等故障情況下其鐵芯不易飽和,感抗不致下降,進(jìn)而使之不易形成滿足諧振的參數(shù)條件,諧振發(fā)生的概率大為降低。但由于PT勵(lì)磁特性提高后,相應(yīng)的諧振電容參數(shù)就縮小,一旦發(fā)生諧振,其過(guò)電壓、過(guò)電流值將會(huì)更大［2］。

4.3 PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧電阻接地

其消諧機(jī)理是將一非線性消諧電阻串接于PT一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間,正常運(yùn)行時(shí),消諧器電阻呈高阻值(幾百kΩ);當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí),其電阻呈低值(幾十kΩ);當(dāng)發(fā)生弧光接地時(shí),消諧器仍能保持一定阻值,限制PT涌流。

4.4 PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，即“4VT”接法

PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地,開口三角繞組短接,其零序阻抗很小,當(dāng)單相接地時(shí),零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上,即零序電壓互感器有相電壓產(chǎn)生,其二次側(cè)有電壓輸出而發(fā)出接地報(bào)警。當(dāng)接地消逝時(shí),電容放電電流通過(guò)主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地,由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個(gè)放電電流,不致引起互感器飽和而發(fā)生諧振,對(duì)諧振有強(qiáng)烈的阻尼作用,對(duì)涌流有限制作用。

4.5 PT二次側(cè)開口三角接阻尼電阻

在發(fā)生鐵磁諧振時(shí),開口角兩端感應(yīng)零序電壓,經(jīng)阻尼電阻產(chǎn)生零序電流,該電流對(duì)高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用,阻值越小,二次零序電流越大,去磁效果越好,該措施不僅能防止PT發(fā)生磁飽和,也能有效消耗諧振能量,防止產(chǎn)生諧振過(guò)電壓作用。但阻值越小,PT的過(guò)載現(xiàn)象越嚴(yán)重,在諧振或單相接地時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或PT燒毀。

4.6 PT二次側(cè)開口三角接微機(jī)消諧裝置

在PT開口三角形輸出端并接雙向可控硅,同時(shí)采用微處理器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)取自開口三角的電壓信號(hào)進(jìn)行分析,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí),PT開口三角形出現(xiàn)伴有不同頻率成分的零序電壓,根據(jù)不同頻率,不同電壓值自動(dòng)識(shí)別并區(qū)分鐵磁諧振與接地以及是分頻諧振還是高頻諧振,當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生鐵磁諧振時(shí),可控硅才會(huì)導(dǎo)通,三角繞組被短接,鐵磁諧振在強(qiáng)烈的阻尼作用下迅速消失,當(dāng)諧振消失后,可控硅恢復(fù)到阻斷狀態(tài)可控硅又恢復(fù)阻斷狀態(tài)。

4.7 選用光電式電壓互感器（OVT）

光電式電壓互感器本身結(jié)構(gòu)不含鐵心,徹底消除磁飽和、鐵磁諧振等現(xiàn)象,同時(shí)暫態(tài)響應(yīng)范圍大,測(cè)量精度高,頻率響應(yīng)范圍寬,抗電磁干擾性能好,將是今后電磁式PT的替代產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

在預(yù)防和抑制電磁式PT引發(fā)的鐵磁諧振措施中,除了采用光電式電壓互感器能夠徹底消除諧振外,其他幾種消諧方式各有優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),但也有各自的局限性,因此在電網(wǎng)消諧的實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的具體情況確定,最好是能將一次消諧裝置與二次消諧裝置相互配合使用,進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]秦勇明．電容式電壓互感器的應(yīng)用[J]．江蘇電機(jī)工程, 2002(6):11-14．

[2]劉繼軍．PT鐵磁諧振過(guò)電壓的產(chǎn)生原因與抑制措施[J]．電氣開關(guān),(2011．No．1)4－6．

[3]王林峰．電磁式電壓互感器的諧振及主要限制方法[J]．河北電力技術(shù),2003,22(1):15-17．

趙曉峰（1969－），男，工程師，研究方向：工業(yè)電氣及自動(dòng)化。