電磁式電壓互感器諧振過電壓分析

鄧敏

【摘 要】本文結(jié)合電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的原理，就兩起鐵磁諧振現(xiàn)象做了分析，并提出了一些限制措施。

【關(guān)鍵詞】電壓互感器；諧振過電壓；措施

0 前言

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，母線上一般裝設(shè)中性點(diǎn)接地的電磁式電壓互感器，由于電磁式電壓互感器低壓側(cè)的負(fù)荷很小，接近空載，高壓側(cè)具有很高的勵磁阻抗，在某些倒閘操作時，或者在接地故障消失之后，它與導(dǎo)線對地電容或其它設(shè)備的雜散電容間形成特殊的三相或單相諧振回路，并能激發(fā)起各種諧波的鐵磁諧振過電壓。

1 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的原理

電壓互感器通常接在變電站或發(fā)電機(jī)的母線上，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L1，L2，L3與母線對地電容C0間各自組成獨(dú)立的振蕩回路。中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，接有電磁式電壓互感器的母線接線等值電路，見圖1，其中EA，EB，EC為三相電源電勢。

在正常運(yùn)行條件下，勵磁電感L1=L2=L3=L0，故各相對地導(dǎo)納Y1=Y2=Y3=Y0，三相對地負(fù)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(xiàn)象。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生沖擊擾動時，例如開關(guān)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。由于擾動，若A相對地電壓瞬間提高，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L1相應(yīng)減小，以致Y1≠Y0，這樣，三相對地負(fù)荷不平衡，中性點(diǎn)發(fā)生位移電壓。如果參數(shù)配合不當(dāng)，恰好使總導(dǎo)納接近為零就會產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，中性點(diǎn)位移電壓急劇上升。此時，三相導(dǎo)線的對地電壓等于各相電源電勢和位移電壓量的向量和，向量疊加的結(jié)果，通常是兩相對地電壓升高，一相對地電壓降低，這就是基波諧振的表現(xiàn)形式。

圖2中H.A.Peterson曲線研究了產(chǎn)生各種諧波振蕩的條件，其中Xc為系統(tǒng)每相的容抗；XL為電壓互感器的單相繞組在額定線電壓作用下的對地勵磁電抗；U是電壓互感器事故前的運(yùn)行相電壓；是電壓互感器的銘牌線電壓，U△為鐵芯電感的額定線電壓。從圖2可以看出，隨著Xc/XL比值的增大，依次發(fā)生1/2分次諧波（曲線1）、基波（曲線2）和高次諧波（曲線3）的諧振，同時所需的U也逐漸增大。當(dāng)小于0.01或遠(yuǎn)大于1時，便消除了諧振的條件。所以在考慮運(yùn)行方式和系統(tǒng)操作時，力求改變電力網(wǎng)中的電感電容之比，以避免形成諧振條件。

2 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的實(shí)例及分析

2.1 故障現(xiàn)象1及諧振分析

2.1.1 故障現(xiàn)象1

某鋼廠35/6kV變電站，三臺主變，三段母線帶三個PT，6kV I段母線上接有1組電容器、1組電抗器、三條架空出線線路及母線PT。該站曾發(fā)生一起諧振過電壓。當(dāng)時A、B、C三相電壓同時升高，分別為4.7～5.3kV、4.6～6.5kV、1.8～4.8kV?，F(xiàn)場值班人員通過拉出線，并對6kV系統(tǒng)一二次設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備及表計無異常，一次設(shè)備A、C相一次熔斷器熔斷。檢修人員在開口三角并接500W燈泡，仍未消除諧振，后來通過拉路來改變網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，諧振消失。

2.1.2 諧振分析

通過實(shí)測該站3臺PT的勵磁特性為3.464kV，50mA；4.8kV，100mA；5.4kV，107mA；3.464kV，50mA；6kV，120mA；6.6kV，130mA；計算單臺PT在線電壓下的勵磁電抗6000/120=50kΩ，三相PT總的電抗為XL=50/3kΩ，該變電所總對地電容為0.1μF， 用二次負(fù)荷測試儀測得6kV母線對地電容為1.46μF，Xc=31500Ω， 因此，Xc/XL=1.9，落在Peterson曲線高頻諧振區(qū)，應(yīng)是高頻諧振，當(dāng)拉線時，則Xc由原31500 Ω，因此，Xc/XL=2.45>2.28，落在Peterson曲線諧振區(qū)外，諧振消失。

用500W燈泡并接在PT的開口三角端口上，因白熾燈鎢絲電阻值冷熱態(tài)差異極大，現(xiàn)場試驗(yàn)的消諧效果也不佳，因此只有用瞬時短接PT的開口三角才起到消諧效果。

2.2 故障現(xiàn)象2及諧振分析

2.2.1 故障現(xiàn)象2

某水電站的35kV中性點(diǎn)為不接地系統(tǒng)，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的35kV 母線電壓互感器都采用4組中性點(diǎn)接地的電磁型PT。35kV系統(tǒng)某次出現(xiàn)瞬時單相接地，三相對地電壓依次輪流升高，表計指示在28kV左右，且三相電壓表指針有明顯的擺動現(xiàn)象，主變聲音時高時低，有一臺PT的熔絲熔斷，根據(jù)現(xiàn)象可判斷本次諧振為分頻諧振。

2.2.2 諧振分析

該水電站35kV線路總長為28km，系統(tǒng)單相接地時電容電流為Ic=2.8A，所以Xc=21.14kΩ。通過查閱相關(guān)資料，在額定線電壓下每組PT的感抗為1.75 MΩ， 4組的并聯(lián)電抗為XL=450kΩ， 所以Xc/XL=0.047， 落在Peterson曲線分頻諧振區(qū)內(nèi)。

3 限制諧振過電壓的措施

諧振的危害是很大的，因此必須進(jìn)行限制。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，可采用下列措施消除PT飽和引起的過電壓：

3.1 選用伏安特性不易飽和的PT。

3.2 將母線電磁式電壓互感器更換為電容式電壓互感器，其對地呈現(xiàn)容性，不存在飽和的問題，從而防止了鐵磁諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 給母線充電前先切除PT，充電后再投入PT，停母線時先切除PT，再拉開開關(guān)。

3.4 在電磁式電壓互感器的開口三角形中接入阻尼電阻或消諧器，加裝R≤0.4Xm（Xm為互感器在線電壓下單相換算到輔助繞組的勵磁電抗），或當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓超過一定值時，以零序過電壓繼電器將電阻投入1min，然后再自動切除。

3.5 在母線上加裝一定的對地電容，可以破壞諧振條件，使對地容抗Xc0滿足：Xc0/Xm<0.01。

3.6 操作中注意監(jiān)視母線電壓，如電壓過高則立即改變方式，合上或拉開引起諧振的開關(guān)。

4 結(jié)論

電磁式PT與系統(tǒng)對地電容之間在電網(wǎng)有擾動情況下，構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，引起鐵磁諧振，引發(fā)分頻、基頻、高頻諧波諧振，造成電壓升高，電流增大等現(xiàn)象，對電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大危害。因此在一定條件下應(yīng)考慮采用電容式電壓互感器，并在操作中做好防止電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的措施，當(dāng)諧振發(fā)生時應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，消除諧振。

【參考文獻(xiàn)】

[1]水利電力部西北電力設(shè)計院，編.電力工程電氣設(shè)計手冊[M].中國電力出版社.

[2]電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓保護(hù)及實(shí)例分析[M].中國電力出版社.

[責(zé)任編輯：湯靜]