铁磁谐振范文（精选8篇）
铁磁谐振 第1篇
虽然铁磁谐振在国内外已有很多研究成果，在电网运行中也采取了许多消谐措施，但小电流接地系统的铁磁谐振事故却依然频繁发生。当调控员误将铁磁谐振当成接地或断线故障进行排查而延迟事故处理时，一次设备往往会发生严重损坏。
文献[1]通过大量实验绘制了谐振区域图，尤其给出了系统每相对地容抗XC0与励磁感抗Xm的谐振比值区间为0.01<XC0/Xm<2.8。随着在电网中运行的电缆线路和气体绝缘开关（GIS）设备大量增加，系统对地电容增大，加之GIS设备操作时所产生的快速瞬态过电压（VFTO）等易引起铁磁式电压互感器饱和的因素增多，铁磁谐振发生几率增加。文献[2]通过理论计算提出了基于零序电压和三相电压综合对比的铁磁谐振辨识技术，述及了单纯依靠电压识别存在无法有效辨识的情况。文献[3]在铁磁谐振的仿真研究中述及了铁磁谐振跳跃及混沌共振现象。文献[4]讨论了在变电站端采用注入信号跟踪进行谐振辨识的方法。文献[5]讨论了串联铁磁谐振的机理及若干处理建议。文献[6,7,8,9,10,11,12,13]分别讨论了铁磁谐振现象及其防治措施。但这些文献主要侧重于理论分析，没有提出具体有效的谐振辨识方法，尤其是没有述及基于调度端的铁磁谐振鉴别技术。
目前大量无人值班变电站在调控中心进行集中监控，调控员对铁磁谐振的快速鉴别与处理具有重要意义。本文基于调控中心高度集中的电网运行实时和历史数据以更广的视角研究了中性点经消弧线圈接地系统的铁磁谐振在调度端的典型特征，其中有些特征是首次提出的，并在多次谐振事故中验证了其有效性。在实际工作中，调控员更关注现实中遇到的事故情况，因此本文归纳总结了多次实际发生的接地、断线和铁磁谐振事故，给出了铁磁谐振在调度端的鉴别技术，鉴别过程最长不超过10min。
1 铁磁谐振与单相接地、断线事故在调度端的特征对比
1.1 相似特征
铁磁谐振和单相接地、断线故障都会使经消弧线圈接地的主变压器中性点电压发生严重偏移；在调度端都会出现中性点零序电压（3U0）越限报警信号，如66kVⅡ段母线接地或谐振、66kVⅡ段母线3U0越限等；故障母线三相电压出现明显不平衡，如其中有两相电压升高、一相电压降低；多间隔的保护装置发出告警信号，如7831RCS9612A装置报警、保护屏CSC-166装置告警等；消弧线圈出现频繁动作信号，如2号主变压器风冷消弧线圈直流短接、交流短接、1号66kV消弧线圈控制器外部故障等。如果不注意区别故障母线和相邻母线的三相电压和零序电压的大小和上述告警信号出现的规律，这些现象容易导致调控员将谐振误判为接地或者断线。
1.2 告警信号出现的不同规律
1.2.1 单相接地告警信号特征
在中性点经消弧线圈接地系统中，单相接地不会导致保护出口跳闸来切除故障，因此也不会出现重合闸动作信号，并且由于消弧线圈的补偿作用，较小的短路电流不至于烧损导线或电缆而发展为断线故障。按照调度规程的要求，单相接地故障可有2h的处理时间。虽然弧光接地所引起的过电压可能导致消弧线圈与接地点电容形成串联谐振，如图1所示。
图中：Lx为消弧线圈电感；Rx为消谐电阻；G1为短路线路导纳；E·为变压器输出电压；K为旁路交（直）流接触器。由于Rx的阻尼作用，谐振现象将很快消失，并且弧光（高阻）接地通常是金属性接地的过渡状态，因此单相接地一般不会引发持续谐振，这也被历次单相接地事故所证实。单向接地时，为了保护阻尼电阻器不被烧损，接触器K会不断反复投退，即消弧线圈的交（直）流短接信号会不断地“动作/复归”。由于单相接地的稳定性，保护和3U0越限报警信号不会出现多次“动作/复归”的情况。
1.2.2 单相断线告警信号特征
单相断线多数由两相或三相短路事故引起，事故前期必然会出现保护跳闸和重合闸动作信号，当在单相断线重合成功时，如果该线路负荷较重就会对母线产生强烈冲击，所带来的过电压会引发铁磁式电压互感器饱和而与断线相形成并联谐振，从近几年的事故看单相断线无一例外地引发了强烈的谐振现象，如图2所示。
图中：Lt为电压互感器电感；Cs为系统电容。由于Lt与Cs发生并联谐振时对外回路的电抗很大，回路电流I·较小，这限制了阻尼电阻Rx的消谐作用，也就是说调控员如果不及时处理的话，这种谐振会长时间存在，直至电压互感器爆炸接地、母差出口动作，同时消弧线圈由于过高的零序电压也会受到严重损坏，如套管喷油等。如果轻载或空载线路发生单相断线，可能不会引发铁磁谐振，且故障会长时间存在下去，但随着该线路负荷的增加，调度端将会出现3U0越限告警和保护告警信号，由于负荷一般不会大幅突增，因此不同告警信号出现的时间间隔较长，这与这些信号在单相接地和铁磁谐振情况下的“几乎同时出现”有明显不同。
1.2.3 铁磁谐振告警信号特征
铁磁谐振存在短暂间歇现象[3]，铁磁谐振间歇振荡故障示波图见附录A图A1。图中可见谐振期间零序电压3U0消失的时间长达4s，因此只要谐振持续的时间足够长（一般不超过5min），保护和3U0越限告警信号会出现多次“动作/复归”的情况。
1.3 电压幅值的不同
1.3.1 实例对比
铁磁谐振与单相接地、单相断线的最大不同之处是三相电压（Ua,Ub,Uc）和3U0的幅值相差悬殊。附录A图A2是单相接地与铁磁谐振故障开始时的故障示波图对比，可以看出它们的差别非常显著。表1是从中摘录的数据。
注：表中数据均为66kV电压互感器的二次值。
1.3.2 中性点零序电压3U0
电网正常运行时3U0很小，接近0，它反映的是电网三相不平衡运行的状态。当3U0的二次值大于越限门槛值（一般为25V）时，在调控员工作站上的报警窗就会弹出某变电站某条母线的3U0越限报警信号并伴随事故音响。通过分析多起铁磁谐振事故及对比文献[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]所提供的数据，铁磁谐振3U0典型值为额定线电压的1.3～2.7倍，由于该值远大于测控装置通常设置的电压满值系数1.2，即1.2倍的额定线电压对应上传调度主站的远动协议IEC 60870-5-101/104报文的满码值32 767，因此会发生满码溢出的现象或遥测板上的采样电压互感器被烧损而输出0值。满码溢出的处理方式目前只有2种，即输出0值或输出满码值。因此谐振母线的3U0在主站侧的显示值要么是0，要么是1.2倍的线电压，并且是无波动的恒定值。
1.3.3 谐振母线三相电压
文献[1]谐振分布图中0.01<XC0/Xm<0.08对应的分频谐振，三相电压同时上升且小于2.5倍额定相电压值；0.08<XC0/Xm<0.8对应的基频谐振，两相电压上升且小于4倍额定相电压值，一相电压降低（通常大于1/2的额定相电压）；0.8<XC0/Xm<2.8对应的高频谐振，三相电压上升，可达4～5倍额定相电压值。附录A图A3为基频谐振故障示波图，附录A图A4为高频谐振故障示波图，表2为从中摘录出的典型电压值。
注：相电压的额定二次值为57.7 V，线电压的额定二次值为100V，比值为实录电压与额定相电压的比值，如Ua的比值为48.935/57.7=0.85。
由于故障母线升高相的电压远超过1.2倍额定线电压，这将造成自动化测控装置发生满码溢出归0或满值输出现象，因此在调控员工作站上的人机界面中，谐振母线升高的两相电压显示值反而降低为0或同时升高至1.2倍的线电压，另一相电压略有升高或降低。而单相接地故障的三相电压特征为：其中一相电压显著降低（金属性接地为0），另两相电压升高（接近线电压）。单相断线故障的三相电压特征为：其中一相电压升高但小于线电压，另两相电压降低但不低于1/2相电压值，且接地和断线所引起的过电压不会产生遥测满码溢出现象，即调控员工作站上的故障母线电压值是变化的，其历史曲线是波动的，不会是恒定的0或1.2倍的线电压，这通过单线图或电压曲线很容易被发现。铁磁谐振与单相接地故障的调度端电压历史曲线对比如附录A图A5所示。
1.4 相邻母线电压
对于目前常见的双主变高压侧并列运行低压侧分列运行的变电站，低压侧的单相接地和断线故障所产生的过电压不能穿越主变而影响到另一条低压母线，其原因可以通过图1得到解释，单相接地故障所产生的偏移电压全部由消弧线圈承担，变压器二次侧的三相绕组电压不会受到影响，因此也就不会影响到变压器的一次侧和相邻低压母线的电压。但图2中的并联铁磁谐振却不同，由于I·较小，消弧线圈所承担的谐振过电压有限，根据基尔霍夫电压定律，谐振必然会引起E·幅值的变化，且这种幅值变化是三相不对称的进而使一次侧母线电压发生不对称变化，再通过并列运行的另一台主变压器使得与其相连的低压侧母线电压出现明显的三相不平衡，如附录A图A3、图A4和图A6中的故障示波图所示。
因此故障母线的相邻母线电压伴随出现三相不平衡的异常情况可作为铁磁谐振事故的标志性判据，由于调控员能够在同一个单线图中观察到该变电站的所有母线电压，因此该判据使用方便而准确。
2 调度端铁磁谐振鉴别技术
调控员平时应关注重合成功后故障线路三相不平衡情况和小电流接地系统中各条母线的3U0，及时消除断线故障和调整严重三相不均衡的线路。当3U0越限报警信号发生时，调控员应该进行如下操作。
1）观察相应主变中性点上的消弧线圈动作信息和该母线上所有间隔保护装置的异常报警信号，用1s时间来辨别事故的真伪，若发生单相接地、断线、谐振事故，这些告警信号应伴随出现。
2）用5s时间观察故障母线的三相电压并判断该母线上若干线路的有功值相对于其电流值是否正常，以排除电压互感器故障的可能性。
3）用10s时间根据故障母线三相电压的实时显示值判断是否为谐振事故，依据为其中一相电压略升高或降低，另两相降低为0或升高至1.2倍线电压，且恒定无波动；或经主变压器高压侧相连分列运行的低压相邻母线的三相电压出现明显三相不平衡。出现以上2种特征中的任意1种即为谐振事故。如果由于遥测数据缺失等原因导致无法观察到上述特征，调控员可继续用5～10min时间进行单相接地、断线等故障的判断和排查，同时观察3U0越限报警和大量保护装置的异常报警“动作/复归”信号是否多次成对出现，出现2次及以上即可判定为谐振事故。
3 结语
随着国家电网公司对调度自动化基础数据综合整治工作的深入进行，调控中心所汇集的电网运行监控信息的准确性、可靠性、实时性、全面性得到大幅提高，这为调控员快速识别、分析、处理各类电网异常、故障、事故提供了更广的视角。通过实践证明：利用3U0越限报警、保护装置告警、消弧线圈动作信息、故障母线及其相邻母线的三相电压和3U0电压幅值的综合判据能够快速地辨识出铁磁谐振，为调控员及时正确处理谐振事故，防止损失扩大赢得了宝贵的时间。
附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。
摘要：小电流接地系统的铁磁谐振事故在调度端的典型特征为中性点零序电压(3U0)越限报警信号的“动作/复归”多次成对出现;母线电压中有两相呈现为0或1.2倍线电压(遥测满码溢出);故障母线上的所有保护装置告警信号的“动作/复归”多次成对出现;相邻母线伴随出现耦合谐振、消弧线圈的频繁动作信号。这些特征综合起来使铁磁谐振明显有别于单相接地、单相断线故障,有利于谐振事故的快速处理。
配电网PT铁磁谐振的机理分析 第2篇
【关键词】配电网；铁磁谐振；单相接地故障
在电力系统的振荡回路中，往往由于铁铁芯的磁饱和现象而引起等效电感值的减小，由于馈线中等效电容值的存在，当二者达到某种匹配时，激发起持续性的较高幅值的过电压，即铁磁谐振过电压。对于配电网系统来讲，配电变压器、配电馈线和其它用电设备对地存在杂散电容，配电所母线上又都接有电磁式电压互感器（PT），二者构成并联谐振电路，一般情况下PT铁芯具有很高的励磁阻抗，电路体现电感性。当系统受到某种扰动（如接地故障，切换操作，雷击等）时，PT铁芯有可能发生饱和，其等效电感值降低，在参数匹配的情况下，可能诱发某种频率的铁磁谐振（如分频谐振、工频谐振和高频谐振）过电压现象[2]。本文的主要工作是研究PT铁磁谐振的发生机理。
一、铁磁谐振的分类
铁磁谐振过电压发生的根本原因是系统中电容参数和电感参数达到了某种匹配，一般来讲电容参数是恒定的。根据系统中等效电感参数的不同，国内外学者对谐振问题的研究归结出三种不同性质的谐振过电压：
（一）线性谐振过电压，振荡回路中的参数是线性的。
关于这一问题的研究在电路分析中分为并联谐振和串联谐振两种。这里所提到的并联谐振和串联谐振中的电感和电容都是恒定的，当电感和电容之间的振荡频率和系统电源的频率一致时，这个简单的系统就会发生并联谐振或串联谐振现象。谐振问题发生的关键是电感与电容之间的振荡频率与电源频率的一致。这类谐振类型为线性谐振过电压。
（二）参数谐振过电压，回路中的电感参数是随时间做周期性变化的。
参数谐振过电压在水轮发电机回路中较为常见。如水轮机正常的同步运行情况下，同步电抗在之间周期性的变动，即每过一个电周期，电抗将变动两个周期；另一方面，无论是凸极机还是隐极机，当它们处于异步工作状态时，电抗在之间周期地变动。这些情况下，若电机的外电路是容性的，就可能在此电感参数自动变化的振荡回路中激发起一种特殊形式的过电压，称为参数谐振过电压。
（三）铁磁谐振过电压，回路中的铁芯电感呈现出非线性的工作状态。
在电力系统的振荡回路中，往往由于铁芯的磁饱和现象而引起等效电感值的减小，由于馈线中等效电容值的存在，当二者达到某种匹配时，激发起持续性的较高幅值的过电压，即铁磁谐振过电压。
二、铁磁谐振的产生机理
在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压，变电站内母线上常接有中性点接地的电磁式电压互感器（又称PT），具体电气接线见图1。
如图1所示简化的典型的中性点不接地系统的简化的三相网络接线图。
图1中，和为三相系统的A、B和C相的等效电源，N为系统的中性点，中性点采用不接地的运行方式，中性点采与大地之间的电压用表示；，和为系统中所有设备各相对地的等效电容；，和为输电馈线的等效阻抗；，和分别是供监视或测量用的A，B和C三相的电压互感器。
铁磁谐振的发生多是由于系统的0模网络引起的。其原因可以归结为两种情况。第一种情况是系统中发生了不对称故障（例如单相接地故障）产生了0序电源向0序网络供电导致铁磁谐振；第二种情况是系统中三相电源发生了不对称的现象（如A相电源骤升），0序电源骤升导致的铁磁谐振。
单独考虑0模网络，将0模端口FG连接的1模网络等效为电源和阻抗的形式，忽略系统阻抗和馈线阻抗，因为这些阻抗相比于對地电容的阻抗值非常小。如图2所示。
图2中的为0模网络的对地等效总电容，非线性电感代替PT，和为零模网络FG端口外电路的等效阻抗和等效电压源。据2图，不难发现，这是一个对地电容和PT一次侧非线性电感的并联谐振模型。高阻瞬时性故障引起的PT两侧的过电压和过电流的物理机理是：当短路故障发生瞬间，相当于开关S突然合上，PT电流不能突变而电容相当于短路，因此等效电源向电容充电。当短路故障消失后，开关S打开，电容中储存的电荷只能向非线性电感释放，由电场能量转化为磁场能量，然后PT中的磁场能量向电场能量转化，如此往复二者相互转化，转化过程中的损耗基本可以忽略，这样，电容两端的电压就不断的振荡，引起PT中磁链的振荡，由于PT励磁特性的非线性，导致磁链运行在饱和区，导致电流振幅的激增，同时，电流的激增又导致了电容两端电压的增加（此时电感电流和电容电流的幅值相等）。这样就导致在PT两侧同时过电压和过电流。电容和非线性电感之间的几乎不衰减的振荡过电压和振荡过电流构成了暂态谐振，由于衰减常数无穷大，暂态谐振就形成了近似稳态的并联谐振形式。
三、结论
PT铁磁谐振的机理是系统对地电容和PT励磁特性曲线的非线性构成了串联谐振电路和并联谐振电路；触发条件是各种大的扰动或操作（如单相接地故障消失或空载母线合闸）；铁磁谐振的后果：产生严重的过电压和过电流现象，危及设备的绝缘甚至烧毁设备，影响系统的稳定性和安全性。
参考文献：
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基频铁磁谐振的理论及仿真研究 第3篇
关键词：基频,铁磁谐振,理论分析,非线性
引言
铁磁谐振频繁发生于电力系统之中,会造成电压互感器一次高压熔丝频繁烧断、避雷器爆炸、变压器烧毁等严重事故,严重威胁电力系统的安全稳定运行[1,2,3]。研究铁磁谐振的方法概括起来有实验分析、仿真分析和理论分析三种[4,5,6]。实验分析受到实验条件的限制,无法很好地模拟电力系统中各种情况下发生的铁磁谐振,不能很好地应用于实际问题的分析;仿真分析的缺点在于需要经过大量的计算以确定系统中各参数对谐振的影响,能大致确定系统参数导致铁磁谐振发生的临界值,但无法确定此临界值与其他系统参数值之间的关系。关于铁磁谐振的理论分析又有很多种方法,文献[7,8]采用分段线性的方法来模拟非线性电感的饱和特性,不够精确,文献[9,10]没有考虑系统回路电阻对于铁磁谐振的影响,这都导致了理论分析的不够完整和精确。
本文采用了理论分析方法分析基频铁磁谐振,用非线性曲线描述非线性电感的饱和特性,考虑系统回路电阻对铁磁谐振的影响,根据理论分析的结果讨论系统参数对铁磁谐振的影响,并利用EMTP仿真验证了理论分析的结果。
1 铁磁谐振电路分析
图1为典型铁磁谐振电路图,图中L为变压器非线性电感,C为系统电容,Rp为变压器损耗等值电阻,Rs为变压器绕组等值电阻,
变压器铁芯电感的磁化特性可用式(1)表示:
其中iL为变压器一次侧电流,ϕ为变压器铁芯电感磁通,a、b、n为已知常数,与变压器的铁芯材料,堆叠方式等有关。
针对图1,利用电路定理可以列出下列方程:
通过求解式(2)可以确定系统的工作状态,以此来判断铁磁谐振的发生与否。
2 基频铁磁谐振的理论分析
2.1 系统方程归一化
为了求解的方便,首先将式(2)进行归一化,取定基准容量SB、基准电压UB、基准时间TB=1/ω,可以得出基准磁通ΦB=UB/ω、基准电流IB=SB/UB、基准电阻RB=UB/IB,基准电容CB=IB/ωUB。以下公式中带“*”号下标的表示相应量的标幺值。
将式(3)、(4)代入式(2),系统方程变为式(5)。
2.2 理论分析
由于本文仅讨论基频铁磁谐振,故忽略n次及1/n次谐波,可设式(5)的解为
其中
将式(6)代入式(5),并利用式(7),忽略方程中除了基频分量的其他分量,可得:
利用三角公式,在满足θ=ξ时,
其中
令
其中
可以看出f1(ζ)具有线性特性,f2(ζ)具有非线性特性,两者的交点即为系统的工作点,如图2所示,其中A、C为稳定的工作点,B为不稳定的工作点,若有微小的扰动,B点会移至A点或C点。当系统工作在A点时,非线性电感处于线性区域,此时不会产生铁磁谐振,为正常工作状态;当系统工作在B点时,非线性电感处于饱和区域,此时会发生铁磁谐振,对系统造成危害。至于系统究竟工作在A点还是C点则取决于系统的初始条件。
3 系统相关参数对铁磁谐振的影响
3.1 铁芯损耗对铁磁谐振的影响
图1中用Rp表示非线性电感的铁芯损耗,Rp越小表示非线性电感的铁芯损耗越大。假设除Rp外,系统其他参数不变,从式(14)、(16)可以看出仅p1、p3含有Rp,若铁芯损耗越大,p1、p3越大,f1的斜率越大,f2的最大值越小,将铁芯损耗变化时f1、 f2曲线绘于图3中,f1-i 和f2-i(i=1,2,3)所对应的铁芯损耗分别为Pi(i=1,2,3),P1>P2>P3。从图中可以看出f1-1和f2-1仅相交于一点,此时不会发生铁磁谐振;f1-2和f2-2相切,此时对应的铁芯损耗为一临界值,系统处于可能发生铁磁谐振和不可能发生铁磁谐振的边缘;f1-3和f2-3相交于三点,此时系统可能发生铁磁谐振。可见,非线性电感的铁芯损耗越小,系统发生铁磁谐振的可能性增大。根据式(10)、(11)、(12)和图3可以确定系统可能发生谐振时的临界损耗所对应的电阻值,具体的求解方法如下:假定系统其他参数不变,令
3.2 电源电压对铁磁谐振的影响
假设除E外,系统其他参数不变,从式(15)可以看出仅p2含有电源电压E,E大小的改变会造成直线f1沿纵轴平移,此时f1的斜率并不改变,由于f1的平移使得f1与f2的交点位置随之改变,可能由正常状态进入铁磁谐振区域,将电源电压E变化时f1、 f2曲线绘于图4中,f1-i(i=1,2,3)所对应的电源电压Ei,E1<E2<E3,可以看出E越大,越容易发生铁磁谐振。f1-1和f1-2曲线将平面分为三个区域,其中区域1内不会发生铁磁谐振,区域2内可能发生铁磁谐振,区域3内一定会发生铁磁谐振。用类似3.1中的方法可以求出系统发生谐振时的临界电源电压Ecr。
3.3 回路电阻Rs对铁磁谐振的影响
假设除Rs外,系统其他参数不变,从式(14)、(16)可以看出仅p1、p3含有Rs,Rs越大,p1、p3越大,f1的斜率越大,f2的最大值越小,将Rs变化时f1、 f2曲线绘于图5中,f1-i 和f2-i(i=1,2,3)所对应的回路电阻分别为Rsi(i=1,2,3),Rs1>Rs2>Rs3。从图中可以看出f1-1和f2-1仅相交于一点,此时不会发生铁磁谐振;f1-2和f2-2相切,此时对应的Rs为一临界值,系统处于可能发生铁磁谐振和不可能发生铁磁谐振的边缘;f1-3和f2-3相交于三点,此时系统可能发生铁磁谐振。可见,Rs越大,系统发生铁磁谐振的可能性越小。同样也可利用3.1中的方法求出Rscr。
3.4 回路电容C对铁磁谐振的影响
假设除C外,系统其他参数不变,从式(14)、(16)、(17)可以看出p1、p3、p4含有C,将C变化时f1、 f2曲线绘于图6中,f1-i和f2-i(i=1,2,3)所对应的回路电容分别为Ci(i=1,2,3),C1<C2<C3。从图6中可以看出,f1的斜率和f2的最大值都随着回路电容的增大而增大,f1-1和f2-1相切,若回路电容小于C1,则系统必然发生铁磁谐振;随着回路电容的增大f1和f2曲线相交于三点,此时有发生铁磁谐振的可能。可以看出随着回路电容的增大,系统发生铁磁谐振的可能性变小。同样可求出系统发生谐振的临界电容值Ccr。
4 仿真结果及分析
4.1 回路参数
依据图1,利用EMTP建立仿真电路。回路中各元件参数为:C=18μF,Rs=14Ω,取额定功率SB=180W,额定电压UB=60V,变压器空载损耗等值电阻Rp=568Ω。图7为非线性电感的磁通电流瞬时值曲线。
4.2 实验结果及误差分析
利用3.2节中的方法可以计算出,该电路发生谐振时需要的电源电压为24.54V,仿真过程中缓慢升高电源电压,电压升到28.8V时,系统电流突然增大数倍,可判断系统发生铁磁谐振,谐振时回路中的电流波形和变压器上电压波形如图8所示。理论计算和实验得到的发生谐振电压相差4.26V。理论计算的值比实验所测的值小,误差产生的原因可以从以下几方面考虑,其一由于在理论分析时忽略了电路中的谐波,而仅仅分析了基频分量;其二变压器饱和曲线的拟合存在一定的误差;其三在理论分析中将非线性电感的损耗用一等效线性电阻来表示,而根据实验结果,变压器的损耗是随着电压的变化而变化的,这也是产生误差的原因之一。
5 结论
本文从理论上分析了基频铁磁谐振的发生及系统中各参数对谐振的影响,并利用仿真的方法验证了理论分析的正确性。理论分析和仿真的结果表明:铁芯损耗越小,电源电压越高,回路电阻越小,回路电容越小,系统发生谐振的可能性越大。利用本文的理论分析方法,可以找出系统发生谐振的临界参数值,为有效地防止谐振提供理论依据。
参考文献
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铁磁谐振原因分析及预防措施 第4篇
电压互感器铁磁谐振过电压也称为电压互感器铁芯饱和过电压, 是一种内部过电压现象, 多发生于6~35kV不接地系统中。在开关操作或系统发生故障时, 系统中的电感和电容元件可能形成不同自振频率的振荡回路, 在外加电源作用下产生谐振现象, 引起谐振过电压, 而电力系统中的电感元件大多因带有铁芯会产生饱和现象, 使电感参数不再是常数, 而是随着电流或磁通的变化而变化, 这样就形成了电力系统铁磁谐振过电压。过电压造成励磁电流剧增, 有时可达额定电流的几十倍, 持续时间较长, 就会造成熔断器的熔断, 设备的烧损或爆炸, 乃至大面积停电事故。本文就电压互感器铁磁谐振引起的原因、产生的机理、危害及防范措施做些论述。
2 铁磁谐振产生的原理
在6~10 kV配电系统正常运行时, 电压互感器的各相感抗相等, 中性点电压等于零;当配电系统发生断线、雷击、或因竹树等原因造成单相接地短路故障时, 接地故障相电压将降到接近于零, 而非故障相对地电压上升到原值的倍即由相电压升至线电压, 从而导致中性点发生了位移。而此时, 继电保护不动作于跳闸, 只动作于信号, 配电网允许单相接地故障运行一段时间 (一般为2h) , 待查找出故障点或不能及时处理时才人工拉闸。
在故障点切除前期间, 在接地点由于电阻较大且接触不良, 因而在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电, 从而造成电压瞬高瞬低, 而电磁式电压互感器在电磁振荡的激励下极易产生磁饱和, 暂态励磁电流急剧增大, 电感下降, 从而引发铁磁谐振。从以上分析可知.在中性点不接地的6/10k V配电系统中, 产生铁磁谐振的必要条件是配电系统产生电磁振荡 (如单相接地故障) ;电压互感器在电磁振荡的激励下, 产生磁饱和。
3 铁磁谐振引起的原因及现象
3.1 拉合闸、倒闸操作引起的铁磁谐振
当母线空载或出线较少时, 因合闸充电、倒闸操作引发引发电流、电压的冲击扰动, 就有可能发生铁磁谐振。当电磁式电压互感器发生谐振以后, 铁芯里产生零序磁通, 这个磁通在开口三角线圈里感应出零序电压, 现行电磁式电压互感器的铁芯截面积小, 一般运行在励磁曲线的饱和点以下, 一般在线电压下就饱和了, 导致电磁式电压互感器的感抗XL严重下降, 这样就和线路或母线对地电容XC组成了谐振回路。
3.2 不对称接地故障引起的铁磁谐振
在小电流接地系统中发生单相接地故障很常见, 在发生单相接地故障时各相承受的电压不同。而半绝缘电压互感器在系统单相接地时, 需要承受线电压的冲击, 一般运行不得超过2 h, 长期运行可能造成击穿故障;全绝缘电压互感器在系统单相接地时, 承受的是额定电压。
3.3 电磁式电压互感器的非线性特性
P T的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因, 但铁磁元件的饱和效应本身也限制了过电压的幅值。此外回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数值时, 就不会出现强烈的铁磁谐振过电压。
3.4 铁磁谐振的现象和特点
1) 对于铁磁谐振电路, 在相同的电源电势作用下回路可能不止一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态要看外界冲击引起的过渡过程的情况。
2) 串联谐振电路来说, 产生铁磁谐振过电压的必要条件是因此铁磁谐振可在很大的范围内发生。
3) 维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗的能量均由工频电源供给。为使工频能量转化为其它谐振频率的能量, 其转化过程必须是周期性且有节律的, 即…1/2 (1, 2, 3…) 倍频率的谐振。
4) 铁磁谐振对P T的损坏。电磁谐振 (分频) 一般应具备如下三个条件。
(1) 铁磁式电压互感器 (P T) 的非线性效应是产生铁磁谐振的主要原因。
(2) PT感抗为容抗的100倍以内, 即参数匹配在谐振范围。
(3) 要有激发条件, 如P T突然合闸、单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电压等。
据试验分频谐振的电流为正常电流的240倍以上, 工频谐振电流为正常电流的40~60倍左右, 高频谐振电流更小。在这些谐振中, 分频谐振的破坏最大, 如果PT的绝缘良好, 工频和高频一般不会危及设备的安全, 而6 kV系统存在上述条件。
4 铁磁谐振的消除方案
4.1 在TV开口三角形侧并联阻尼电阻
当电网运行正常时, 电压互感器二次侧开口三角处绕组两端没有电压, 或仅有极小的不对称电压。当电网发生单相接地故障时, 由于此电阻阻值较小, 故绕组两端近似于短接, 起到了改变电压互感器参数的作用。这一措施不仅能防止电压互感器发生磁饱和, 而且能有效地消耗谐振能量, 防止产生谐振过电压。此方法常用在要求不太高的变电站, 如消谐电阻采用电灯泡或电阻丝, 当其损坏后将不会有消谐作用;当系统发生单相接地时, 在开口三角侧将产生100 V的电压, 而由于电灯泡或电阻丝的冷态电阻是较小的, 这将在TV开口三角侧流过较大的电流引起T V损坏。
4.2 在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐器R0
此电阻可用以削弱或消除引起系统谐振的高次谐波。模拟试验表明:当R 0/Xm≥5.5 1×1 0-3时, 即使系统发生单相接地故障, 也不会激发分频铁磁谐振。但阻值太大, 则会影响系统接地保护的灵敏度。消谐电阻R0的计算。先测出各电压互感器二次侧的励磁感抗X m, 求出各电压互感器并联后的Xm值, 再折算至一次侧, 即为系统总的X m。R 0的值应在0.008 8~0.0500Xm间选择。R0的容量可按P0=U20/R0= (3R0Uφ/Xm) 2/R0来选择。消谐电阻应按电压互感器中性点处串接R0后, 用开口三角处电压UΔ的变化量ΔUΔ%来校验。ΔUΔ%= (-ΔU%) >5%, UΔ%=1/6 (3R0/Xm) 2 (1+2Xm/Xj) ×100%
式中Xj——电压互感器在Uj下的励磁电抗。
4.2.3装设消谐器
可在电压互感器的开口三角绕组处直接装设消谐装置, 当发生谐振时, 电压在设计周波下达到动作值时, 装置的鉴频系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量, 消除铁磁谐振。消谐装置动作较可靠, 还可以记录故障时的电压、振荡频率等参数, 利于事故分析, 现采用此方法较多。
5 最终采用的方法及结果
考虑到造价, 选材, 以及品牌。我站10kVPT的改造措施为:在PT一次中性点处加装LXQ系列消谐器。
该消谐器的优点是:它在线工作于一次回路中, 可随时抑制和破坏PT谐振的诱发条件, 对频繁的连续谐振有很好的消除效果。也可以限制高压涌流。
目前安装的PT及消谐器经过多次操作, 运行状况良好, 证明该改造是成功的, 其经验也是可取的。
参考文献
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电力系统铁磁谐振的研究与分析 第5篇
一、几种常见的铁磁谐振
1、断线谐振
所谓断线泛指导线断落、断路器非全相操作以及熔断器的一相或二相熔断。断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回路, 其中电感是指空载或轻负载变压器的励磁电感等, 电容是指导线的对地和相间电容, 或电感线圈的对地杂散电容等。
2、传递过电压
当高压线路中发生不对称接地或断路器的不同期操作时, 将会出现零序电压和零序电流分量, 通过静电和电磁耦合, 能在近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递过电压;同样, 变压器高压绕组侧的零序电压通过绕组间的杂散电容传递至低压侧, 危及后者的电气绝缘。如果低压侧接有铁芯电感元件 (消弧线圈、空载变压器或电压互感器等) , 则有可能产生铁磁谐振过电压。
3、电磁式电压互感器引起的铁磁谐振
在电力系统中, 为了监测发、变电所母线对地电压, 通常在发电机或变电所母线上接有电压互感器, 并且其一次绕组接成星形, 中性点直接接地。这样当进行某些操作时 (例如中性点绝缘系统非同期合闸, 或接地故障消失之后) , 电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路, 由于回路参数及外界激发条件的不同, 可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。
4、串联电容补偿线路中的铁磁谐振
串联补偿装置是多个串、并联连接的三相电容器组, 它串接在输电线路的首端、中间或者末端, 其目的是使容抗补偿线路的正序感抗。
二、防止铁磁谐振的措施
实际中常用的消除铁磁谐振的具体措施如下:
1、改善电压互感器的励磁特性;2、减少同一网络中并联电压互感器台数;3、每相对地加装电容器;4、系统中性点经消弧线圈或电阻接地;5、高压侧中性点串接单相电压互感器;6、在电压互感器高压侧中性点串接电阻;7、开口三角绕组加阻尼电阻;8、开口三角绕组加装消谐装置。
三、铁磁谐振研究现状评价
多年来, 国内外专家学者对铁磁谐振做了大量理论研究和实验分析。在理论研究方面, 阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性谐振的丰富内容, 提供了坚实的理论基础。在实验分析方面, 通过现场模拟试验对铁磁谐振的发展过程和谐振条件进行了大量研究, 揭示了铁磁谐振的内在规律, 并在此基础上研制了几种消谐装置。近几年来, 非线性振动理论、分叉理论、模糊理论、混沌理论等方法的引入不仅扩大了研究领域, 而且给研究带来了很大方便。同时大量数学工具如Matlab和Mathematic的使用也为铁磁谐振的研究提供了便利条件。随着研究的不断深入和发展, 对铁磁谐振研究已达到了一个新高度。
四、结论
长期以来电力系统谐振过电压严重威胁着电网的安全, 特别是对中性点不直接接地系统, 铁磁谐振所占的比例较大。因此对此类铁磁谐振问题研究得较多, 其中不乏新的消谐装置的出现。但对中性点直接接地系统的铁磁谐振研究较少。随着电网的日趋发展, 中性点直接接地系统的铁磁谐振问题越来越严重, 出现的概率越来越大, 也应引起人们的重视。今后应深入研究中性点直接接地系统的铁磁谐振以及消谐措施, 为电力系统安全运行提供参考依据和良好的预防作用。
摘要：铁磁谐振过电压是一种常见的内部过电压, 多发生在中性点不直接接地的配电网中, 但在中性点直接接地的高压电网中, 这种事故也常有发生。本文介绍了几种典型的铁磁谐振以及抑制铁磁谐振常见的几种措施, 对其研究现状进行简单评价。
关键词：电力系统,铁磁谐振,防止措施,现状分析
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小电流接地系统铁磁谐振原因及消除 第6篇
在小电流接地系统中, 电源变压器中性点不接地, 母线上接有中性点接地的电磁式电压互感器和出线。电压互感器相当于一个非线性电感线圈, 而母线和出线存在一定的对地电容, 母线系统的对地电容与母线电压互感器的电感组成电感和电容并联回路。如图1所示:电容与铁芯线圈并联回路及向量图。
也可画出U与I的变化关系曲线, 如图2, 图 (a) 中, 曲线1代表Ic与U的关系U=f (IC) , 曲线2代表IL与U的关系曲线, 曲线3表示总电流与U的关系, 曲线3中的a、d两点分别对应于曲线1、2中的n、m两点。为方便分析, 也可以画出U与I的变化关系曲线如图2所示:
(a) U=f (Ic) 、U=f (IL) 和U=f (I) (b) 变换后的U=f (I) 把曲线3的弯曲部分oad画到纵坐标的右侧, 如图2 (b) 所示, d点的总电流I为零, 它是共振点, 这时产生电流共振。电压低于这一点时, 电流是容性的, 电压高于这一点时, 电流是感性的。oa段是稳定区, ab段是不稳定区, 当电流逐渐增加到a点时, 电压就有"飞跃"现象, 由a点到b点的同时总电流的相位也翻转180°, 由原来的容性变为感性的, 电流沿着bc继续上升, 到达d点时, 产生谐振。
正常运行时, 电源电压较低, 一般Ug<Ua, 此时对应的电感电流和电容电流较小, 且Ilg<Icg, 点g是稳定工作点, 当电压波动使电网电压高于Ua时, 因铁芯线圈饱和, 电感电流激增, 电路将沿gad自动滑动谐振点d, 谐振点d对应的谐振过电流为无穷大。然而由于电感线圈的非线性饱和效应, 电路不能在d点稳定, 而将继续沿dbc曲线段上升, 稳定在bc段的某一点。这一点对应的过电压较高, 过电流很大。
铁磁谐振是因电压互感器铁芯在波动高电压饱和而引起"跃变"过程。在铁芯未饱和时, 电感大, 电路中电感起主要作用;饱和后, 电感变小, 电路中容抗起主要作用, 所以有电流的相位起变化。
二、小电流接地系统铁磁谐振
中性点不接地系统引起铁磁谐振过电压, 从本质上来讲, 是因电磁式电压互感器的非线性电感与系统中的对地电容构成的铁磁谐振引起的。当谐振发生时, 中性点出现显著的位移, 此时相电压将发生变动, 电网的对地电容与互感器的励磁电感相匹配, 且初始感抗应大于容抗。这是因在铁芯电感与电容的并联回路中, 如在初始状态 (较低电压下) XL>Xc, 即二者并联后相当于容性阻抗 (C′) , 当在一定的外界"激发"条件下, 使电源电压升高, 铁芯趋于饱和, XL下降导致中性点位移。激发条件有:
1.带有电压互感器的空母线或者空载线路突然合闸充电, 在这种情况下, 即使三相断路器同期, 但是由于三相电压相差120°, 它们不可能在同时在同样的条件下合闸, 可能有的相过零电流时最大时合闸, 这样会在互感器绕组中流过幅值很大的不平衡涌流, 导致铁芯饱和。
2.因雷击或者其他原因, 使线路发生瞬间弧光接地, 健全相电压突然升至线电压。
3.由传递过电压也可以使电压互感器达到饱和。如在电源变压器的高压侧发生瞬间单相接地或断路器不同期操作时, 其零序电压也会传递到接有电磁式电压互感器这一侧, 在此传递过电压下, 造成互感器铁芯饱和。
铁磁谐振可以是基波谐振, 也可以是分次谐波谐振、高次谐波谐振。其表现形式可能是单相, 两相或者三相对地电压升高, 或以低频摆动, 引起绝缘闪络或避雷器爆炸;或产生零序电压分量, 出现虚幻接地现象和不正确的接地指示;或在电压互感器中出现过电流, 引起保险熔断或互感器烧毁。
例如1998年7月26日, 当时大风雷雨天气, 35kv隆昌变电站10kv母线B相间歇性接地, 随后不久就出现10kvⅠ、Ⅱ段母线接地光字牌亮, 中央信号发出告警信号, 10kv母线电压互感器声音不正常。检查发现10kv母线电压三相不平衡而且升高, 且伴随有电压指示有波动, 电压表指针有颤抖现象, (A相11.6KV、B相6.8KV、C相9.2KV) , 随后就发生10KV母线电压互感器冒烟烧毁。从上面电压互感器烧毁前、10KV三相电压有两相电压都同时升高, B相电压又没降低, 并发出10KV接地信号来看, 说明10KV回路处于谐振状态。母线电压互感器声音异常也说明当时互感器可能处于在饱和状态。
下面分析产生谐振的原因:
在中性点不接地系统中, 电源侧中性点不接地, 但是电压互感器高压侧中性点是接地的, 若Ca、Cb、Cc为10KV各相对地等值电容, La、Lb、Lc为母线电压互感器的一次侧三相线圈对地阻抗 (忽略线圈电阻) , 系统发生B相弧光接地, 此时, 电压互感器的铁芯线圈相当于与电容并联, 原理接线图如下图3所示:
这样就构成了可能产生谐振的并联回路, B相产生单相间隙弧光接地, 产生间隙性过电压, 致使AC两相电压升高, 使得电压互感器的铁芯出现饱和或者接近饱和, 阻抗变小, 产生谐振的激发条件, 从而产生谐振, 此时, 电压互感器一次电流增大, 磁通趋近饱和, 有可能出现电压互感器高压侧熔断器熔断, 要么就会引起电压互感器烧毁。由此看来, 谐振引起的事故极为严重, 故应采取积极有效的措施避免和消除谐振, 保证系统的安全运行。
当小电流接地系统中对地容抗与对地感抗的关系符合Xc/XL<0.01时, 则系统不会发生谐振, 当0.01≤Xc/XL≤0.1时, 系统能发生分频谐振, 当0.1≤Xc/XL≤1时, 系统可能发生基波谐振, 当1≤Xc/XL≤4时, 系统可能发生高频谐振。改变电网电容, Xc/XL随之改变, 如果电容过大或过小, 就可以脱离谐振区域, 谐振就不会发生, 阻抗参数Xc/XL落在谐振区域内, 也并不是每次都能激发起稳定的谐振, 因为谐振的产生还与电压冲击, 涌流大小等激发因素有关, 因此, 要避免铁磁谐振的发生, 应该破坏谐振的条件, 使系统容抗降低, 电抗增大, 从而使Xc/XL小于0.01, 同时也要防止过压激发因素。
三、消除谐振的措施
为防止和消除谐振, 可以采取以下措施:
1. 变参数躲开谐振区:
(1) 改变Xc, 当XL不变时, 减小或增大Xc, 以改变Xc/XL, 在变电站母线上增加出线数, 或在母线上加装集中电容等。 (2) 改变XL, 增大XL, 使Xc/XL<0.01, 同样可以避免谐振的发生。a、选用伏安特性较好的电压互感器, 使其工作点在伏安特性线性部分, 这样电容伏安特性与电感伏安特性曲线交叉点将向后移动, 铁芯不易饱和, 提高谐振激发电压, 也就难于激发谐振。b、减少电压互感器并联台数, 这样可以增大XL, 另外减少电压互感器的一次绕组中性点接地台数, 以增大系统中的感抗, 使其Xc/XL<0.01成立。c、合理安排操作方式:对空母线合闸容易产生谐振的变电站在合闸前, 可先投入母线上的一条空载出线, 然后再向母线充电, 以达到改变系统参数, 躲开谐振区域的目的。d、装设消弧线圈:中性点经消弧线圈接地, 能帮助瞬间接地电弧熄灭, 防止弧光接地过电压, 对10KV单相接地电流大于30A, 35KV系统单相接地电流大于10A的应装设消弧线圈。e、提高断路器检修质量, 保证开关三相合闸的同期性, 消除开关三相不同期冲击合闸引起的过电压, 激发谐振的可能性。
2. 增大回路阻压效应
1) 在电压互感器开口三角绕组两端接入阻尼电阻或短接。
2) 在电压互感器高压绕组中性点接入适当的电阻, 阻尼流过高压绕组和中性点的冲击振荡电流, 避免铁芯饱和。
3) 采用零序电压互感器, 在10KV电网中, 采用零序电压互感器是防止电磁式电压互感器烧损的有效办法。
4) 采用新型的消谐装置:a、在电压互感器二次侧的开口三角上加装可控硅消谐装置, 此装置消除铁磁谐振过电压十分有效。b、采用目前广泛使用的LQX消谐器, 它是在电压互感器中性点上串接LQX非线性电阻, 限制谐振的产生, 消谐效果明显。
3、在发生谐振时, 可根据实际情况, 采用投入备用线路;
解列双母线或者单母线分段, 也可以断开某一条出线等等以达到破坏谐振条件, 消除谐振。
结束语
中性点不接地系统产生谐振的本质;由于母线电压互感器的电感元件与母线、线路的对地电容组成并联谐振回路, 在外部激发条件的作用下, 使铁芯电感磁饱和而激发谐振, 激发起持续的高电压、大电流、使运行设备损坏, 甚至造成事故。实际工作中, 应根据运行方式采取适当的消谐措施, 防止谐振的产生。
摘要：在中性点不接地系统中, 设备运行时有时会遇到电压互感器高压保险熔断及冒烟、烧毁, 避雷器发生爆炸, 设备送电操作中, 有时会发现母线电压指示不正常或出现接地现象。那是因为电力系统中设备对地电容与母线电压互感器的电感组成的谐振回路, 在一定的外部条件激发下产生的谐振。本论文从小电流接地系统发生铁磁谐振的原理入手, 通过对发生铁磁谐振的原因、条件及危害进行分析, 并提出避免和消除铁磁谐振的措施。
关键词：小电流接地,谐振,原因,消除
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电压互感器铁磁谐振的产生与消除 第7篇
关键词：电压互感器,铁磁谐振,危害,消除措施
1 概述
在电力系统中存在着很多细小但却有强大功能的元件, 其中包括电感性的和电容性的。这些不同的电感元件和电容元件会形成LC振荡回路, 存在于电力系统的内部。在一般正常运作的时候, 电力系统会保持其稳定性, 电磁震荡现象不会出现, 但是在受到某种特定的刺激时, 便会产生电磁震荡的现象, 对整个电力系统造成一定的影响, 而且如果电磁震荡现象要持续很久, 会严重影响整个电力系统的安全。
2 铁磁谐振产生的原因
电压互感器的非线性电感和电网对地电容构成了电压互感器谐振回路。电压互感器的内部结构中有铁芯, 很容易出现饱和的现象, 随着电流或磁通的不断变化, 电感的数值也会渐渐改变。在电力系统处于正常运作的状态下, 电压互感器的感抗比电网对地电容的要大很多, 不能产生谐振。但是一旦受到了外界的适宜刺激, 使感抗降低就会构成产生谐振的条件, 从而导致了铁磁谐振的产生。根据网络的参数和外界环境的限制, 可以决定电压互感器造成谐振的过载程度, 按照影响条件可以分为以下几点:工频谐振引起的过载、高频率谐振所引起过载、不同谐振引起的过载等。当出现工频谐振所引起的过载时, 发生的状况可以表现为两种形式, 一种是电压比地面电压高, 另一种则是电压比地面的电压低, 这种表现和单一接地面的连接部位断开十分相似。然而高频谐振所引起的过载和不同谐振引起的过载, 它们的表现情况都是相同的:所有的电压都高于地面电压。通过对细节进行研究, 我们发现无论是工频谐振还是高频谐振, 其过电压的幅值都在额定相电压范围内。在设备保持良好的绝缘功能的时候, 它们的谐振不会产生危害。但是分频谐振并不是这样, 分频谐振的频率较前两者频率低, 会使电流长时间饱和, 大电流流过互感器, 进而将高压熔断器熔断, 也可以产生其他破坏程度更强的损害。换言之, 分频谐振最不稳定, 破坏能力最强。
3 电磁谐振消除措施
3.1 电压互感器一定要使用高质量产品
高质量的产品对于使用者的体验非常高, 所以应该选用高质量的电压互感器, 其磁性质量也很高。伏安特是检验一个电压互感器好坏的重要标准, 触发谐振的速度需要感抗的快速变化, 而低质量的电压互感器是很难进入充分的饱和区的, 所以触发谐振效果不好。电压互感器的做工材料和质量越高, 产生铁磁谐振的指标范围就越窄, 触发谐振的能力越差。换另一个角度来说, 这也是解决问题的唯一途径, 然而作用效果并不突出。额定磁密是反应互感器感应灵敏度高低的指标, 有许多的因素可以制约到互感器的质量和制作过程, 例如材料的价格和厂家规模的大小等, 所以电磁互感器的质量不会特别灵敏, 它的性能也不能随着时间推移而不断上升。
3.2 电压互感器在同一个网络系统中的安装数量影响功能
电压互感器的数量是决定感抗变化幅度的唯一因素, 电压互感器的数量越大, 网络的敏感功能越差, 感抗的变化范围越窄, 谐振运动发生概率越大。所以在每一个网络系统里, 只能存在一个互感器接地, 这个互感器就是电源方向的, 其他的互感器都应该除外。如果其他互感器不能除外, 就需要把互感器接地的连接位置切断, 在客户应用互感器时应该尽可能的保证它们悬空使用, 把互感器作为单一作用的装置。
3.3 阻尼电阻在电压传感器中的正确接入方法和部位
阻尼电阻在电压互感器中的正确接入部位是第二个开口的三角形部位, 它的真正意义在于在高压那一方向上安装一个电阻。电阻的数值越高, 中性点的位移电压由于互感器的饱和而引起的作用就越不显著。互感器的接地方式是单一方向时, 第二个开口的三角处就会出现两端的电压为零的现象, 这一现象的前提是电阻的数值非常高, 电阻的数值不够用时, 电阻会因为电流的效应产热过多而损坏, 电压互感器随着电阻的发热过多也会发生损坏, 因此采用微机消除谐振的装置接入是必须的。当互感器的功能正常时或者接地方式为单一方向时, 就不能采用微机去消除谐振, 这种故障判断为谐振时, 便使正反并联在开口三角两端的两只晶闸管交替过零触发导通, 就可以采用降低开口三角两侧电压的方法来解决, 需要将两侧电压降至几乎为零, 这样就可以消除磁铁的谐振故障。因为减压的时间不会特别长, 所以对于互感器的影响也几乎为零。运用微机消除谐振运动也存在很大的漏洞, 单一方向接地和谐振的方式的辨别是一大缺点。还包括, 长时间运行的间断高电压的通过, 可以发生很多次动作电位, 这样会使互感器中的电流异常增大, 电阻会不断发热, 这种故障还可以引起装置的损坏的。
3.4 在电压互感器一次侧中性点经电阻接地
这种方法作为常用消谐方法, 也经常被称作一次消谐。在此系统中, 电网中仅有的金属性对地通道便是母线PT的一次绕组中性点接地。在单相接地的故障被消除的时候, 电网对地电容通过互感器一次绕组中性点有一个充放电的过渡过程。有相关的试验研究表明, 此时的电流数值可以达到很高, 甚至是会超过电压互感器励磁电流的几百倍。通过前文所述, 我们知道, 高电流会导致铁磁饱和, 造成一系列的故障发生。采用此种方法后, 可以有效的减缓电流, 保护高压熔断器, 抑制铁磁谐振现象的产生, 减少经济损失。
3.5 电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地
探其原理, 主要是借一次侧中性点串接的零序互感器来使电压互感器的等值电抗增大, 使单项接地故障在消失过程中释放出来的电流得到有效的抑制, 这样便有效的规避了铁磁谐振的发生。虽然这种方法很有效, 也得到了事实的验证, 但是有一点是必须要注意的, 当电压互感器中性点仍承受了较高的电压时, 很容易产生谐振未消失而电压互感器也保持完好不被损害。
3.6 消弧线圈法
当接地的方式采用穿过消弧线圈中性点的方法时, 消弧线圈的电感指标远远小于电压互感器的励磁电感, 这样一来便不能达到磁铁谐震发生的阈值而使之不能发生。通过互感器的电流也需要由消弧线圈的指标来决定, 这样一来消弧线圈可以间接的保护电压互感器。
4 结束语
铁磁谐振并不是正常现象, 而是一种可以引发很多问题的严重故障。要想最大限度地避免谐振带来的危害, 就要在初始的设计的环节进行消谐设计, 防止或减弱谐振带来的负面影响。文章以上就自己的观点进行了阐述。
参考文献
[1]王庆华.小电流接地系统实验平台研制和实验内容开发[J].实验室研究与探索, 2013, 32 (1) :19-23.
铁磁谐振 第8篇
为保证供电的可靠性,变电站主变10k V侧中性点不接地,由于线路中传输的交流电对地存在充放电效应[1],因此配电线路(尤其是电缆线)对地存在分布电容,接于10k V母线上的电压互感器从工作原理上来说就相当于一个三相小容量变压器,各相感抗相等,互感器中性点电压等于零。但如当投入空载母线、单相接地障发生和消失或者系统的一些其他干扰引起电压上升的时候,电压互感器的原边励磁感抗随着励磁电流的增大会逐渐饱和,使得励磁阻抗急剧减小[2],当励磁阻抗与线路和系统电容发生或者接近谐振的时候就会使得电压互感器两端过电压,电压互感器一次励磁电流急剧增大,使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值,但超过了电压互感器额定电流,长时间处于过电流状况下运行,必然造成电压互感器烧损。2012年8月岳阳电网220k V汉昌变就发生了一起因铁磁谐振引起的电压互感器烧坏事件,本文深入分析铁磁谐振发生的原因,总结了一些常用的消谐方法,并提出一种新型抑制和消除铁磁谐振的装置。
1 系统运行方式和事件发生过程
2012年8月16日19:20分,监控中心报220kV汉昌变10kVⅡ母三相电压不平衡,UA=7.86kV,UB=UC=12.35kV,拉开10kV汉洪Ⅰ线后,系统谐振现象消失。在检查高压室时,发现10kV 324TV已经烧坏。
2 事件原因分析
根据事故发生时调度掌握的系统运行遥测数据和现场设备运行情况,初步可以判断事件发生的原因是恶劣天气条件引起10kV汉洪Ⅰ线线路瞬间接地,造成电压互感器两端过电压,从而引发它与系统电容产生谐振,拉开汉洪Ⅰ线后谐振消失。
2.1 铁磁谐振分类和特征
由于对地电容和互感器的参数不同,在变化的感抗和不同频率的激励源作用下,可能产生三种频率的共振:基波共振、高次谐波共振和分频谐波共振[2]。各种共振的表现形式如下:
基波共振:可分为两种现象特征:(1)系统两相电压升高,一相电压略低,电压互感器的中性点对地有电压差并且高于相电压;(2)两相对地电压降低,一相对地电压升高,中性点有电压,以第一种情况较为常见。
分频谐波共振:分频谐振是电感与电容谐振频率低于工频,此时互感器三相电压同时升高,并且电压互感器中性点有电压。同时电压互感器一次电流会急剧增加,甚至可达额定电流的30~50倍或者更高。中性点电压频率大多数低于1/2工频。
高次谐波共振:电压互感器三相电压同时升高,中性点有较高电压,频率主要是三次谐波,这是因为电压互感器励磁绕组饱和后会产生较多的三次谐波。
2.2 铁磁谐振的原因分析
变电站10k V母线上都装设电磁式电压互感器(简称TV),在某些扰动下如:TV冲击合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等,使电压互感器发生三相不同程度的饱和,以至破坏了电网的对称,电网中性点就出现较高的位移电压,设L1为TV三相并联的零值电抗,而当L1与3C0回路达到固定振荡频率ω0时,将会在系统中产生谐振现象。随着系统对地的电容3C0的增大,依次发生高次(2、3次)、基波、1/2次分频谐振。谐振一旦形成,如果谐振激励源一直存在或者谐振回路阻尼较小,谐振状态可能“自保持”,维持很长时间不衰减直到遇到新的干扰改变了谐振的条件才可能消除。
设等效电路图中的谐振激励源为,电流为,电压互感器线圈上的电压为,等效电容电压为,向量图如图3~4。
从以上向量图看出在串联谐振电路中,当电感、电容的参数配合适当,随着激励源频率的不同,电容或者电感上的电压都有可能成倍的超过激励源,谐振过电压的倍数与激励源的倍数与谐振回路阻尼R、电压互感器在饱和情况下电感变化范围以及激励源自身频率成分有关。
3 常见的铁磁谐振抑制和消除方法
防止铁磁谐振的产生,应从改变供电系统电气参数着手,破坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。
3.1 一次消谐法
一次消谐是在TV高压绕组中性点接消谐电阻如图5、6所示,消谐电阻的作用有两点:(1)起到振荡回路阻尼的作用,可以防止振荡电流过大和振荡时间过长;(2)将振荡回路的能量进行泄放,只要阻值选择适当,就不影响TV的正常运行。适用于电网较大、对地电容较大的场合。
采用这种消谐方式,由于在TV中性点接入了电阻,电网有接地发生或者三相平衡被破坏时,消谐电阻与互感器绕组进行了分压,从而使得系统测量电压偏低,影响测量精度。
3.2 二次消谐
二次消谐器采用高性能的单片微机作为核心元件,对TV开口三角电压进行循环检测。正常工作情况下,该电压小于30V,装置内的大功率消谐元件(固态继电器)处于阻断状态,对系统运行不产生影响。当TV开口电压大于30V时,系统出现故障。消谐装置开始对此信号进行数据采集,通过电路对信号进行数字信号处理技术,然后对检测到的数据进行分析、计算,得出故障类型。如果当前是铁磁谐振,系统立即启动消谐电路,使固态继电器导通,让铁磁谐振在阻尼作用下迅速消失。
二次消谐能有效地抑制TV饱和过电压,但它有一定局限性,无法抑制低频饱和电流,特别是当电压互感器发生谐振,并且谐振电流很大时,由于二次侧开口三角形被短路,造成一次侧互感器电流变得更大,同时装于消谐装置装设在二次侧,无法抑制一次侧高压涌流,互感器熔丝仍然容易熔断;适用于电网较小,对地电容不大的场合。
4 智能铁磁谐振抑制和消除法
从以上分析可知无论是一次消谐还是二次消谐,虽然能取得一定的消除和抑制铁磁谐振的作用,但两种方法都存在一定的局限性和缺陷。针对这种情况,本文提出一种基于可控硅的智能铁磁谐振消谐方法,如图7所示,该方法较好的综合一次消谐和二次消谐优点,基于可控硅的智能控制系统能够很好的弥补一次和二次消谐振方法的缺点。
4.1 工作原理分析
图7中,智能消谐系统由四部分组成:检测系统、决策系统、输出部分以及执行部分。检测系统用于实时检测电网各种运行数据,如电压、电流、频率成分等,并把这些数据送入决策系统;基于专家知识库的决策系统接收从检测系统检测的数据来判断电网是否发生了谐振和谐振类型;输出系统根据控制系统判断结果将控制信号输入执行部分;执行部分用于控制双向晶闸管的导通角度。电压互感器发生谐振时,控制系统判断出谐振类型和算出双向晶闸管的导通角度和导通时刻,输出系统将这些信号直接转换为执行硬件的控制脉冲。当系统发生接地或者对称性被破坏时,初始状态下双向晶闸管是不导通的,在决策系统做出判断之前,这是中性点对地相当于开路,从而避免了由于消谐电阻与电压互感器分压,保证了消谐装置检测系统参数的准确性。当电压互感器与系统发生谐振时候,双向晶闸管可正向和反向导通不同的角度,从而等效控制谐振回路的阻抗,这样可以有效的破坏振荡回路的谐振条件,也减小了振荡电流。
4.2 仿真分析
为了验证新型铁磁谐振装置的有效性和正确性,在电力系统仿真软件PSIM中搭建了仿真模型,如图8所示,通过合理的设置系统参数,仿真模拟了系统持续发生接地,由于电压互感器励磁绕组两端过电压发生饱和与系统容抗形成铁磁谐振。
仿真结果显示,在系统发生单相弧光接地,电压互感器与系统对地电容发生谐振时,新型智能消谐装置能够很好地消除铁磁谐振,能有效的破坏谐振条件,同时将谐振回路的能量进行释放,而且基于专家知识库的决策系统还能判断出谐振的类型,并依据谐振类型和谐振的强度输出不同的控制脉冲。
5 结束语
本文提出的一种新型智能消谐装置,综合了一次消谐装置能防止电压互感器饱和过电压和抑制低频饱和电流,又能防止高压熔丝熔断以及二次消谐装置能够进行智能判定和快速进行谐振能量释放的优点,而且克服了一次、二次消谐装置存在消谐电阻分压和泄放电流过大的缺点。仿真结果证明了该装置能很好的抑制和消除谐振,在实际工程应用中具有实践和推广价值。
参考文献
[1]何仰赞,温增银.电力系统分析[M].华中科技大学,2004,16～20.
[2]王亮,施围,沙玉洲,等.电压互感器三相励磁特性对铁磁谐振的影响[J].继电器,2005,33(2):35～42.
