铁磁谐振及其抑制措施的研究与实际应用

李华刘帅钟国平

(广东粤港供水有限公司,广东深圳518021)

摘要:中性点不接地电网中,电压互感器的励磁特性导致铁磁谐振经常发生,严重影响了系统安全运行。现对该现象产生的原因进行分析,并介绍一种简单、经济、安全的措施来抑制铁磁谐振,同时在实际运行中证明了该措施的可靠性。

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关键词 :电压互感器;励磁特性;开口三角;消谐电阻

0引言电磁式电压互感器被普通使用于6~35kV不接地电网中,其励磁特性使得某些情况下易出现铁磁谐振现象,严重威胁了系统的安全运行。

1简化模型

1.1系统等值电路模型

太园泵站6kV系统为中性点不接地系统,采用单母分段运行方式,两段母线各安装一个电磁式电压互感器来监视母线三相电压,电压互感器一次侧绕组采用星形接法,中性点直接接地,其等值电路如图1所示[1]。

E1、E2、E3—电源三相电动势

L1、L2、L3—电压互感器各相对地励磁电感

C0—空载母线对地电容

1.2电压互感器非线性特性模型

太园泵站电压互感器为三相五柱式,当电压互感器电流较小时,U与I基本成正比关系。根据公式L=ddt,电压互感器各相励磁电感基本为一固定常数。当电流逐渐增大到一个门槛值时,铁芯工作于饱和状态,此时铁芯中的磁链并不是随电流I的增大而线性增大,与I的关系呈现出非线性状态,此时电感L已经不再为一固定常数,而是随着电流I增大而逐渐减小。

2中性点位移电压

当电力系统处于正常运行状态时,流经电压互感器的电流较小,电压互感器工作在正常状态,其各相励磁电感与电容并联后的导纳为:

Yi=ωC0-1ωLi(i=1,2,3)(1)

此时三相导纳值相等,电网中性点对地电压为0。

投入只带有电压互感器的空母线、投切空载线路、系统单相接地故障消失等情况,都能造成电网电压的瞬时升高,使得电压互感器相应相的励磁电流增大,此时会导致电压互感器铁芯饱和。由于三相铁芯饱和程度不同,会造成Yi三相不平衡。

假设A相的电压突然升高,导致电压互感器铁芯饱和,L1减小,此时零序电压为:

U0=E1Y1+E2Y2+E3Y3Y1+Y2+Y3=∑3i=1EiYi∑3i=1Yi

(2)

由式(1)可知,若L1减小导致Y1显著减小,此时零序电压显著增大。但是母线电压Ei保持不变且中性点不接地,而电压互感器一次侧中性点直接接地,如此会造成系统的中性点对地电压上升至一明显数值。若因系统配置问题导致∑Yi值趋近于0,即分母趋近于0,则会出现极其严重的铁磁串联谐振[2]。

3实际谐振现象及抑制措施

太园泵站自1998年投产以来,空载投入6kV母线时,时常出现6kV母线“零序电压报警”,偶有PT熔断器熔断现象出现。经过测量,三相电压都有不同程度的升高,具体数据如表1所示。

3.1铁磁谐振现象

铁磁谐振分为分频谐振、基频谐振及高频谐振三类。

H.S.

Shott和H.A.Peterson研究了产生各种谐波振荡的条件,根据典型PT励磁特性作出的谐波振荡区域曲线如图2所示[3]。

1—1/2谐波分频谐振2—基频谐振3—2次谐波高频谐振

由图2可以分析出,从分频谐振到高频谐振,其最低激发电压也逐渐升高。因此,在实际运行中,分频谐振最容易产生。当系统等效对地基波容抗与PT在线电压作用下等效感抗之比(即XC0Xm)小于0.01或远大于2.8时,理论上不会产生谐振。

基频谐振又被称为“虚幻接地”,因其表现形式为两相电压升高、一相电压降低或一相电压升高、两相电压降低,该现象与单相接地短路故障相似,其谐振频率为工频。

当系统出现分频谐振或高频谐振时,由于其频率并非工频50Hz,与电源E的频率不相等,因此不能进行简单的矢量相加,其系统三相的有效值为:

Ui=U20+E2i(i=1,2,3)

(3)

此时系统三相电压同时上升或依次轮流上升,电压表读数在相同的范围内低频波动。

从理论上分析,铁磁谐振中高频谐振的过电压极大,其表现形式为测量电压值远超线电压或直接达到电压表的阈值。相比较而言,除非系统存在绝缘水平较低的设备,高频谐振一般不会造成危险,但经常造成电压互感器冒烟、高压熔断器熔断、绝缘闪络等现象,并且在电压互感器开口三角处会出现较高的零序电压值,造成运行人员判断接地故障等错误信息。

分频谐振常见的谐振频率为1/2,即25Hz,因频率下降了一半,其励磁电抗XL=jwL也下降一半,铁芯元件饱和出现非线性,励磁电流将急剧升高,甚至达百倍以上。电压互感器将严重饱和,此时过电压幅值会受到明显限制,其值在1.2~1.4倍的相电压做低频摆动,线电压基本保持不变。相比较而言,分频谐振比较危险,励磁电流急剧增加会导致熔断器频繁熔断,烧毁电压互感器或使限流电阻受热爆炸,长期升高的电压会严重危害避雷器的正常运行。

从表1可以分析出,太园泵站铁磁谐振过电压约为1.2倍的相电压,且其值在1.2~1.4倍之间低频摆动,因此为危险度较高的分频谐振。若不解决该谐振现象,长期运行将出现电压互感器烧毁、爆炸等危险情形,甚至影响泵站机组的正常运行和供水安全。

3.2铁磁谐振抑制措施

抑制谐振措施主要分为两大类:第一类为通过改变电容、电感参数,使其远离谐振范围,不容易激发谐振,如选用励磁伏安特性较好的电压互感器、减少同一网络中并联PT台数等;另一类为通过消耗谐振的能量,消除谐振,如系统中性点经消弧线圈接地、PT开口三角绕组接电阻等。

上述方案中,最简单、经济、实用的方法是PT开口三角绕组接电阻,既可以消除谐振,且施工简单、安全。

4消谐电阻原理及选取

4.1消谐电阻工作原理

消谐电阻接在PT开口三角绕组上,当电网有零序电压出现时,该电阻才会消耗能量;理想正常运行情况下不会消耗任何能量,如图3所示。

电阻接在开口三角,必然会导致一次侧电流增大。若阻值太小,电阻会严重发热损毁,且电压互感器可能过载,当发生瞬时弧光接地时,流经一次绕组的电流明显增大,可能导致PT过热损毁。

4.2消谐电阻选取

消谐电阻RΔ的选取首先要通过PT单相开路试验,计算励磁电抗,按照标准的要求RΔ≤0.4(X1mK2)选取相应阻值[4]。这里介绍一种简单易行的计算方法,按照该方法选取消谐电阻,能明显有效地消除谐振,并通过在太园泵站实际应用,验证其消谐能力。

太园泵站中6kV母线PT的极限输出为150VA,在谐振发生时,PT开口三角电压测试值为98.7V,此时可以计算出电阻R′=U2P=98.72150≈65Ω。消谐电阻RΔ的选取应该稍大于R′,因此选择市面上一RX2066Ω电阻安装在6kV电压互感器柜顶上,并将阻尼电阻两根引线分别接到PT开口三角绕组接线L612(L622)和N612(N622)端子上。

消谐电阻选取、安装和使用过程中应该注意如下几点:

(1)消谐电阻的功率不应大于PT的极限功率;

(2)安装消谐电阻时,要注意安装部位的绝缘,防止PT二次侧多点接地;

(3)运行后要注意PT的精度,防止测量误差过大。

5消谐电阻消谐能力验证

按照设计方案,对太园泵站进行多次试验,验证消谐电阻工作能力,具体方案及结果如表2所示。

从实际测量得出,当两段母线PT都不安装消谐电阻时,PT开口三角处的电压基本维持100V,变压器带空载母线会出现谐振现象和零序电压报警信息;当两段母线PT都安装消谐电阻时,PT开口三角处的电压基本为0,变压器带空载母线不会出现谐振现象和零序电压报警信息;而当一段母线PT安装消谐电阻,另一段母线不安装消谐电阻时,通过示波器可以在未安装消谐电阻的PT开口三角处测量到零序电压,但在1s左右时间内被消除,此时由于零序电压保护动作条件未达成,不会出现零序报警信息。

6结语

太园泵站采用上述消谐方案后,运行一年多再未发出零序电压报警信息,也未发生6kVPT高压熔断器熔断现象,实践证明上述消谐方案是可行的。在中性点不接地系统中,铁磁谐振现象经常发生,原因在于PT内部的铁芯饱和,其根源是铁芯[本文来自于www.anogene.cn]的非线性励磁特性。在无法大规模改变系统中PT数量、加装电容器、更换PT的情况下,使用在PT开口三角加装阻尼电阻的消谐方案,是一种较为安全便捷的选择。

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参考文献

[1]王晓云,李宝树,庞承宗.电力系统铁磁谐振研究现状分析[J].电力科学与工程,2002(4):4951.

[2]余宇红.铁磁谐振过电压的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[3]ShottHS,PetersonHA.CriteriaforNeutralStabilityofWyeGroundedPrimaryBrokenDeltaSecondaryTransformerCircuits[J].TransactionsofTheAmericanInstituteofElectricalEngineers,1941,60(11):9971002.[本文来自于www.anogene.cn]

[4]韩洪泽.TV开口三角处并联消谐电阻的选用和注意事项[J].农村电气化,2000(6):37.

收稿日期:20150915

作者简介:李华(1970—),男,湖北人,工程师,从事电力系统运行与控制方面的工作。

浏览次数:  更新时间:2017-02-24 09:15:12
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