電壓互感器諧振分析及抑制措施探討

摘要：電力系統(tǒng)諧振過電壓危害很大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)諧振過電壓的研究探討，提出了抑制鐵磁諧振的措施，對(duì)電網(wǎng)安全起到有效防范作用。

關(guān)鍵詞：鐵磁諧振 因素 原理 措施

0 引言

通常情況下，直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)共同組成電力系統(tǒng)接地系統(tǒng)。直接接地系統(tǒng)的特點(diǎn)是容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，不接地系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，容易出現(xiàn)串聯(lián)諧振。長期以來，電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行受到電力系統(tǒng)諧振過電壓的嚴(yán)重影響和制約。鐵磁諧振在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中所占的比例比較大。當(dāng)前，鐵磁諧振問題隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中變得越加突出、嚴(yán)重，發(fā)生的概率也在逐漸增大，公司系統(tǒng)多次發(fā)生鐵磁諧振引起的過電壓案例，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很大，危害很深，應(yīng)引起足夠的重視。

1 產(chǎn)生諧振的原因分析

1.1 外部因素。有以下4種情況：其一，線路對(duì)地電容和線路電阻隨著電力線路長度在電力系統(tǒng)中發(fā)生的變化也將發(fā)生變化，空母線充電或倒母線時(shí)，易產(chǎn)生對(duì)地電容引起的并聯(lián)諧振。其二，在暫態(tài)激發(fā)條件下，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，電壓互感器容易發(fā)生鐵磁飽和，其電感量L處于非線性變化，當(dāng)發(fā)生雷電感應(yīng)侵入或線路瞬間接地，特別是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，串聯(lián)諧振在一定程度上就會(huì)容易產(chǎn)生。其三，直接投入系統(tǒng)的電容發(fā)生變化，進(jìn)而在一定程度上造成諧振，如投入補(bǔ)償電容器，打開斷路器斷口時(shí)，并聯(lián)電容容易發(fā)生并聯(lián)諧振。其四，運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，分次諧波就會(huì)產(chǎn)生，進(jìn)而在一定程度上使ω發(fā)生變化，如拉、合隔離開關(guān)，可能產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。

1.2 內(nèi)部因素。也有以下4種情況：其一，由于安裝維修人員在變電站施工安裝時(shí)未對(duì)電壓互感器有關(guān)知識(shí)進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)電壓互感器工作原理、接線原理知識(shí)不扎實(shí)，致使電壓互感器L端、N端所接二次回路全部重復(fù)接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地后導(dǎo)致電壓互感器線圈燒毀。其二，運(yùn)行操作人員在倒閘作業(yè)中出現(xiàn)操作程序不規(guī)范，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓致使一次保險(xiǎn)或電壓互感器燒毀。其三，測(cè)試周期不科學(xué)，致使電壓互感器絕緣性能降低時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。它雖不能直接造成電壓互感器燒毀，但卻是間接導(dǎo)致電壓互感器燒毀的主要原因。其四，由于外力或人為破壞電力線路造成接地致使鐵芯勵(lì)磁飽和引起電流、電壓波形的畸變，產(chǎn)生過電壓，引發(fā)燒損一次保險(xiǎn)等故障。

2 產(chǎn)生鐵磁諧振的原理

電網(wǎng)的中性點(diǎn)電位在正常情況下為零，在線路中當(dāng)出現(xiàn)瞬間單相故障時(shí)，對(duì)于其它兩相電壓來說，就會(huì)出現(xiàn)升高，進(jìn)而在一定程度上導(dǎo)致電壓互感器兩相電壓升高而出現(xiàn)飽和，降低了勵(lì)磁電感，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，當(dāng)三相之和為零時(shí)，便產(chǎn)生串聯(lián)諧振，中性點(diǎn)電壓急劇上升，由于鐵芯的勵(lì)磁飽和會(huì)引起電流、電壓波形的畸變，即產(chǎn)生了諧波；當(dāng)線路長，對(duì)地電容大，容易發(fā)生分次諧振，產(chǎn)生過電壓；反之，當(dāng)線路短，對(duì)地電容小，容易發(fā)生高次諧振，產(chǎn)生過電壓。

當(dāng)XC/XT≤0.01時(shí)，諧振不會(huì)發(fā)生，1/2次諧波、基波、三次諧波的諧振隨著XC/XT的增加而依次發(fā)生，同時(shí)電壓逐漸增大，因此1/2次諧波所需電壓最低，最容易產(chǎn)生諧振，基波和高次諧波諧振過電壓一般不超三倍電壓，1/2次諧波諧振過電壓，由于受到互感器嚴(yán)重飽和的影響，勵(lì)磁電流急劇增加，可高達(dá)正常勵(lì)磁電流的幾十倍，常會(huì)引起熔斷器熔絲熔斷和互感器燒損。

3 消除鐵磁諧振的措施

3.1 選擇較好勵(lì)磁特性的電壓互感器；選用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器通常情況下是解決鐵磁諧振問題最有效的辦法。電壓互感器在過電壓的情況下不足以進(jìn)入深度飽和區(qū)，也就不能達(dá)到諧振的匹配參數(shù)，因此，通過選擇電容式電壓互感器，其良好的伏安特性，在一定程度上不容易激發(fā)鐵磁特性。

3.2 減少并聯(lián)電壓互感器在同一系統(tǒng)中的臺(tái)數(shù)；總的伏安特性一般情況下會(huì)隨著并聯(lián)運(yùn)行電壓互感器臺(tái)數(shù)的增加而變差，感抗也就變小。電網(wǎng)中電容電流在這種情況下就會(huì)變大，鐵磁諧振在一定程度上就越容易發(fā)生。所以，35千伏母線并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，投入一臺(tái)做絕緣監(jiān)視就可以了，如果不能退出，這時(shí)就可以將高壓側(cè)接地的中性點(diǎn)斷開。

3.3 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)與單相電壓互感器進(jìn)行串接；通常情況下，對(duì)于主電壓互感器來說，其一次線圈呈星形接線，經(jīng)零序電壓互感器中性點(diǎn)接地，實(shí)現(xiàn)XC/XT≤0.01，進(jìn)而在一定程度上避免因飽和造成的鐵磁諧振。

3.4 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)與電阻串接；電壓互感器每相對(duì)地串接電阻，即在鐵磁諧振的串聯(lián)諧振回路中串入電阻，在一定程度上將系統(tǒng)阻尼系數(shù)增大。也可利用消諧器進(jìn)行消諧，消諧器由多個(gè)非線性電阻串聯(lián)而成，接在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)與地之間。

3.5 在母線上加裝對(duì)地電容，實(shí)現(xiàn)XC/XT≤0.01；發(fā)生諧振時(shí)，利用變電站母線上安裝的電容器，增大母線電容，待消除諧振后，再切除電容器，進(jìn)而在一定程度上避免過補(bǔ)償。

3.6 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地相當(dāng)于在電壓互感器每一相勵(lì)磁電感上并聯(lián)一個(gè)電感，進(jìn)而避免諧振的產(chǎn)生。

3.7 利用電容式電壓互感器；電容分壓器和一個(gè)較低電壓等級(jí)的中間電磁式電壓互感器共同組成電容式電壓互感器，進(jìn)而在一定程度上能預(yù)防諧振的產(chǎn)生，但容易產(chǎn)生自振現(xiàn)象。

3.8 采用臨時(shí)的到接系統(tǒng)方式等措施來消除諧振，如投入電容器、消弧線圈、空載線路等。

4 減少諧振的方案——優(yōu)化設(shè)備選型

由于電壓互感器特性不好，鐵芯易飽和，所以在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中就容易產(chǎn)生鐵磁諧振，鐵磁諧振2/3以上屬于分次諧波諧振，其余1/3屬于基波或高次諧波諧振，這些諧振是造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素，為此，需要優(yōu)化設(shè)備選型方案。

4.1 確定電壓互感器勵(lì)磁特性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，特性好的電壓互感器對(duì)絕緣進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量，一次中性點(diǎn)引出接地，特性不好的電壓互感器主要用于測(cè)量，一次中性點(diǎn)不引出接地。

4.2 當(dāng)XC/XT≤0.01時(shí)，鐵磁諧振就可避免，新設(shè)備投運(yùn)前實(shí)測(cè)XC、XT值，對(duì)產(chǎn)生鐵磁諧振的可能性進(jìn)行判斷，同時(shí)采取有效措施進(jìn)行解決。

4.3 當(dāng)電壓互感器的伏安特性不符合規(guī)定時(shí)，系統(tǒng)中承擔(dān)中性點(diǎn)不接地絕緣監(jiān)視的電壓互感器一次中性點(diǎn)接地，科研、設(shè)計(jì)階段要求電壓互感器開口三角處配置消諧裝置。

4.4 設(shè)備選型時(shí)要求制造廠提供低磁密電壓互感器，鐵芯最大工作磁密應(yīng)降低至1/1.732倍以下。

參考文獻(xiàn)：

[1]康萬銀.10kV電壓互感器單相接地與諧振的區(qū)別[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2009（10）.

[2]李建軍，曾燦林，李曉翔.一種鐵磁諧振抑制和消除新方法[J].價(jià)值工程，2013（14）.

[3]高鵬，馬江泓，劉富元，白瑞雪.非有效接地系統(tǒng)中電壓互感器防諧振措施研究[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008（01）.

作者簡(jiǎn)介：張素升（1974-），男，山西朔州人，2013年畢業(yè)于太原工業(yè)學(xué)院電量系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師；張登宇（1977-），男，山西朔州人，2002年畢業(yè)于太原重機(jī)學(xué)院電量系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師、技師。