電磁式PT鐵磁諧振的防范與抑制措施

陽泉市煤氣公司 趙曉峰

電磁式PT鐵磁諧振的防范與抑制措施

陽泉市煤氣公司 趙曉峰

在10KV中性點不接地系統中，對經常發生的電磁式PT故障現象進行了分析，闡述了鐵磁諧振的諸多特點，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

某燃氣公司儲配站供電系統設計為10KV雙回路供電,采用微機綜合繼電保護裝置,操作電源系統由電磁式PT升壓至220V后提供,一次主接線高壓柜排列為計量柜、PT柜、進線柜、變壓器柜、母聯柜、隔離柜。該系統投運近十年內,發生六次PT損毀事件,其中一次還包括計量PT,而且故障頻度主要產生在熱備用線路端,具體表現為熔斷器炸裂熔斷,PT本體炸裂,內部絕緣物質噴出,有時伴有弧光燒損痕跡,對供電系統的安全可靠運行帶來較大風險。

2 諧振產生原因

經檢測PT二次回路無接地、短路現象,所帶的5臺微機綜合繼電保護裝置的負荷很小,未超過PT額定功率;僅于短時工作的真空斷路器的彈簧儲能電機也未超過PT極限功率,正常運行不會造成PT內部繞組發熱增加。

然而電力系統的故障除過負荷、短路、接地外,由變壓器、電磁式電壓互感器、消弧線圈等設備鐵芯電感的磁路飽和作用,激發產生持續的較高幅值的鐵磁諧振過電壓也是引發電力系統振蕩的常見故障。尤其在35KV及以下中性點非直接接地系統中,電磁式PT一次繞組采用星形接線,中性點直接接地,成為系統三相對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下,系統的穩定性與對稱性遭到破壞,引發電網中性點位移,產生的非線性諧振,使得單相、兩相及三相對電壓升高,或者產生高值零序電壓分量,出現虛幻接地現象,或者引發PT過電流,PT故障更為頻發,重則引起相位反傾,電機反轉。

諧振過電壓的危害既取決于它的幅值,也取決于它的持續時間,既危及電氣設備的絕緣,持續的過電流將燒毀小容量的電感元件,還影響保護裝置的工作條件,如避雷器的滅弧等。

3 諧振產生機理

諧振過電壓就是具有電感電容等元件的電力系統構成一系列不同自振頻率的振蕩回路,當系統進行操作或發生故障時,某些振蕩回路就有可能與外加電源發生諧振現象,導致系統中某些部分(或設備)上出現過電壓。

諧振過電壓在特定的電感參數下,配合一定的電容參數和其它條件,會產生線性諧振、鐵磁諧振及參數諧振三種不同性質的諧振現象。

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磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件和系統中的電容元件組成。當系統的自振頻率與電源頻率相等或接近時,即能產生線性諧振。工頻線性諧振主要發生在達到一定長度空載線路,不對稱接地或非全相操作則會使諧振時線路長度更為縮短,線路損耗電阻是限制過電壓幅值的唯一因素,可經消弧線圈對電網中的線性諧振進行補償。

參數諧振是由像凸極發電機的同步電抗的周期性變化的電感元件與系統空載長線路的電容元件組成回路,以參數配合適當時,經電感周期變化,向諧振系統供應能量,即會造成參數諧振過電壓。具體表現為自勵磁過電壓,其能量由改變參數的原動機所供給,不需單獨的電源電壓。可通過增大回路阻尼電阻、采用快速自動調勵裝置、增加投入發電機容量以及線路側并聯電抗器等措施進行抑制。

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的電容元件組成。由于鐵芯電感的飽和現象,使回路的電感參數是非線性的,在滿足一定的諧振條件時,即會產生鐵磁諧振,根據不同參數,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而突然產生的,同時能伴有反傾現象,可能使工頻相序由正序變為負序;鐵磁諧振具有激發消失后,在正常電源電壓作用下,多數情況鐵磁諧振能繼續維持存在(自保持);在實際電力系統中,配電變壓器的故障接地、輸電線路斷線、熔斷器的不對稱熔斷以及斷路器不同期操作等,均能構成串聯諧振回路,只要有足夠強烈的沖擊擾動,并且參數配合適當(一定的線路長度、斷線點),即會引發基波、分頻、高頻諧振;尤其在中性不接地系統中電磁式PT不同的飽和程度引起較高的中性點工頻、諧波位移電壓而激發起諧振過電壓等。

因此,電PT產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。(2)PT感抗為容抗的100倍以內,即參數匹配于諧振條件內。(3)需要相應的激發條件,如系統空載投入與切斷、單相接地突然消失、外界對系統的干擾產生的過電壓等。

4 PT鐵磁諧振防止措施

根據鐵磁諧振機理,從兩方面可改善和預防PT引起的鐵磁諧振現象,一是改變系統的電感電容的參數,使其遠離諧振的匹配條件;二是吸收諧振時產生的能量,抑制或消除發生的諧振。

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電容器組成的電容分壓器,以及由裝在密封油箱內的變壓器,補償電抗器和阻尼裝置組成的中壓變壓器兩部分構成,CVT其特有的結構,不會象鐵磁式PT與斷路器斷口電容產生鐵磁諧振,從而消除了諧振引起的PT故障,至于CVT內部的非線性電感僅局限于中壓回路內部,可能產生的諧振不會影響至一次側,同時由于加裝的阻尼器可有效消除諧振。因而在高壓、超高壓電力系統得到廣泛應用,但其暫態過程性能,以及測量精度等方面有待提升［1］。

4.2 選用勵磁性能優良的PT［2］

選用勵磁特性好的PT,在系統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,進而使之不易形成滿足諧振的參數條件,諧振發生的概率大為降低。但由于PT勵磁特性提高后,相應的諧振電容參數就縮小,一旦發生諧振,其過電壓、過電流值將會更大［2］。

4.3 PT高壓側中性點經消諧電阻接地

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

4.4 PT高壓側中性點經零序電壓互感器接地，即“4VT”接法

PT高壓側中性點經零序電壓互感器接地,開口三角繞組短接,其零序阻抗很小,當單相接地時,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生,其二次側有電壓輸出而發出接地報警。當接地消逝時,電容放電電流通過主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放電電流,不致引起互感器飽和而發生諧振,對諧振有強烈的阻尼作用,對涌流有限制作用。

4.5 PT二次側開口三角接阻尼電阻

在發生鐵磁諧振時,開口角兩端感應零序電壓,經阻尼電阻產生零序電流,該電流對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發生磁飽和,也能有效消耗諧振能量,防止產生諧振過電壓作用。但阻值越小,PT的過載現象越嚴重,在諧振或單相接地時間過長時,會導致保險絲熔斷或PT燒毀。

4.6 PT二次側開口三角接微機消諧裝置

在PT開口三角形輸出端并接雙向可控硅,同時采用微處理器及其數據采集系統對取自開口三角的電壓信號進行分析,當系統發生鐵磁諧振時,PT開口三角形出現伴有不同頻率成分的零序電壓,根據不同頻率,不同電壓值自動識別并區分鐵磁諧振與接地以及是分頻諧振還是高頻諧振,當電網中發生鐵磁諧振時,可控硅才會導通,三角繞組被短接,鐵磁諧振在強烈的阻尼作用下迅速消失,當諧振消失后,可控硅恢復到阻斷狀態可控硅又恢復阻斷狀態。

4.7 選用光電式電壓互感器（OVT）

光電式電壓互感器本身結構不含鐵心,徹底消除磁飽和、鐵磁諧振等現象,同時暫態響應范圍大,測量精度高,頻率響應范圍寬,抗電磁干擾性能好,將是今后電磁式PT的替代產品。

5 結語

在預防和抑制電磁式PT引發的鐵磁諧振措施中,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勢特點,但也有各自的局限性,因此在電網消諧的實際應用中,應根據電網的具體情況確定,最好是能將一次消諧裝置與二次消諧裝置相互配合使用,進行優勢互補,以確保電力系統的安全穩定運行。

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

[2]劉繼軍．PT鐵磁諧振過電壓的產生原因與抑制措施[J]．電氣開關,(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,2003,22(1):15-17．

趙曉峰（1969－），男，工程師，研究方向：工業電氣及自動化。