關(guān)于10kV電壓互感器鐵磁諧振及消諧措施的探討

陸耀良

（平果供電公司 廣西百色 531400）

關(guān)于10kV電壓互感器鐵磁諧振及消諧措施的探討

陸耀良

（平果供電公司 廣西百色 531400）

本文主要對(duì)針10kV電壓互感器鐵磁諧振特點(diǎn)與機(jī)理進(jìn)行分析，探討相應(yīng)的消諧措施，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的消諧方式，確保電網(wǎng)可以安全正常的供電，從而保障用戶(hù)需求，為用戶(hù)提供安全有效的服務(wù)。

10kV；電壓互感器；鐵磁諧振；消諧

目前，10kV電力系統(tǒng)多采用不接地運(yùn)行方式，這種運(yùn)行方式在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，允許一定時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行（一般2h），因而提高了供電可靠性。但是由于電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部電阻、電容、電感的不斷變化，極易造成過(guò)電壓與鐵磁諧振，對(duì)于電磁式電壓互感器來(lái)說(shuō)，會(huì)造成PT高壓熔絲熔斷，此種故障最為常見(jiàn)；嚴(yán)重者致使PT過(guò)熱燒毀與絕緣擊穿。由于10kV電力系統(tǒng)中目前很多采用的是電磁式電壓互感器，在遇到導(dǎo)線(xiàn)、母線(xiàn)的接地短路、雷電與大風(fēng)時(shí)沒(méi)有及時(shí)采取解決措施，容易引起諧振，從而引發(fā)過(guò)電壓，導(dǎo)致電壓互感器被燒毀，這樣也就容易造成設(shè)備事故、停電事故等。因此需要相關(guān)人員深入分析，尋找消諧的措施，確保供電安全與可靠。

1 鐵磁諧振形成機(jī)理與特點(diǎn)

1.1 鐵磁諧振形成機(jī)理

在電力正常運(yùn)行的過(guò)程中，TV的工作主要處在線(xiàn)性區(qū)域，且勵(lì)磁的感抗比較大，三相電基本保持平衡，在中性點(diǎn)的位移電壓比較小。如果在某些因素的擾動(dòng)下，一旦系統(tǒng)單項(xiàng)的接地故障或者空載母線(xiàn)的突然合閘消失等，電力系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生三相不平衡的過(guò)電壓，電壓互感器中高壓的繞組磁就會(huì)出現(xiàn)飽和，而且飽和的程度存在差異，其中零序的回路從圖1（a）中可以看出，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化以后可以獲得圖1（b）。U0是零序的電壓，TV中三相并聯(lián)等值電感為L(zhǎng)0，而3C0是線(xiàn)路對(duì)地的電容，回路損耗的電阻為R0。待3C0和L0滿(mǎn)足固定振蕩的頻率，會(huì)在系統(tǒng)中出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。一旦諧振形成，其諧振狀態(tài)能夠自動(dòng)保持，過(guò)電流與過(guò)電壓會(huì)持續(xù)地存在，一直到新干擾改變諧振條件才能夠消除。

圖1 磁諧振回路與等值電路

1.2 鐵磁諧振特點(diǎn)

H.A.Peterson使用模擬試驗(yàn)來(lái)研究鐵磁諧振，其中試驗(yàn)結(jié)果從圖2中可以看出，Exg是相電壓的有效值，而XCD=l/（ωC0）為每相線(xiàn)路對(duì)地的容抗，從圖2中可以看出：

圖2 勵(lì)磁電感伏安特性的曲線(xiàn)與諧振的區(qū)域圖

（1）勵(lì)磁電感伏安的特性越好，證明鐵芯也就越不容易飽和，而且諧振區(qū)域也會(huì)向右邊移動(dòng)，也就是諧振所需阻抗參數(shù)XCD/XLe值也就會(huì)越大。

（2）阻抗和諧振區(qū)域比XLe/XCD之間有著直接的關(guān)系：①在1/2次的諧波諧振部位，其抗阻比XCD/XLe大約是0.01～0.08。②在基頻諧振的區(qū)域，XCD/XLe大約在0.08～0.8之間。③在高頻諧振的區(qū)域，抗阻比XCD/XLe大約是0.6～3，而且線(xiàn)路對(duì)地的電容過(guò)小或是過(guò)大，都能夠脫離諧振的區(qū)域，從而不再出現(xiàn)諧振。

通過(guò)諧振區(qū)域劃分能夠準(zhǔn)確判斷出鐵磁諧振特性，但由于鐵磁諧振影響的因素比較多，以上數(shù)據(jù)雖然可以在某些數(shù)據(jù)條件下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并獲取試驗(yàn)結(jié)果，這種結(jié)果只有參考的價(jià)值，無(wú)法用來(lái)準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)鐵磁諧振情況。此外，近些年來(lái)，很多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，如果線(xiàn)路對(duì)地的電容加大，XCD/XLe就會(huì)超出諧振的區(qū)域，也就不會(huì)產(chǎn)生鐵磁的諧振。另外高頻諧振過(guò)電壓比較嚴(yán)重，已經(jīng)超過(guò)了設(shè)備絕緣的水平，但是高頻諧振產(chǎn)生線(xiàn)路長(zhǎng)度的范圍比較小，不容易出現(xiàn)在實(shí)際的工程中。

2 10kV電壓互感器的鐵磁諧振消諧對(duì)策

2.1 降低同一中網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)中TV的臺(tái)數(shù)

在同一個(gè)電網(wǎng)中并聯(lián)運(yùn)行互感器的臺(tái)數(shù)逐漸增多，總伏安的特性就會(huì)變得比較差，電壓下勵(lì)磁感抗也會(huì)逐漸變小，導(dǎo)致TV趨近飽和，從而出現(xiàn)諧振。所以降低電網(wǎng)中電壓互感器的數(shù)量可降低諧振發(fā)生的概率，或者說(shuō)電源側(cè)的絕緣監(jiān)視采用TV高壓側(cè)的中性點(diǎn)保持接地，而其他部位TV盡量不能接地的方式也可以降低發(fā)生諧振的概率。

2.2 選擇電容式電壓的互感器（CVT）

目前電容式電壓互感器的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，且運(yùn)作維護(hù)比較容易、價(jià)格也比較低，因此現(xiàn)在在很多工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，也越來(lái)越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)當(dāng)中。雖然CVT可以避免開(kāi)關(guān)斷口和鐵心元件電容串聯(lián)系統(tǒng)鐵磁的諧振，但由于CVT內(nèi)固有諧波諧振與鐵磁諧振的問(wèn)題，在很大程度上會(huì)影響到CVT自身運(yùn)行安全及保護(hù)測(cè)量精度與可靠性[2]。在10kV系統(tǒng)中，電容式電壓互感器的價(jià)格還是相對(duì)較高，在有限的費(fèi)用下如何選型還是有待研究。

2.3 在TV一次側(cè)中性點(diǎn)串聯(lián)消諧器

將復(fù)合電阻的消諧器串接到TV一次側(cè)的中性點(diǎn)，可以達(dá)到抑制諧波、消耗能量與阻尼作用，這個(gè)方式也可以叫做一次消諧，其工作原理從圖3中可以看出。

圖3 TV中性點(diǎn)的加消諧器圖

經(jīng)研究可以表明隨R加大，諧振范圍也就會(huì)變小，如果電阻條件滿(mǎn)足R＞16%XLE時(shí)，能夠?qū)㈣F磁諧振徹底消除，其中XLE是TV單相的感抗。如果沒(méi)有連接消諧器，一旦系統(tǒng)C相出現(xiàn)單相接地，C系統(tǒng)與地相對(duì)的電壓Ucn等于0。

式中：UBO和UAO分別是Ab兩相對(duì)低電壓，UBC、UAC分別是BC與AC相間線(xiàn)電壓，而Uφ是正常系統(tǒng)中相電壓，這時(shí)候流經(jīng)AB兩相的高壓繞組電流是

2.4 TV一次側(cè)的中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗的接地

在三臺(tái)單相的TV高壓側(cè)的中性點(diǎn)并經(jīng)一臺(tái)電壓互感器接地，這個(gè)方式也叫做4TV法。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是當(dāng)有單相接地時(shí)，互感器中點(diǎn)對(duì)地有相電壓，而主PT仍處于正序?qū)ΨQ(chēng)電壓之下，互感器電感并不改變，在零序回路中僅有單相電壓互感器一種磁化電感，從根本上破壞鐵磁諧振的條件。在地方有限的PT柜中，加裝一臺(tái)電壓互感器，比較吃力，此種方法最好是針對(duì)開(kāi)關(guān)柜廠家在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在內(nèi)，對(duì)于供電企業(yè)日后的維護(hù)就方便很多了。

2.5 在電壓互感器二次側(cè)加裝二次消諧器（阻尼電阻）

在電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角形繞組兩端接入阻尼電阻Ro，相當(dāng)于在電壓互感器高壓側(cè)Yo結(jié)線(xiàn)繞組上并聯(lián)一個(gè)電阻，而這一電阻只有在電網(wǎng)有零序電壓時(shí)才出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)，零序電壓繞組所接的Ro不會(huì)消耗能量。Ro值越小，在電壓互感器勵(lì)磁電感L上并聯(lián)電阻就越小，當(dāng)Ro小于一定值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)三相對(duì)地參數(shù)基本上由等值電阻決定，這時(shí)由電壓互感器飽和而引起電感的減小不會(huì)明顯引起電源中性點(diǎn)位移電壓。當(dāng)Ro→0，即將開(kāi)口三角形繞組短接，則電壓互感器三相電感值就變成漏感，三相相等，電壓互感器飽和過(guò)電壓也就不存在了。其局限性是阻尼電阻的容量就要求足夠大，當(dāng)阻尼電阻太小，一方面電阻本身可能因過(guò)熱而燒壞，另一方面，電壓互感器也可能因電流過(guò)大而燒損。

2.6 在電壓互感器二次側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置

在電壓互感器二次開(kāi)口三角繞組加裝微機(jī)消諧裝置，當(dāng)判斷為存在工頻位移過(guò)電壓或鐵磁諧振過(guò)電壓后，單片機(jī)就進(jìn)行消諧程序，發(fā)出高頻脈沖群，使反并在開(kāi)口三角形繞組兩端的兩只晶閘管交替過(guò)零觸發(fā)導(dǎo)通，將開(kāi)口三角形繞組短接（若系統(tǒng)發(fā)生單相接地，則不起動(dòng)消諧裝置），使電壓互感器飽和過(guò)電壓迅速消除。由于短接時(shí)間極短，故不會(huì)給電壓互感器帶來(lái)負(fù)擔(dān)。它的局限性是無(wú)法抑制低頻飽和電流，適用于電網(wǎng)較小、對(duì)地電容不大的場(chǎng)合。

2.7 加裝有源濾波器

有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專(zhuān)用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線(xiàn)路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。但是價(jià)位相對(duì)高！

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在不接地的系統(tǒng)中，比較容易發(fā)生鐵磁諧振，而且故障的類(lèi)型比較復(fù)雜，導(dǎo)致消諧措施選擇變成當(dāng)下一個(gè)難題。因此要按照鐵磁諧振類(lèi)型對(duì)激發(fā)的條件進(jìn)行歸類(lèi)，然后針對(duì)鐵磁諧振來(lái)制定相應(yīng)措施，確保電力系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。同時(shí)，還要全方面分析現(xiàn)有消諧措施，對(duì)各種消諧措施局限性與優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析。首先盡可能選擇勵(lì)磁性比較好的TV，盡可能將并聯(lián)TV數(shù)量減少；其次將消諧器串聯(lián)到一次側(cè)的中性點(diǎn)上，同時(shí)選擇合適電阻，這樣不僅可以將鐵磁諧振的過(guò)電壓徹底消除，而且還能夠控制好分頻諧振的過(guò)電流，比較適合應(yīng)用在對(duì)地電容比較大、容量較大電網(wǎng)中。

[1]張玲云.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)10kV電壓互感器損壞原因分析[J].電子制作，2015，23（02）：46.

[2]李國(guó)輝.10kV電壓互感器高壓熔絲頻繁熔斷的故障分析及預(yù)控措施[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013，15（19）：74～75.

[3]歐劍洪.淺談城市配網(wǎng)10kV系統(tǒng)的鐵磁諧振[J].科技資訊，2010（28）.

TM451

A

1004-7344（2016）01-0060-02

2015-11-27

陸耀良（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事電力行業(yè)工作。