10 kV配電系統(tǒng)鐵磁諧振原因分析及消除措施

徐輝 張學(xué)元

摘 要：10 kV配電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)存在電壓互感器的鐵磁諧振情況，會(huì)造成、電壓互感器、熔斷器的燒損，引起事故斷電和送電量的減少，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文章對(duì)產(chǎn)生鐵磁諧振的原因進(jìn)行了理論分析和實(shí)際模擬，為了提高配電系統(tǒng)的可靠性，降低設(shè)備的損壞率，提出了一些消除鐵磁諧振措施，如在10 kV電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相零序互感器、在電壓互感器的開(kāi)口兩端并接消諧裝置等措施，通過(guò)采取以上消諧措施，變電站的鐵磁諧振得到了有效遏止，配電效率明顯提高，取得了良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；鐵磁諧振；消除措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）24-0131-02

1 概 述

鐵磁諧振過(guò)電壓是10 kV電網(wǎng)發(fā)生事故的主要原因，鐵磁諧振是電力系統(tǒng)中的一種非線性的共振現(xiàn)象。發(fā)生共振時(shí)，系統(tǒng)電壓比額定電壓高2～3倍，造成熔絲熔斷，避雷器爆炸，電氣設(shè)備遭受擊毀，同時(shí)伴有大面積的停電。嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)人員的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前我國(guó)電力系統(tǒng)的很多變電站都發(fā)生了不同程度的鐵磁諧振現(xiàn)象，雷雨季節(jié)后果更加嚴(yán)重。10 kV電力系統(tǒng)的鐵磁諧振過(guò)電壓事故率較高。

對(duì)發(fā)生的電力事故進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路發(fā)生單相接地時(shí)，兩相電壓瞬間升高，三相鐵芯受到不同的激勵(lì)也表現(xiàn)出不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生了變化，各相 的電感值不再相等，中性點(diǎn)的位移產(chǎn)生了零序電壓，線路的電流卻持續(xù)增大，電壓互感器的鐵芯磁飽和，電感迅速減小，電感的降低滿(mǎn)足諧振條件時(shí)，產(chǎn)生了諧振的過(guò)電壓。發(fā)生鐵磁諧振時(shí)電壓互感器的勵(lì)磁電流增大，高壓熔絲熔斷，長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)電流狀態(tài)，造成電壓互感器的燒損。

為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，分析了10 kV配電系統(tǒng)的電壓互感器鐵磁諧振問(wèn)題的原因，并進(jìn)行了實(shí)際模擬諧振實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提出了一些消除電磁諧振措施。經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行采取消諧措施以后消除電磁諧振效果良好。

2 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振過(guò)電壓的原因 分析

10 kV配電線路大部分都是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，配電室的母線上裝有電壓互感器，電壓互感器的高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，母線對(duì)地和與母線相連的配電網(wǎng)各相導(dǎo)線有電容，與電壓互感器的線圈構(gòu)成電感電容的并聯(lián)電路。

當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電壓互感器是處于不飽和狀態(tài)的，這時(shí)感抗大于容抗，并聯(lián)回路呈容性，電流電流大于電感電流，已知三相盛磁電感相等，所以三相導(dǎo)納相等，電網(wǎng)中性點(diǎn)的電壓此時(shí)為0。如果電網(wǎng)受到干擾，例如發(fā)生單相瞬間接地的故障，突然合閘等狀況，一相或者兩相對(duì)地電壓會(huì)迅速升高，電路中某一相發(fā)生接地故障，非接地相的相對(duì)地電壓會(huì)迅速升高，運(yùn)行時(shí)單相接地時(shí)，檢漏表的指標(biāo)數(shù)值和電壓矢量關(guān)系會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電壓升高時(shí)，非接地相電壓互感器的勵(lì)磁電流發(fā)生飽和，勵(lì)磁電感減少，三相對(duì)地負(fù)載不再相等，電網(wǎng)中性點(diǎn)出現(xiàn)了零點(diǎn)電壓。

擾動(dòng)導(dǎo)致電感電流增大，非接地相的導(dǎo)納變成電感性的，接地相保持發(fā)生擾動(dòng)前導(dǎo)納的電容性。從等值電路圖可以看出，感性導(dǎo)納和容性導(dǎo)納相互抵消，總導(dǎo)納減小，零序電壓大大增加，如果相數(shù)組合不利，使總導(dǎo)納接近于0，就會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振。

諧振是隨機(jī)發(fā)生的，并不是所有的單相接地?cái)_動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生諧振，只有外部擾動(dòng)使電容等于電感諧振點(diǎn)，使相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，才會(huì)發(fā)生諧振。

電壓互感器的鐵芯飽和會(huì)引起電流和電壓波形的不規(guī)則變化，從而發(fā)生諧振，諧振回路會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生諧振。

產(chǎn)生各種諧波諧振的條件是：

如果系統(tǒng)的每相對(duì)地容抗與電壓互感器單相繞組在額定電壓作用下的勵(lì)磁電抗的比值在0.01～0.07之間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生分頻諧振；如果兩者的比值在0.07～0.55之間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生基波諧振；如果兩者的比值在0.55～2.8之間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高頻諧振。

高頻諧振會(huì)讓電壓互感器承受高電壓，基波諧振和分頻諧振會(huì)產(chǎn)生超過(guò)額定值的勵(lì)磁電流，高壓熔斷器的熔絲會(huì)頻繁的發(fā)生熔斷，造成電壓互感器的燒損。

3 消除鐵磁諧振的技術(shù)措施

發(fā)生鐵磁諧振的原因是多方面的，其中共性的一點(diǎn)原因是電壓互感器受到外來(lái)擾動(dòng)，從而產(chǎn)生鐵感過(guò)飽和。如果每相對(duì)地容抗與電壓互感器單相繞組在額定電壓作用下的勵(lì)磁電抗的比值小于0.01，一般不會(huì)發(fā)生諧振。要消除鐵磁諧振，就要限制電壓互感器的鐵感飽和。可以在電壓互感器的開(kāi)口三角并接微電腦多功能消除電磁諧振裝置，在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器，這樣可以增加對(duì)地的勵(lì)磁電抗，采取這些措施可以消除鐵磁諧振。

3.1 在電壓互感器的開(kāi)口三角并接消諧器

消諧器的工作原理是這樣的：當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，開(kāi)三角電壓為零，此時(shí)SCR是截止?fàn)顟B(tài)的；如果發(fā)生電網(wǎng)的單相接地故障，同時(shí)不滿(mǎn)足感抗與容抗互余的條件，開(kāi)口三角的繞組兩端會(huì)有100 V的工頻電壓，工頻電壓產(chǎn)生于SCR的兩極上，電感和電阻1是并聯(lián)截止的狀態(tài)，對(duì)工頻信號(hào)產(chǎn)生阻波作用，電阻2的兩端幾乎沒(méi)有觸電電壓，此時(shí)SCR處于比較穩(wěn)定的截止?fàn)顟B(tài)。

如果電網(wǎng)中發(fā)生諧振現(xiàn)象，電感和電容會(huì)在開(kāi)口三角的電壓作用下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，在電容2的兩端產(chǎn)生非常高的電壓，經(jīng)過(guò)倒相耦合，觸發(fā)SCR并導(dǎo)通，開(kāi)口三角的繞線會(huì)產(chǎn)生短路，電網(wǎng)中產(chǎn)生的鐵振諧振會(huì)在強(qiáng)烈的阻尼作用下迅速消除。

進(jìn)行消除鐵磁諧振效果的實(shí)際模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電壓互感器非接地相接地后的電壓電流示波圖，通過(guò)示波圖可以看到：在接地前各相都為正常電壓，對(duì)地電壓為10 kV，頻率50 Hz，電壓和電流值均為零，非拉地相的電流值較小。

非接地相開(kāi)始接地到接地消除這段時(shí)間內(nèi)，電壓值出現(xiàn)變化，三相勵(lì)磁的一相電壓為零，其余兩相電壓值相等，對(duì)地電壓為100 V，三相勵(lì)磁其中一相的電流等于零，A相電流在接地時(shí)較大，經(jīng)過(guò)較短的時(shí)間后趨于穩(wěn)定。

A相接地消除到消除電磁諧振裝置啟動(dòng)前，電壓的波型發(fā)生畸變，并且畸變的幅度在持續(xù)上升，接地電壓的波型和接地消除前非常接近，變化周期由0.02 min上升到0.04 min，A相的電流在接地的一剎那出現(xiàn)沖擊電流和更大的尖頂波，電網(wǎng)此時(shí)就出現(xiàn)了鐵磁諧振，從波型圖上觀察可以看出此時(shí)二分之一的分頻諧振為零。

從消諧裝置啟動(dòng)到諧振消除這段周期內(nèi)，出現(xiàn)了幾個(gè)周期的諧振后，分頻諧振出出了尖頂波，此時(shí)啟動(dòng)消諧裝置，開(kāi)口三角短接，形成了一個(gè)強(qiáng)有力的阻尼，諧振被消除，電壓恢復(fù)正常。

3.2 在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器

對(duì)電壓互感器施行伏安特性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果看到對(duì)電壓互感器進(jìn)行加壓，直到60 V時(shí)，電壓互感器的電流波形發(fā)生畸變，此時(shí)電壓互感器的勵(lì)磁特性較差，如果電壓持續(xù)升高，鐵芯就會(huì)過(guò)早的出現(xiàn)飽和。

為了解決由于鐵磁諧振而產(chǎn)生的過(guò)電壓，杜絕由于電壓的升高導(dǎo)致的電壓互感器的鐵芯飽和，采取了在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器的措施。通過(guò)電壓互感器的一次接線簡(jiǎn)圖可以看出T1是各相絕緣監(jiān)視的電壓互感器，T2為串接中性點(diǎn)發(fā)生消除電磁諧振反應(yīng)的單相電壓互感器。利用在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器進(jìn)行消除電磁諧振的工作原理是：

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，0點(diǎn)的電位的電壓等于零，各相電壓也等于0，電壓互感器的各相隨的電壓值是相同的。

如果有一單相接地，如A相，通過(guò)觀察電壓的分布向量圖可以看出零序電壓作用在串接中性點(diǎn)發(fā)生消除電磁諧振反應(yīng)的單相電壓互感器，正序電壓反應(yīng)在各相絕緣監(jiān)視的電壓互感器，0點(diǎn)電位不再是零電位，而是一次線圈無(wú)法承受的線電壓，一次激磁電流不再受到電壓的影響而發(fā)生變化，電壓升高一次激磁電流不會(huì)增加。

一次回路的感抗增加，電壓互感器的一次勵(lì)磁阻抗增加，電壓互感器不處于飽和區(qū)，這是由于系統(tǒng)發(fā)生了單相接地等電壓升高的現(xiàn)象，不具備發(fā)生鐵磁諧振的條件，就無(wú)法產(chǎn)生鐵磁諧振。

將電壓互感器開(kāi)口三角并接的電壓繼電器并接到中性點(diǎn)的單相電壓互感器的輔助線圈上，鑒定值為15～20 V之間，未發(fā)生鐵磁諧振。

4 結(jié) 語(yǔ)

10 kV配電系統(tǒng)在運(yùn)行極易產(chǎn)生鐵磁諧振，產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)會(huì)引起電磁感應(yīng)器和熔斷器的燒損，引起大面積長(zhǎng)時(shí)間的停電，因?yàn)殍F磁諧振發(fā)生電力事故以后不僅會(huì)增加電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)造成維護(hù)成本的增加。本文分析了產(chǎn)生電壓互感器鐵磁諧振的原因，并提出了兩項(xiàng)消除鐵磁諧振的措施。

消除鐵磁諧振的措施，一是在電壓互感器的開(kāi)口三角并接消諧器，二是在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行消除電磁諧振效果良好。消除鐵磁諧振的措施不會(huì)對(duì)儀表的指示和絕緣監(jiān)察產(chǎn)生影響，安裝簡(jiǎn)易，維護(hù)方便，發(fā)生電壓互感器和一次熔斷器燒損和熔斷的事故減少，電網(wǎng)運(yùn)行安全，供電也更加可靠，并且節(jié)省了設(shè)備維護(hù)和購(gòu)置成本，取得了較好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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