电力系统铁磁谐振过电压的产生及消除防范对策.

浅析电力系统铁磁谐振 过电压的产生及消除防范对策 摘 要：利用图解法对非线性振荡回路中电流变化时 ,感性负载、容性负载电压的变化特性进行了分析，得出铁磁谐振过电压产生的原因 , 指出对电气设备造成的危害和铁磁谐振发生的现象 , 提出了消除这种过电压的方法和防范对策。

关键词：电力系统；铁磁谐振；理论分析；对策 引言 铁磁谐振是电力系统中常见的现象之一 , 谐振过电压事故也屡有发生。电力系统中存在着许多电感和电容元件, 当系统进行操作或发生故障时, 这些电感和电容元件可能构成各种振荡回路, 在一定条件下会产生谐振现象, 从而导致系统的某些部分或元件出现严重的过电压, 危及电气设备的安全, 影响保护装置的可靠性。如果满足一定条件，就可能激发持续时间较长的铁磁谐振过电压。

铁磁谐振过电压可以是基波谐振 , 可以是高次谐波谐振 , 也可以是分频谐振。中性点不接地系统中比较常见的发生铁磁谐振过电压的情况有 :接有电磁式电压互感器的空载母线;配电变压器高压线圈对地短路 ; 用电磁式电压互感器在高压侧进行双电源的定相 ; 输电线路一相断线后一端接地以及开关非同步动作等。

铁磁谐振过电压可以在 3～330KV 的任何系统中 , 甚至在有载长线的情况下发生 , 过电压幅值一般不超过 1. 5～2.5Uxg (最高运行相电压, 个别可达 3.5 Uxg; 谐振过电压持续时间长 , 可达十分之几秒以上 , 甚至可能长期存在 , 因此不能用避雷器限制。

铁磁谐振过电压的表现形式可能是单相、 两相或三相对地电压升高 , 出现虚幻接地现象或不正确的接地指示; 或者高 , 或以低频摆动 , 引起绝缘闪络或避雷器爆炸; 或产生高次谐波在互感器中出现过电流 , 引起熔断器熔断或互感器烧毁等。

1铁磁谐振过电压产生的原因 电磁式电压互感器引起的谐振过电压 , 从本质上讲是由于电磁式电压互感器的非线性励磁电感与系统的对地电容构成的铁磁谐振引起的电网中性点不稳定现象。

铁磁谐振过电压产生的必要和充分条件为: (1 系统电源中性点对地绝缘。 (2 电压互感器的一次线圈中性点直接接地, 开口三角零序电压线圈为开路状态。

(3 电网的对地电容与互感器的励磁电感相匹配, 且初始感抗大于容抗(X L > X C。

(4 具有一定的外界“突发”条件。 在中性点不接地的系统中 ,由于运行设备发生故障和切换操作因素 ,或者某一特定条件下电路参数发生变化 ,达到谐振条件即会形成铁磁谐振现象 ,产生谐振过电压 ,危及电气设备绝缘 ,使绝缘闪络或击穿 ,设备短路、起火或爆炸 ,迫使保护动作和开关跳闸 。 具体原因一般有以下几种情况。

1.1对空载母线充电引起铁磁谐振过电压

向空载母线送电操作之前,如果先投入母线电压互感器,然后启用电源变压器对母线充电,由于母线对地电容和电压互感器感抗构成振荡回路。容抗与感抗的数值接近相等时将会引起铁磁谐振过电压现象,产生谐振过电压。 1.2单相接地产生铁磁谐振过电压 在中性点不接地的系统中,母线负荷出线由于绝缘闪络导致击穿,发生弧光接地,导线烧断,靠近电源侧一端掉在地面上,出线两相运行。这时出线所接变压器激磁阻抗与电路电容发生变化,形成串联谐振回路,当非故障两相的等效电感和电容并联后而呈容性,整个供电系统即形成串联,不会产生串联谐振,当呈感性时与故障相对地电容参数接近时则产生谐振过电压传递至母线上,导致母线电压互感器产生铁磁谐振过电压。

1.3电压互感器铁心饱和产生谐振过电压 电压互感器铁磁谐振将引起电压互感器铁心饱和,产生饱和过电压。在电压互感器铁磁谐振出现较为频繁,任何一种铁磁谐振过电压的产生,对系统电感、电容参数都有一定要求,而且需要有一定的外界“激发”,电压互感器铁磁谐振也是如此。当用断路器对只带电压互感器的空母线突然合闸,或者母线发生单相接地的情况下,均能产生谐振过电压。电源的突然投入,电压互感器一次电流增大,出现很大的励磁涌流,严重时可达到额定励磁电流的百倍以上,诱发电压互感器过电压。另外 ,由于电压互感器激磁电抗的非线性或各相激磁特性的差异,致使两相励磁电流突增,也会使其饱和产生谐振现象,出现过电压。 图1 非线性振荡回路图 2串联铁磁谐振原理分析

在图1中,L为带有铁芯的电感,即非线性电感,C 为电容,R 为电阻。当开关 K合闸后 , 回路微分方程式可写为 :

dΨ/dt+iR+1/C∫idt= U(t 式中Ψ —与非线性电感线圈所匝链的磁链 ; i —回路中电流的瞬时值。 解这样的微分方程是很复杂的,所以一般均采用图解法计算 , 同时在计算中假设:

(1电源电压和回路中各元件的电压、电流都是正弦波,为此可以利用电压、电流有效值的概念 ;

(2铁芯线圈的伏安特性 UL =f (I 可以代替它的励磁曲线 ; (3 回路中的电阻为零。 于是 , 图 1 的回路方程可以简化了 , 对每一稳态来说 , 可写成 U = UL + UC (1

式中U —电源电压 ; UL —非线性电感上的电压;UC —电容 C上的电压。 我们知道,电压 UL和UC相差180°,若UL>UC,则回路中的电流呈感性;反之,则呈容性。如果取感性电流为正 , 容性电流为负 , 由式 (1可改写为 : ±UL = U + UC

或 ±UL = U +IXC (2 式中左侧部分的正号相当于感性的工作状态 , 负号相当于容性的工作状态;I是回路中的电流,XC =1/ωC,是回路电容 C 所表现的容抗。

将式 (2 的左右两部分绘于图 2。 图2 电压、电流关系图 等式的右面部分是一条直线,它和纵轴相交于(0, U点,和横轴的夹角为α,且tgα =1/ωC

如将该直线向左延长,则它与横轴交于(Iλ,0点,而Iλ =U/-tgα = -ωCU 显然 ,Iλ 就是电源电压 U 作用下流过电容 C的充电电流。式 (2 左面部分UL =fL(I 是一条给定的曲线,它的形状相当于铁磁体励磁曲线的形状。

曲线UL =fL(I和直线 U + UC =f(I的交点,满足于式 (2 的条件,亦即是该式的解答。 由图 2 可见,当回路中的电容C小时,U + UC=f (I 的斜率 tgα =1/ωC大 , 如直线1; 它和曲线UL =fL (I只有一个交点,这个交点在电流为负的区域内,即对应于电容电流。当回路中的电容 C大时 , U + UC =f (I 的斜率 tgα =1/ωC小 , 如直线 3;它和曲线 UL =fL (I 有三个交点;其中两个在曲线的上半部分(b及c点,一个在下半部分 (a点。前两个交点 b 和 c 在电流为正的区域内 , 对应于电感电流 , 此时电源电压与电感上的电压同相,即UL-UC=U; 后一个交点 a 在电流为负的区域内,对应于电容电流,此时电源电压与电容上的电压同相,即UC-UL=U。但这三个交点(a、b、c 所对应的工作状态都是稳定的,因此不能在实际中出现。

通常,检验解答是否稳定的方法,是研究电流有不大的变动情况下的回路特性。在稳定状态下,当电流有小的变化时,回路能够恢复到原来的起始状态;在不稳定的状态下,任何小的电流变动,将使得回路越来越远地离开平衡状态。

图 2中的b点,处在电流为正的区域内,即对应于电感电流,此 UL-UC=U0。若电流有小的增加时,电感上的电压将比电容上的电压以更快的速率增加。这就是说,电感与电容上的电压值差增加,因此要求电源电压增加,设电源是无限大的电源,其电压将保持不变,故使电流减小,所以回路在最后总能回到原来的起始状态。若电流减小时,也有类似的现象,所以b点相当于回路的稳定状态。

当回路工作在c点时,则有相反的关系。若电流有小的增加 , 电容上的电压将比电感上的电压以更快的速率增加,因此要求电源电压减少,由于电源电压不变,所以回路中的电流将越来越大,于是回路越来越远地离开稳定状态,故 c 点是不稳定的 。

不难看出,a点相当于稳定状态。因为 a 点处在电流为负的区域 , 对应于电容电流,此时UC -UL = U,当电流向更负的方向增加时,电容上的电压将比电感上的电压以更快的速率增加,由于电源电流不变 , 所以回路中的电流越来越小,最后能回到原来的起始位置。当电流在负的方向上减少时,也有类似的现象,故 a点是一个稳态工作点。

通过上述分析,我们可以知道,在这种情况下,可能有两个稳定状态:一个是b点,此时有比较小的电压和滞后的电流;另一个是a点 ,此时有比较大的电压和超前的电流。如果在工作点c, 由于某一种原因,电流或电源电压有较大的增加,当达到某一限度时,稳定将破坏 , 电压、电流的骤增将导致铁磁元件损坏以及系统绝缘遭到破坏的后果。 3铁磁谐振过电压的危害 3.1谐振时,电压互感器一次线圈通过电流较大,一次侧熔断器尚未熔断时,可能使电压互感器喷油、线圈烧毁甚至爆炸,从而引起开关跳闸造成大范围停电,破坏系统的正常工作,给电网的安全运行带来极大的威胁。

3.2引起母线三相、二相及单相对地电压升高,形成过电压使母线绝缘套管或其他设备发生闪络和损坏,避雷器爆炸等事故。

3.3谐振时,电压互感器一次侧熔断器熔断后可能造成母线低电压保护误动,母线负荷误跳闸或厂用电误动,联动不成功时,将造成发电厂被迫停机、停炉等严重事故。

4铁磁谐振发生的现象 4.1电压互感器发生基波谐振时,某一相电压降低,但不为零 , 其余两相对地电压升高,大于线电压;开口三角形线圈电压超过 100 V。