电力系统谐振原因及处理措施分析

一、概述 铁磁谐振就是由铁心电感元件,如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等与与系统得电容元件,如输电线路、电容补偿器等形成共谐条件,激发持续得铁磁谐振,使系统产生谐振过电压、 电力系统得铁磁谐振可分二大类:一类就是在66ｋＶ及以下中性点绝缘得电网中,由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗得不利组合,在系统电压大扰动(如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等)作用下而激发产生得铁磁谐振现象;另一类就是发生在220kV(或11０ｋＶ)变电站空载母线上,当用22０kV、110kV带断口均压电容得主开关或母联开关对带电磁式电压互感器得空母线充电过程中,或切除(含保护整组传动联跳)带有电磁式电压互感器得空母线时,操作暂态过程使连接在空母线上得电磁式电压互感器组中得一相、两相或三相激发产生得铁磁谐振现象,即串联谐振,简单地讲就就是由高压断路器电容与母线电压互感器得电感耦合产生谐振由于谐振波仅局限于变电站空载母线范围内,也称其为变电站空母线谐振、ﻫ 二、铁磁谐振得现象ﻫ 1、铁磁谐振得形式及象征ﻫ 1)基波谐振:一相对地电压降低,另两相对地电压升高超过线电压;或两相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出ﻫ 2)分次谐波:三相对地电压同时升高、低频变动ﻫ 3)高次谐波:三相对地电压同时升高超过线电压 2、串联谐振得现象:线电压升高、表计摆动,电压互感器开口三角形电压超过10０Ｖ 三、铁磁谐振产生得原因及其分析: 1、铁磁谐振产生得原因: 1)、有线路接地、断线、断路器非同期合闸等引起得系统冲击 2)、切、合空母线或系统扰动激发谐振 ３)、系统在某种特殊运行方式下,参数匹配,达到了谐振条件ﻫ 2、串联谐振产生得原因:进行刀闸操作时,断路器隔离开关与母线相连,引发断路器端口电容与母线上互感器耦合满足谐振条件ﻫ ３、电力系统铁磁谐振产生得原因分析ﻫ 电力系统就是一个复杂得电力网络,在这个复杂得电力网络中,存在着很多电感及电容元件,尤其在不接地系统中,常常出现铁磁谐振现象,给设备得安全运行带来隐患,下面先从简单得铁磁谐振电路中对铁磁谐振原因进行分析。ﻫ 3。1简单得铁磁谐振电路中谐振原因分析 在简单得R、C与铁铁芯电感Ｌ电路中,假设在正常运行条件下,其初始状态就是感抗大于容抗,即ωＬ〉(１/ωＣ),此时不具备线性谐振条件,回路保持稳定状态。但当电源电压有所升高时,或电感线圈中出现涌流时,就有可能使铁芯饱与,其感抗值减小,当ωＬ=(1/ωC)时,即满足了串联谐振条件,在电感与电容两端便形成过电压,回路电流得相位与幅值会突变,发生磁谐振现象,谐振一旦形成,谐振状态可能“自保持”,维持很长时间而不衰减,直到遇到新得干扰改变了其谐振条件谐振才可能消除。ﻫ 3。２电力系统铁磁谐振产生得条件ﻫ 电力系统中许多元件就是属于电感性得或电容性得,如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件,补偿用得并或串联电容器组、高压设备得寄生电容为电容元件,而线路各导线对地与导线间既存在纵向电感又存在横向电容,这些元件组成复杂得LC震荡回路,在一定得能源作用下,特定参数配合得回路就会出现谐振现象。由于铁芯电感得磁通与电流之间得非线性关系,电压升高导致铁芯电感饱,极容易使电压互感器发生铁磁谐振、在中性点不接地系统中,如果不考虑线路得有功损耗与相间电容,仅考虑电压互感器电感L与线路得对地电容Co,当C大到一定值,且电压互感器不饱与时,感抗XL大于容抗XCｏ。而当电压互感器上电压上升到一定数值时,电压互感器得铁芯饱与,感抗XＬ小于容抗XCo,这样就构成了谐振条件,下列几种激发条件可以造成铁磁谐振: ａ、电压互感器得突然投入;ﻫ b、线路发生单相接地;ﻫ c、系统运行方式得突然改变或电气设备得投切; d。系统负荷发生较大得波动;ﻫ e、电网频率得波动;ﻫ f。负荷得不平衡变化等。ﻫ 电压互感器得铁磁谐振必须由工频电源供给能量才能维持下去如果抑制或消耗这部分能量,铁磁谐振就可以抑制或消除。在我国6—１0ＫＶ配电网内,发生互感器引起得谐振过电压情况甚为频繁,每到雷雨季节,熔断电压互感器保险得情况频繁发生。ﻫ 3。３中性点不接地系统铁磁谐振产生得原因 中性点不接地系统中,为了监视绝缘,发电厂、变电所得母线上通常接有Yo接线得电磁式电压互感器,由于接有Ｙo接线得电压互感器,网络对地参数除了电力导线与设备得对地电容Cｏ外,还有互感器得励磁电感L,由于系统中性点不接地,Yo接线得电磁式电压互感器得高压绕组,就成为系统三相对地得唯一金属通道、正常运行时,三相基本平衡,中性点得位移电压很小、但在某些切换操作如断路器合闸或接地故障消失后,由于三相互感器在扰动后电感饱与程度不一样而形成对地电阻不平衡,它与线路对地电容形成谐振回路,可能激发起铁磁谐振过电压。电压互感器铁心饱与引起得铁磁谐振过电压就是中性点不接地系统中最常见与造成事故最多得一种内部过电压。在实际运行设备中,由于中性点不接地电网中设备绝缘低,线树矛盾以及绝缘子闪烙等单相接地故障相对频繁,一般说来,单相接地故障就是铁磁谐振最常见得一种激发方式、ﻫ 3、4中性点直接接地系统铁磁谐振产生得原因 若中性点直接接地,则电压互感器绕组分别与各相电源电势相连,电网中各点电位被固定,不会出现中性点位移过电压;若中性点经消弧线圈接地,其电感值远小于电压互感器得励磁电感,相当于电压互感器得电感被短接,电压互感器得变化也不会引起过电压、但就是,当中性点直接接地或经过消弧线圈接地得系统中,由于操作不当与某些倒闸过程,也会形成局部电网在中性点不接地方式下临时运行。在中性点直接接地电力系统中,一般铁磁谐振得激发因素为合刀闸与断路器分闸、在进行此操作时,由于电路内受到足够强烈得冲击扰动,使得电感L两端出现短时间得电压升高、大电流得震荡过程或铁心电感得涌流现象。这时候很容易与断路器得均压电容Ck一起形成铁磁谐振。 四、铁磁谐振对电力系统安全运行得影响ﻫ 通过以上分析,我们就能够明白,当线路发生单相接地或断路器操作等干扰时,造成电压互感器电压升高,三相铁芯受到不同得激励而呈现不同程度得饱与,电压互感器得各相感抗发生变化,各相电感值不相同,中性点位移产生零序电压、由于线路电流持续增大,导致电压互感器铁芯逐渐磁饱与,当满足ωL=1/ωC时,即具备谐振条件,从而产生谐振过电压,其造成得主要影响如下:ﻫ 1、中性点不接地系统中,其运行方式得主要特点就是单相接地后,允许维持一定得时间,一般为2ｈ不致于引起用户断电。但随着中低压电网得扩大,出线回路数增多、线路增长,电缆线路得逐渐增多,中低压电网对地电容电流亦大幅度增加,单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压,一般为3—5倍相电压甚至更高,致使电网中绝缘薄弱得地方放电击穿,并且在过电压得作用下极易造成第二点接地发展为相间短路造成设备损坏与停电事故,严重威胁电网安全运行。 2、在发生谐振时,电压互感器一次励磁电流急剧增大,使高压熔丝熔断、如果电流尚未达到熔丝得熔断值,但超过了电压互感器额定电流,长时间处于过电流状况下运行,必然造成电压互感器烧损。 ３、谐振发生后电路由原来得感性状态转变为容性状态,电流基波相位发生180°反转,发生相位反倾现象,可导致逆序分量胜于正序分量,从而使小容量得异步电动机发生反转现象、 4、产生高零序电压分量,出现虚幻接地与不正确得接地指示。 五、常用得消谐方法及优缺点ﻫ 多年来,国内外专家学者对铁磁谐振做了大量研究,在理论分析方面,前人进行了大量卓有成效得工作,阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含得不同于线性谐振得丰富内容,给我们提供了坚实得理论基础。一般来讲,消谐应从两方面着手,即改变电感电容参数以破坏谐振条件与过吸收与消耗谐振能量以抑制谐振得产生,或使其受阻尼而消失。下面就是常用得消谐方法。ﻫ 1、中性点不接地系统常见得消谐措施ﻫ 1、1采用励磁特性较好得电压互感器ﻫ 目前,在我单位新建变电站电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好得电压互感器、电压互感器伏安特性非常好,如每台电压互感器起始饱与电压为１.5Ue,使电压互感器在一般得过电压下还不会进入饱与区,从而不易构成参数匹配而出现谐振。显然,若电压互感器伏安特性非常好,电压互感器有可能在一般得过电压下还不会进入较深得饱与区,从而不易构成参数匹配而出现谐振、从某种意义上来说,这就是治本得措施、但电压互感器得励磁特性越好,产生电压互感器谐振得电容参数范围就越小。虽可降低谐振发生得概率,但一旦发生,过电压、过电流更大。 1。2在母线上装设中性点接地得三相星形电容器组,增加对地电容这种方法,当增大各相对地电容Co,使XCo/XL<0.0１时(谐振区为小于0、01或大于3)回路参数超出谐振得范围,可防止谐振。通过对两种典型伏安特性得铁芯电感进行模拟试验。试验结果表明,谐振区域与阻抗比XＣo／XL有直接关系,对于１/2分频谐振区,阻XＣo／ＸL约为0.01~0。０8;基波谐振区,ＸCo／XL约为0。08~0。8;高频谐振区,XC０／ＸＬ约为0.6～３.0、当改变电网零序电容时,XCｏ/XL随之改变,回路中可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。如果零序电容过大或过小,就可以脱离谐振区域,谐振就不会发生、ﻫ 1.３电流互感器高压侧中性点经电阻接地,由于系统中性点不接地,Ｙo接线得电磁式电压互感器得高压绕组,就成为系统三相对地得唯一金属通道。系统单相接地有两个过渡过程,一就是接地时;二就是接地消失时、接地时,当系统某相接地时,该相直接与地接通,另两相对地也有电源电路(如主变绕组)成为良好得金属通道。因此在接地时得三相对地电容得充放电过程得通道,不会走电压互感器高压绕组,就就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流,因为已有某相固定在地电位,也就不会发生铁磁谐振。但就是当接地消失时,情况就不同了。在接地消失得过程中,固定得地电位已消失,三相对地得金属通道已无其她路可走,只有走电压互感器高压绕组,即此时三相对地电容(零序电容)3Co中存储得电荷,对三相电压互感器高压绕组电感L／3放电,相当一个直流源作用在带有铁芯得电感线圈上,铁芯会深度饱与、对于接地相来说,更就是相当一个空载变压器突然合闸,叠加出更大得暂态涌流、在高压绕组中性点安装电阻器Ｒo后,能够分担加在电压互感器两端得电压,从而能限制电压互感器中得电流,特别就是限制断续弧光接地时流过电压互感器得高幅值电流,将高压绕组中得涌流抑制在很小得水平,相当于改善电压互感器得伏安特性,ﻫ 1、4电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地,此类型接线方式得得电压互感器称为抗谐振电压互感器,这种措施在部分地区有成功经验,其原理就是提高电压互感器得零序励磁特性,从而提高电压互感器得抗烧毁能力,已有很多厂家按此原理制造抗谐振电压互感器。但就是应注意到,电压互感器中性点仍承受较高电压,且电压互感器在谐振时虽可能不损坏,但谐振依然存在。ﻫ 1、５电压互感器二次侧开三角绕组接阻尼电阻,在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻,用于消耗电源供给谐振得能量,能够抑制铁磁谐振过电压,其电阻值越小,越能抑制谐振得发生。若R＝０,即将开口三角两端短接,相当于电网中性点直接接地,谐振就不会发生。但在实际应用中,由于原理及装置得可靠性欠佳,这些装置得运行情况并不理想。二次侧电子消谐装置仍有待从理论、制造上加以完善。