廠用電源系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生原因及消諧方法分析

摘要：論述了廠用6kV電源系統(tǒng)電壓互感器鐵心飽和引起的工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓的基本原理，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，討論了消除諧振的幾種方法。

關(guān)鍵詞：諧振 電壓互感器 勵磁電感 系統(tǒng)容抗低頻飽和電流

0 引言

華能鶴崗發(fā)電有限責(zé)任公司廠用6kV電源系統(tǒng)自投運以來，曾多次發(fā)生由于電壓互感器鐵心飽和而引起工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓，造成電壓互感器高壓保險熔斷，甚至使電壓互感器燒損的現(xiàn)象，下面對廠用6kV電源系統(tǒng)諧振產(chǎn)生原因及消諧方法作具體分析。

1 諧振發(fā)生的原因分析

1.1 電壓互感器本身存在問題引起諧振

華能鶴崗發(fā)電有限公司廠用6kV電源系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，但其電壓互感器高壓側(cè)中性點是接地的，且電壓互感器的鐵心電感的起始值和等值電容組成的自振頻率小于并接近于共振頻率，因此電路中的電感減少或等值電容增大，都能引起共振，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，由于鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式可能為單相、兩相或三相對地電壓升高或以低頻擺動，或產(chǎn)生高值零序電壓，從而出現(xiàn)虛接地現(xiàn)象。鶴崗發(fā)電有限公司廠用6kV電源系統(tǒng)發(fā)生的諧振就是這種現(xiàn)象。

1.2 廠用電源系統(tǒng)中6kV公用段負(fù)荷性質(zhì)問題引起諧振

6kV公用段負(fù)荷中的燃料類電機(膠帶機電機、碎煤機電機)、灰渣泵電機是頻繁啟停的設(shè)備，操作與切換頻繁，工作條件惡劣，容易造成單相接地、單相斷線等事故，易引發(fā)諧振。6kV公用段負(fù)荷的燃料類電機、灰渣泵電機、水源線路、灰場線路及輸煤變壓器、檢修變壓器、化學(xué)變壓器等，負(fù)荷遠(yuǎn)，電纜長，使母線及其有電聯(lián)系的系統(tǒng)的等值電容增大(主要是電纜、線路的對地電容)，為諧振創(chuàng)造了條件。

圖1為廠用6kV電源系統(tǒng)C相接地狀態(tài)的等值電路圖，圖1中EA、EB、EC相對稱電源電勢，LA、LB、LC。為電壓互感器三相對地勵磁電感，C0為三相導(dǎo)線的對地電容，當(dāng)廠用電源系統(tǒng)的某一負(fù)荷C相接地時，故障點就會流過電容電流，未接地相(A、B)的電壓升高到線電壓，其對地電容C0上充以與線電壓相應(yīng)的電荷，在接地故障瞬間，此電荷產(chǎn)生的電容電流以接地點為通路，在電源－導(dǎo)線－大地間流通，由于電壓互感器的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小，一旦接地故障消失，這時電流通路就會被切斷，而非故障相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓水平。

但是，由于接地故障已斷開，非接地相在接地瞬間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，就只有通過電壓互感器的高壓繞組，經(jīng)其原來接地的中性點進入大地。在這一瞬變過程中，電壓互感器高壓繞組中將會流過一個幅值很高的低頻飽和電流，使電壓互感器飽和。由于電壓互感器為鐵心線圈，且與電容并聯(lián)構(gòu)成因參數(shù)配合而可能產(chǎn)生鐵磁諧振的電路，在C相接地瞬間，使電容和電感電流增加，加上鐵心飽和，使總電流增大很多，引起共振，這種并聯(lián)電路發(fā)生電流鐵磁諧振時，電壓互感器的一次側(cè)線圈的電流會增大十幾倍，當(dāng)其電流值達(dá)到電壓互感器高壓保險熔斷值時，就會使高壓保險熔斷，當(dāng)其電流未達(dá)到電壓互感器高壓保險熔斷值時，由于長時間過電流的作用，就會使電壓互感器燒毀。

2 消除諧振方法分析

由上面分析可知，鐵磁諧振發(fā)生的原因是由于系統(tǒng)中的C，L參數(shù)達(dá)到諧振條件所致，如果能改變系統(tǒng)參數(shù)，就能抑制諧振的持續(xù)甚至防止諧振的發(fā)生，為此可采用以下幾種方法消除振：

(1)電壓互感器次級的開口三角形繞組兩端接消諧裝置或接一個阻尼電阻，阻值小于0.45Xk(Xk是電壓互感器歸算到低壓側(cè)的工頻激磁感抗)，也可接一個60～100W燈泡消諧：

對于電壓互感器飽和過電壓，通常是在電壓互感器的二次側(cè)三角形繞組兩端接入阻尼電阻R0，相當(dāng)于在電壓互感器高壓側(cè)Y0并聯(lián)一個電阻，而這一電阻只有在系統(tǒng)有零序電壓時才出現(xiàn)，正常運行時零序電壓繞組所接R0不會消耗能量。R0值越小，在電壓互感器的勵磁電感L上并聯(lián)電阻就越小，R0小到一定值時，系統(tǒng)三相對地參數(shù)基本上是由等值電阻決定，這時由電壓互感器飽和而引起電感的減少就不會明顯引起電源中性點位移電壓。當(dāng)R0=0，即開口三角形繞組短接，則電壓互感器電感值就會變成漏感，三相相等，電壓互感器飽和過電壓就不存在了。

當(dāng)6kV電源系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，電壓互感器開口三角形繞組兩端就會產(chǎn)生100V的工頻零序電壓，這樣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熱而燒壞，另一方面，當(dāng)電壓互感器因電流過大而燒損，所以鶴崗發(fā)電有限公司采用浪拜迪公司生產(chǎn)的MES98型微機電力諧振診斷消除裝置，該裝置采用80196單片機為核心，對電壓互感器開口三角繞組電壓(即：零序電壓)進行循環(huán)檢測，在正常工況下，該電壓為零，裝置內(nèi)的大功率消諧元件處于阻尼狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響，當(dāng)系統(tǒng)處于故障工況，本裝置CPU對電壓互感器開口三角電壓進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)測量，消除信號干擾提高可信度等數(shù)字信號處理技術(shù)，然后對數(shù)據(jù)進行分析、計算，診斷當(dāng)前的故障工況。如果是某種頻率的鐵磁諧振，CPU啟動消諧電路，使鐵磁諧振在強大的阻尼下迅速消失，同時裝置給出指示，該裝置消諧效果良好。

(2)電壓互感器中性點接消諧電阻的消諧方法

采用電壓互感器中性點裝設(shè)風(fēng)電阻，既能抑制低頻飽和電流，同時也能起到消除電壓互感器飽和電壓的作用，在單相故障消失時，低頻飽和各電流經(jīng)過電阻R0后進入大地，由于大部分壓降加在電阻上，從而大大抑制了低頻飽和電流，使電壓互感器高壓側(cè)熔絲不易熔斷；同時由于在零序電壓回路串聯(lián)的這個電阻風(fēng)，使電壓互感器飽和過電壓的大部分電壓降落在電阻R0上，從而避免了鐵心飽和，限制了電壓互感器飽和過電壓的發(fā)生，其等值電路如圖1所示。

R0阻值的選擇：

R0的數(shù)值若選用太小，相當(dāng)沒有增加零序電阻，限制電壓互感器飽和過電壓的作用不大。從阻尼的角度來看電阻值越大越好，若R0→∞，既電壓互感器高壓側(cè)繞組中性點變?yōu)榻^緣了，電壓互感器的電感量不參與零序回路，也就不存在電壓互感器飽和過電壓。但R0太大，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時，大部分零序電壓降在電阻R0上，會使開口三角形電壓太低(系統(tǒng)對地電壓在電壓互感器勵磁繞組三，和風(fēng)間分壓)，影響接地指示靈敏度和保護裝置正常動作，從大量的試驗中得出廠用6kV電源系統(tǒng)R0可取30～50kΩ。

(3)在母線上接入一定大小的電容器(C)，使比值Xc/XL<0.01，也可消除諧振。

(4)廠用6kV公用電源系統(tǒng)負(fù)荷分布很不合理，檢修變及燃料膠帶機、碎煤機電纜太長，中間接頭多，且容易接地或斷線，因此，改變負(fù)荷分布，達(dá)到改變其對地等值電容，也可消除諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

(5)產(chǎn)品選型時，采用鐵心不易飽和、絕緣性能良好、伏安特性好的同一廠家的同一時期生產(chǎn)的電壓互感器，或者接線時改變電壓互感器的接線形式，對消除諧振現(xiàn)象也有幫助。

3 結(jié)束語

在電壓互感器開口三角繞組兩端接微機電腦消諧裝置能夠抑制電壓互感器飽和過電壓，但它有一定局限性，無法抑制低頻飽和電流，適用于電容不太大系統(tǒng)；而在電壓互感器繞組中性點接消諧電阻既能消除電壓互感器飽和過電壓，又能抑制低頻飽和電流，防止高壓側(cè)熔絲熔斷，只要阻值選擇適當(dāng)，就不會影響電壓互感器正常運行，適用于對地電容較大系統(tǒng)。所以在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實際情況，合理選擇用一種或幾種消諧方法，以達(dá)到最佳消諧效果，保證設(shè)備的正常運行。