鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)開發(fā)及其研究

賀秋麗,李如琦,陳新苗,梁志堅(jiān),王輯祥,王慶華

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

在電力系統(tǒng)中,鐵磁諧振是一個(gè)常見的故障,當(dāng)產(chǎn)生某種沖擊擾動(dòng)時(shí),例如,斷路器的突然合閘,電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時(shí)接地等,都可能使一相或兩相對(duì)地電壓瞬間升高,致使電壓互感器的鐵心飽和,激磁電感下降,在某些情況下,電壓互感器的非線性電感就會(huì)和系統(tǒng)的對(duì)地電容產(chǎn)生鐵磁諧振。鐵磁諧振是小接地電流系統(tǒng)運(yùn)行中常見的故障,它會(huì)引起電壓互感器高壓保險(xiǎn)熔斷或燒毀、絕緣擊穿、避雷器爆炸等事故,危及系統(tǒng)供電安全[1,2,3],研究配電網(wǎng)鐵磁諧振現(xiàn)象這個(gè)課題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鐵磁諧振的產(chǎn)生

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,三相對(duì)地導(dǎo)納為YA、YB、YC,各相對(duì)地電壓由下式表示

式中,rA、rB、rC為各相對(duì)地泄漏電阻,一般可認(rèn)為無窮大,CA、CB、CC為各相對(duì)地電容 ,LA、LB、LC為電壓互感器各相電感。

電壓互感器是一種鐵磁元件,正常運(yùn)行時(shí),互感器不飽和,其電感很大,式(3)中各相導(dǎo)納表現(xiàn)為容性且三者相差甚小,由于三相電壓基本對(duì)稱,式(2)表示的中性點(diǎn)位移電壓是很小的。但是,當(dāng)產(chǎn)生某種沖擊擾動(dòng)時(shí),例如斷路器的突然合閘、電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間弧光接地、雷電干擾等,都可能使一相或兩相對(duì)地電壓瞬間升高,致使電壓互感器的鐵心趨于飽和,激磁電感急劇下降,使中性點(diǎn)位移電壓明顯上升,當(dāng)參數(shù)的配合使總導(dǎo)納(YA+YB+YC)接近于零時(shí),就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振,使系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓大大增加。各相對(duì)地電壓是其電源電壓和中性點(diǎn)電壓的矢量和,這就使各相對(duì)地電壓與正常運(yùn)行情況發(fā)生了顯著的變化。發(fā)生鐵磁諧振時(shí),中性點(diǎn)位移電壓(即零序電壓)反映到電壓互感器的開口三角上,可能發(fā)出接地信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的分析與介紹

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬的是一個(gè)很簡單的小電流接地系統(tǒng),將其分為5個(gè)部分進(jìn)行分析與介紹,包括:電源部分,模擬線路部分,互感器部分,消弧線圈部分,接地部分。

2.1 電源部分

電源部分接線如圖1所示,選用三臺(tái)型號(hào)為NDK(BK)-100的單相變壓器,其變比為 380/220V,容量為100VA。三臺(tái)變壓器一次側(cè)三角形接法,二次側(cè)為星形接法,形成了變壓器組。

2.2 模擬線路部分

任意兩個(gè)導(dǎo)體之間隔以絕緣介質(zhì)就形成了電容,電力網(wǎng)三根導(dǎo)線對(duì)地或?qū)Ь€之間都存在著分布電容,這些電容將引起附加電流。對(duì)于線路部分的模擬,由于是小電流接地系統(tǒng),線路是通過電容聯(lián)系起來,忽略掉線路電感,研究的是在穩(wěn)態(tài)下的實(shí)驗(yàn),可用集中電容來模擬。如圖1所示,選用型號(hào)為CBB61的交流電容器,容量為1uF5%,耐壓500VAC,出線每相接上2只電容來模擬系統(tǒng)對(duì)地電容。

2.3 互感器部分

2.4 消弧線圈部分

消弧線圈部分接線如圖1所示,變壓器中性點(diǎn)N通過轉(zhuǎn)換開關(guān)QL接入消弧線圈L,以實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈之間的切換。消弧線圈L選用型號(hào)為TSGC-6的三相調(diào)壓器,其容量為6kVA,選擇其中一相,來構(gòu)成可調(diào)電抗器。

2.5 接地部分

接地部分接線如圖1所示,出線一相(A相)通過接地開關(guān)Qd與地線相連接,以實(shí)現(xiàn)單相接地與不接地間的切換。在進(jìn)行過渡電阻影響實(shí)驗(yàn)時(shí),在Qd和地之間接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器,如圖1中虛線所示。

將以上各個(gè)部分連結(jié)起來,組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體接線如圖1所示,所有的實(shí)驗(yàn)都將在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 電壓互感器鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)

實(shí)際電力系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振,是由于某種外因使電壓互感器的鐵心趨于飽和,激磁電感急劇下降所致。根據(jù)式(2)、(3)可知,三相對(duì)地導(dǎo)納 YA、YB、YC之間的大小和性質(zhì)(容性、感性)差別較大而使三者之和較小時(shí),就可以使中性點(diǎn)位移電壓上升,從而模擬鐵磁諧振。為此,用改變對(duì)地電容的方法使參數(shù)不平衡,就可以產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

圖1 小電流接地系統(tǒng)總體接線圖

方案一、A相全斷線(無電容)激發(fā)鐵磁諧振

(1)按圖1小電流接地系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線,系統(tǒng)簡化電路圖如圖2(a),每相并聯(lián)2只1uF的電容器,接入星形—星形—開口三角電壓互感器 TV,加上電源,測量正常運(yùn)行時(shí)各相對(duì)地電壓(UAd、UBd、UCd)、中性點(diǎn)對(duì)地電壓UNd及開口三角電壓U0,各相對(duì)地電容電流(Ica、Icb、Icc)、流入互感器電流(Ifa、Ifb、Ifc)填入表格1中。

(2)斷開電源,將A相所接的2只電容器全斷開,模擬線路在電源端完全斷線,使系統(tǒng)各相對(duì)地參數(shù)不平衡,此時(shí)A相全斷線(無電容)的系統(tǒng)等效電路如圖2(b),A相對(duì)地導(dǎo)納為感性,B、C相為容性。合上電源后測量各參數(shù)填入表格1中。并用示波器觀察各相對(duì)地電壓,中性點(diǎn)對(duì)地電壓的波形、相位差及其諧波含量。

(3)畫出一次側(cè)三個(gè)相電壓、三相對(duì)地電壓和中性點(diǎn)位移電壓矢量圖并進(jìn)行分析。

圖2

表1

從表1可知,UBd和UCd均升高,而UCd最高,流入互感器C相的電流400mA,C相嚴(yán)重飽和,故C相電壓升高最大,B相略微升高。

方案二、電壓互感器一次A相并聯(lián)可調(diào)電感器

(1)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖1基礎(chǔ)上,電壓互感器一次側(cè)A相并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電感器(用兩個(gè)調(diào)壓器串聯(lián)代替)接地,將可調(diào)電感器調(diào)至最大,合上電源,測量結(jié)果填入表2。

(2)緩慢調(diào)小可調(diào)電感器,并測量填入表2。調(diào)節(jié)可調(diào)電感器時(shí),注意觀察電壓互感器各相電流表讀數(shù)的變化情況,當(dāng)有某一相讀數(shù)突然躍升時(shí)(此時(shí)也會(huì)聽到電壓互感器某相發(fā)出很大的噪音說明已發(fā)生諧振)停止調(diào)節(jié),測量結(jié)果填入表2。

(3)繼續(xù)緩慢調(diào)小可調(diào)互感器直至到0(0時(shí)為A相接地),然后迅速將可調(diào)電感器調(diào)到步驟(2)中剛開始發(fā)生諧振的位置,再緩慢往回調(diào)大可調(diào)電感器,觀察諧振情況,測量紀(jì)錄各量填于表2,用示波器觀察各相電壓電流波形及其諧波。

表2 (說明:可調(diào)電感位置為兩調(diào)壓器串聯(lián)后總刻度之和)

4 鐵磁諧振防止實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1,對(duì)方案一鐵磁諧振做消諧實(shí)驗(yàn)。

(1)加上電源,測量正常運(yùn)行時(shí)各參數(shù)填入表格3中。

(2)斷開電源,將A相所接的2只電容器全斷開,模擬線路在電源端完全斷線,使系統(tǒng)各相對(duì)地參數(shù)不平衡,觸發(fā)鐵磁諧振,合上電源后測量填入表格3中。

(3)在A相無電容而B、C相接2只并聯(lián)電容的情況下,將電壓互感器 TV開口三角繞組上并接200W的白熾燈泡,測量各參數(shù)。

(4)將200W燈泡換成100W,合上電源后測量各參數(shù)填入表格3中。

(5)在A相無電容而B、C相接2只并聯(lián)電容的情況下,將電壓互感器TV開口三角繞組短接,在高壓側(cè)中性點(diǎn)串接一臺(tái)零序電壓互感器一次繞組(采用一臺(tái)單相380/100V互感器),合上電源后測量各參數(shù)填入表格3中。

(6)在A相無電容而B相、C相接2只并聯(lián)電容的情況下,電壓互感器原邊中性點(diǎn)經(jīng)500、1000、2000歐電阻接地,合上電源后測量各參數(shù)填入表格3中。

(7)在A相無電容而B相、C相接2只并聯(lián)電容的情況下,系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈(用一個(gè)調(diào)壓器代替,且把調(diào)壓器調(diào)至最大430位置)接地,合上電源,緩慢把消弧線圈從欠補(bǔ)償狀態(tài)調(diào)至過補(bǔ)償狀態(tài)(即把電壓器調(diào)小),合上電源后測量各參數(shù)填入表格3中。

表3

通過表3的數(shù)據(jù),看出各種消諧措施的效果都不一樣。

(1)電壓互感器開口三角并接電阻對(duì)抑制鐵磁諧振的效果:200W燈泡的抑制效果比100W的好,因200W燈泡的電阻比100W燈泡電阻要小。

(2)電壓互感器一次側(cè)經(jīng)零序互感器接地對(duì)抑制鐵磁諧振的效果:當(dāng)電壓互感器一次側(cè)接入零序電壓互感器接地后,中性點(diǎn)位移電壓降為126V,越原來的430V的諧振時(shí)電壓相比已明顯降低了很多,但是與接200W或100W燈泡的抑制效果稍微差些。

(3)電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地:當(dāng)電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)接入電阻500歐接地后,系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓UNd從原來的430V降到了195V,可知諧振得到了抑制,隨著電阻增大到1000歐和2000歐時(shí),中性點(diǎn)位移電壓UNd再次降低,分別為161.5V和141V,可見電阻越大對(duì)抑制鐵磁諧振的效果越好,但是與前面兩項(xiàng)消諧措施相比卻顯得差些了。因?yàn)榻尤氲碾娮枋莻€(gè)耗能元件,在等效電路中相當(dāng)于一個(gè)阻尼電阻,電阻越大阻尼越強(qiáng),抑制鐵磁諧振過電壓效果越好。

(4)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地:當(dāng)接入消弧線圈后,中性點(diǎn)位移電壓UNd降到350V,隨著消弧線圈的調(diào)小,中性點(diǎn)位移電壓還不斷的降低,當(dāng)消弧線圈調(diào)到350位置時(shí)IL=163mA>Icb=155mA,說明此時(shí)消弧線圈已到過補(bǔ)償狀態(tài),而此時(shí)的 UNd為253V,已減少了 。隨著消弧線圈繼續(xù)調(diào)小,中性點(diǎn)位移電壓不斷降低,十分明顯。

5 結(jié)語

本文重在研究鐵磁諧振的內(nèi)在規(guī)律,分析了鐵磁諧振的機(jī)理,鐵磁諧振的一些特征通過實(shí)驗(yàn)手段很好地反映了出來。并對(duì)加入阻尼電阻的消諧原理進(jìn)行分析,是對(duì)現(xiàn)有理論的補(bǔ)充,取得了顯著的實(shí)驗(yàn)效果。為確保電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行,提高電力系統(tǒng)的安全可靠性,針對(duì)鐵磁諧振過電壓物理機(jī)理和抑制方法有待更進(jìn)一步深入探討。

[1]王輯祥.電氣工程實(shí)踐訓(xùn)練[M].中國電力出版社,2007

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