鐵磁諧振的分析及實(shí)驗(yàn)開發(fā)研究

摘要：論述了由電壓互感器電感的非線性引起的鐵磁諧振的機(jī)理、產(chǎn)生原因和抑制措施，介紹了鐵磁諧振的培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)線路和實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：電壓互感器；鐵磁諧振；實(shí)驗(yàn)開發(fā)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0187-03

在配電網(wǎng)中，10kV電網(wǎng)的變壓器中性點(diǎn)幾乎都是不接地的，35kV電網(wǎng)變壓器的中性點(diǎn)也有相當(dāng)部分不接地。在這種中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于檢測的需要，電壓互感器的中性點(diǎn)是接地的，因而其各相線圈電感和對應(yīng)相的系統(tǒng)對地電容形成一個(gè)并聯(lián)回路。電壓互感器是帶有鐵芯的一種鐵磁器件，它的電感是非線性的，會(huì)隨著運(yùn)行參數(shù)的不同而改變，在正常運(yùn)行時(shí)，互感器不飽和，其電感很大，三相是對稱的。當(dāng)發(fā)生某種沖擊擾動(dòng)時(shí)，如雷電、線路斷線、電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間接地等故障，都可能使三相電路的對稱性遭到破壞，引起一相或兩相對地電壓突然升高，就會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，一般稱為電壓互感器鐵磁諧振，從而使電壓互感器飽和而流過大大超過額定值的電流，導(dǎo)致電壓互感器高壓熔斷器熔斷或電壓互感器燒毀，過電壓還會(huì)引起絕緣破壞及避雷器爆炸事故，危及電網(wǎng)安全供電。

電壓互感器鐵磁諧振是配電網(wǎng)一個(gè)比較普遍且影響較大的故障，其產(chǎn)生的原因是多種多樣的，必須結(jié)合具體電網(wǎng)進(jìn)行針對性的分析處理，到電力生產(chǎn)一線的電力專業(yè)畢業(yè)生經(jīng)常會(huì)遇到這種事故。但目前本?？齐娏I(yè)的電力系統(tǒng)運(yùn)行教材都很少涉及這一技術(shù)問題，更沒有開出這方面的實(shí)驗(yàn)，致使他們在工作中面對這種事故時(shí)往往束手無策。因此，研究開發(fā)鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握鐵磁諧振的基本原理、分析處理方法和防止措施，并且培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力，是十分必要的。鐵磁諧振發(fā)生在10～35kV電網(wǎng)中，要在實(shí)驗(yàn)室用低壓電路進(jìn)行模擬有很大難度，經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，成功開發(fā)了鐵磁諧振的整套實(shí)驗(yàn)，收到了良好的教學(xué)效果。

一、鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)如圖1所示，各相對地電壓由下面公式計(jì)算得出：

所以中性點(diǎn)位移電壓反映了一次側(cè)的零序電壓，后者是前者的三倍。由式（6）可知，如果三相對地電壓對稱，中性點(diǎn)的位移電壓為零，則鐵磁諧振是在各相對地參數(shù)的對稱性遭到破壞時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。

由式（4）可知，中性點(diǎn)的位移電壓值主要取決于三相導(dǎo)納之和（YA+YB+YC）的大小，而各相導(dǎo)納又取決于式（3）中的互感器各相電感L和對地電容C（設(shè)頻率一定，1/r為零），而各相L、C是隨所在電網(wǎng)運(yùn)行工況而變的。在正常運(yùn)行時(shí)，互感器不飽和，其電抗很大，一般比對地電容的容抗大得多，各相導(dǎo)納表現(xiàn)為容性且大致相等，中性點(diǎn)的位移電壓是很小的。但如前所述，在一些不對稱情況下，假如參數(shù)配合使總導(dǎo)納接近于零，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓大大增加，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振。從式（1）可知，各相對地電壓是其電源電壓和中性點(diǎn)位移電壓的相量和，這會(huì)使一相、兩相或三相對地電壓顯著升高。

二、鐵磁諧振產(chǎn)生的原因

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行中，有多種原因會(huì)引起電壓互感器鐵磁諧振。

1.系統(tǒng)單相接地

在中性點(diǎn)不接地的三相系統(tǒng)中，當(dāng)一相發(fā)生接地時(shí)，接地相對地電壓為零，未接地兩相對地電壓升高到線電壓。單相接地故障發(fā)生后，如果發(fā)生間歇性弧光接地，會(huì)產(chǎn)生幾倍于正常電壓的過電壓，導(dǎo)致電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓，造成嚴(yán)重的短路事故，這種情況最為常見。

2.雷電干擾

雷電流是一個(gè)幅值很大、陡度很高的沖擊波電流，電網(wǎng)遭受直擊雷或感應(yīng)雷擊時(shí)，雷電流從輸電線路上進(jìn)入而導(dǎo)致其對地電壓瞬間升高，使線路發(fā)生瞬間單相弧光接地，以致引發(fā)鐵磁諧振。電壓互感器燒毀或高壓熔斷器熔斷往往發(fā)生在雷電活動(dòng)頻繁時(shí)，就是這一原因。

3.線路斷線

線路發(fā)生斷線后，斷線相對地電容便會(huì)減小，導(dǎo)致相對地導(dǎo)納降低，各相合成導(dǎo)納的數(shù)值和相位差別將變大，因而引起中性點(diǎn)位移，并使某些相電壓升高，從而引發(fā)鐵磁諧振。

4.空載母線充電

變電站因檢修或其他原因停電而恢復(fù)供電時(shí)，往往先對母線充電，然后再向用戶送電。當(dāng)母線帶電空載運(yùn)行時(shí)，由于母線對地電容較小，其容抗往往與接于母線上的電壓互感器的激磁電抗同一數(shù)量級，因而（YA+YB+YC）很小，而三相電路參數(shù)總會(huì)存在差異，所加電壓不可避免地也存在不對稱，加上三相合閘不會(huì)絕對同時(shí)，可能使中性點(diǎn)位移電壓大大升高產(chǎn)生鐵磁諧振。這時(shí)電壓互感器會(huì)因飽和發(fā)出聲響，三相電壓升高或指針擺動(dòng)。

5.互感器的勵(lì)磁特性差

在配電網(wǎng)中，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振頻發(fā)，與互感器的勵(lì)磁特性差直接相關(guān)。一些廠家為了省材料、降成本，減少互感器鐵心截面和線圈匝數(shù)，使互感器在外因的誘發(fā)下很易飽和。

三、鐵磁諧振培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)開發(fā)

1.鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)接線

鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)接線如圖2所示，由下列主要設(shè)備組成：一是隔離變壓器組TM。由三臺BK-100型220V/220V隔離變壓器通過YNy接法組成。一次側(cè)外接AC380V電源，二次側(cè)獨(dú)立形成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。二是電壓互感器組TV。由三臺JDG-0.5型單相電壓互感器組成，變比為V，接線方式為星形—星形—開口三角。電壓互感器一、二次側(cè)星形中性點(diǎn)接地。三是消弧線圈L。用一臺1kVA單相調(diào)壓器代替，隔離變壓器TM中性點(diǎn)經(jīng)QL和調(diào)壓器輸出端連接后接地。調(diào)壓器輸出由最大調(diào)至零，可改變電抗值。四是母線。每相通過兩只1?F、630V的電容接地，模擬線路的對地電容。A相上有開關(guān)Qc可斷開，對地泄漏電阻假設(shè)為無窮大。五是可調(diào)電感TB。由兩臺1kVA的單相調(diào)壓器1TB、2TB串聯(lián)而成，通過開關(guān)Qv和電壓互感器并聯(lián)。六是接地線路。隔離變壓器TM二次側(cè)A相通過開關(guān)Qd接地，可以實(shí)現(xiàn)單相接地或不接地。七是電壓表PV和電流表PA。

2.鐵磁諧振產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)

正常無故障時(shí)，線路三相的導(dǎo)納呈容性且大致相等，中性點(diǎn)位移電壓和開囗三角零序電壓都很小。假設(shè)線路在電源端A相斷線，完全忽略該相的對地電容，使系統(tǒng)各相對地參數(shù)不平衡，這時(shí)A相的導(dǎo)納只有互感器的感抗而呈感性，故使總導(dǎo)納YA+YB+YC大幅降低，使中性點(diǎn)位移電壓顯著上升，各相對地電壓隨之上升且不平衡，非斷線B、C相的電壓互感器趨于飽和，從而激發(fā)鐵磁諧振。分析和實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生鐵磁諧振后，A相對地電壓變化不大，而B、C相對地電壓升高較多，且C相最高可達(dá)到相電壓的3倍。

在圖2的接線做實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了模擬線路電源端完全斷線，要打開Qc將A相原接的兩只電容斷開，然后合上電源測量各相對地電壓及中性點(diǎn)對地電壓等參數(shù)，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行值對比，觀察和分析鐵磁諧振時(shí)各量的變化。由于實(shí)驗(yàn)會(huì)使電壓互感器B、C相對地電壓升高，因此不要長時(shí)間通電，實(shí)驗(yàn)完后就要斷開電源。另外，還可以只斷開A相一只電容作不完全斷線實(shí)驗(yàn)，斷開兩相電容做兩相斷線實(shí)驗(yàn)。這一產(chǎn)生鐵磁諧振的實(shí)驗(yàn)方法簡單易行，可以從容觀察鐵磁諧振現(xiàn)象，但在實(shí)際的配電系統(tǒng)中，因同一電壓系統(tǒng)有多條線路運(yùn)行，一條線路在電源端完全斷線，也不會(huì)使該相對地電容趨于零，因而實(shí)際系統(tǒng)因單純斷線（不接地）產(chǎn)生鐵磁諧振的幾率不大。另一個(gè)產(chǎn)生鐵磁諧振的實(shí)驗(yàn)方法是調(diào)節(jié)電壓互感器電感。鐵磁諧振產(chǎn)生的內(nèi)因是電壓互感器電感的非線性，在外加電壓升高時(shí)互感器趨于飽和，但采用可調(diào)的高電壓不易實(shí)現(xiàn)也不安全，故可設(shè)法在正常電壓下調(diào)節(jié)互感器的電感進(jìn)行模擬。為此在電壓互感器一次A相繞組并聯(lián)一臺可調(diào)電感器，如圖2所示，它由兩臺調(diào)壓器串聯(lián)而成。當(dāng)電感調(diào)到最大時(shí)，互感器的等效電感基本不變，當(dāng)電感調(diào)到最小時(shí)，互感器的等效電感為零，等于A相接地。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將圖2的Qv合上，調(diào)節(jié)調(diào)壓器模擬電感從最大值緩慢減小，觀察電壓互感器三相電流表讀數(shù)的變化，當(dāng)某一相讀數(shù)突然變大時(shí)，說明已發(fā)生鐵磁諧振，觀察和記錄有關(guān)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

3.鐵磁諧振防止措施實(shí)驗(yàn)

以下實(shí)驗(yàn)都是模擬線路A相在電源端完全斷線，即打開Qc將A相原接的兩只電容斷開，激發(fā)鐵磁諧振，然后采取不同的措施來抑制鐵磁諧振。

（1）電壓互感器TV中性點(diǎn)接電阻。電壓互感器TV一次側(cè)繞組中性點(diǎn)經(jīng)500Ω、200W的電阻接地，然后合上電源后記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，觀察分析這一措施對鐵磁諧振的抑制作用和效果。將1000Ω、2000Ω電阻分別進(jìn)行接地實(shí)驗(yàn)，比較不同電阻值的抑制情況，實(shí)驗(yàn)中可用一臺可調(diào)滑線電阻器代替固定電阻。

（2）電壓互感器TV開口三角接電阻。在電壓互感器TV開口三角繞組接上100W燈泡，合上電源后測量記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，觀察分析這一措施對鐵磁諧振的抑制作用和效果。將100W燈泡改為200W，比較不同電阻值的抑制情況。

（3）電壓互感器中性點(diǎn)接零序互感器。將電壓互感器TV的開口三角繞組短接，然后在一次側(cè)繞組中性點(diǎn)串接一臺零序電壓互感器（可采用一臺單相380/100V互感器），測量零序電壓互感器二次側(cè)繞組電壓，分析零序電壓互感器對鐵磁諧振的抑制作用。

（4）采用消弧線圈。用一臺單相調(diào)壓器代替，變壓器TM中性點(diǎn)經(jīng)調(diào)壓器輸出端接地，將調(diào)壓器輸出由最大調(diào)至零，觀察鐵磁諧振消除的情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，由于消弧線圈的電感比電壓互感器小得多，消弧線圈應(yīng)放在電感很小的位置上。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析以上各種措施對抑制鐵磁諧振的作用和效果。需要指出的是，本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際上是一個(gè)小電流接地系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺，在其上面可以做單相接地故障、斷線故障、電壓互感器等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)語

鐵磁諧振是配電網(wǎng)常見故障。鐵磁諧振的內(nèi)在原因?yàn)殡妷夯ジ衅麟姼械姆蔷€性，外在原因則存在很多不確定性，研究鐵磁諧振產(chǎn)生的原因并提出有效地解決措施，對保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。開發(fā)鐵磁諧振的培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，使培訓(xùn)講解與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，對學(xué)生掌握鐵磁諧振的基本原理、處理方法和防止措施，并且培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力，提高培訓(xùn)實(shí)效是十分必要的。鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)建簡單易行、成本低廉，適合在高校電力專業(yè)和電力部門培訓(xùn)中應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：孫晴）