10 kV配電系統(tǒng)鐵磁諧振原因分析及消除措施

徐輝 張學(xué)元

摘 要：10 kV配電系統(tǒng)在運(yùn)行時存在電壓互感器的鐵磁諧振情況，會造成、電壓互感器、熔斷器的燒損，引起事故斷電和送電量的減少，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文章對產(chǎn)生鐵磁諧振的原因進(jìn)行了理論分析和實際模擬，為了提高配電系統(tǒng)的可靠性，降低設(shè)備的損壞率，提出了一些消除鐵磁諧振措施，如在10 kV電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相零序互感器、在電壓互感器的開口兩端并接消諧裝置等措施，通過采取以上消諧措施，變電站的鐵磁諧振得到了有效遏止，配電效率明顯提高，取得了良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；鐵磁諧振；消除措施

中圖分類號：TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0131-02

1 概 述

鐵磁諧振過電壓是10 kV電網(wǎng)發(fā)生事故的主要原因，鐵磁諧振是電力系統(tǒng)中的一種非線性的共振現(xiàn)象。發(fā)生共振時，系統(tǒng)電壓比額定電壓高2～3倍，造成熔絲熔斷，避雷器爆炸，電氣設(shè)備遭受擊毀，同時伴有大面積的停電。嚴(yán)重的還會引發(fā)人員的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前我國電力系統(tǒng)的很多變電站都發(fā)生了不同程度的鐵磁諧振現(xiàn)象，雷雨季節(jié)后果更加嚴(yán)重。10 kV電力系統(tǒng)的鐵磁諧振過電壓事故率較高。

對發(fā)生的電力事故進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路發(fā)生單相接地時，兩相電壓瞬間升高，三相鐵芯受到不同的激勵也表現(xiàn)出不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生了變化，各相 的電感值不再相等，中性點(diǎn)的位移產(chǎn)生了零序電壓，線路的電流卻持續(xù)增大，電壓互感器的鐵芯磁飽和，電感迅速減小，電感的降低滿足諧振條件時，產(chǎn)生了諧振的過電壓。發(fā)生鐵磁諧振時電壓互感器的勵磁電流增大，高壓熔絲熔斷，長時間處于過電流狀態(tài)，造成電壓互感器的燒損。

為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，分析了10 kV配電系統(tǒng)的電壓互感器鐵磁諧振問題的原因，并進(jìn)行了實際模擬諧振實驗，進(jìn)而提出了一些消除電磁諧振措施。經(jīng)過數(shù)年的運(yùn)行采取消諧措施以后消除電磁諧振效果良好。

2 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振過電壓的原因 分析

10 kV配電線路大部分都是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，配電室的母線上裝有電壓互感器，電壓互感器的高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，母線對地和與母線相連的配電網(wǎng)各相導(dǎo)線有電容，與電壓互感器的線圈構(gòu)成電感電容的并聯(lián)電路。

當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，電壓互感器是處于不飽和狀態(tài)的，這時感抗大于容抗，并聯(lián)回路呈容性，電流電流大于電感電流，已知三相盛磁電感相等，所以三相導(dǎo)納相等，電網(wǎng)中性點(diǎn)的電壓此時為0。如果電網(wǎng)受到干擾，例如發(fā)生單相瞬間接地的故障，突然合閘等狀況，一相或者兩相對地電壓會迅速升高，電路中某一相發(fā)生接地故障，非接地相的相對地電壓會迅速升高，運(yùn)行時單相接地時，檢漏表的指標(biāo)數(shù)值和電壓矢量關(guān)系會發(fā)生變化。當(dāng)電壓升高時，非接地相電壓互感器的勵磁電流發(fā)生飽和，勵磁電感減少，三相對地負(fù)載不再相等，電網(wǎng)中性點(diǎn)出現(xiàn)了零點(diǎn)電壓。

擾動導(dǎo)致電感電流增大，非接地相的導(dǎo)納變成電感性的，接地相保持發(fā)生擾動前導(dǎo)納的電容性。從等值電路圖可以看出，感性導(dǎo)納和容性導(dǎo)納相互抵消，總導(dǎo)納減小，零序電壓大大增加，如果相數(shù)組合不利，使總導(dǎo)納接近于0，就會發(fā)生串聯(lián)諧振。

諧振是隨機(jī)發(fā)生的，并不是所有的單相接地擾動都會導(dǎo)致產(chǎn)生諧振，只有外部擾動使電容等于電感諧振點(diǎn)，使相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，才會發(fā)生諧振。

電壓互感器的鐵芯飽和會引起電流和電壓波形的不規(guī)則變化，從而發(fā)生諧振，諧振回路會對諧波產(chǎn)生諧振。

產(chǎn)生各種諧波諧振的條件是：

如果系統(tǒng)的每相對地容抗與電壓互感器單相繞組在額定電壓作用下的勵磁電抗的比值在0.01～0.07之間時，會產(chǎn)生分頻諧振；如果兩者的比值在0.07～0.55之間時，會產(chǎn)生基波諧振；如果兩者的比值在0.55～2.8之間時，會產(chǎn)生高頻諧振。

高頻諧振會讓電壓互感器承受高電壓，基波諧振和分頻諧振會產(chǎn)生超過額定值的勵磁電流，高壓熔斷器的熔絲會頻繁的發(fā)生熔斷，造成電壓互感器的燒損。

3 消除鐵磁諧振的技術(shù)措施

發(fā)生鐵磁諧振的原因是多方面的，其中共性的一點(diǎn)原因是電壓互感器受到外來擾動，從而產(chǎn)生鐵感過飽和。如果每相對地容抗與電壓互感器單相繞組在額定電壓作用下的勵磁電抗的比值小于0.01，一般不會發(fā)生諧振。要消除鐵磁諧振，就要限制電壓互感器的鐵感飽和?？梢栽陔妷夯ジ衅鞯拈_口三角并接微電腦多功能消除電磁諧振裝置，在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器，這樣可以增加對地的勵磁電抗，采取這些措施可以消除鐵磁諧振。

3.1 在電壓互感器的開口三角并接消諧器

消諧器的工作原理是這樣的：當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，開三角電壓為零，此時SCR是截止?fàn)顟B(tài)的；如果發(fā)生電網(wǎng)的單相接地故障，同時不滿足感抗與容抗互余的條件，開口三角的繞組兩端會有100 V的工頻電壓，工頻電壓產(chǎn)生于SCR的兩極上，電感和電阻1是并聯(lián)截止的狀態(tài)，對工頻信號產(chǎn)生阻波作用，電阻2的兩端幾乎沒有觸電電壓，此時SCR處于比較穩(wěn)定的截止?fàn)顟B(tài)。

如果電網(wǎng)中發(fā)生諧振現(xiàn)象，電感和電容會在開口三角的電壓作用下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，在電容2的兩端產(chǎn)生非常高的電壓，經(jīng)過倒相耦合，觸發(fā)SCR并導(dǎo)通，開口三角的繞線會產(chǎn)生短路，電網(wǎng)中產(chǎn)生的鐵振諧振會在強(qiáng)烈的阻尼作用下迅速消除。

進(jìn)行消除鐵磁諧振效果的實際模擬實驗，通過實驗測出了電壓互感器非接地相接地后的電壓電流示波圖，通過示波圖可以看到：在接地前各相都為正常電壓，對地電壓為10 kV，頻率50 Hz，電壓和電流值均為零，非拉地相的電流值較小。

非接地相開始接地到接地消除這段時間內(nèi)，電壓值出現(xiàn)變化，三相勵磁的一相電壓為零，其余兩相電壓值相等，對地電壓為100 V，三相勵磁其中一相的電流等于零，A相電流在接地時較大，經(jīng)過較短的時間后趨于穩(wěn)定。

A相接地消除到消除電磁諧振裝置啟動前，電壓的波型發(fā)生畸變，并且畸變的幅度在持續(xù)上升，接地電壓的波型和接地消除前非常接近，變化周期由0.02 min上升到0.04 min，A相的電流在接地的一剎那出現(xiàn)沖擊電流和更大的尖頂波，電網(wǎng)此時就出現(xiàn)了鐵磁諧振，從波型圖上觀察可以看出此時二分之一的分頻諧振為零。

從消諧裝置啟動到諧振消除這段周期內(nèi)，出現(xiàn)了幾個周期的諧振后，分頻諧振出出了尖頂波，此時啟動消諧裝置，開口三角短接，形成了一個強(qiáng)有力的阻尼，諧振被消除，電壓恢復(fù)正常。

3.2 在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器

對電壓互感器施行伏安特性試驗，通過試驗結(jié)果看到對電壓互感器進(jìn)行加壓，直到60 V時，電壓互感器的電流波形發(fā)生畸變，此時電壓互感器的勵磁特性較差，如果電壓持續(xù)升高，鐵芯就會過早的出現(xiàn)飽和。

為了解決由于鐵磁諧振而產(chǎn)生的過電壓，杜絕由于電壓的升高導(dǎo)致的電壓互感器的鐵芯飽和，采取了在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器的措施。通過電壓互感器的一次接線簡圖可以看出T1是各相絕緣監(jiān)視的電壓互感器，T2為串接中性點(diǎn)發(fā)生消除電磁諧振反應(yīng)的單相電壓互感器。利用在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器進(jìn)行消除電磁諧振的工作原理是：

電網(wǎng)正常運(yùn)行時，0點(diǎn)的電位的電壓等于零，各相電壓也等于0，電壓互感器的各相隨的電壓值是相同的。

如果有一單相接地，如A相，通過觀察電壓的分布向量圖可以看出零序電壓作用在串接中性點(diǎn)發(fā)生消除電磁諧振反應(yīng)的單相電壓互感器，正序電壓反應(yīng)在各相絕緣監(jiān)視的電壓互感器，0點(diǎn)電位不再是零電位，而是一次線圈無法承受的線電壓，一次激磁電流不再受到電壓的影響而發(fā)生變化，電壓升高一次激磁電流不會增加。

一次回路的感抗增加，電壓互感器的一次勵磁阻抗增加，電壓互感器不處于飽和區(qū)，這是由于系統(tǒng)發(fā)生了單相接地等電壓升高的現(xiàn)象，不具備發(fā)生鐵磁諧振的條件，就無法產(chǎn)生鐵磁諧振。

將電壓互感器開口三角并接的電壓繼電器并接到中性點(diǎn)的單相電壓互感器的輔助線圈上，鑒定值為15～20 V之間，未發(fā)生鐵磁諧振。

4 結(jié) 語

10 kV配電系統(tǒng)在運(yùn)行極易產(chǎn)生鐵磁諧振，產(chǎn)生鐵磁諧振時會引起電磁感應(yīng)器和熔斷器的燒損，引起大面積長時間的停電，因為鐵磁諧振發(fā)生電力事故以后不僅會增加電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會造成維護(hù)成本的增加。本文分析了產(chǎn)生電壓互感器鐵磁諧振的原因，并提出了兩項消除鐵磁諧振的措施。

消除鐵磁諧振的措施，一是在電壓互感器的開口三角并接消諧器，二是在電壓互感器的中性點(diǎn)串接單相電壓互感器，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行消除電磁諧振效果良好。消除鐵磁諧振的措施不會對儀表的指示和絕緣監(jiān)察產(chǎn)生影響，安裝簡易，維護(hù)方便，發(fā)生電壓互感器和一次熔斷器燒損和熔斷的事故減少，電網(wǎng)運(yùn)行安全，供電也更加可靠，并且節(jié)省了設(shè)備維護(hù)和購置成本，取得了較好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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