電壓互感器鐵磁諧振解決方案探究

馬素燕，姜賓

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司，山東聊城，252400）

0 前言

眾所周知，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生諧振，會(huì)導(dǎo)致電壓互感器電流增大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞母線電壓互感器,甚至?xí)?dǎo)致電壓互感器爆炸。鐵磁諧振的發(fā)生時(shí)間較長(zhǎng)，且無(wú)法采取保護(hù)措施，因此，應(yīng)重視做好鐵磁諧振的預(yù)防工作，對(duì)選擇電壓互感器型號(hào)的過(guò)程中，對(duì)電壓值進(jìn)行合理估算，并設(shè)置科學(xué)的消諧方案，防范串聯(lián)諧振現(xiàn)象的發(fā)生，形成電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。因此，探討電壓互感器鐵磁諧振解決方案，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)理

諧振是交流電路當(dāng)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象，通常情況下，交流電路當(dāng)中出現(xiàn)了電感以及電容的串聯(lián)現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)感抗等于容抗，從而造成諧振。一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)當(dāng)中，受到電容、電感等元件故障影響或者誤操作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生以諧振為代表的震蕩回路。諧振所具有的串諧特征，還會(huì)對(duì)某些系統(tǒng)元件產(chǎn)生不可逆的破壞性影響，其中電壓互感器在諧振影響下的表現(xiàn)十分明顯，這是由于電壓互感器作為鐵芯元件，而鐵芯在參與到回路當(dāng)中所形成的飽和電路會(huì)表現(xiàn)為非線性的電感參數(shù)，從而造成其嚴(yán)重破壞。就目前的電力系統(tǒng)諧振問(wèn)題影響特征來(lái)看，諧振問(wèn)題一般可以依據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為并聯(lián)諧振以及串聯(lián)諧振兩種諧振類(lèi)型，前者表現(xiàn)在小接地單流系統(tǒng)內(nèi)部，并聯(lián)狀態(tài)下的鐵磁諧振會(huì)使得電容互感器與電壓互感器在一次中性接地點(diǎn)的非線性電感之上，構(gòu)成諧振回路；而后者則是在大接地電流系統(tǒng)當(dāng)中產(chǎn)生。電磁式電壓互感器會(huì)通過(guò)非線性電感與斷路器斷口的電容共同構(gòu)成諧振回路。而在眾多諧振回路當(dāng)中，鐵磁電壓諧振出現(xiàn)最為頻繁，同時(shí)影響力也最大。筆者將產(chǎn)生原因總結(jié)為接地線路當(dāng)中的系統(tǒng)沖擊、空載線路擾動(dòng)、斷路器三相不同期以及高壓保險(xiǎn)熔斷等幾個(gè)方面[1]。由于鐵磁諧振會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生損害，因此完善電壓互感器鐵磁諧振解決方案的制定，具有十足的必要性。

通常情況下，與感抗相比，若電網(wǎng)容抗的數(shù)值較大，輕易不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。若受開(kāi)關(guān)突然合閘或者弧光接地的影響，則會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊，使得感抗降低，產(chǎn)生諧振。圖1顯示，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致電流出現(xiàn)許多變化，由I1上升至I2，這也在一定程度上導(dǎo)致了鐵芯飽和速率的增加，極容易對(duì)電壓互感器造成損害。除此之外，一旦電網(wǎng)的參數(shù)產(chǎn)生變化，也容易導(dǎo)致電網(wǎng)容量的降低，促進(jìn)了容抗的增加，這也在一定程度上形成了對(duì)電壓值的擾動(dòng)，進(jìn)而為鐵磁諧振的發(fā)生提供了可能，誘發(fā)諧振現(xiàn)象。

2 電壓互感器鐵磁諧振的消除方法

2.1 改選具有性能優(yōu)勢(shì)的電壓互感器元件

通常情況下，電力系統(tǒng)當(dāng)中所出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為單相接地以及空母線突然合閘等結(jié)構(gòu)環(huán)境，大部分勵(lì)磁性能較差的電壓互感器設(shè)備，在發(fā)生諧振環(huán)境的電路當(dāng)中，會(huì)首先呈現(xiàn)出鐵芯工作點(diǎn)變化的趨勢(shì)，并快速進(jìn)入到飽和區(qū)，此時(shí)如果系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)相當(dāng)，就會(huì)發(fā)生大規(guī)模諧振。為了能夠改變電力系統(tǒng)環(huán)境，提高電壓互感器的應(yīng)對(duì)能力，需要針對(duì)電壓互感器的勵(lì)磁性能進(jìn)行調(diào)整。勵(lì)磁性能較高的電壓互感器能夠在電力系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)勵(lì)磁電感進(jìn)行抑制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于諧振過(guò)程中所產(chǎn)生電壓的控制。筆者建議，對(duì)于勵(lì)磁性能不佳的電壓互感器設(shè)備，可以更換為電容式電壓互感器，以此來(lái)提高其勵(lì)磁特性，防范鐵磁諧振事故的發(fā)生。

2.2 設(shè)定高壓側(cè)接地方式

在電力系統(tǒng)內(nèi)部，單相接地需要經(jīng)過(guò)接地開(kāi)始和接地消失兩個(gè)過(guò)程，其中系統(tǒng)接地的開(kāi)始需要經(jīng)由與地面聯(lián)通的方式，保證未完成接地的兩相電源電路形成通道，而在接地完成之后，整個(gè)電力系統(tǒng)的充放電過(guò)程，電路無(wú)法通過(guò)電壓互感器內(nèi)部的高壓繞組實(shí)現(xiàn)流通。因此，這種接地方式就能夠有效避免電壓互感器的鐵磁諧振問(wèn)題。筆者認(rèn)為通過(guò)重新設(shè)定高壓側(cè)接地方式，可以引導(dǎo)中性點(diǎn)經(jīng)電阻完成接地，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于諧振產(chǎn)生條件的抑制。在接地消失之后，原有的金屬通道將不復(fù)存在，電流的流通則無(wú)法借助原有的流通途徑完成，此時(shí)電流會(huì)直接進(jìn)入到電壓互感器的高壓繞組當(dāng)中，受電的高壓繞組內(nèi)部，會(huì)依據(jù)三相儲(chǔ)電電荷進(jìn)行放電，此時(shí)高壓繞組會(huì)作為直流源直接與電感線圈進(jìn)行連接，并發(fā)生作用。電壓互感器鐵芯則會(huì)出現(xiàn)深度飽和。這種情況下，其所形成的接地相環(huán)境，等同于變壓器空載下的突然合閘，并出現(xiàn)了暫態(tài)涌流的疊加。為了對(duì)其加以處理，可以嘗試在高壓側(cè)中性點(diǎn)位置安裝RO電阻器，借助電阻器實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓互感器產(chǎn)生的電壓的分擔(dān)，避免諧振的產(chǎn)生[2]。

2.3 裝設(shè)消弧線圈

一般的10kV電力系統(tǒng)當(dāng)中，針對(duì)出現(xiàn)的諧振問(wèn)題以及電壓互感器鐵磁諧振影響問(wèn)題，通?？梢圆捎眉友b消弧線圈裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制。在系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)內(nèi)部的中性點(diǎn)通過(guò)加裝消弧線圈裝置的方式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部電感并聯(lián)，并作用于每一相勵(lì)磁電感當(dāng)中，同時(shí)，消弧線圈設(shè)備本身的電感值相比PT勵(lì)磁電感為低，因此PT等效下所出現(xiàn)的零序電感短路現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于參數(shù)匹配關(guān)系的打破，從而實(shí)現(xiàn)在源頭遏制諧振的產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，筆者更傾向于采用補(bǔ)償法進(jìn)行消弧線圈的安裝，這是由于消弧線圈本身具有較大的電感，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中比較復(fù)雜，而電感還會(huì)造成對(duì)于電力系統(tǒng)自身的影響。不過(guò)必須強(qiáng)調(diào)的是，消弧線圈裝置只適用于10kV電力系統(tǒng)，對(duì)于35kV以上的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，消弧線圈裝置的安裝不但不會(huì)起到飽和庇振效果，甚至還會(huì)造成對(duì)于回路的破壞，需要選擇其他控制方式[3]。

2.4 電力系統(tǒng)操作規(guī)范化

規(guī)范化的操作也是避免諧振問(wèn)題影響擴(kuò)大的重要舉措，筆者通過(guò)前文的產(chǎn)生原因分析，總結(jié)出電壓互感器鐵磁諧振的出現(xiàn)除了有電力系統(tǒng)自身裝置的問(wèn)題之外，也包括部分人為因素的影響。因此在進(jìn)行諧振控制策略的研究時(shí)，筆者也提出了基于操作規(guī)范化的控制要求。具體來(lái)說(shuō)，操作人員應(yīng)當(dāng)注重電路斷路器端口、電氣元件之間的關(guān)系。首先，電容器內(nèi)部的回路刀閘由于其帶斷口，因此操作人員不可以對(duì)其進(jìn)行電壓互感器母線合閘；其次，該類(lèi)型的電容器，還不可以直接進(jìn)行空載母線的切斷。在必須進(jìn)行切斷的場(chǎng)合中，操作人員必須首先拉開(kāi)電壓互感器設(shè)備，隨后在進(jìn)行母線的偷空。此時(shí)，母線偷空可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)于TV的斷開(kāi)，并在切斷作業(yè)最終完成后進(jìn)行基于母線的送電。操作人員在操作過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)注意，母線電壓需要在母線操作過(guò)程中時(shí)刻監(jiān)視并進(jìn)行信息獲取。一旦發(fā)生電壓互感器的鐵磁諧振，操作人員需要第一時(shí)間完成斷路器合閘，切斷一切回路電容。同時(shí)投入其他線路，破壞諧振產(chǎn)生的環(huán)境條件，從而避免因諧振問(wèn)題造成電力系統(tǒng)設(shè)備過(guò)電壓，影響電力系統(tǒng)及操作人員的人身安全。

3 結(jié)論

綜上所述，受變電站電壓互感器電壓突然變化的影響，極容易誘發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)合閘、對(duì)地電容以及鐵芯特性均是鐵磁諧振的影響因素。一旦產(chǎn)生鐵磁諧振，會(huì)導(dǎo)致電壓和電流在瞬間急速升高，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行形成了挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)注重改選具有性能優(yōu)勢(shì)的電壓互感器元件，合理設(shè)定高壓側(cè)接地方式，裝設(shè)消弧線圈，促進(jìn)電力系統(tǒng)操作規(guī)范化，從根源上防范鐵磁諧振的產(chǎn)生。