電壓互感器消諧方案的研究及探索

任君 劉芳芳 袁剛

摘要：鐵磁諧振是電力系統(tǒng)中常見的故障現(xiàn)象，如何正確分析、判斷、處理諧振故障仍是一個(gè)有待進(jìn)一步探討的問題。采取有效措施將諧振危害降至最低是電網(wǎng)安全運(yùn)行的保證。本文重點(diǎn)分析了電壓互感器鐵磁諧振的分類、產(chǎn)生機(jī)理及消諧方案。

關(guān)鍵詞：電壓互感器;鐵磁諧振;消諧方案

由非線性電感（鐵芯線圈）和線性電容組成的回路，當(dāng)外施電壓發(fā)生變化時(shí)，由于電感的變化而產(chǎn)生的諧振，這種現(xiàn)象稱為鐵磁諧振。鐵磁諧振是電力系統(tǒng)自激振蕩的一種形式。

系統(tǒng)的諧振將增加電壓互感器電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞母線電壓互感器，甚至導(dǎo)致電壓互感器爆炸。所以在電壓互感器選型過(guò)程中，應(yīng)注意鐵磁諧振的預(yù)防工作，合理估算電壓值，制定科學(xué)的消諧方案，防止串聯(lián)諧振的發(fā)生，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。因此，探索電壓互感器鐵磁諧振的解決方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、電壓互感器簡(jiǎn)述

電壓互感器是一種專門用作變換電壓的特種變壓器。在正常工作條件下，電壓互感器二次電壓實(shí)質(zhì)上與一次電壓成正比，如果在連接方向正確時(shí)，二次電壓對(duì)一次電壓的相位差接近于零。

電壓互感器的一次繞組并聯(lián)接在電力系統(tǒng)的線路中，主要是用來(lái)給測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置供電，用來(lái)測(cè)量線路的電壓、功率和電能，或用來(lái)在線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)線路中的貴重設(shè)備、電機(jī)和變壓器。電壓互感器二次繞組接的測(cè)量?jī)x器、儀表、繼電器等設(shè)備即其二次負(fù)荷。二次負(fù)荷的容量比較小，一般都只有幾伏安、幾十伏安，最大也不超過(guò)一千伏安。

二、鐵磁諧振的分類

根據(jù)系統(tǒng)頻率的不同，鐵磁諧振可分為低頻諧振（又稱分頻諧振）、高頻諧振、基頻諧振（工頻諧振）。

1、低頻諧振。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地分布電容容抗Xc與電壓互感器的感抗XL之比很小時(shí)（在0.01～0.07），會(huì)發(fā)生分頻諧振。當(dāng)電容與電感振蕩時(shí)，能量交換需很長(zhǎng)時(shí)間，振蕩頻率較慢。例如，在50Hz的1/2、1/3、1/4等，因此稱為分頻諧振。其表現(xiàn)為：①過(guò)電壓倍數(shù)低，一般不超過(guò)相電壓的2.5倍。②三相電壓同時(shí)或依次輪流升高，電壓表指針在同范圍低頻（每秒一次左右）擺動(dòng)。

2、高頻諧振。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地分布電容容抗Xc與電壓互感器感抗XL之比較大（在0.55～2.8）時(shí)，會(huì)發(fā)生高頻諧振，此時(shí)線路對(duì)地電容小，振蕩時(shí)能量交換快，諧振頻率通常為50Hz的3、5、7倍等，故稱為高頻諧振。其表現(xiàn)為：①高過(guò)電壓倍數(shù)。②三相電壓表指示值同時(shí)增加，最大值為相電壓的4～5倍，線電壓基本正常穩(wěn)定。③諧振時(shí)過(guò)電流小。

3、基頻諧振。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地分布容抗Xc與電壓互感器感抗XL之比接近1時(shí)，諧振頻率與電網(wǎng)頻率相同，因此稱為基頻諧振，其表現(xiàn)為：①三相電壓表指示數(shù)值為兩相高、單相低，線電壓正常。②過(guò)電流過(guò)大往往導(dǎo)致電壓互感器的熔斷器熔斷，甚至燒毀電壓互感器。③過(guò)電壓倍數(shù)在相電壓的3.2倍以內(nèi)，并伴有接地信號(hào)指示，即虛假接地。

三、電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)理

諧振是交流電路中的一種獨(dú)特現(xiàn)象，通常，交流電路中存在電感和電容的串聯(lián)現(xiàn)象時(shí)，如果感抗等于容抗，導(dǎo)致諧振。一般來(lái)說(shuō)，在電力系統(tǒng)中，當(dāng)受到電容、電感等元件故障或誤操作影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以諧振為代表的振蕩回路。諧振的串諧特征會(huì)對(duì)某些系統(tǒng)元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞性影響，其中，諧振對(duì)電壓互感器性能的影響非常明顯，這是因電壓互感器是一個(gè)鐵芯元件，鐵芯參與回路形成的飽和電路將顯示非線性電感參數(shù)，導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞。根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)諧振問題的影響特征，根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，諧振問題一般可分為并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，前者反映在小接地電流系統(tǒng)中，鐵磁諧振并聯(lián)會(huì)使電容互感器和電壓互感器對(duì)一次中性接地點(diǎn)的非線性電感形成諧振回路;后者是在接地電流較大的系統(tǒng)中產(chǎn)生的。電磁式電壓互感器通過(guò)非線性電感和斷路器斷口的電容共同形成諧振回路。

在眾多的諧振回路中，鐵磁電壓諧振出現(xiàn)頻率最高，影響最大。此外，由于鐵磁諧振會(huì)破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行，所以研究電壓互感器鐵磁諧振消除方案十分必要。電壓互感器的鐵磁諧振既可能是基頻，也可能是分頻，甚至可能是高頻，一般經(jīng)常發(fā)生的基頻和分頻。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電源向帶有電壓互感器的空母線突然合閘時(shí)易產(chǎn)生基頻諧振，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)易產(chǎn)生分頻諧振。

通常，與感抗相比，若電網(wǎng)容抗值較大，則不易發(fā)生鐵磁諧振。若受到開關(guān)突然合閘或弧光接地影響，則將影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低感抗并產(chǎn)生諧振。圖1顯示，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，導(dǎo)致電流發(fā)生很多變化，從I1上升到I2，這也導(dǎo)致鐵芯飽和率在一定程度上增加，容易損壞電壓互感器。此外，一旦電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化，易降低電網(wǎng)容量，促進(jìn)容抗增加，會(huì)對(duì)電壓值形成一定程度的擾動(dòng)，從而為鐵磁諧振的發(fā)生提供了可能，并誘發(fā)諧振現(xiàn)象。

四、電壓互感器消諧方案的研究及探索

1、選擇具有較好勵(lì)磁特性的電壓互感器。一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)中的諧振現(xiàn)象主要表現(xiàn)在單相接地、空母線突然合閘等結(jié)構(gòu)環(huán)境中，大多數(shù)勵(lì)磁性能差的電壓互感器設(shè)備，在有諧振環(huán)境的電路中，先會(huì)表現(xiàn)出鐵芯工作點(diǎn)變化的趨勢(shì)，并迅速進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)若系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)相當(dāng)，將發(fā)生大規(guī)模諧振。為改變電力系統(tǒng)環(huán)境，提高電壓互感器的應(yīng)對(duì)能力，需對(duì)電壓互感器的勵(lì)磁性能進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)品采用飽和磁密較高的材料。具有高勵(lì)磁性能的電壓互感器能抑制電力系統(tǒng)中的勵(lì)磁電感，從而控制諧振過(guò)程中產(chǎn)生的電壓。

可用電容式電壓互感器代替勵(lì)磁性能差的電磁式電壓互感器，以改善其勵(lì)磁特性，防止鐵磁諧振事故的發(fā)生。電容式電壓互感器（CVT）是一種由電容分壓器和電磁單元組成的電壓互感器，使用時(shí)可以避免電磁式電壓互感器構(gòu)成電力系統(tǒng)工頻諧振和鐵磁諧振條件。

2、設(shè)置高壓側(cè)接地方式。在電力系統(tǒng)中，單相接地需經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：接地開始與接地消失，其中系統(tǒng)接地的開始需經(jīng)與地面聯(lián)通的方式，以確保未完成接地的兩相電源電路形成通道，接地完成后，在整個(gè)電力系統(tǒng)的充放電過(guò)程中，電路不能通過(guò)電壓互感器中的高壓繞組實(shí)現(xiàn)流通。

因此，這種接地方式能有效避免電壓互感器的鐵磁諧振問題。通過(guò)高壓側(cè)接地方式的重新設(shè)定，能引導(dǎo)中性點(diǎn)通過(guò)電阻完成接地，從而抑制諧振產(chǎn)生條件。接地消失后，原有的金屬通道將不復(fù)存在，電流流通無(wú)法借助原有流道途徑完成，此時(shí)，電流將直接進(jìn)入電壓互感器的高壓繞組，受電的高壓繞組內(nèi)部將根據(jù)三相儲(chǔ)電電荷放電，此時(shí)高壓繞組將作為直流電源直接與電感線圈連接并發(fā)生作用，電壓互感器鐵芯將深度飽和。在這種情況下，接地相環(huán)境相當(dāng)于變壓器空載突然合閘，存在暫態(tài)涌流疊加。為解決此問題，盡量在高壓側(cè)的中性點(diǎn)安裝RO電阻器，在電阻器的幫助下共享電壓互感器產(chǎn)生的電壓，以避免發(fā)生諧振。

操作員操作時(shí)還應(yīng)注意，在母線運(yùn)行期間，需隨時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓并獲取信息。當(dāng)電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，操作人員需在第一時(shí)間合閘斷路器并切斷所有回路電容。同時(shí)，其他線路投入運(yùn)行，破壞諧振引起的環(huán)境條件，避免諧振引起電力系統(tǒng)設(shè)備過(guò)電壓，從而影響電力系統(tǒng)和操作人員的人身安全。

五、結(jié)束語(yǔ)

電壓互感器作為電力系統(tǒng)中的一種重要的鐵芯電感元件，在一定條件下可與系統(tǒng)中的電容元件“匹配”，從而誘發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，危害電力設(shè)備的安全運(yùn)行。因而，研究及探索電壓互感器的消諧方案，采取恰當(dāng)措施避免鐵磁諧振的發(fā)生或者降低鐵磁諧振的危害，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行十分必要。

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