铁磁谐振过电压产生的机理在最简单的带铁芯电感L和电容C与电源E的串联回路中

1铁磁谐振过电压产生的机理在最简单的带铁芯电感L和电容C与电源E的串联回路中，电容压降此主题相关图片如下：，电感压降UL=I·ωL。由于与Uc和UL反向，所以此主题相关图片如下：式中Uc--电容压降UL--电感压降I--线路电流E--电源电压L--电感量C--电容量ω--2πf此主题相关图片如下：图1串联铁磁谐振电路特性曲线由于铁磁电感具有非线性特征，求解这一电路采用图解法。图1表示UL－I、Uc－I的伏安特性。可以看出，Uc－I是一条斜直线，而Uc－I具有铁磁饱和的特性，它们相交于e点。图中同时画出Δu与I的关系曲线，它和E直线相交于a1，a2，a3三点，在三个点上，E=Δu时，称为平衡点，即电路可能的工作点。由图可知，电源E没有足够大扰动，则电路便稳定工作在a1点，电感和电容上的电压分别为和，且，故电路呈感性，这时电流较小，电路处于非谐振状态。但由于10kV配电系统大多采用中性点不接地方式运行，其线路(尤其是电缆出线)对地存在分布电容，当系统运行正常时，各相电压互感器的感抗相等，中性点电压等于零。但如果当线路因断线、雷击或其他原因而产生单相接地故障时(如A相)，接地相对地电压降到接近于零，而非故障相对地电压上升倍，导致严重的中性点位移，中性点对地电压升高，系统的稳定性和对称性遭到破坏。另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h，不致于引起用户断电。但随着中压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，中压电网对电容电流亦大幅度增加，在发生单相接地故障时，其接地点电阻较大且接触不良，因而在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压瞬高瞬低，同时引发电能、磁能的振荡。单相接地时接地电弧不能自动熄灭，必然产生弧光过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。对于全部(或大部分)是电缆出线的电网，网络的电容电流会更大，单相接地后电弧不能自行熄灭，产生的弧光过电压可能导致相间短路而电缆放炮。所以当线路发生单相接地故障时，就会使电源电压瞬间升高，工作点越过ΔU－I曲线的最高点达到a2点，但a2点并不是稳定工作点，因为电路中电流一旦偏离a2点而增大时，电源电势E便大于ΔU，使回路电流I继续增大，这使带铁芯电感更加饱和，L值进一步下降，I随之增加，达到串联谐振点e点，在e点ωL=1/ωC，理论上此时过电压将趋于无穷大，但e点也不是稳定工作点，随着电流激增L将继续减少，电路就自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3为止，此时，虽然工作点已偏离理论上的谐振工作点e，但这时电流已经很大，、都很高，所以我们说电路仍处于谐振状态。此时由于，电路呈容性。从以上分析可以看出，所谓铁磁谐振就是由于铁芯饱和而引起的一种跃变过程，由于a1点到a3点的跃变，使电路由原来的感性状态转变为容性状态，电路相位发生180°反转。通过以上对串联铁磁谐振电路的分析，我们就能够明白，当线路发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，中性点位移产生零序电压。由于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL＝1/ωC时，即具备谐振条件，从而产生谐振过电压。在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。2消除铁磁谐振的技术措施(1)选择励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器。(2)在同一个10kV配电系统中，应尽量减少电压互感器的台数。(3)在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻。(4)在母线上接入一定大小的电容器，使容抗(Xc)与感抗(XL)的比值小于0.01可避免谐振。(5)系统中性点装设消弧线圈。(6)采用自动调谐原理的接地补偿装置，通过过补、全补和欠补的运行方式，来较好地解决此类问题。目前自动调谐接地补偿装置主要是由五大部分组成：接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻。接地变压器是作为人工中性点接入消弧线圈。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制，采用预调节方式，即在正常运行方式情况下，根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。利用微机控制器实现自动跟踪和自动调谐。通过测量位移电压为主和中性点电流与电压之间的相位，能够准确的计算、判断、发出指令自动进行调整，显示有关参数：电容电流、电感电流、残流和位移电压等。还能追忆、报警、自动打印和信号远送，满足无人值班变电所的需要。110kV良站10kV系统为中性点不接地系统，在10kV系统出现A相单相接地时，发生10kV母线干式电压互感器烧坏的故障。事后检查，母线电压互感器本体炸裂、内部绝缘物喷出，非接地相B、C相一次熔丝熔断，母线电压互感器的避雷器未动作，中性点所接消谐电阻正常，中性点绝缘正常，励磁特性在正常范围，二次回路绝缘正常。现分析单相接地时，电压互感器烧坏及铁磁谐振产生的原因。电力系统中存在着许多储能元件，当系统进行操作或发生故障时，变压器、互感器等含铁芯元件的非线性电感元件与系统中电容串联可能引起铁磁谐振，对电力系统安全运行构成危害。在中性点不接地的非直接接地系统中，铁磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是常见的，是造成事故较多的一种内部过电压。这种过电压轻则使电压互感器一次熔丝熔断，重则烧毁电压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器造成系统停运。在一定的电源作用下会产生串联谐振现象，导致系统中出现严重的谐振过电压。1电压互感器引起铁磁谐振的原因分析在中性点不接地系统中，为了监视对地绝缘，母线上常接有Y接线的电磁式电压互感器，如图1所示，图中u0为电源电势，C为线路等设备的对地电容，L为电压互感器激磁电感，R0为中性点串联消谐电阻。在正常运行状态下电压互感器励磁感抗很大，其数值范围在兆殴级以上且各相对称。C数值视线路长短而定，线路愈长容抗愈小，即以1km线路而言，其每相对地电容约0.004μF，故其容抗小于1MΩ，所以整个网络对地仍呈容性且基本对称，电网中性点的位移电压很小,接近地电位。但电压互感器的励磁电感随通过的电流大小而变化，其U-I特性如图2所示。由图2可见，曲线的起始一段接近直线，其电感相应地保持常数。当激磁电流过大时，铁芯饱和，则L值随之大大降低。正常运行时铁芯工作在直线范围，当系统中出现某些波动，如电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等，使电压互感器发生三相不同程度的饱和，以至破坏了电网的对称，电网中性点就出现较高的位移电压，造成工频谐振或激发分频谐振。2铁磁谐振的特点对于铁磁谐振电路，在相同的电源电势作用下，回路可能不只有一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态，要看外界冲击引起的过渡过程的情况。TV的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元件的饱和效应本身，也限制了过电压的幅值。此外回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数值时，就不会出现强烈的铁磁谐振过电压。串联谐振电路，产生铁磁谐振过电压的的必要条件是ω0=1/L0C＜ω。因此铁磁谐振可在很大的范围内发生。维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗的能量均由工频电源供给。为使工频能量转化为其它谐振频率的能量，其转化过程必须是周期性，且有节律的，即…1/2(1，2，3…)倍频率的谐振。铁磁谐振对TV的损坏，铁磁谐振(分频)一般应具备如下三个条件。铁磁式电压互感器(TV)的非线性效应，是产生铁磁谐振的主要原因。TV感抗为容抗的100倍以内，即参数匹配在谐振范围。要有激发条件，如投入和断开空载母线、TV突然合闸、单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电压等。由前面分析可知，事故中具备了3个条件，才导致了此次事故。当良站10kV系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相B、C相电压升高31/2，对系统产生扰动，在这一瞬间电压突变过程中，TV高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成相间串联谐振。饱和后的TV励磁电感变小，系统网络对地阻抗趋于感性，此时若系统网络的对地电感与对地电容相匹配，就形成共振回路，激发各种铁磁谐振过电压。尤其是分频铁磁谐振可导致相电压低频摆动，励磁感抗成倍下降，产生过电压，过电压幅值可达到近2~3.5Ue以上，但此过电压达不到避雷器的动作电压1.7kV，故母线避雷器并未动作。同时，感抗下降会使励磁回路严重饱和，励磁电流急剧加大，电流大大超过额定值，据试验，分频谐振的电流可达正常电流的240倍以上，导致铁芯剧烈振动。TV是在这样大的电流下运行，使本身的温度也迅速升高，当热量积累到一定程度，干式TV中大量绝缘纸、绝缘介质会受热气化，体积急速膨胀，而存放绝缘纸、绝缘介质的干式互感器内部空间有限，当压强积累到一定程度时便产生了TV爆炸。3铁磁谐振频率区域的判别电力网中发生不同频率的谐振，与系统中导线对地分布电容的容抗Xc0，和电压互感器并联运行的综合电感的感抗Xm，两者的比值Xc0/Xm有直接关系。Xco视具体情况而定，架空线路Xco＝350×31/2/L，kΩ/km；电缆Xco＝10×31/2/L，kΩ/km；变压器线圈对地电容的容抗Xc0一般取600～1000kΩ。其中L为线路长度，单位km。Xm为由电压互感器的二次侧感抗100V/I折算到一次侧的感抗。其中I为二次侧的实际测试电流。3.1分频谐振当比值Xc0/Xm较小（在0.01～0.07）时发生的谐振是分频谐振。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较低，表现为：过电压倍数较低，一般不超过2.5倍相电压；三相电压表的指示数值同时升高，并周期性摆动，线电压正常。3.2高频谐振当比值Xc0/Xm较大（在0.55～2.8）时发生的谐振是高频谐振。发生高频谐振时线路的对地电容较小，振荡时能量交换较快。表现为过电压倍数较高；三相电压表的指示数值同时升高，最大值可达到4～5倍相电压，线电压基本正常；谐振时过电流较小。3.3基频谐振当比值Xc0／Xm接近于1时，发生谐振的谐振频率与电网频率相同，故称之为基频谐振。其表现为：三相电压表中指示数值为两相升高、一相降低，线电压正常；过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，严重时甚至会烧坏互感器；过电压不超过3.2倍相电压，伴有接地信号指示，称为虚幻接地现象。当Xc0/Xm≤0.01或Xc0/Xm≥2.8时，系统不会发生铁磁谐振。在不同的谐振区域，谐振的外施触发电压是不同的。分频谐振区谐振外施电压为最低，在正常额定电压下系统稍有波动就可触发谐振。而高频谐振区的谐振外施电压最高。在同一谐振区域内不同的Xc0/Xm比值下，谐振的最低外施触发电压（临界值）也是不同的。良站10kVTV二次侧的实际测试电流为19A，则TV的感抗Xm=100V/I=5.2MΩ。出线总长为：95.034km，10kV线路电容值为0.004μF/km，良站10kV出线的容抗比情况如表2所示。根据表1良站线路和TV的参数Xc0/Xm数大于0.01且小于0.07，说明在系统扰动时（如发生单相接地时）良站是有可能出现铁磁谐振的，且其中主要是分频谐振。4防止铁磁谐振的措施电网的不断发展使线路参数发生变化，铁磁式电压互感器的大量使用，使电网产生铁磁谐振的可能性增大。所以，为了使电网安全可靠供电，必须采取有效措施防止铁磁谐振的发生。防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气参数着手，破坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。这样既可防止电压互感器发生磁饱和，又可预防电压互感器铁磁谐振过电压的产生。4.1改变电气参数4.1.1装设继电保护设备当电网发生单相接地故障时，为改变电压互感器的谐振参数，可通过装设一套继电保护设备来实现。该装置是利用单相接地时所产生的较大谐振电流，启动电流继电器投入，将电压互感器二次侧开口三角处绕组短接。当故障排除后，保护装