电压互感器铁磁谐振分析

第32卷增刊2电网技术Vol.32Supplement22008年12月PowerSystemTechnologyDec.2008文章编号：1000-3673（2008）S2-0311-03中图分类号：TM64文献标志码：A学科代码：470·4051电压互感器铁磁谐振分析梅成林，张超树（广东省电力工业局试验研究所，广东省广州市510600）AnalysisofVoltageTransformerFerroresonanceMEICheng-lin，ZHANGChao-shu（GuangdongPowerTest&ResearchInstitute，Guangzhou510600，GuangdongProvince，China）摘要：铁磁谐振是电力系统中的一种常见现象，文中论述了电力系统中串、并联铁磁谐振的发生机理，介绍了不同频率铁磁谐振的特点。针对一起发电机出口侧电压互感器烧毁事故进行了深入分析，得出此次铁磁谐振的发生机理。最后总结了当前消除和防止铁磁谐振的方法。关键词：中性点不接地系统；电压互感器；铁磁谐振0引言在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压，电磁式电压互感器(potentialtransformer，PT)的一次绕组接成星形，中性点直接接地。这种情况下，除了系统的对地电容外，还有PT对地的励磁电感，正常运行时，PT励磁绕组感抗很大，远远大于对地电容，PT三相基本平衡，中性点的位移电压很小，系统不会发生谐振[1-2]。铁磁谐振一般由单相接地、合闸等引发，单相接地或合闸等情况可使电压互感器饱和，电感减小，出现电感与系统电容相等的情况，引发铁磁谐振[3]。1谐振的原理及分类1.1谐振原理1.1.1串联谐振电力系统的谐振根据谐振电路分为串联谐振和并联谐振[4]。串联谐振的示意图如图1所示。设基波时的电容容抗为XC，电感的感抗为XL，谐波源的频率与基波频率的比值为N。当满足式(1)时，即发生串联谐振。LC1NXNX=(1)发生串联谐振时，电容两端的电压UC与电感两端的电压UL数值相同，相位相反，串联谐振回路中的电流为谐波源电压与电阻的比值，电感两端谐波源电感电容电阻图1串联谐振示意图的电压值为1LNWLUUjWLjUjQURR===(2)式中：U为谐波源的电压；Q称为谐振回路的品质因素，当谐波源的高次谐波使Q值较大时，就会在电压互感器两端产生谐波过电压，造成PT的损坏。1.1.2并联谐振并联铁磁谐振回路示意图如图2所示。与串联谐振一样，当并联回路中的电容和电感满足式(1)时，就发生并联谐振。系统对地电容谐波源PT励磁绕组图2谐振回路示意图发生并联谐振时，谐振回路的阻抗为LCCLCL//XXZXXjXNXN==−−(3)并联阻抗Z趋近于无穷大，此时，只要谐波源有很小的电流就会在互感器两端产生无穷大的电压，并联的电容与电感回路会产生无穷大的电流，312梅成林等：电压互感器铁磁谐振分析Vol.32Supplement2这种环流会大大超过谐波源注入的电流，严重威胁到互感器一次侧的绝缘以及保险丝。因此，并联谐振的危害比串联谐振的危害大得多。1.2不同频率谐振的危害根据Peterson谐振分布原理，电力系统中发生不同频率的谐振与基频时系统对地电容的容抗XC和互感器的感抗XL的比值有直接关系[5-7]：1）当比值为0.01~0.08时，发生分频谐振，表现为：过电压倍数较低，一般不超过相电压的2.5倍，三相电压表的指示数值同时升高，而且有周期性的摆动，线电压指示数正常。2）当比值为0.08~0.8时，发生基频谐振，表现为：三相电压两相高、一相低，线电压正常；产生很大的过电流会导致互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器；过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地动作或告警，即虚假接地现象。3）当比值为0.6~3.0时，发生高频谐振，表现为：过电压倍数较高；三相电压表同时升高，最大值达相电压的4~5倍，线电压基本正常且稳定；谐振时过电流较小。2电压互感器烧毁事故的分析2.1事故发生过程图3为发生PT烧毁事故的现场接线示意图。图中的发电机为燃汽轮机，在机组的启动过程中，PT发生烧毁事故。事故后调查发现，发电机出口侧PT1、PT2的六相互感器均为一次过热烧毁，且外壳膨胀爆裂，PT内部有绝缘介质流出，但位于同样位置的PT3完好，并未发生烧毁，同时，在此次PT烧毁事故之前，发电机保护装置定子单相接地保护经常动作。发电机静态变频装置隔离开关接地变压器断路器高厂变∼主变PT1PT2PT3图3主接线图2.2事故原因分析此次发生PT谐振，电压互感器励磁特性试验表如表1所示。表1电压互感器的励磁特性二次电压/V11.528.946.657.770励磁电流/A4.4211.117.922.229.0基频额定电压时的励磁感抗值为25L57.720()1.041022.20.1X=×=×Ω其中，PT的变比为20kV/0.1kV；发电机的型号为MB-HQFR-400-2-20；相对地电容为0.649Fμ。因此，对地基波容抗为3C614.91103140.64910X−==×Ω××基波时，对地电容的容抗与励磁绕组的电感比值为0.047。从上述计算看出，基频时对地电容的容抗与励磁绕组的感抗比值在0.01~0.08之间，由此可判断PT烧毁事故为并联的分频谐振。但从发电机定子接地保护动作这种现象来看，此次故障为发生了基频谐振，产生这样的矛盾是因为：发电机在启机时，静态变频装置(staticfrequencyconverter，SFC)作为一种交流变频装置，它将6kV交流电源整流为直流，之后直流逆变为频率变化的交流至发电机定子，同时励磁系统给发电机转子提供直流，SFC与励磁系统相互配合，将发电机转子带动到一定的转速，之后再经过汽轮机将发电机转子带动到额定转速[8]。在SFC将发电机带动到700转，即SFC输出的频率为11.67Hz时，需要对发电机系统进行吹扫工作，此时发生电压互感器烧毁事故。故障发生时，三相互感器的励磁电感饱和程度不一致，使三相电压不相同，出现了基波零序电压，超过了保护定值，发电机定子接地保护动作[9]。因此，本次铁磁谐振的发生机理与一般单相接地、合闸等造成的铁磁谐振不同，为发电机启动过程中，SFC逆变侧提供的谐波源，与对地电容、PT励磁绕组构成的并联回路参数匹配而发生的铁磁谐振。3铁磁谐振的消谐措施3.1一次消谐上述PT烧毁事故后，发电厂在烧毁的电压互感器中性点与地之间加装了电阻，这种消谐方式称为一次消谐。加装了一次消谐电阻之后，电厂再未发生PT铁磁谐振事故。一次消谐电阻为非线性电阻R，系统正常运行时，R呈高阻值，阻尼作用大，当发生谐振时，R可以在很短的时间内消除谐振，试验和运行经验证明，当m0.06RX≥(Xm为PT的励磁感抗)时，可以取得很好的谐波抑制效果[10]。但谐振发生时，消谐电阻会流过很大的电流，产生第32卷增刊2电网技术313很高的热量，有可能使电阻烧毁，另外一方面，接入的电阻越大，消谐效果越好，但是电阻过大会影响保护的灵敏度，因此实际选择消谐器时要综合考虑这2种因素[11-12]。除一次消谐外，通常还有二次消谐、4PT法等消谐方式。3.2二次消谐在电压互感器二次侧开口三角处接入电阻消除谐振的方法称为二次消谐。当发生铁磁谐振时，开口绕组两端的零序电压在电阻上产生电流，电流对高压绕组有去磁作用，可以避免互感器饱和，从而可以有效地抑制谐振。目前，新型的微机二次消谐装置的原理是发生铁磁谐振时首先区别高频、基频、分频谐振，然后通过电阻将开口三角绕组短接，由于短接时间短，不会给电压互感器带来额外负担[13]。二次消谐有一定的局限性，二次消谐难以区分基频谐振和单相接地，且无法抑制低频饱和电流，一般适用于电网较小，对地电容不大的场合。3.34PT法消谐4PT法消谐就是在原电压互感器的三相绕组与地之间接入第4个PT绕组来消除谐振的方法。在中性点与地之间接入第4个PT后，系统正常时接入的绕组对系统基本上无影响，当系统满足谐振条件时，零序电压分量高，但主要加在第4绕组上，降低了三相绕组的电压，从而避免谐振的发生，第4个绕组的分压作用是4PT法避免铁磁谐振的根本原因[14]。4PT法可有效抑制中性点不接地系统中由电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振，且通用性较强。但4PT法也有其缺点，接入的PT绕组使等效电感增大，不能从根本上消除铁磁谐振频率，使谐振频率更低，低频谐振造成的过电流有可能存在较长时间，第4个PT上流过的电流比其他三个都大，需要妥善保护[15-16]。4结论1）电力系统局部回路中的感抗与容抗相等时便会发生串联或并联谐振，为防止铁磁谐振事故的发生，应选用励磁特性较好的电压互感器，使对地电容和PT一次侧的励磁绕组电感比值在0.01~3.0之外；2）各种频率谐波都有可能使PT发生铁磁谐振，通过减少谐波源、限制注入电网的谐波和采取措施使系统参数处于谐振范围之外，可有效预防和抑制谐波谐振的发生；3）消除谐波的方法有一次消谐、二次消谐以及4PT法消谐，具体选择哪种方式消谐应根据现场情况综合考虑。参考文献[1]周泽存．高电压技术[M]．北京：水利电力出版社，1998：32-40．[2]陈慈萱．过电压保护原理与运行技术[M]．北京：中国电力出版社，2002：55-57．[3]林集明，王晓刚，班连庚，等．特高压空载变压器的合闸谐振过电压[J]．电网技术，2007，31(2)：5-10．[4]董国震，和敬涵．电力系统局部电路谐波谐振产生原因分析及对策[J]．继电器，2007，35(1)：77-80，84．[5]孙增杰，王铁强，王海棠．电力系统铁磁谐振分析综述[J]．电力设备，2007，8(12)：62-64．[6]黄文韬．一例电磁式电压互感器“虚幻接地”现象的原因分析[J]．继电器，2004，32(24)：66-68．[7]卢国伟，罗凯．中性点不接地系统的铁磁谐振[J]．湖北电力，2008，32(1)：30-32．[8]李华德．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版社，2004：56-58．[9]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M](第二版)．北京：中国电力出版社，2002：79-82．[10]杨秋霞，宗伟，田璧元．基于小波分析的铁磁谐振检测[J]．电网技术，2006，25(11)：56-58，62．[11]王海棠，窦春霞，王宁，等．基于ATP-EMTP的PT铁磁谐振与消谐措施研究[J]．变压器，2008，45(3)：24-28．[12]郝毅，张艳霞．基于小波包分频特性的中性点不接地系统铁磁谐振检测[J]．电网技术，2006，30(23)：72-76．[13]石启新，谈顺涛．基于MATLAB的PT铁磁谐振数字仿真研究[J]．浙江电力，2004，(4)：6-9．[14]王亮，施围，沙玉洲．采用4TV法的配电网中铁磁谐振的研究[J]．高电压技术，2005，31(10)：18-20．[15]金秋生．农村电力网产生铁磁谐振的机理及防范措施[J]．电网技术，2001，25(6)：61-63．[16]袁毅．一起变电所母线电压互感器铁磁谐振事故的分析[J]．电网技术，1999，23(6)：61-63．收稿日期：2008-11-21。作者简介：梅成林(1981—)，男，助理工程师，从事继电保护方面的工作；张超树(1973—)，男，工程师，从事电力系统及其自动化方面的工作。（实习编辑褚晓杰）