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電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓的解決措施及防
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:01:38 瀏覽次數(shù)： 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電壓互感器，產(chǎn)生鐵芯飽和諧振的主要原因是諧振波電源和諧振電路參數(shù)的匹配。由于電力系統(tǒng)故障的形式是多種多樣的，目前尚無有效措施對諧波電源加以限制，此外由于故障形式的不同，系統(tǒng)諧振參數(shù)也是隨機(jī)變化的。因此，消除10kV系統(tǒng)發(fā)生諧振的方法有兩種：一種是改變零序網(wǎng)絡(luò)中Xc與Xm的比值，使Xc/Xm的比值躲過諧振實(shí)驗(yàn)曲線的諧振區(qū)域，或固定接入電阻，從根本上破壞諧振的基本條件。根據(jù)紹特和彼得遜的研究，當(dāng)Xc/Xm<0.01時(shí)，不會發(fā)生諧振；當(dāng)Xc/Xm>0.08時(shí)，會出現(xiàn)基頻諧振；隨著比值的增高，還會出現(xiàn)倍頻諧振。但這些諧振所需要的電源電壓較高，不會輕易發(fā)生，如圖4所示。上述變電所發(fā)生諧振時(shí)Xc/Xm=0.041~0.085，是一種分頻諧振現(xiàn)象，所需要的電源相電壓的值約為0.01Uxg，因此交易發(fā)生。另一種方法是在諧振發(fā)生后，自動投入阻尼電阻，破壞諧振得法，制定了以下具體措施。
1、開口三角繞組接入阻尼電阻
運(yùn)行時(shí)間表明，在電壓互感器的開口三角繞組接入一個(gè)電阻，可以增大回路的阻尼作用，并有效防止或消除鐵磁諧振過電壓。
開口三角繞組接入電阻如圖5所示。當(dāng)電壓互感器發(fā)生諧振時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，使三相電壓不對稱，電壓互感器鐵芯嚴(yán)重飽和，出現(xiàn)零序磁通，電壓互感器高壓繞組中將流過零序電流I10，在開口三角繞組兩端感應(yīng)零序電壓U20.如果在開口三角繞組兩端接入一個(gè)電阻R0，將流過零序電流I20，它對高壓繞組產(chǎn)生去磁作用，從而抑制了諧振。R0愈小，I20愈大，去磁作用也愈顯著。如果將開口三角繞組兩端短接，即R0=0，諧振就不會發(fā)生。
在圖5中，I10=I20/K^2，I20=3*U20/R0，則I10=3*U20/K^2R0 所以 U10/I10=R=R0*K^2/3。
式中：K為電壓互感器的高壓繞組與開口三角繞組之間的比。
可見，開口三角繞組兩端接入電阻R0，就相當(dāng)于在電壓互感器的高壓側(cè)每相并聯(lián)一個(gè)（K^2/3）R0的電阻，增大了回路的阻尼率。通過模擬試驗(yàn)，一般來說，消除分頻諧振所需要的R0值較小，高頻諧振要求的電阻高。因此如果按消除分頻諧振的要求來選擇電阻，就可同時(shí)滿足消除基頻諧振和高頻的要求。故分頻諧振和基頻諧振的R0確定方式為R0=Xm/K0^2。
從諧振效果來說，希望R0盡可能小些。但是R0太小，系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，電壓互感器漏抗上的壓降太大，開口三角繞組兩端電壓過低，不能滿足繼電保護(hù)的要求。在現(xiàn)場為了電阻的取材方便，同時(shí)滿足繼電保護(hù)的要求，3~10kV互感器可采用200~500W普通白熾燈泡作為開口三角電阻。燈泡的鎢絲在冷卻狀態(tài)下的溫差極大，其電阻呈非線性特性。如500W燈光在冷狀態(tài)下，電阻僅有7Ω左右，足以消除空母線合閘的諧振現(xiàn)象；單相接地時(shí)，三角開口電壓約100V，燈泡電阻在100V電壓下增至約70Ω，能滿足繼電保護(hù)和互感器熱容量的要求。某電廠3kV廠用電系統(tǒng)曾多次發(fā)生諧振，造成互感器熔絲熔斷，深圳全廠停電事故。在開口三角接入500W白熾燈后立即消除。
但是由于單相接地故障消失時(shí)所激發(fā)的鐵磁諧振現(xiàn)象，由于白熾燈在故障消失前的接地期間因發(fā)熱電阻已顯著增大了，以致有時(shí)起不到消除諧振的作用，這是互感器開口三角繞組兩端接白熾燈的一個(gè)固有缺點(diǎn)。
2、高壓繞組中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地
通過試驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)踐證明+在電壓互感器一次繞組和中性點(diǎn)經(jīng)一個(gè)較大的電阻接地，利用該電阻限制互感器繞組中的電流，是防止或消除互感器鐵芯飽和諧振的一個(gè)有效而簡便的措施，見圖6。
圖6中，當(dāng)系統(tǒng)C相發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過電容電流，非故障相A、H的電壓升高為線電壓，其對地電容C0上充以與線電壓相應(yīng)的電荷。在接地故障期間，此電荷產(chǎn)生電容電流，以接地點(diǎn)為通路，在電源導(dǎo)線和大地間流通，由于互感器激磁阻抗很大，故流過互感器的電流很小。但是，一旦接地故障消除，這個(gè)電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓水平。由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，就只能通過互感器高壓繞組，經(jīng)其接地的中性點(diǎn)泄人大地。在這一瞬變過程中，互感器高壓繞組中將流過一個(gè)很大的工頻沖擊電流，使互感器鐵心嚴(yán)重飽和，激發(fā)諧振現(xiàn)象。
如果在電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)串一個(gè)足夠大的電阻接地，在單相接地故障消失時(shí)，就可阻尼流過高壓繞組和中性點(diǎn)的沖擊振蕩電流，使其急劇衰減，避免鐵心飽和，防止鐵磁諧振的產(chǎn)生。
如果在電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)串一個(gè)足夠大的電阻接地，在單相接地故障消失時(shí)，就可阻尼流過高壓繞組和中性點(diǎn)的沖擊振蕩電流，使其急劇衰減，避免鐵心飽和，防止鐵磁諧振的產(chǎn)生。
單純從消振效果來看，中性點(diǎn)電阻越大越好，若該電阻為無限大，即互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，則諧振條件不成立，諧振根本不會發(fā)生。但是中性點(diǎn)電阻的選擇要受到中性點(diǎn)絕緣水平、電壓互感器接地指示的靈敏度、正常電壓測量和電網(wǎng)運(yùn)行方式的限制，不能選擇得太大。對于不同電壓等級的電網(wǎng)、不同伏安特性的電壓互感器，中性點(diǎn)電阻值通過試驗(yàn)確定，一般可控制在10kΩ左右。上述變電所，將每臺電壓互感器中性點(diǎn)改為經(jīng)15kΩ電阻接地后，運(yùn)行多年，消諧振效果良好。
3、用消諧振器消除諧振
消諧振的主要元件消諧管，是具有特異電阻特性的真空器件。它有較高的冷熱電阻比率和一定的阻止變化速度。在35kV及以下的中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，消諧器接在開口三角繞組兩端，用以消除電壓互感器引起的基頻諧振、分頻諧振和倍頻鐵磁諧振，避免虛幻接地信號的出現(xiàn)，防止互感器噴油、避雷器爆炸和電網(wǎng)的停電事故。而在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，消諧管的接入，不影響互感器的準(zhǔn)確測量和繼電保護(hù)的正確運(yùn)作。
消諧裝置由監(jiān)頻環(huán)節(jié)與消諧環(huán)節(jié)兩大部分構(gòu)成，其原理接線如圖7所示。
注：G為消諧管；2、4、6為消諧管的引出線
消諧管的2、6引出端跨接在電壓互感器開口三角繞組上，4、6端用監(jiān)頻繼電器JL的常開接點(diǎn)相聯(lián)。諧振檢頻回路由檢頻繼電器JL、監(jiān)頻電抗器L和監(jiān)頻電容C三個(gè)元件構(gòu)成，設(shè)計(jì)為串聯(lián)諧振25周波。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，開口三角僅有1個(gè)<=5V的位移電壓，消諧管處于不工作的冷態(tài)，為1個(gè)低于1Ω的電阻，此時(shí)流過r1的電流不足1A。對互感器沒有不良的影響。在空母線合閘、消弧線圈突然斷開時(shí)，電網(wǎng)可能產(chǎn)生鐵磁諧振，將被R0=1Ω所抑制而不能激發(fā)起來，即消諧管的冷態(tài)電阻R0足以消諧。如果電網(wǎng)發(fā)生單相接地，開口三角電壓達(dá)100V左右，燈絲r1此時(shí)的熱電阻升到60Ω以上，對電壓互感器的測量系統(tǒng)無影響，當(dāng)單相接地故障消除時(shí)，如果出現(xiàn)基頻和高頻諧振，該電阻足以消除諧振；若為1/2次分頻諧振，監(jiān)頻回路呈現(xiàn)出低電阻，電壓達(dá)到動作電壓時(shí)，監(jiān)頻繼電器動作，常開接點(diǎn)JL閉合，將電阻r2與r1并聯(lián)，開口三角投入低電阻消諧，分頻諧振得以消除。電網(wǎng)恢復(fù)正常后，監(jiān)頻回路呈現(xiàn)高阻抗，監(jiān)頻繼電器的動作電壓也》25周波時(shí)的電壓，繼電器的接點(diǎn)斷開。某發(fā)電廠廠用6kV系統(tǒng)采用FXG型消諧裝置，運(yùn)行實(shí)踐表明，消除諧振效果顯著，安全可靠。
防止諧振的其他措施還有：
（1）選用勵磁特性好的、在線電壓下鐵芯不易飽和的電壓互感器；
（2）選用V接電壓互感器或使用電容式的電壓互感器；
（3）定期對已運(yùn)行的電壓互感器進(jìn)行勵磁特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。
結(jié)論
綜上所述，開口三角繞組兩端接入電阻、電壓互感器中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地和采用消諧裝置等3中防止諧振措施，都具有簡單方便、消諧效果良好、對接地指示靈敏度沒有多大影響等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，必須通過計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)，選擇適合本地電網(wǎng)的方案，并受運(yùn)行實(shí)踐考驗(yàn)。
比較起來，開口三角繞組接電阻或白熾燈，對于防止帶電壓互感器投入空載母線引起的諧振較有效，如果諧振是由單相接地引起的，當(dāng)單相接地時(shí)間較長時(shí)，燈泡在開口三角電壓作用下，燈絲發(fā)熱，阻止增大，不能抑制分頻諧振；中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方案，對于單相接地消失時(shí)由互感器引起的諧振現(xiàn)象，具有名校的消振效果，但空母線合閘時(shí)，中性電阻阻尼效果較差。為了可靠的防止和消除諧振，建議將以上兩種消諧措施同時(shí)采用。消諧器雖然是個(gè)簡便的措施，能消除電壓互感器引起的分頻、基頻和高頻鐵磁諧振，還能避免互感器過載燒壞，但由于其特性不穩(wěn)定或質(zhì)量欠佳，有時(shí)造成消諧失效，建議采用高質(zhì)量的產(chǎn)品。