电磁式电压互感器铁磁谐振现象及其铁芯饱和影响

运行经验证明,在我国中性点绝缘、中性点经消弧线圈接地 (但消弧线圈有临时脱离运行的可能)以及中性点直接接地 (但接地有临时断开的可能)的3～220kV电网中,都曾发生过由于电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压。例如,江苏某220kV变电所因中性点临时不接地曾引起互感器的谐振过电压;东北电网某154kV经消弧线圈接地系统,曾因消弧线圈临时脱离运行引起互感器的谐振过电压;吉林省某电厂35kV中性绝缘系统,曾多次激发起互感器的谐振过电压;山东省某电厂的6kV中性点不接地的厂用系统,也曾发生过电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压。其中以在中性点绝缘的配电网中出现的较为频繁,是造成事故最多的一种内部过电压,因为其他接地系统只有当它们变成中性点绝缘系统时才有可能发生这种过电压。

当这种过电压发生时,由于互感器的铁芯饱和,导致其绕组的励磁电流大大增加,严重时可达其额定励磁电流的百倍以上,从而引起互感器的熔断器熔断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸;在有些情况下,这种过电压可能很高 (最大为相电压的3.0倍左右),引起绝缘闪络或避雷器爆炸。另外,当这种过电压发生时,还会出现虚幻接地现象,其实电网中并无接地的处所,这给运行值班人员造成错觉。总之,当发生这种过电压时,将会给电网的安全运行带来很大的威胁,因此引起电力系统的普遍重视。

(一) 过电压产生的基本物理概念

电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压,从本质上讲,是由于电磁式电压互感器的非线性电感与系统的对地电容构成的铁磁谐振所引起的。试验研究表明,当谐振发生时,中性点出现显著的位移,此时相电压将发生变动,而线电压却保持不变。因此,可以判定它具有零序分量的性质。

中性点绝缘系统、中性点经消弧线圈接地系统(但消弧线圈临时脱离运行)以及中性点直接接地系统 (但接地临时断开)的电网实际接线如图2-17所示。

考虑到系统导线的阻抗较电压互感器的激磁阻抗小得多,可略之。而系统的线间电容及负载与此现象关系不大,其影响也不计。这样,图2-17所示电网接线图可用图2-18 所示的等值电路来表示。

由图2-18可见,对每一相而言,都有一个由每一相对地电容C0和每一相励磁电感构成的并联支路,并联支路的性质,由其伏安特性来确定。电容、电感及其并联后的伏安特性示于图2-19中。

由图可见:

图2-17　产生中性点位移现象的电网接线图

1—电源;2—导线或母线对地电容;3—电磁式电压互感器

图2-18　电磁式电压互感器引起铁磁谐振过电压的等值电路

—电源三相电势;—母线三相对地电压;C0—导线或母线的对地电容
(假定三相对地电容相等);L1、L2、L3—电压互感器各相对地电感;U0—中性点位移电压

图2-19　电感、电容及其合成伏安特性

正常运行时,互感器铁芯不饱和,所以并联支路处于容性状态。若令L1=L2=L3=L0,则并联后的各相导纳YA、YB、YC相等,即

因而不会出现中性点不稳定现象,也即中性点电位与地电位是重合的。

当电网中发生某种冲击扰动时,铁芯电感因受到“激发”而呈现不同程度的饱和,从而破坏了三相电路的对称性,即YA≠YB≠YC。因此,中性点位移必然出现,而且位移电压可以是工频频率的,也可以是谐波频率的,形成所谓工频、分频或高频铁磁谐振过电压。

1.工频位移过电压

由此可求得取中性点位移电压的一般数学表达式

显然,当正常运行时U.0=0,电源中性点O 具有地电位。若系统受到扰动,YA≠YB≠YC,则U.0≠0,电源中性点O 将有电位偏移,该电位偏移与各相电感的饱和程度密切相关。根据三相饱和程度的不同,可归纳为如下几种情况:

(1)三相虽有不同程度的饱和,但各相仍为容性导纳。若分别用CA、CB、CC表示并联支路的等值电容,则YA=jωCA、YB=jωCB、YC=jωCC,一般CA≠CB≠CC,饱和程度越高,等效电容值愈小。这样,式 (2-1)可改写为

(2)一相因严重饱和而导纳呈感性,其余两相仍为容性。若A 相饱和等值电感为L,其余两相等值电容为CB=CC=C,根据式 (2-1)有

图2-20　中性点出现位移电压时三相电压电流相量图

(a)中性点位移在三角形ABC之内;(b)、(c)中性点位移在三角形ABC之外

(4)三相均因严重饱和而呈感性。由分析可知,这时与三相呈容性的情况类似,即中性点O′不会移至电压三角形之外,这样三相电压将不会同时升高,即至少有一相电压是降低的,那么,该相电感就无法达到使导纳呈现感性的饱和程度。因此,对于图2-18所示的电路,实际上不可能出现三相同时饱和的情况。

对于以上几种情况,还可以利用等效电源定理,将三相电路化为单相电路进行分析。例如,对图2-21所示的电路,可以以A 相等值电容C 作为单相电路的负荷,将其余部分化作等值电压源,得到图2-22所示的单相等值电路。对以上讨论的第一种情况,相当于电容分压电路。对第二、三两种情况,相当于L、C 串联回路,当时,回路似乎可以发生谐振,使相电压及中性点位移电压趋于无穷,这一点由式 (2-5)或式 (2-4)可以看出,但这种情况是不可能发生的,因为按对基波铁磁谐振的分析,电路处于铁磁谐振状态时,电容支路的端电压较电感支路为高,而这将使等效电容支路中激磁电感因严重饱和而下降,遂使容性导纳支路也变为感性,成为以上分析的第四种情况。

图2-21　两相饱和时的等值电路

根据以上对第二、三两种情况的分析,中性点位移电压的出现,都是使饱和相电压升高,即图2-22中等效电感支路电压高于等效电容支路。这表明过电压仅是由于串联回路的“电感—电容”效应造成,实际上回路并未发生铁磁谐振。

图2-22　分析中性点偏移的单相等值电路

实测及运行经验表明,电网中电压互感器饱和过电压多数属于第三种情况,即两相 (饱和相)电压升高,一相 (未饱和相)电压降低。

在电网中也曾测得三相工频电压同时升高超过线电压的极个别情况,根据分析,过电压的产生可能是由于中性点存在对地电容引起的。图2-23(a)示出考虑中性点对地电容时的三相电路,Coo′为中性点对地电容,图2-23 (b)为单相等值串联电路,其中为、、的并联值,L L′AL′BL′C为图2-23 (a)中OO′支路的开路电压,可以由式(2-2)算得。由于饱和程度的不同,三相导纳为三个不等的感性导纳,即,所以L′A≠L′B≠L′C≠0。Coo′的存在造成很高的中性点位移电压,从而使三相工频电压同时上升且超过线电压。

由以上分析可见,无论哪一种情况,中性点位移电压都属于工频 (电源频率)零序电压,其结果导致电网中出现“虚幻接地”现象。运行经验表明,当电源向只带电压互感器的空母线合闸时,最容易产生工频位移过电压。

图2-23　考虑中性点对地电容时的三相电路图

(a)三相电路;(b)单相等值串联电路

应当指出,虽然工频位移过电压有些特点与单相接地相似,但它们之间仍有明显地区别:当单相金属接地时,接地相电压为零,健全相电压升高至线电压,而不会超过线电压;若为非完全的金属性接地,接地相电压虽不为零,但中性点仍在线电压三角形之内,且非接地相电压低于线电压。

电磁式电压互感器引起的工频位移过电压幅值一般不超过3p.u.,个别达3.6p.u.。基波谐振时的过电流可达额定线电压下互感器额定激磁电流的4.0～17.5倍。

图2-24示出了互感器基波谐振的典型示波曲线。图中Ua为相对地电压,U 为互感器的开口三角电压。由图可见,在谐振激发起来几个周波之后,即自行消失。但是在实际测量中,也曾发现基波谐振一经激发就能持续存在而不消失。经验表明,在多次合闸时,由于各相合闸相角的随机性,电压降低可能轮流变换。例如,第一次合闸时,A相电压降低,B、C两相电压升高;第二次合闸时,则可能B相电压降低,A、C 两相电压升高等,如果出现这种现象就是基波谐振的充分标志。

图2-24　基波谐振的示波曲线

2. 分次谐波谐振

我们仍应用图2-15来进行分析。假定中性点位移电压仍为U0由图2-15可以写出

图2-25　图2-18的零序电路图

图2-26　图2-25的简化零序电路

—发生分频谐振时,造成的中性位移电压;Ldz/3—互感器在分频谐振的三相等值电感;3Co—电网的三相对地电容

对于非线性电感,当不考虑磁滞损失时,其任一激磁特性都可用由磁链奇次方项组成的无穷级数来表示

这种多项式的前两项起的作用最大,如果非线性电感不十分饱和,可以只取前两项,即

式中 a——磁化特性一次方系数,也即磁化曲线初始线性部分的斜率,所以a 的倒数就是初始电感L0dz,

b——磁化特性的三次方系数。

中性点位移电压的瞬时值可写成

所以,各相对地电压可写成

式中 f——电源频率;

εf——滑差频率。

为什么会产生滑差频率εf 呢? 这是由于振荡回路中元件 (如电压互感器)实际存在损耗之故。

考虑电压互感器的损耗后,详细的数学分析表明,中性点位移电压为

式中 δ——“滑差”,它与R 有关,随R 增大,δ很快增大,在一般回路中,δ 与R 大致为二次方关系;

C——低频磁链幅值;

R——表征电压互感器损耗的电阻。

图2-27　分频谐波谐振示波图

3.高次谐波谐振

由电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压除基波和次分次谐波谐振外,还会出现高次谐波谐振。其中主要是三次谐波谐振。

三次谐波谐振也多在电源向接有互感器的空载母线合闸时出现。有时,当变电站的出线很短时,也可能产生三次谐波谐振。

当电压互感器为Y0/Y0/接线时,由于电源中性点不接地,不能向电压互感器提供三次谐波的激磁电流。那么,三次谐波源来自何处呢? 我们知道,由于铁芯饱和的影响,互感器各相磁通呈平顶状波形,如图2-28所示。它可以分解为基波和三次谐波,其他更高次谐波因幅值相对很小,可忽略不计。三次谐波磁通将在互感器绕组中感应三次谐波电势。在三相绕组中,三次谐波电势是同相的,均为零序分量。所以,对三次谐波而言,可将图2-18所示的三相谐振回路转化为图2-29所示的单相等值电路进行分析。图中:为互感器铁芯饱和引起的三次谐波等值电势;L03为互感器相应于三次谐波的等值电感;C03为等值电容。

图2-28　平顶波形的分解

图2-29　三次谐波谐振等值电路

由图2-29可求得

在式 (2-19)中,若电容C03很小、并使得

则式 (2-19)可以改写为

由于式 ()的分母为正数,所以超前2-20 90°。为清楚起见,将三次谐波磁通的相量关系示于图2-30中。

图2-30　三次谐波磁通的相量关系

(a)助磁作用;(b)去磁作用

由上分析可知,只有当对地电容足够小时,即回路中电流起助磁作用时,才可能出现三次谐波谐振。换言之,它仅是必要条件。只有当电容和电感参数配合适当才能产生三次谐波谐振。

图2-31示出了空母线合闸时引起的三次谐波谐振的典型示波图。三次谐波谐振的电压幅值一般不超过 (3～3.5)Ux。它的显著特点是三相电压同时升高而且数值相同,也即在工频电压基础上叠加三次谐波电压,各相电压为

式中 U1——基波电压有效值;

U3——三次谐波电压。

综上所述,可以把中性点绝缘系统电磁式电压互感器引起铁磁谐振过电压的基本物理概念归纳如下:

(1)过电压产生的必要和充分条件。

图2-31　合闸引起的三次谐波谐振示波图

1)系统电源中性点对地绝缘。因为中性点位移电压都属于零序电压,只有电源中性点对地绝缘才有可能发生这种中性点位移。配电网的电源中性点绝大多数是对地绝缘的,具备产生该类过电压的基本条件,所以容易产生该类过电压。

对中性点直接接地系统,因电网内的各点电位均被固定,电压互感器绕组分别与各相的电势连在一起,不会产生中性点位移电压。

对中性点经消弧线圈接地的系统,因消弧线圈的电感值Lx 远小于电压互感器的励磁电感,差几个数量级,零序回路中电感参数主要由消弧线圈决定,并且相对地稳定了中性点的电位,即使电压互感器的励磁电感发生变化,也不会发生铁磁谐振而产生过电压。

2)电压互感器一次绕组中性点直接接地,开口三角零序电压绕组为开路状态。如果互感器中性点不接地,则各相绕组跨接在电源的相间电压上,不再与对地电容C0相并联,因而不会产生中性点位移。

另外,若三角形绕组闭合短路运行,其中所感应的零序电流在三角绕组中自成回路,对互感器高压侧产生去磁作用,可以抑制或消除谐振现象。

3)电网的对地电容与互感器的励磁电感相匹配,且初始感抗应大于容抗。这是因为在铁芯电感L 与电容C0的并联电路中,如果在初始状态 (较低电压下)XL＞XC,即二者并联后相当于一个容性阻抗 (C′)。当某种原因使电源电压升高时,铁芯趋于饱和,XL下降,并联支路变为XL＜XC,电感中电流大于电容中电流,即二者并联后相当于一个感性阻抗 (L′)。这样才可能使三相导纳不相等,产生中性点位移电压U0。

4)具有一定的外界“激发”条件。因为只有在外界扰动的“激发”下,才能使互感器铁芯达到饱和,导致中性点位移。激发条件有:①对带有电压互感器的空母线或空载线路突然合闸充电。在这种情况下,即使三相断路器同期,但由于三相电压相差120°,它们不可能同时在同样的条件下合闸,可能有的相在电压过零,电流最大时合闸,这样会在电压互感器的绕组中流过幅值很大的不平衡涌流,导致铁芯饱和。②由于雷击或其他原因,使线路发生瞬间单相弧光接地,健全相电压突然升至线电压,在接地消失后,故障相又可能有电压的突然上升,这些过程中都会在电压互感器绕组内出现很大的励磁涌流,导致铁芯严重饱和。目前,在电力系统中,为研究该类谐振过电压,往往采用人工接地,而后再断开接地点的方法来激发谐振。③由传递过电压也可以使电压互感器达到铁芯饱和。例如,在电源变压器的高压侧发生瞬间单相接地或断路器不同期操作时,其零序电压也会传递到接有电磁式电压互感器的这一侧。在此传递过电压作用下,造成互感器铁芯电感饱和。

(2)过电压的特点。

1)对地绝缘的电源中性点位移电压使相对地出现过电压。

2)电源中性点位移电压可以是基频、也可以是分频或高频。

3)中性点位移电压是零序电压,在电网中出现“虚幻”接地现象。

(二) 影响互感器铁磁谐振过电压的因素

1.电压互感器的影响

(1)电压互感器伏安特性的影响。H.A.Petarson曾对两种典型伏安特性的铁芯电感进行模拟试验。试验结果如图2-32所示。

图2-32　激磁电感的伏安特性曲线和谐振区域

(a)伏安特性曲线,I*为标么值;(b)谐振区域实线—#1特性曲线;虚线—#2特性曲线

(3)电压互感器结构的影响。H.A.Petrson模拟试验采用的三台单相小容量变压器,相当于三台单相电压互感器,而现场运行着的电压互感器,既有三台单相电压互感器组,也有三相五柱电压互感器,它们在谐振激发上是不同的。试验研究表明,单相电压互感器组的起振电压较三相五柱电压互感器的低,也就是说,单相电压互感器组容易激发谐振。这主要是由于两者磁路结构的差异,造成零序阻抗不同所致。

图2-33示出了三芯五柱互感器和单相互感器组的磁路。由图可见,单相互感器组零序磁通的磁路和正序磁通的磁路一样,每相都有自己的闭合回路,因而零序阻抗等于正序阻抗。对三芯五柱电压互感器,由于零序磁通经过两个边柱返回,所以其磁路长,而且铁芯截面小,因而其零序磁通磁阻较单相互感器组要大得多。由上所述,谐振是由于零序磁通造成的,三芯五柱互感器零序磁通遇到的磁阻大,谐振就不容易产生。

应当指出,由于磁路的差异,计算和测量这两类电压互感器零序阻抗时所用的电压是不同的。由于电网发生谐振时,作用在电压互感器上的电压是正序电压与零序谐振电压的叠加,对于单相互感器组,正序电压和零序电压合成下的阻抗值接近于线电压下的阻抗值,因此,XL为额定线电压下的激磁感抗。H.A.Peterson正是采用线电压下的阻抗值作为计算阻抗值。对于三芯五柱互感器,零序电压接近于相电压,正序电压对零序电压阻抗影响不大,所以XL取相电压下的相应感抗值。

2.电网零序电容的影响

图2-33　电压互感器零序磁通经过铁芯闭合的回路

(a)三芯五柱;(b)单相组

式中 UN——电网的额定线电压,kV;

l——输电线路长度,km;

2.7——系数,用于无避雷线线路;

3.3——系数,用于有避雷线线路。

式 (2-21)适用于单回木杆线路。若为金属或水泥杆塔,电容电流约增加10%左右;若为双回路,应将其折算为单回路,可取其等效长度为l′= (1.7～1.4)l。其中l为每一回路的长度,1.7适用于110kV左右的线路;1.4适用于10kV左右的线路。

另外,电容电流也可以写成式 (2-22)

式中 IC——电容电流,A;

Uφ——电网运行相电压,kV;

XC0——线路对地容抗 (不包括母线电容的容抗),Ω。

比较式 (2-21)和式 (2-22)可得

若对系数 (2.7～3.3)取平均值,为了进行计算,则可得到

除上述情况外,电网零序电容还对谐振过电压、过电流的大小和谐振频率有一定影响。

3.其他影响因素

根据谐振原理,增大回路电阻可使谐振区域缩小,维持谐振所需的电压提高,从而能阻尼振荡。

(3)电网频率的变动。电网频率的变化,使谐振回路中的阻抗参数发生变化,是导致谐振现象不稳定的重要原因。

电网频率变动可能使谐振现象突然发生;突然消失;也可能使谐振由一种状态转变为另一种状态。

(三) 防止和消除谐振的措施

数十年来,我国在研究电磁式电压互感器引起的铁磁谐振机理的同时,一直在探讨防止和消除这种谐振过电压的措施。目前在配电网中采用措施很多,但可以归纳为两类:一类是改变参数,破坏产生谐振的条件;另一类是接入阻尼电阻,增大回路的阻尼效应。

1.改变参数躲开谐振区

1)选用伏安特性好的电压互感器,使其工作点在伏安特性的线性部分,当有激发因素时,铁芯不易饱和,也就难于激发谐振。从某种意义上说,这是治本的措施。

2)选用高电压等级的电压互感器。试验表明,采用高电压等级的互感器,由于工作点也在伏安特性的线性部分,一则不易激发谐振,二则万一出现谐振会使电压互感器中过电流的严重程度减轻。

3)减少电压互感器的并联台数。这样一则可以增大XL,二则当电网内万一出现谐振也可以减少一次损坏的互感器台数。

4)减少电压互感器高压侧 (一次绕组)中性点接地台数。这样做的结果与3)的效果相近。对中性点绝缘电网中的用户变电所里装的全绝缘电压互感器,因无监视系统绝缘的任务,可将其中性点改为不接地运行以增大XL。

(3)合理安排操作方式。对于空母线合闸充电易产生基波谐振的变电所,在合闸前,可先投入母线上的一条空载出线,然后再向母线充电,以达到改变系统参数、躲开谐振区域的目的。

(4)装设消弧线圈。众所周知,在中性点不接地系统中,中性点经消弧线圈接地,能够帮助瞬间接地电弧的熄灭,从而有效地防止单相弧光接地引起的过电压。除此之外,消弧线圈还能完全消除因电压互感器参数变化引起的电网铁磁谐振。因此,除了按电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620—1997)中规定,在不接地系统中的单相接地电流,对10kV系统大于10、20A 或30A,35kV系统大于10A 需装设消弧线圈外,在单相接地电流接近上述数值,且有谐振现象经常发生时,也应考虑装设消弧线圈。例如,西北地区某35kV电网的电流小于10A,在装消弧线圈前经常发生谐振,烧坏电压互感器,装设消弧线圈后,运行效果良好。

2.增大回路的阻尼效应

(1)在电压互感器开口三角绕组两端接入阻尼电阻或短接。

1)接线及原理。在我国电力系统中,为限制由电磁式互感器引起的铁磁谐振,广泛采用在互感器开口三角绕组接入阻尼电阻R 的方法来抑制谐振。其接线如图2-34所示。

图2-34　互感器开口三角接入阻尼电阻接线

谐振时,互感器高压绕组中将流过零序电流I01,在开口三角绕组两端要感应出零序电压。当接入R 时,其中必将流过零序电流I02,它对高压绕组产生去磁作用,从而抑制了谐振。R 愈小,I02愈大,去磁作用愈显著。若将开口三角绕组两端短接,即R=0,谐振就不会发生。

阻尼电阻也可以接在高压侧与L1、L2、L3并联。当接在高压侧时,可将R 通过变比关系换算为

式中 R1——互感器高压侧每相绕组并联电阻值;

R——互感器开口三角绕组的阻尼电阻;

K——互感器变比。

2)阻尼电阻的数值选择。关于阻尼电阻的数值,在DL/T 620—1997 中虽有规定 (R≤0.4XL/K 2),但目前仍有争论,原因是各试验者的试验条件如互感器特性、电压等级等不尽相同。

根据模拟试验,H.A.Peterson等同时得出了在不同参数条件下,消除谐振所需的开口三角电阻的上限值R,如图2-35所示。消除分频谐振所需的R 值较小,基波的允许值高些,高次谐波谐振要求的电阻值最高。因此,如按分频谐振来选择电阻,就可以同时消除基波和高次谐波谐振。

图2-35　消除互感器谐振所需的开口三角电阻上限值 (图2-32中的#1互感器)

为消除分频谐振过电压开口三角的电阻值应为

为消除基波谐振过电压开口三角的电阻值应为

式中 K——互感器高压绕组与开口三角绕组间的变比。

例如,某10kV电压互感器,每相绕组在额定线电压下的激磁感抗XL=1MΩ,高压侧与开口三角侧变比为

为了消除分频谐振,应取

为了消除基波谐振,应取

应当指出,当电网中同时接有若干台互感器时,每台互感器 (包括用户的互感器)均应按各自的激磁阻抗XL值,分别加装开口三角电阻。

3)阻尼电阻的投入。阻尼电阻可以长期接在开口三角绕组,它不影响互感器的正常运行,但要考虑热容量的要求。当电网内发生持续性的单相接地时,电压互感器开口三角绕组两端会出现100V(有的互感器为73V)的工频零序电压。故阻尼电阻就应有足够大的容量。

当开口三角电压Uk=100V 时

若取R=33Ω,则PR=0.3k W。对分频谐振而言,由于电阻值甚小,有时R=0,所以长期投入是不恰当的。通常采用瞬时投入的方法。目前较简便的方法是原东北电力试验研究院和沈阳电业局研制的分频消谐装置。

应当指出,由于阻尼电阻接至开口三角绕组的两端,因此这一负载必定同时加在开口三角绕组和一次绕组上,这就是说,电压互感器必须要有足够的容量,这与下述的高压侧中性点接电阻是不同的。

另外,在间歇性弧光接地时,由于阻尼电阻的接入,将使流过一次绕组的电流显著增大,这就增加了电压互感器烧损的可能性。当有多台电压互感器时,必须在每台上均接阻尼电阻才能奏效,否则,如将此小电阻集中接于一台电压互感器的开口三角绕组两端,则在单相接地时,电压互感器本身就有可能承受不了过大的负载而烧损。

(2)在互感器高压绕组中性点上接电阻R0。试验和运行经验证明,这是防止或消除互感器铁磁谐振的一个有效而简便的方法,当R0≥6%ωL 时,可以消除一切由电压互感器饱和所引起的铁磁谐振。在额定运行电压下,临界阻尼电阻R0的值如图2-36 所示。由图可见,当R0≥3.5%ωL 时,可消除一切基波谐振;当R0≥5.6%ωL 时,可消除一切基波和分频谐振。电压互感器的伏安特性愈是饱和,其中性点上接电阻R0的效果愈明显。

图2-36　消除铁磁谐振所需的R0值

1—分频;2—基波

电压互感器高压绕组中性点装设阻尼电阻R0的接线如图2-37所示。

图2-37　电网单相接地时电流的分布

在图2-37中,当系统发生单相接地时,故障点流过电容电流,未接地相 (A、B)的电压升高到线电压,其对地电容C0上充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间,此电荷产生电容电流,以接地点为通路,在电源—导线—大地间流通。由于互感器的激磁阻抗很大,其中流过的电流很小。但是,一旦接地故障消除,这个电流通路被切断,而非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水平。由于接地故障已断开,非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷,就只有通过互感器高压绕组,经其原来接地的中性点进入大地。在这一瞬变过程中,互感器高压绕组中将会流过一个很大的工频冲击电流,使互感器铁芯严重饱和,激发谐振现象。实际上,由于接地电弧熄灭的时刻不同,即初始相位角不同,故障的切除不一定都在非接地相电压达最大值这一严重情况下发生。因此,不一定每次单相接地故障消失时,都会在互感器高压绕组中产生大的涌流,发生谐振。

在上述情况下,若在互感器高压绕组中性点接入一个足够大的接地的电阻,在单相故障消失时,就可以阻尼流过高压绕组和中性点的冲击振荡电流,使其急剧衰减,避免铁芯饱和,防止铁磁谐振的发生。

另外,接入阻尼电阻R0对消除因三相参数不对称,如一相导线部分或完全断线,电压互感器一相或两相熔丝熔断激发引起的铁磁谐振过电压以及抑制非谐振引起的电压互感器熔丝熔断都有良好的效果。

R0的数值,从阻尼的角度来看是愈大愈好,若R→∞,即电压互感器高压侧绕组中性点变为绝缘了,当然不会发生谐振。但R0太大一则会影响电压互感器中性点的绝缘水平,二则会使单相接地时的开口三角电压太低,影响接地指示灵敏度和保护装置正常动作。而太小了阻尼作用又不大。根据有关单位的研究,接R0后,电压互感器开口三角绕组的电压U%≈ 。设R0=5.6%ωL,则U =98V,即系统单相接地时U 有所降低,但降低不多。实测10kV系统 (电压互感器的ωL=860kΩ)单相接地时的U 和R0的关系如图2-38所示。变电所接地警报器的启动电压一般整定为15～30V,故按U ≥80V 来考虑,一般取R0=30～50kΩ、乃至100kΩ 均可满足这一要求。

R0的容量,就单相稳态接地的要求而言是不大的,仅几十瓦,例如,当R0取为30kΩ,则对10kV系统而言,其消耗的功率小于40W。但是,运行经验表明,当发生间歇性弧光接地时,对电阻R0热容量的要求要大得多。所以,R0的容量主要由单相间歇性弧光接地的条件来决定。西北电力试验研究所在大量弧光接地试验的基础上提出若R0有600W 的容量则比较可靠。所以R0的容量可为500～1000W。

图2-38　R0与U 关系的实测曲线

(3)采用消谐装置。目前在中性点不接地电网中,安装的消谐装置主要有以下几种:

1)RXQ 型电压互感器消谐器。它是由西安电瓷研究所、西北电力试验研究所和西安供电局等单位联合研制的,主要适用于6～10kV配电网。

图2-39　RXQ-10型电压互感器消谐器外形图 (mm)

RXQ 型TV 消谐器由非线性高温电阻片和线性电阻 (6～7kΩ)串联构成。电阻片直径为60cm,阀片与阀片之间设有铝质散热片,所有元件用弹簧压装在瓷套中,如图2-39 所示。RXQ型TV 消谐器串接在电压互感器高压绕组的中性点与地之间,使电网零序网络的阻尼率增大,从根本上避免了建振的条件。同时也能防止弧光接地过电流 (实测最大过电流峰值为2.09A)烧毁电压互感器,是一种可靠的保护设备。例如,西北地区采用该类消谐器以来,尚未发生过铁磁谐振或弧光接地时烧损电压互感器的情况。

2)XXG 型消谐器。它是由云南省电力局勘测设计院火电室和昆明市灯泡厂共同研制的,它由消谐管和鉴频器组成,原理接线如图2-40所示。其简单工作原理如下:①当系统正常运行时,电压互感器开口三角ax两端位移电压不大于3V,消谐器(管)基本上处于冷态,此时“2”、“6”间等效电阻R= (r1r2)/ (r1+r2)≤1Ω,对各种谐振都有抑制作用。②当单相接地时,开口三角绕组有100V工频电压,此时r1、r2在100V 电压下发热,使开关Q断开,将电阻r2切除,r1进入热态,达60Ω或110Ω,电压互感器不会过载。③当产生谐振时,如果是基波、高次谐波谐振,则r1有足够的抑制功能;如果单相接地后接着产生的是分频谐振,此时由L和KA组成的鉴频器动作,KA 的接点将“4”、“6”短接,投入电阻r2,使开口三角绕组内投入一个可消除分频谐振的低电阻,将谐振消除。

由于r1、r2所具有的非线性与普通白炽灯泡无异,事实上XXG 消谐管本身就是一只可控的白炽灯。因此,上述消谐功能在实际电网中往往是达不到的,而且常常在间歇性弧光接地过电压的作用下将自身烧毁。

3)可控硅消谐装置。这是由铁岭电业局首次研制成功的。有两种型式,即KZX 型可控硅综合消谐装置和KFX 型可控硅分频消振装置。由于以小巧的且具有开关特性的可控硅 (晶闸管)代替笨重的交流接触器,使本装置不仅有良好的消谐能力,而且便于实现产品化。

图2-40　消谐器原理接线图

XXG—消谐管 (r1为热丝,r2为消谐丝,Q 为热动开关);L—鉴频电抗器;KA—继电器

①KFX 型可控硅分频消振装置原理接线如图2-41所示。当电网发生单相接地故障时,L、C1处于并联谐振状态,呈高阻抗,T2次级电压甚低,不足以使SCR触发导通,当电网发生分频谐振时,LC1与C2处于串联谐振状态,T2次级获得较高电压,且其相位超前SCR阳极电压90°,使SCR1,SCR2交替触发导通,短时短接开口三角绕组实现消谐。

图2-41　KFX 型消谐装置原理接线图

②KZX 型可控硅综合消谐装置,其原理框图如图2-42所示。

图2-42　KZX 型消谐装置原理框图

4)WNX 型微电脑多功能消谐装置。该装置是针对KFX 型装置所存在的功能单一、抗干扰能力较差等缺陷研制而成的,经东北电管局鉴定后已交浙江乐清华侨电脑电力仪器厂生产。它由单片微型计算机8748、采样鉴频电路、晶闸管、分频计数器等元件组成。其工作原理是采用单片机检测开口三角绕组两端的零序电压的频率和幅值,以识别各种形式的铁磁谐振过电压。当检测电压互感器开口三角绕组电压的频率范围为15～18、23～27、145～162Hz时,分别判定为次、次分频谐振和三倍频高频谐振;当频率为48～52Hz,并且连续三个周波过幅值 (155±5V)时,则判定为基频谐振。当判定为某种谐振后,单片机就进入消谐程序,发出高频脉冲群,使反并联在开口三角绕组两端的两只晶闸管交替过零触发导通,将开口三角绕组短路,向电网施加强有力的持续阻尼波,使谐振过电压波迅速被消除。由于短路时间极短,故不会给电压互感器带来负担。

许多地区的运行经验表明,采用此装置消除铁磁谐振过电压十分有效。例如,某变电所两台10kV电压互感器,两年半时间内高压熔丝熔断30多只,安装该消谐装置后,又经两年半时间,消谐装置多次动作,高压熔丝没有熔断。

以上几种消谐装置、措施和方法适用于不同的场合,各有特点,应根据实际需要进行选择。因开三角回路中固定接电阻、灯泡等方法简单易行、经济,但其阻尼能力有限,一般仅适用于10kV及以下电网中。当TV 组数较多时,应在每组TV 上采取消谐措施。TV 高压中性点串电感、电阻,消谐效果比较理想,但不能用于TV 为半绝缘的电网中,而且每组TV 都应采取同样措施才能见效。以可控硅为消谐执行元件的消谐装置 (KFX 型、KZX 型和WNX 型),具有极强的阻尼能力,可适用于任何电压等级的电网,特别是WNX 型消谐装置,功能齐全,抗干扰能力强,效果最佳,具有广阔的应用前景。

3.采用零序电压互感器

这是华北电力学院杨以涵教授提出的方案。其原理接线图如图2-43所示。它由4台电压互感器组成,其中3台为主电压互感器,1台为零序电压互感器。主电压互感器一次侧绕组接成星形,中性点通过零序电压互感器的一次绕组W4接地;主电压互感器的二次绕组W3接成星形,其中性点通过W5接地;主电压互感器的辅助绕组接成闭口三角形。

图2-43　TV 高压中性点串接单相电压互感器的实际接线图

1～3TV—主电压互感器 (W1为一次绕组、W2为辅助绕组、W3为二次绕组);4TV—零序电压互感器 (W4为一次绕组、W5为二次绕组);KV—接地继电器

图2-44　A 相接地时各相电压及其相量图

(a)A 相接地;(b)相量图

应指出,在正常工作状态下,系统中性位移反映到开口三角绕组上的电压仅几伏,其中环流甚微。单相接地时,实测环流在100～200　mA,远低于铭牌允许值。

运行经验表明,在10kV及以下的配电网中,采用零序电压互感器是防止电磁式电压互感器烧损的有效方法,宜优先考虑采用。目前已有厂家生产这种产品。

对于35kV的配电网,由于JDZJ—35 和JDJJ—35型电压互感器不是全绝缘的产品,影响了这一措施在35kV电网中的推广。然而,如将该电网里的接地监视电压互感器改为JDJ—35或JDZ—35型,这个问题就能得到解决。此时的接线可参照图2-43。图中1～3TV 为主电压互感器 (JDJ—35 或JDZ—35 型);4TV 为零序电压互感器(JDJ—35或JDZ—35型);K 为接地继电器,整定值为15～20V。采用这种接线后,当35kV系统发生单相金属性接地时,该电压互感器组高压侧中性点的对地电压将为15V左右,这就是零序电压互感器只能串接于全绝缘的电压互感器中性点的根本原因。JDJ—35和JDZ—35型电压互感器都是双绕组的,它们不具备可以接线开口三角绕组以获取零序电压的辅助二次绕组,因此,通常不做接地监视用。此时零序电压可从其4TV 的二次绕组抽出。当35kV电网发生单相金属接地时,其二次绕组两端的电压约为40V,如果其回路中的接地继电器K 的整定值为15～20V,则该继电器是能正确动作的。

4.新型消谐装置

这是武汉水利电力大学陈维贤教授提出的抑制配电网互感器谐振的新方法。他对现有的消谐措施进行了分析,认为最理想的消谐方法是将开口三角绕组瞬间短接,这也是当前多种消谐装置的共同原理。但是,在许多情况下,当发生基波谐振时,在开口三角绕组两端所显示出来的电压波形和幅值,与单相接地下的完全相同,使消谐器无法正确判断和投入动作,这又是目前电压互感器谐振事故仍然较多的一大原因。为了能正确区分谐振和接地,研制了新型的消谐装置,并获得国家专利。

新型的消谐装置由接地鉴别器JB 和开口三角绕组短接器DJ两部分组成。鉴别器的构成原理如图2-45 (a)所示,C1为接在电压互感器高压绕组L1中性点上的交流电容,作为隔断直流和提供交流通道之用,约数十微法,其工频容抗很小,相当于直接接地;同时C1的取值应保证本身不会与电压互感器构成谐振,并使弧光接地过电压下所分流到的直流电压不致超过300V。直流电势E 经大电阻R1和R2而与C1相并联。在正常运行和发生谐振的情况下,直流通道不存在,电阻R2不产生直流压降,动作电路A 接受不到信号,鉴别器JB也就不动作。当发生线路接地故障时,电势E 经L1和接地点构成直流通道,R2上出现直流压降,其信号引至动作电路A,其中的继电器K1动作,开口三角绕组L2回路中的常闭结点Q1打开,如图2-45(b),使得短接器DJ脱离开口三角电源而不动作,电压互感器也就处在正常的接地工作状态。这里R1和R2为百千欧级的大电阻,借以保证鉴别器在接地电阻很大的情况下仍能可靠动作。信号电阻R2的两端并接一个交流大电容C2,以免在单相弧光接地时造成误动作。此外,R 为大电阻,以便泄放C1上的多余电荷。

图2-45　新型装置的接地鉴别器JB和开口三角绕组短接器DJ

(a)鉴别器构成原理;(b)开口三角绕组短接器DJ

当发生谐振时,开口三角绕组两端出现电压,它使动作电路H 及其继电器K2动作,常开结点Q2经延时后闭合,使得谐振立即消失。Q2延时闭合的目的,是当电网发生接地故障时,保证结点Q1先行开断而切除DJ,以免后者动作而将开口三角绕组短接掉。

综上所述,新型消谐装置的特点是:

(1)能正确区分谐振和接地。

(2)在电压互感器中性点上串进一个直流电势,据此提供接地信号,从而保证只在谐振时才短接开口三角绕组,达到正确消谐的目的。

新型消谐装置曾在10kV电压互感器上进行过大量的单相弧光接地和谐振试验,证明其动作可靠,消谐效果好。

【例1】 某电厂35kV系统的接线图如图2-46所示。在运行中,B 相接地报警,接地选择时,拉线路Ⅰ时接地未消除;拉线路Ⅱ时“接地”还未消除;拉避雷器,故障仍未消除。

图2-46　某电厂35kV系统接线图

事故后,经分析研究认为上述现象是在系统中发生铁磁谐振之故。

要判定系统是否发生谐振,发生哪一种谐振,其基本做法是:首先根据系统运行记录和所观察的现象作初步判断;然后计算系统参数,根据图2-46确定谐振发生的可能性,若在谐振区域内,再进一步判定谐振的特性。

如果条件允许,还可进行现场实测,探索产生谐振的原因,防止和消除措施及谐振的规律性。

下面对上述方法做简要说明:

(1)根据现场值班员运行记录判定谐振。由上所述,当系统发生谐振时,相应的仪表有明显的反映,若值班人员能准确无误地记录下当时的仪表读数、指针摆动情况等,将对分析谐振现象提供极其宝贵的第一手资料。

根据运行经验将不同谐波谐振时的特点,列于表2-2中,供判断时参考。

表2-2　不同谐波谐振时的特点

(2)根据系统参数,应用不同谐波的谐振区域曲线判定。

式中 UX——运行相电压;

I0——电容电流。

2)电压互感器一次激磁阻抗。

根据JDJH—35互感器的伏安特性曲线求得

式中 UN——额定线电压,kV;

I——额定线电压下的激磁电流。

3)求阻抗比。

为了进一步分析这次谐振现象,事后又在该系统进行了实测。其试验接线如图2-47所示。试验时用接地—断开法激发谐振,并在电压互感器开口三角处串电阻消振。试验内容包括:

(1)带线路Ⅰ、Ⅱ,在线路Ⅰ的断路器负荷侧C相作金属性短路,切线路Ⅰ的断路器,激发谐振。

(2)只带线路Ⅱ,利用线路Ⅰ的断路器作接地开关 (线路Ⅰ从断路器负荷侧套管处断开),断开接地点激发谐振。

(3)只带线路Ⅰ,利用线路Ⅱ的断路器作接地开关。断开接地点激发谐振。

(4)投35kV空母线。

图2-47　试验接线图

V—电压表150V,5块;W1—单相功率表,150V,2.5A,1块;W2—低功率因数瓦特表,150V,1A,1块;mA1—毫安表,50　mA,3块;　mA2—毫安表,500　mA,3块;TA—标准电流互感器,20/5,1台;R—滑线电阻,20Ω,1只;A—电流表,1A,1块

图2-48　试验 (3)分频谐振及其消振示波图

图2-49　试验 (4)基波谐振及其消振示波图

当产生基波谐振时,电压表读数是两相升高至1.8倍相电压,一相降低,接近于零,互感器开口三角电压近似为100V。当接入20Ω 的消振电阻后,即消振,其示波图示于图2-49中。

【例2】 某电厂6kV系统的接线图如图2-50所示。当合Q2时,6kV直配Ⅱ段的空母线充电时,发现A、B、C 三相电压轮流升高到原运行相电压的1.27、1.27、1.44 倍,电压表约以每秒一次的频率摆动;电压互感器开口三角出现零序电压,开始时值班人员误认为系统内有接地。但未找到接地点,后经分析研究确定为系统内出现分频谐振所致。

图2-50　6kV系统简化接线图

实测电压互感器的伏安特性,求得

(1) 系统容抗 XC0。由于线路总长为124.46km,而每相对地电容取为0.8μF,相应的系统容抗为

(2)电压互感器的一次激磁阻抗XL。根据实测JDJJ—35型电压互感器线电压下的激磁阻抗为1170 kΩ,9 台并联后的激磁阻抗XL为130kΩ。

图2-51　某35kV系统接线方式

(甲地变压器与乙地变压器35kV不并列运行)