铁磁谐振过电压及其抑制措施的分析.pdf

目录1绪论.11.1 研究课题的背景.11.2 铁磁谐振现象研究现状.11.2.1 铁磁谐振现象的研究方法.2122消谐方法的研究.31.3 对铁磁谐振现象研究的意义.41.4 开展研究的技术路线.51.4 论文的层次结构.82谐振过电压的机理和实际系统的定性分析.92.1 铁磁谐振的产生机理.92.1.1 谐振过电压产生的原因.92.1.2 铁磁谐振基本原理.122.1.3 分频和高频铁磁谐振的原理.152.2 H A PETERSON谐振曲线和中性点铁磁谐振判据.172.3 超高压串并补输电线路模型的建立.192.3.1 企业电网的接线.192.3.2 过电压现象.202.3.3 过电压现象的初步分析.202.4 小结.213电磁式电压互感器的模型.223.1 电压互感器模型.223.2 电磁式PT的励磁支路数据的测试.233.3 电磁式PT励磁饱和特性计算方法.243.4 考虑励磁损耗的励磁支路参数计算方法.253.4.1 求取非线性电阻Rm的u-ir特性.253.4.2 求取非线性电感LNL的巾-il特性.263.5 PT参数计算程序.283.6 PT励磁参数的计算.283.7 小结.334线路模型和同杆双回线路参数计算.344.1 线路模型.34I西安科技大学硕士学位论文4.2 电路的电压降方程.344.2.1 单根架空线路的分布参数模型.344.2.2 电阻.354.2.3 多导线系统的电压降方程.364.3 线路的自阻抗.374.4 线路的电容方程和参数.414.5 多导线系统的电容电流方程.434.6 小结.435企业35KV系统铁磁谐振过电压的仿真.445.1 谐振系统的电气主接线.445.2 模拟仿真系统的建模.465.2.1 模拟仿真工具.465.2.2 架空线路的基本情况及几何参数.475.3 PT励磁支路参数的计算.515.4 PT的励磁特性参数计算.565.5 搭建的仿真电路.585.6 系统线路受到感应雷击的仿真.595.5.1 系统正常运行情况下的仿真波形.595.5.2 系统在B站受到雷击.605.7小结.636 35KV系统铁磁谐振的治理措施.656.1 在PT高压侧中性点加装非线性消谐器.656.2 更换2#变电站母线PT.666.3 安装微电脑多功能智能消谐装置.666.4 改造方案实施后的效果.677结论.68致谢.69参考文献.70附录.73万方数据1绪论1绪论1.1 研究课题的背景在中压配电网中，中性点大多采用不接地方式运行，为了监测变电站母线对地电压，通常在其母线上装有一次绕组接为星型、中性点直接接地的电压互感器 Positive Transformer-PT o由于电磁式PT励磁电感的非线性特性，在外界干扰作用下容易导致 铁芯饱和励磁电感下降，与中压配电网的对地电容参数配合引起铁磁谐振并出现过电 压。铁磁谐振过电压的产生常引起严重的事故，影响配电网的安全稳定运行。铁磁谐振的危害有：（1 可能出现高达相电压三倍的过电压，破坏电气绝缘或引起避 雷器爆炸；（2 在非线性电感线圈中产生高于额定电流数倍乃至百倍的过电流，导致线圈 的危险温升，频繁烧断位于电压互感器一次侧的熔丝，或使得互感器喷油，冒烟，甚至 烧毁；（3 产生的电动力会破坏电磁式电压互感器；（4 导致过电压保护装置的异常，出 现虚接地或不正确接地指示；（5 如果谐振频带宽，还可能产生分频、高次等谐波分量，污染系统；（6 可能导致小容量异步电动机发生反转负载、变压器的相序反倾等现象。由于系统参数及外界激发条件的不同，可能引起分频、基频及高频谐振过电压，损 坏电气设备，导致事故的发生和扩大，甚至造成系统瓦解、危及人身安全。多年来，铁磁谐振过电压一直是困扰电力系统安全运行的问题，虽然在国内外大量专家共同努力下对其产生的机理有了清晰的认识，也提出了多种抑制谐振的措施口刊，但是实际运行时，由于其耦合的复杂度，涉及到复杂的非线性电路过渡过程，每次发生 谐振有其专有的特点，具有一定的随机性。谐振的治理需要电力专家进行深入的分析，认识到本质，找到谐振的发生源，才能提出治理措施，而对其本质的识别，存在较大的 困难。某企业35kV配电线路运行过程中多次发生的过电压现象，经过对现象的定性分析 认定其发生铁磁谐振。本研究课题，根据现场35kV配电网的实际情况，建立参与谐振 的电气元件模型，在此基础上，对铁磁谐振的产生原因进行研究，进而确定治理的方案。1.2 铁磁谐振现象研究现状近年来，国内外专家学者对中性点不接地系统铁磁谐振做了大量的研究，从不同方面 分析了铁磁谐振产生的原因、特点及其变化规律，也提出了多种抑制方法。最早的全面 实验研究是由德国的H.A.Peterson等电进行的，借助模拟试验得到系统发生谐振时的电 容和电感参数的配合条件及发生分频、基频和高频谐振的条件。他的结论经过了后来多 位学者的实验验证，并作为产生谐振定性分析的判据应用于电力系统谐振的确定。1西安科技大学硕士学位论文1.2.1 铁磁谐振现象的研究方法由于铁磁谐振严重影响着电力系统的供电安全，国内外专家学者十分关注和重视对 铁磁谐振的研究，近年来对于铁磁谐振的研究主要从以下三个方面着手：(1)理论研究 通过阐明这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性谐振的内容，为研究提供理论基础，特别是近几年来，非线性振动理论、分叉理论、模糊理论、混沌理论等方法 LIU 的引入不仅扩大了研究领域，而且提供了新的理论研究手段。同时大量的数学计算分析 软件如MATLAB等的应用也为铁磁谐振的研究提供了便利条件。但是，目前这类理论 研究的方法只能用于较简单的网络和弱非线性的铁磁元件，而且也只能求得近似的稳态 周期解，因而应用范围具有很大的局限性。(2)试验分析试验分析主要是通过现场模拟试验对铁磁谐振的发展过程和谐振条件进行实测研 究现，揭示铁磁谐振的内在规律，并在此基础上开发研制了多种消谐装置。通过试验 分析可以真实地模拟铁磁谐振现象，具有直观性强、易于理解、便于应用和真实等特点。研究人员进行的模拟试验结果为进一步的理论研究提供原始数据，并验证了理论研究结 果。但是，由于试验时不能灵活改变回路参数，并且容易受到客观因素、条件的限制，其结果的准确性也取决于测量系统的精度。因而，模拟试验方法难以对铁磁谐振进行全 面系统的研究，有其自身的局限性，一般不单独使用。(3)数值计算采用数值计算方法冽，进行铁磁谐振分析，有简单定性分析方法和铁磁谐振仿真计 算方法两种：(1)在简化的数学模型基础上，用一些拟定参数进行计算得出有关铁磁谐振的规 律。可利用的方法有图解法、谐波平衡法、相平面法、描述函数法口6-17,1，22一25 等，但这些 方法只能进行稳态情况下的定性计算，对于三相非线性电路的定量计算缺少全面有效的 算法，所以这些方法很难取得好的效果。(2)用EMTP、Simulink程序对铁磁谐振进行仿真计算 26,2刀。这种仿真方法，公认 为能较好的仿真实际的铁磁谐振的本质规律，计算精度高，且在国际上通用，得到了国 际学术界的认可和应用。多年对铁磁谐振的潜心研究，人们揭示了铁磁谐振产生的机理，提出和开发了多种 抑制铁磁谐振的措施和装置。2万方数据1绪论1.2.2 消谐方法的研究国内外学者通过大量的研究提出了多种消谐措施”911-14,16-19,29,30,目前广泛应用于 电力系统的措施大致有如下几种：(1)在电磁式PT 一次绕组中性点对地接入非线性电阻这是目前最常用的方法，相当于每一相对地电感上串接一个电阻，消耗谐振能量，阻尼抑制谐振。同时还能限制PT中的过电流，特别是限制断续弧光接地时流过PT的 高幅值过电流，相应的减小了每一相PT上的电压，即改善了它的伏安特性。应选取合 适参数，由于几串入励磁电感支路，从数值大对抑制谐振的作用强，但是凡不能取取 太大值，当系统出现单相接地故障时凡上分担大部分零序电压降，使得开口三角处电压 变低，影响接地保护的灵敏度和保护装置的正确动作。(2)在电磁式PT开口三角绕组中短时接入电阻R或分频消谐装置这种方法原理是给互感器一次绕组并联了电阻，利用电阻的阻尼作用消耗能量，抑 制铁磁谐振。对各类谐振均有拟制作用。微机式消谐装置即采用这种工作原理。中性点 不接地系统通常允许带有单相接地故障运行两小时，长时间接入较小的电阻，可能会使 电磁式PT过热而烧毁。另外，R接入时会降低开口三角绕组电压，影响继电保护。(3)4PT 法即在电磁式PT一次绕组中性点与地间再接入一台单相电磁式PT。第四个PT的接 入使系统零序回路的等效电感增大，从系统参数配合上消除谐振发生的可能。如果发生 谐振，新增互感器线圈阻碍电流的变化，避免铁芯饱和，第四个PT的损耗对谐振存在 阻尼作用。这一措施拟制谐振的效果限定在本互感器范围。如果同一配电网中有很多台 PT,则每台PT都必须按此方法接线。在实践中还总结出了一些改进的4PT二次侧接线 法，也起到了很好的消谐效果。(4)母线上装设中性点接地的三相星型电容器组，增大对地电容 在有些情况下，可在10kV及以下的母线上装设一组三相接地电容器，或利用电缆代替架空线路，以增大对地电容，避免谐振参数配合。但应用这种方法时，增大了对地 电容，当发生单相接地故障时接地零序电流增大，不利于接地电弧的熄灭。一旦谐振发 生，谐振过电压幅度会增高，谐振的危害更严重。(5)系统中性点采用消弧线圈或同样作用的电抗器接地此方法相当于在PT每一相励磁电感上并联一个消弧线圈的电感，由于它们都并接 在零序回路中，其电感值比PT相对地的电感小得多，相当于将PT等效零序电感短路，系统不具备谐振发生条件。通过仿真研究发现，当系统电容电流小于15A时，消弧线圈 的作用不是很明显，当大于15A时，可以起到很好的抑制作用。另外，在变压器中性点 接入消弧线圈还能加速接地电弧的熄灭，抑制弧光过电压。目前这种方法已比较成熟，3西安科技大学硕士学位论文在电力系统中广泛采用，尤其是更焕年、曹月梅对电力系统谐振接地的研究口5 为消弧线 圈的应用提供了有力的依据。(6)选用励磁特性较好的PT或选用电容式电磁式PT(CVT)PT的励磁特性越好在一般的激发条件下铁芯越不容易深度饱和，谐振发生的可能 性大大降低。然而，这并不能从根本上消除，在强烈的外界激发条件下一旦发生谐振，过电流、过电压会更大。电容式电磁式PT的等值阻抗为容性，不会与网络对地电容参 数匹配，但是电容增大，增大了接地电流，不利于接地电弧的熄灭。且CVT 一般都装 有补偿电感和阻尼电阻，在一定条件下其自身也容易发生谐振。目前由于设计水平、制 造工艺的影响，CVT的运行可靠性不如电磁式PT,在运行过程中其故障率远高于常规 PTo(7)减少同一网络中并联PT的台数由于并联的PT台数越多,等效工频励磁感抗居值变小，则其等效伏安特性在相同的 电流下电压值变小,越容易与对地电容形成参数匹配发生铁磁谐振。因此，在满足测量和 绝缘监视的情况下应尽量减少并联接地PT的台数。但是这不能从根本上解决问题，因 为电网中PT的数量必须满足测量、继电保护的要求。(8)采取其他临时措施特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地，也可以按事先规定投入某些线路或 设备以改变电路参数。在合闸、投切设备时尽量使三相同期，并选择合理的操作顺序。1.3 对铁磁谐振现象研究的意义尽管研究工作者针对配电网的铁磁谐振做了大量研究，并提出了多样化的消谐方 案，但在我国中性点不接地电网中由铁磁谐振引发的事故仍然层出不穷2叫严重影响了 电网的安全运行和正常的生产活动。这是由于配电网复杂多变的接线结构，难以根据系 统参数预测铁磁谐振的发生，大多情况是多次谐振发生后才采取措施补救。止匕外，目前 的消谐措施缺乏普遍适用性。设备热容量、继电保护方式等客观条件限制了消谐措施的 选择，而且铁磁谐振对系统参数十分敏感，它包含基波、分频、高频铁磁谐振，消谐措 施难以对多种频率的谐振同时有效。随着电力系统的不断发展，其结构变得越来越复杂，新的问题也日益显现，原来没 有发生过铁磁谐振的电力系统由于系统参数的变化也可能出现铁磁谐振。因此，对电力 系统铁磁谐振产生的机理以及影响谐振的因素做更加深入、更加全面的研究，寻找出更 为有效的预防、抑制铁磁谐振的措施。这不仅可以降低其对电气设备、系统的危害，减 少事故造成的各项损失，还有助于提高电力系统的安全性、稳定性，提高电力系统自动 化水平，推动智能电网的不断发展。因此，通过现场现象分析，建立较为精确的元件模型、结合计算机仿真方法等，全4万方数据1绪论面而深入地研究配电网中的铁磁谐振现象、影响谐振的因素及其抑制措施，对预测、抑 制铁磁谐振的发生、提高电能质量，保证系统安全运行具有很大的实际意义。而且，这 对类似铁磁谐振电路的非线性电路基本规律的了解和掌握，也有一定的理论价值。另外，PT模型的进一步完善不仅对于研究铁磁谐振现象有帮助，而且有助于电力系统中其它 涉及互感器和变压器饱和特性的现象进行更好地研究。本课题以一个实际生产现场的特定的35kV配电系统的铁磁谐振过程为研究对象，建立各类元件的模型，通过仿真方法对35kV配电系统进行研究，进一步了解谐振的机 理，在此基础上，对各种治理方案进行仿真比较，进而制定出治理方案。研究具有重要 的理论和实际意义。1.4 开展研究的技术路线由于铁磁谐振的产生原因是电网中的感性铁磁元件和容性元件的参数出现谐振现 象 而出现的一种电网异常状态。定性分析方法将元件看作一个集总参数元件进行计算，铁 磁元件并没有考虑到其个体非线性特性的差异，线路也没有考虑其线路参数的分布特 性,因此，其分析过程，仅适合于做定性分析。考虑系统线路参数的分布性及互感器特性的非线性性，建立严格的电路模型，并建 立方程进行求解，一般能得到和实际现场情况相一致的结果。这种建立电路模拟、分析、解决问题方法的实施受制于问题规模的限制，能进行模拟分析的前提是建立适当规模的 模拟系统，因此，建立模型时，必须对电网发生的电压异常现象进行分析，确定问题的 性质后，对电网进行简化。在此基础上，建立分析电路模型，采用模拟计算工具进行分 析。进行仿真计算的前提是建立相关元件的适当模型，才能得到较为满意的仿真结果。铁磁谐振的关键元件是发生谐振的元件，本课题中的元件为电磁式PT和线路。因此，建立元件的模型是本课题的关键点之一。建立模型后，采用适当的仿真工具对建立的系统进行仿真计算，目前进行这类仿真 计算软件主要有EMTP和MATLAB软件。这两种工具是目前得到广泛的应用并通过实 际检验的成熟的电网仿真计算软件。MATLAB软件是当前高校和研究机构应用广泛的一种数学建模和仿真工具，其 Simulink环境下的电力系统模块库(SimPowerSystems,SPS)提供了大量可参数化的数 学模型，可对发电、输变电、配电系统及电力电子系统进行高效建模。只要熟悉了 Simulink仿真平台和电力系统模块库，就可进行电力系统建模，采用变步长积分算法，支持连续、离散及两者混合的线性和非线性的仿真，轻松实现暂态系统的仿真。因此，本课题采用MATLAB软件工具中的Simulink软件工具包提供的电网分析SPS工具包进 行电网分析。5西安科技大学硕士学位论文在对具体供电系统产生铁磁谐振的过程仿真的基础上，掌握具体案例铁磁谐振的机 理，在此基础上，制定铁磁谐振的治理措施，并对治理措施进行仿真验证。验证正确后，设计供电系统铁磁谐振治理方案。具体工作分为以下几个部分：(1)电磁式PT模型的建立电磁式PT是产生铁磁谐振的核心元件之一，模型的正确性是能否进行正确仿真的 关键。对电磁式PT进行空载试验或查电磁式PT手册获得建模所需数据，建立更精确的 电磁式PT等含有铁芯的电感元件模型。由于电磁式PT饱和引起的铁磁谐振根本原因在于PT励磁特性的非线性，必须先 获得准确的PT空载励磁特性，而其空载励磁特性可以通过空载伏安特性转化而得囚-33。本课题拟采取在高压侧测量的试验方法对某电磁式PT进行空载试验，以获得空载电压、电流有效值以及空载损耗功率。要使铁磁谐振的数值仿真结果准确可靠，对于PT铁芯的非线性模拟十分关键。PT 最简单的等效模型是一非线性电感，其特性既可以用韦安特性曲线描述，也可以用电压 电流有效值特性曲线描述田因。在应用EMTP、MATLAB等数值仿真软件分析计算电力 系统过电压及某些过渡过程时，使用的是磁链、电流的瞬时值特性曲线，而在工程实际 中，制造厂提供的都是电压电流有效值特性曲线。在实验室中，测试技术不复杂，可以 测量得到的也是电压电流有效值特性曲线，因而首先要将电压电流有效值特性曲线转换 为磁链、电流瞬时值特性曲线。本课题利用分段线性化和逐点递推的思想，编程实现由互感器空载试验测得的电 压、电流有效值和损耗功率到非线性元件的瞬时值特性曲线的转化。同时，考虑到互感 器的铁损，采用非线性电阻和非线性电感的并联模型模拟电磁式PTO(2)电力线路的分布式模型和参数的计算在铁磁谐振的分析过程中，线路模型的精确度是能进行正确分析的关键元件模型之 一。一般电力系统线路模型可以分为：集中参数模型和分布参数模型网即。由于铁磁谐 振过程频率范围较宽，因此，线路模型拟采用分布参数模型因阴。在所研究的实际系统 中，线路为双回线路，因此，针对双回线路，建立其分布参数模型。架空输电线路的 工频参数主要包括正序阻抗、正序电容、零序阻抗、零序电容，对于同杆并架多回路以 及平行段较长的输电线路还包括回路之间的互感阻抗和耦合电容。大地的电阻率等是影 响线路参数的重要因数，但如果完全按照现场实际状况建立线路模型，计算工作量十分 巨大，因此，在不影响基本分析情况下，对模型进行适当的简化，即可保障计算的精度，又可大大减少计算量。对于分布参数模型，其多用微分方程表示，线路的各种分析都是基于微分方程的求 解 40-42。首先根据线路几何结构和物理特性求得基本参数矩阵，然后从基本参数矩阵中6万方数据1绪论消去地线参数得到三相参数矩阵，最后对三相参数矩阵进行对称变换得到序参数矩阵。本课题将建立同感线路分布参数和序参数模型并用MATLAB对实际线路进行仿真验证 结果。(2)铁磁谐振过电压现象的定性分析 在对发生铁磁谐振区域进行仿真模拟时，首 先，需要建立仿真电路模型，建立仿真电路模型时，需要根据实际电网的情况，对分析区域的电网在不影响仿真、分析结果精 度的前提下，对电网进行简化处理。实际电网中，含有多个电气元件，发生铁磁谐振时，铁磁谐振现象往往在电网的一 定的区域内发生，并且发生谐振的元件为这个区域中的个别元件，建立模型时，由于较 为精确的元件模型对应的方程阶数也较高，对发生谐振区域内的电气元件，均建立精确 模型，将造成仿真区域的电气模型的阶数高，造成求解的困难。一般的可行方法为，在 建立模型时，对电网进行适当的简化，保留发生铁磁谐振的核心元件，在不影响仿真结 果的前提下，对其它部分省略或等值。根据得到的简化电网和现场测试的元件参数，在Simulink中搭建仿真电路模型，对 谐振现象进行仿真。通过仿真掌握谐振的机理。由于铁磁谐振归根到底是由于非线性电感与线性电容配合，在一定的激发条件下产 生的，因此电容和电感的配合是影响铁磁谐振的一个重方面，关于这个方面的研究是比 较多的。其中电容的大小不仅与系统的结构、线路的长度、地理环境有关，特别是架空 线路还受到天气状况的影响，在研究过程中要充分考虑这些因素。止匕外，外部激发条件 有时候与人为操作有关，如空载合闸、部分线路的投切等，因此，研究出更为优化合理 的操作方案、操作顺序是有必要的。除此之外，由于铁磁谐振的复杂性，PT铁损、激发方式、PT三相励磁特性等都对 其有影响。这些影响可能体现在谐振的发生概率，过电压、过电流幅值，谐振频率等各 个方面。尤其是三相PT特性不对称，现实中很有可能遇到，而已有研究罕有涉及。本 课题将对这些铁磁谐振的影响因素进行较系统的研究。(4)提出相应的治理措施，并进行仿真 比较不同抑制措施适用范围，相互结合提 出新的抑制措施。目前限制中性点不接地配电网中PT饱和引起的铁磁谐振主要 从以下三个方面着手：1)改变系统运行参数和操作程序，从电气设计和运行上避开谐振区；2)增大网络阻尼，消耗谐振能量，使其迅速恢复到谐振前的状态；3)选择合理的操作方式，减少激发条件。具体的措施有选用励磁特性较好的电磁式PT、在互感器开口三角形侧接入电阻或 消谐装置、互感器高压侧中性点经电阻接地，以及在互感器高压侧中性点串接单相电磁 7西安科技大学硕士学位论文式PT等。尽管在一定范围和条件下，这些措施获得了一定的效果，但铁磁谐振仍频繁 发生，主要是由于铁磁谐振的复杂性和配电网结构参数的多样性使得上述措施不具备普 遍的适用性，同时以往的研究也缺乏各种措施的定量综合比较。1.4论文的层次结构本研究是针对中性点不接地系统的铁磁谐振现象进行研究，为了保证研究的有效 性，研究过程针对一个实际的系统发生铁磁谐振过程进行。为了不失一般性，研究的过 程具有一般的意义。论文的具体层次如下：第1章对铁磁谐振发生的背景和目前的研究方法和治理措施进行总结回顾，在此基 础上，提出研究工作的思路。第2章，给出铁磁谐振定向分析的一般方法，并对实际系 统发生的铁磁谐振现象进行总结分析。第3章给出电磁式PT的模型和参数的测试和处 理方法。第4章给出双回线路分布式参数的计算和计算结果。第5章为铁磁谐振现象的 仿真模型和仿真计算。第6章给出实际系统铁磁谐振治理措施；第7章为总结和结论。8万方数据2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析中性点不接地系统发生谐振时，铁磁元件是发生谐振的核心元件，一般为电磁式电 压互感器或变压器的励磁电感。在供电网受到扰动时，电磁式电压互感器由于励磁电感 的非线性性，励磁电感进入饱和区，在电感的变化过程中和系统的电容参数匹配，发生 铁磁谐振。一般谐振分为分频、基频和高频谐振。这三种谐振的发生Peterson。给出了 定性的判据，可作为系统是否可能发生铁磁谐振的依据。首先，对铁磁谐振的机理进行总结，在此基础上，对实际现场发生的过电压现象进 行分析，确定发生过电压的机理。2.1 铁磁谐振的产生机理不同结构的电网，所有电压等级都可能产生不同类型的铁磁谐振过电压。通常认为,系统中的电阻和电容元件为线性参数，而电感元件分为三类不同特性的参数：即在特定 的条件下，有些电感元件是线性的，有的则是非线性的，有的电感元件参数大小呈周期 性的变化。它们在一定的电容参数和其它条件配合下，可以产生三种不同类型的谐振现 象。铁磁谐振是谐振中的一种，由于电路中的电感元件因带有铁芯，会产生饱和的现象,因此电感不再是常数，而是随电流或磁通的变化而变化。铁磁谐振是电力系统自激振荡 的一种形式，是由于变压器、电磁式PT等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值 谐振过电压现象。由于对地电容和互感器的参数不同可能产生三种频率的谐振，分频谐 振、基频谐振和高频谐振。2.1.1 谐振过电压产生的原因冏中性点不接地供电系统的电磁式PT与架空线路的发生铁磁谐振过电压的简化电气 关系如图2-1所示，图2-2为其等值电路图。电磁式PT低压侧的负荷很小，接近空载，高压侧具有很高的励磁阻抗，在某种诱 因下，它与导线对地电容或其他设备的杂散电容间形成特殊的三相或单相谐振回路，能 激发起各种铁磁谐振过电压。9西安科技大学硕士学位论文图2-2带有乂接线电磁式PT的等值电路图2T简化的一个含有线路和电磁式互感器的三相不接地系统，系统由电源、线路 以及PT组成，由于线路电感以及电源电感的阻抗值远小于线路对地容抗，所以在三相 不接地系统中忽略其作用，可以将系统简化成如图2-2所示的电路。图2-2中，EA、EB、为变压器三相对称电源电势，LA、LB、L为PT的各相 励磁电感，C。为各相导线及母线的对地电容，令C。与各相励磁电感并联后的导纳分别 为匕、/、及。在系统正常运行时，互感器PT的参数对称，励磁电感较大，铁芯不饱 和，不会产生过电压。当系统发生故障或雷电感应等外界干扰时，PT绕组受励磁的激发 而饱和，由于三相绕组的饱和深度不同，必然导致中性点出现位移电压。由于雷击或其 他原因使线路发生瞬间单相电弧接地，使系统产生直流分量，而故障相接地消失时，该 直流分量通过电磁式PT释放，而引起电磁式PT饱和。由于电磁式PT饱和程度不同，会造成系统两相或三相对地电压同时升高。由图2-2的等值电路图，系统中性点的位移电压为：（2-1 匕+小/式中，匕、匕、匕是三相回路的等值导纳。正常运行时，可认为丫=Y=Y,E+E+E=0,所以：U=0。ABC ABC 010万方数据2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析当系统遭受干扰，使电磁式PT的铁芯出现饱和，例如B、C两相电压升高，电磁 式PT电感饱和，则流过乙和4的电感电流增大，使和心减小，这就可能使得B、C 相的对地导纳变成电感性，即丫、y为感性导纳，而y仍为容性导纳。由于容性导纳B C A与感性导纳相互抵消的作用，使y+y+y显著减小，造成系统中性点位移电压大大增 ABC加。中性点位移电压升高后，各相对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量 和：UAEA+U.(2-2)1(2-3)coC两条伏安特性曲线能相交于尸点，从回路中元件上的压降与电源电势平衡关系可以 得至U：戌二成+成(2-4)因。与。相位相反，上面的平衡式也可以用电压降之差的绝对值来表示，即：L CE=AU=UL-UC(2-5)12万方数据2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析与/的关系AU(I)也表示在图2-5中。从图2-5中看以看出，在电流逐渐增大的过 程中系统由感性经尸点后变为容性，即。曲线分为感性电流段和容性电流段。当电路外 部电源为E时，电路有三个工作点，分别为、生和。3,其中%、%处于感性电流段。3 处于容性电流段。图2-5铁磁谐振回路的特性曲线在以上三个工作点/、。2、。3中，电路只能工作在见点，而不能稳定在。2点。假如 在感性区域的生点为工作点，假定由于外界的某种扰动，使电流/在瞬间减小到外，相 应的。升高，使EE（2）则该非线性电感回路在相应的的作用下，只能工作在非谐振区，消除了发生谐振 的可能性。如果电路中，发生了谐振可以增大K值到某一临界值，及符合（2-7 的关 系，谐振就会消失。综上所述，铁磁谐振发生的必要条件是电感和电容的两条特性曲线有交点，即要求 伏安特性的起始斜率大于电容伏安特性的起始斜率，即1 A）c或 0=1/fCl/kcoC（2-11 或左 1/JZQ 2-12 铁芯电感的初始值和电容C组成的自振频率应小于并接近谐振频率，这样才能 符合发生分频或高频谐振的条件。2.2 H APeterson谐振曲线和中性点铁磁谐振判据划中性点不接地系统由PT产生的谐振过电压，往往是由于线路的对地电容和PT的 非线性励磁电感产生的。正常运行的三相系统，没有谐波分量，但在过渡过程中，由于 激发引起了分频或高频谐振，此时同路谐波谐振的电源是通过非线性电感元件的非线性 效应将工频电源能量转化为谐波能量供给的。当线路长时，C值较大，回路自振角频率30低，则出现分频谐振可能的可能性较 大。反之，线路短时，C值较小、PT铁芯的励磁特性容易饱和，或者系统中有多台PT并联，导致电感值变小，回路的30高，可能出现高频谐振。是否发生谐振与激发条件 宥美。发生谐振时，中性点处谐波位移电压有效值为工频电源相电动势为,三相对 地的电压升为。后工。所以，三相对地电压的有效价升高为PT发生铁磁谐振过 电压的特征。针对谐振过电压，HAPeterson等曾进行了专门的模拟试验口叱 铁芯电感的两种典 型的伏安特性曲线如图2-8 a 所示。17西安科技大学硕士学位论文。为试验电源的相电压，百%为铁心电感的额定线电压，并取。3a时的励磁电 二，流作为基准值。无论对于基波、分次谐波或高次谐波，只有在一定的参数范围和电源电 压下才会产生过电压和谐振现象。图2-8(b)中画出了试验曲线的谐振区域，其中%0=1/。0,横坐标取),xL=co&,xL为每相电压互感器施加额定线电压时的励磁感抗，当电源电压和阻抗参数及在某一曲线范围内时，就将产生相应的谐振现象。铁心电感的 伏安特性曲线不一样，谐振区域稍有不同，伏安曲线饱和得愈快，谐振的区域愈广，即 愈是伸展到横坐标比较小一侧。图2-8(b)中，实线为#1伏安特性曲线对应的谐振区域，虚线为#2伏安特性曲线 对应的谐振区域。由图可以看出，分次谐波共振所要求的电源电压最低，高次谐波最高,换言之，在实际运行条件下，只要满足一定的参数范围，分次谐波的谐振过电压最容易 发生。(a)伏安特性曲线(b)谐振区域图2-8励磁电感的伏安特性曲线和谐振区域1-分次谐振区域；2-基波谐振区域；3-高次谐振区域 实线为1号特性曲线；虚线为2号特性曲线。18万方数据2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析H.A.Peterson曲线可作为能否发生铁磁谐振的一种参考。2.3 超高压串并补输电线路模型的建立2.3.1 企业电网的接线某煤炭企业有独立电网，为矿区生产及生活供电。包括2个UOkV变电站、一座发 电厂、5个35kV变电站，10kV以上供电线路有300多公里。矿区电网接线示意图如图 2-9所示。图2-9矿区电网接线示意图由图2-9矿区电网的示意图可以看出：A是UOkV站是枢纽，为1#矿供电，B、C是35kV站，为2#风井、3#风井供电，3个变电站35kV母线均为单母分段。A到B、C变电站供电情况如图2-10所示。A UOkV变电站35kV母线，从A UOkV变电站通过两回同塔架设的长度为4.96公 里线路到B 35kV变电站，再从B 35kV变电站通过同塔架设5.9公里的线路到达C 35kV 变电站。A UOkV 变电站R 35 kV 变电站C 35kV 变电站LGJ-24O 4.96km LGJ-185 5.9km1 o o图2-10鲁寺到花家庄供电情况图19西安科技大学硕士学位论文232过电压现象1#矿35kV供电系统自2009年C 35kV变电站投运以来，当天气出现雷暴时，35kV 系统常出现电压升高现象，35kV线路的相电压由20.2kV升高到35kV左右，线电压升 高到50kV左右，其相电压指针出现上下快速摆动，持续时间达610多分钟不等，过电 压现象有时能自行消除，有时需要通过进行运行方式的改变消除，最严重一次，异常现 象持续20多分钟，通过投运负荷、切换变压器等操作措施，过电压现象不能消失，直 到停运35kV线路，再恢复供电，过电压现象才彻底消除。过电压主要事件可以概括为：(1)发生电压异常时，多为矿区的雷暴日；(2)三相电压均升高；(3)电压表指针出现强烈的摆动现象，开关室有明显声音；(4)通过拉路等动作来改变供电网络的参数或短时停电过一段时间，电压异常现 象可消除过电压的幅值，已达到正常相电压的1.41.8倍，虽然，在系统过电压发生时或过 电压期间，没有造成设备绝缘击穿事故，但其对电网供电线路和电气设备的绝缘危害极 大，为系统出现大的供电事故埋下了重大安全隐患。因为系统发生过电压时，过电压遍 布整个35kV供电网，持续的过电压对电气设备的绝缘造成损害，大大缩短电气设备的 绝缘寿命。随着冲击次数的增多，持续过电压冲击的积累效应，会造成设备绝缘水平的 下降，最终会击穿35kV电网中的绝缘薄弱环节，造成系统的事故。2.3.3 过电压现象的初步分析系统多次发生电压异常时，均为矿区的雷暴日，因此，可以确认，雷电是引起电压 异常的原因之一。在几个变电站中，均有完善的防雷设施，因此可以排除雷击变电站引 起扰动。线路全线的塔顶有架空地线。因此，可以确定感应雷是引起电压异常的原因。系统出现电压异常升高时，其出现的相电压升高的幅值为29kV到35.41kV,即过电压 幅值在系统额定相电压的1.431.75倍，线电压基本不变。在发生电压升高时，相电 压升高。因此可以确认，系统的电压升高时，系统的电压处于三相基本平衡状态。由每一次出现电压异常时，电压幅值不一样，即每一次系统电压异常，引起电压异 常的设备的工作点不一致，可以确认引起系统异常的设备中含有非线性电磁元件。通过 投切变压器，电压异常现象没有得到消除，并且运行中的变压器带载，其阻抗较小可以 排除变压器引起谐振的可能。电压异常升高时，变电站的电压表出现摆动现象，可以确认，系统电压异常时系统 发生了分频谐振或分频暂态现象。20万方数据2谐振过电压的机理和实际系统的定性分析系统中出现电压异常升高时，部分电压升高，过一定时间即可消除，说明系统的电 压升高，在一定的条件下，可以由系统中的阻尼自行减弱，振荡回路的能量得不到补偿，这具有分频谐振的能量来自非线性电磁元件的特征。因此，可以确定系统发生了分频谐 振。C变电站WXZ196消谐装置记录，9月3日发生三次分频谐振和9月18日系统发 生2次分频谐振。9月18日的分频谐振，在发生了多次后，发生了接地故障。事后查明，接地故障为 A变电站的35kV,C相接地造成。该装置无法区别是系统发生的电磁暂态过程还是分次谐振。调度中心和B站均没有 9月3日系统发生电压异常的记录。因此可以初步确定装置记录的过程为系统的暂态过 程。此电磁暂态过程持续时间较短，在该时间段内，故障自行消失。但从此现象可以知 道系统的参数配合，存在发生分频谐振的可能。35kV电压等级供电系统，在出现电压异常期间，其下一级电压等级的10kV或6kV 电压、电流正常，说明出现电压异常时，35kV系统引起过电压的回路有零序回路的特 征。系统的谐振回路，由电感元件和电容元件组成，系统中各变电站的主变35kV侧均 不接地，只有电磁式PT的35kV侧接地，因此，可以认定谐振回路的元件非线性元件 为PT。谐振回路的容性元件，应为系统的母线和架空线路，因母线对地电容和线路相比要 小的多，因此可以忽略母线的对地电容。可以确认系统中的PT和架空线路的对地电容 是引起系统谐振的元件。通过以上简单的初步分析，可以得到以下结论：（1）系统中存在发生分频谐振的条件；（2 系统发生了分频谐振，但谐振的幅值不大时，谐振可以自行消除；（3 系统中的PT为分频谐振的主要元件之一；4 雷电击线路或雷电感应到线路的雷电过电压是引起谐振的诱因；（5 谐振回路具有零序回路的特征，PT和架空线路引起系统的谐振。2.4 小结本章对发生铁磁谐振的原理和三相系统发生铁磁谐振的原理进行了总结，说明了 发生铁磁谐振的必要条件，以及发生铁磁谐振的基本特征。对某企业电网发生的异常 过电压，从网路结构和过电压发生时系统的基本行为进行定性分析，确定系统发生的 是由PT和线路引起的分频谐振。21西安科技大学大硕士学位论文3电磁式电压互感器的模型2.3给出的发生的谐振过电压，是由电压互感器和线路的对地电容的互相耦合发生 的，电磁式电压互感器是产生铁磁谐振的核心元件。因此，定量仿真铁磁谐振过电压需 要有合理的电磁式互感器的模型。本章给出适用于铁磁谐振分析的电压互感器模型，并 给出了互感器模型参数的计算方法，以及实际电压互感器参数的获取方法。并用实际电 压互感器验证了方法的正确性。3.1 电压互感器模型140电磁式电压互感器(PT-Positive Transformer)的等效电路模型如图3-1所示，其中 Rm、xm为励磁电导和励磁阻抗，R1、X1、R2、X2为一次侧和二次侧的电阻和漏抗。电 磁式PT的模型类似于二次侧开路的变压器。因此，当电磁式PT接入到系统中时，只 要得到一次侧的电阻和漏抗及励磁支路的参数即可对满足搭建仿真模型的要求。图3-2 为将二次侧的电阻和漏抗折算到一次侧的图，其中/、为电磁式PT二次绕组电阻和 漏感折合到一次侧的值，Am、4为励磁支路的非线性电阻和非线性电感。电磁式PT 一次侧电阻值一般为数kQ,PT的励磁电抗，一般为IO,I()8Q数量级，一次侧的漏抗和励磁阻抗相比，为其值的10左右，即励磁阻抗远远大于漏抗。如果需 要求取Ri、的，可根据短路试验测得的短路电流及、阻抗电压UK和短路损耗尸K等 数据求得。由于低压侧的线圈匝数少和线径粗，低压侧线圈电阻&和漏感工的数值远 远小于励磁支路非线性电阻值和非线性电感值，故可忽略二次侧电阻和漏抗。因此互感器的模型中，关键是励磁阻抗模型的建立，即建立励