电磁式电压互感器的谐振及主要限制方法.doc

电磁式电压互感器的谐振及主要限制方法
摘 要：电压互感器是母线上的重要元件，电磁式电压互感器引起铁磁谐振后，其介质击穿或爆炸都会导致母线故障，防止PT谐振应引起高度重视。文章对电磁式电压互感器引起铁磁谐振的原理进行了分析，并就河北南网发生的一起铁磁谐振现象提出了限制措施。
关键词：电压互感器；谐振；分析；措施

　　在电力系统中引起电网过电压的原因很多，其中谐振过电压出现频繁，其危害性较大。过电压一旦发生，往往会造成电气设备的损坏甚至发生停电事故。由于谐振过电压作用时间较长，而且不能用避雷器限制，因此在选择保护措施方面有较大的困难。为了尽可能地防止谐振过电压的发生，在设计和操作电网设备时，应进行必要的估算和安排，尽量避免形成串联谐振回路，或采取适当的防止谐振的措施。本文联系一起实际过中压现象对电磁式电压互感器引起的铁磁谐振及限制方法进行了讨论。
1　电磁式电压互感器引起铁磁谐振的原理
　　电压互感器通常接在变电站或发电机的母线上，其一次绕组接成星型，中性点直接接地，因此各相对地励磁电感L1，L2，L3与母线对地电容C0间各自组成独立的振荡回路。中性点绝缘系统中，接有电磁式电压互感器的母线接线等值电路，见图1，其中E1，E2，E3为三相电源电势。

　　在正常运行条件下，励磁电感L1＝L2＝L3＝L0，故各相对地导纳Y1＝Y2＝Y3＝Y0，三相对地负荷是平衡的，电网的中性点处在零电位，即不发生位移现象。
　　但是，当电网发生冲击扰动时，例如开关突然合闸，或母线发生瞬间弧光接地现象等，都可能是一相或两相的对地电压瞬间提高。现在假定，由于扰动的结果，A相对地电压瞬间提高，这使得A相互感器的励磁电流突然增大而发生饱和，其等值励磁电感L1相应减小，以致Y1≠Y0，这样，三相对地负荷不平衡，中性点发生位移电压，根据基尔霍夫第一定律，可以得出：

    导纳Y1决定于励磁电感和C0的大小，如果正常状态下的，那么扰动结束使L1减小，可能使新的。在这种情况下，总导纳∑Y1显著减小，位移电压UN显著增加。如果参数配合得当，扰动后的∑Y1可能接近于零，这就产生了严重的串联谐振现象。
    图2中H．A．Peterson曲线研究了产生各种谐波振荡的条件，其中为系统每相的容抗；Xm为电压互感器的单相绕组在额定线电压作用下的对地励磁电抗；Ex是电压互感器事故前的运行相电压是电压互感器的铭牌线电压。

    从图2可以看出，随着比值的增大，依次发生分次谐波、基波和3次谐波的谐振，同时所需的Em也逐渐增大。当小于0.01或远大于1时，便消除了谐振的条件。所以在考虑运行方式和系统操作时，力求改变电力网中的电感电容之比，以避免形成谐振条件。
2　电磁式电压互感器引起铁磁谐振的实例及分析
　　近年来河北南部电网曾发生过多起由变电站母线PT引起的铁磁谐振现象，虽未产生严重后果，但确实存在隐患。严重的铁磁谐振过电压可引起PT爆炸，变电站母线停电事故。
　　2000年7月500 kV沧西站启动过程中，就曾发生铁磁谐振现象。
2．1　谐振产生过程
　　沧西站35 kV系统方式正常如图3所示，35k V＃2母线上接有3组电容器、两组电抗器及母线PT。按照沧西站启动计划，最后进行35 kV系统投运。值班人员执行省调命令，合上＃2主变的312开关后，发现三相线电压为37．8 kV，数值稳定。相电压应为21．8 kV，但实际上A、B、C三相对地电压分别升高到25 kV、27 k V、25 kV，且表针摇摆，PT开口三角3 U0电压为73 V。现场值班人员发现异常后拉开312开关，并对35 kV系统一二次设备进行了详细的检查，发现一二次设备及表计均无异常。后又带60 000 kVA电抗器组再合312开关，现象同上。经过现场初步分析，从现象上判断是在空冲母线时发生谐振。退出电抗器，在开口三角加60 W灯泡，仍未消除谐振。

2．2　谐振分析
　　沧西站35 kV母线结构满足串联铁磁谐振发生的条件，即谐振是由带铁芯的非线性电感元件（电压互感器）和电容元件（母线对地电容）构成的回路产生；其次312开关的合闸冲击是谐振的诱发因素。
2．2．1 35 kV母线对地电容计算
　　沧西站35 kV母线数据见表1。

    根据电磁场理论中的“镜像法”原理，考虑大地影响后，每相的对地电容为：

　　其中，H1、H2、H3及H12、H23、H31为各导线与镜像导线之间的距离，DjP为三相导线之间的几何均距。对于水平布置方式，如线间距离为D，则DjP＝1．26 D。RD为导线的等值半径，对于双分裂导线，，R为每根导线的计算半径，SjP为分裂导线的几何均距。
　　计算中将槽形导线按截面面积等效为直径Φ＝113 mm的圆形母线，相应数据带入上式，分别计算各段母线对地电容，结果为：CA＝2．096 9×10－3μF，CB＝2．072 8×10－3μF，CC＝2．161 1×10－3μF，在工频状态下，三相对地容抗为：XA0＝1．52MΩ，XB0＝1．54 MΩ，XC0＝1．47 MΩ。
2．2．2　35 kV母线PT励磁电抗及电感计算
　　该站使用的35 kV母线PT为JDJJ2－35 W2型电磁式电压互感器，变比为35kV0.1kV//0.1kV/，该型互感器的伏安特性如表2。

    取U=69.3V时的数据并折合到高压侧，计算空载励磁电抗及电感量：

2．2．3　谐振类型的确定

　　在上式中由于受提供的测量数据所限，XmA不是额定线电压100 V下的励磁电抗值，从PT铁芯的饱和特性可知，在额定线电压100 V下的励磁电抗值将小于在69．3 V下的励磁电抗值，因此XA0／XmA的比值会大于0．06对照图2，该比值处于分频谐振范围内。
　　在谐振状态下测得开口三角电压为73 V，它与工频电压叠加的结果使得三相对地电压的有效值同时升高至Ux：

　　实际测量三相对地电压，A、C相为25 kV，B相为27 k V，与上述计算结果基本一致。在空合母线时录取波形见图4。

2．3　谐振的危害
　　如果发生的是分频谐振，其特征是过电压并不高，但流过电压互感器绕组的电流很大，可达30～50倍，所以常常使电压互感器因过热而爆炸。
　　这次谐振虽未造成对变电站设备及电网安全运行的严重危害，但直接影响了整个沧西站的按时启动，进而影响了500 k V工程的进度。同时为了研究和解决问题花费了大量的人力和物力，更换电压互感器也造成了一定的经济损失。
2．4　谐振的解决
　　在谐振发生后通过将35 kV母线电磁式电压互感器更换为电容式电压互感器，解决了铁磁谐振的问题。
　　电容式电压互感器对地呈现容性，从根本上失去了谐振的基础。这样就不会再发生因扰动使励磁电流突然增大而发生饱和的现象，从而防止了铁磁谐振现象的发生。
　　电容式电压互感器除具有电磁式电压互感器的作用外，还可以兼做耦合电容器，与电力系统载波机相连，做高频载波通道使用。由于电容式电压互感器的冲击强度高、造价比电磁式电压互感器低，又能有效的的防止变电站母线对地电容与变电站母线PT之间的铁磁谐振现象。所以，目前电容式电压互感器已广泛应用在220 kV及以上的电力系统中，以取代电磁式电压互感器。
3　其它限制铁磁谐振的方法
    其他防止谐振的措施还有：
　　a．给母线充电时采用线路及母线一并充电的方式。
　　b．给母线充电前先切除PT充电后再投入PT，停母线时先切除PT再拉开开关。
    c．采用先进的消谐装置，如消谐器。
　　d．操作中注意监视母线电压，如电压过高则立即改变方式，合上或拉开引起谐振的开关。
    e．在电磁式电压互感器的开口三角形中，加装R≤0.4Xm（Xm为互感器在线电压下单相换算到辅助绕组的励磁电抗），或当中性点位移电压超过一定值时，以零序过电压继电器将电阻投入1 min，然后再自动切除。
4　结论
　　变电站母线电磁式电压互感器与母线对地电容之间在开关分合闸、瞬时接地等电网扰动情况下，构成串联谐振电路，引起铁磁谐振的发生；谐振与母线电容大小，开关分合闸时相位，PT铁芯的V－A特性差异等因素有关；从而引发分频、基频、高频谐波谐振，造成电压升高，电流增大等现象，对电力设备的安全稳定运行造成极大危害。因此在一定条件下应考虑采用电容式电压互感器，并在操作中做好防止电压互感器发生铁磁谐振的措施，当谐振发生时应立即采取相应措施，消除谐振。
参考文献：
［1］　电力系统运行操作和计算［M］．沈阳：辽宁科学技术出版社，1996．
［2］　周泽存．高电压技术［M］．北京：水利电力出版社，1988．