淺談電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振課件

1、淺談電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振摘要:本文主要論述了電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振產(chǎn)生的主要原因、發(fā)生諧振時的現(xiàn)象、危害以及消除諧振的辦法。關(guān)鍵詞:鐵磁諧振 中性點 電壓 互感器 電容 電感近年隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國電網(wǎng)也進行了大量的改造和擴建工程，大到500kV、小到10kV配網(wǎng)都有較大的變化，使得整個網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜、靈活、堅強。但就是因為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的較大變化（如中低壓電網(wǎng)的擴大，出線回路數(shù)增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網(wǎng)對地電容電流亦大幅度增加等）以前電網(wǎng)中少有發(fā)生的鐵磁諧振現(xiàn)象，現(xiàn)在卻時有發(fā)生，由于諧振時會產(chǎn)生過電壓，給電網(wǎng)安全造成了積大的威脅，如不采取有效的消除措施，可能會造成設(shè)備損壞、

2、甚至還會誘發(fā)產(chǎn)生更為嚴重的電力系統(tǒng)事故。下面就電網(wǎng)中的鐵磁諧振談?wù)勎覀€人的認識、見解。一、概述鐵磁諧振是由鐵心電感元件，如發(fā)電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和和系統(tǒng)的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發(fā)持續(xù)的鐵磁諧振，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過電壓。電力系統(tǒng)的鐵磁諧振可分二大類：一類是在66kV及以下中性點絕緣的電網(wǎng)中,由于對地容抗與電磁式電壓互感器勵磁感抗的不利組合,在系統(tǒng)電壓大擾動（如遭雷擊、單相接地故障消失過程以及開關(guān)操作等）作用下而激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在220kV（或110kV）變電站空載母線上，當(dāng)用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開

3、關(guān)對帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除（含保護整組傳動聯(lián)跳）帶有電磁式電壓互感器的空母線時，操作暫態(tài)過程使連接在空母線上的電磁式電壓互感器組中的一相、兩相或三相激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象，即串聯(lián)諧振，簡單地講就是由高壓斷路器電容與母線電壓互感器的電感耦合產(chǎn)生諧振由于諧振波僅局限于變電站空載母線范圍內(nèi)，也稱其為變電站空母線諧振。二、鐵磁諧振的現(xiàn)象1、鐵磁諧振的形式及象征1）基波諧振：一相對地電壓降低，另兩相對地電壓升高超過線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過線電壓、有接地信號發(fā)出2）分次諧波：三相對地電壓同時升高、低頻變動3）高次諧波：三相對地電壓同時升高超過線電壓2、串聯(lián)諧振的現(xiàn)象：

4、線電壓升高、表計擺動，電壓互感器開口三角形電壓超過100V三、鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及其分析：1、鐵磁諧振產(chǎn)生的原因：1）、有線路接地、斷線、斷路器非同期合閘等引起的系統(tǒng)沖擊2）、切、合空母線或系統(tǒng)擾動激發(fā)諧振3）、系統(tǒng)在某種特殊運行方式下，參數(shù)匹配，達到了諧振條件2、串聯(lián)諧振產(chǎn)生的原因：進行刀閘操作時，斷路器隔離開關(guān)與母線相連，引發(fā)斷路器端口電容與母線上互感器耦合滿足諧振條件3、電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因分析電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，在這個復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)中，存在著很多電感及電容元件，尤其在不接地系統(tǒng)中，常常出現(xiàn)鐵磁諧振現(xiàn)象，給設(shè)備的安全運行帶來隱患，下面先從簡單的鐵磁諧振電路中對鐵磁諧振原因

5、進行分析。3.1簡單的鐵磁諧振電路中諧振原因分析在簡單的R、C和鐵鐵芯電感L電路中，假設(shè)在正常運行條件下，其初始狀態(tài)是感抗大于容抗，即L(1/C)，此時不具備線性諧振條件，回路保持穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)電源電壓有所升高時，或電感線圈中出現(xiàn)涌流時，就有可能使鐵芯飽和，其感抗值減小，當(dāng)L(1/C)時，即滿足了串聯(lián)諧振條件，在電感和電容兩端便形成過電壓，回路電流的相位和幅值會突變，發(fā)生磁諧振現(xiàn)象，諧振一旦形成，諧振狀態(tài)可能“自保持”，維持很長時間而不衰減，直到遇到新的干擾改變了其諧振條件諧振才可能消除。3.2電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的條件電力系統(tǒng)中許多元件是屬于電感性的或電容性的，如電力變壓器、互感器、發(fā)電機、

6、消弧線圈為電感元件，補償用的并或串聯(lián)電容器組、高壓設(shè)備的寄生電容為電容元件，而線路各導(dǎo)線對地和導(dǎo)線間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成復(fù)雜的LC震蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數(shù)配合的回路就會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。由于鐵芯電感的磁通和電流之間的非線性關(guān)系，電壓升高導(dǎo)致鐵芯電感飽，極容易使電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振。在中性點不接地系統(tǒng)中，如果不考慮線路的有功損耗和相間電容，僅考慮電壓互感器電感L與線路的對地電容Co,當(dāng)C大到一定值，且電壓互感器不飽和時，感抗XL大于容抗XCo。而當(dāng)電壓互感器上電壓上升到一定數(shù)值時，電壓互感器的鐵芯飽和，感抗XL小于容抗XCo，這樣就構(gòu)成了諧振條件，下列幾種激發(fā)條

7、件可以造成鐵磁諧振：a.電壓互感器的突然投入；b.線路發(fā)生單相接地；c.系統(tǒng)運行方式的突然改變或電氣設(shè)備的投切；d.系統(tǒng)負荷發(fā)生較大的波動；e.電網(wǎng)頻率的波動；f.負荷的不平衡變化等。電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。在我國610KV配電網(wǎng)內(nèi)，發(fā)生互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，每到雷雨季節(jié)，熔斷電壓互感器保險的情況頻繁發(fā)生。3.3中性點不接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因中性點不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視絕緣，發(fā)電廠、變電所的母線上通常接有Yo接線的電磁式電壓互感器，由于接有Yo接線的電壓互感器，網(wǎng)絡(luò)對地參數(shù)除了電力導(dǎo)線和設(shè)備的對

8、地電容Co外，還有互感器的勵磁電感L，由于系統(tǒng)中性點不接地，Yo接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統(tǒng)三相對地的唯一金屬通道。正常運行時，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小。但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后，由于三相互感器在擾動后電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡，它與線路對地電容形成諧振回路，可能激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統(tǒng)中最常見和造成事故最多的一種內(nèi)部過電壓。在實際運行設(shè)備中，由于中性點不接地電網(wǎng)中設(shè)備絕緣低，線樹矛盾以及絕緣子閃烙等單相接地故障相對頻繁，一般說來，單相接地故障是鐵磁諧振最常見的一種激發(fā)方式。3.4中

9、性點直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因若中性點直接接地，則電壓互感器繞組分別與各相電源電勢相連，電網(wǎng)中各點電位被固定，不會出現(xiàn)中性點位移過電壓；若中性點經(jīng)消弧線圈接地，其電感值遠小于電壓互感器的勵磁電感，相當(dāng)于電壓互感器的電感被短接，電壓互感器的變化也不會引起過電壓。但是，當(dāng)中性點直接接地或經(jīng)過消弧線圈接地的系統(tǒng)中，由于操作不當(dāng)和某些倒閘過程，也會形成局部電網(wǎng)在中性點不接地方式下臨時運行。在中性點直接接地電力系統(tǒng)中，一般鐵磁諧振的激發(fā)因素為合刀閘和斷路器分閘。在進行此操作時，由于電路內(nèi)受到足夠強烈的沖擊擾動，使得電感L兩端出現(xiàn)短時間的電壓升高、大電流的震蕩過程或鐵心電感的涌流現(xiàn)象。這時候很容易和斷

10、路器的均壓電容Ck一起形成鐵磁諧振。四、鐵磁諧振對電力系統(tǒng)安全運行的影響通過以上分析，我們就能夠明白，當(dāng)線路發(fā)生單相接地或斷路器操作等干擾時，造成電壓互感器電壓升高，三相鐵芯受到不同的激勵而呈現(xiàn)不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生變化，各相電感值不相同，中性點位移產(chǎn)生零序電壓。由于線路電流持續(xù)增大，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，當(dāng)滿足L1/C時，即具備諧振條件，從而產(chǎn)生諧振過電壓，其造成的主要影響如下：1、中性點不接地系統(tǒng)中，其運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間，一般為2h不致于引起用戶斷電。但隨著中低壓電網(wǎng)的擴大，出線回路數(shù)增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網(wǎng)對

11、地電容電流亦大幅度增加，單相接地時接地電弧不能自動熄滅必然產(chǎn)生電弧過電壓，一般為35倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并且在過電壓的作用下極易造成第二點接地發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故，嚴重威脅電網(wǎng)安全運行。2、在發(fā)生諧振時，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流尚未達到熔絲的熔斷值，但超過了電壓互感器額定電流，長時間處于過電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。3、諧振發(fā)生后電路由原來的感性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪誀顟B(tài)，電流基波相位發(fā)生180°反轉(zhuǎn)，發(fā)生相位反傾現(xiàn)象，可導(dǎo)致逆序分量勝于正序分量，從而使小容量的異步電動機發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。4、產(chǎn)生高零序電

12、壓分量，出現(xiàn)虛幻接地和不正確的接地指示。五、常用的消諧方法及優(yōu)缺點多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對鐵磁諧振做了大量研究，在理論分析方面，前人進行了大量卓有成效的工作，闡明了這類非線性諧振問題中所蘊含的不同于線性諧振的豐富內(nèi)容，給我們提供了堅實的理論基礎(chǔ)。一般來講，消諧應(yīng)從兩方面著手，即改變電感電容參數(shù)以破壞諧振條件和過吸收與消耗諧振能量以抑制諧振的產(chǎn)生，或使其受阻尼而消失。下面是常用的消諧方法。1、中性點不接地系統(tǒng)常見的消諧措施a、采用勵磁特性較好的電壓互感器目前，在我國新建變電站電壓互感器選型時盡量采用采用勵磁特性較好的電壓互感器。電壓互感器的勵磁特性越好，產(chǎn)生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。b

13、、在母線上裝設(shè)中性點接地的三相星形電容器組，增加對地電容這種方法，當(dāng)增大各相對地電容Co，使XCo/XL0.01時(諧振區(qū)為小于0.01或大于3)回路參數(shù)超出諧振的范圍，可防止諧振。c、電流互感器高壓側(cè)中性點經(jīng)電阻接地。d、電壓互感器一次側(cè)中性點經(jīng)零序電壓互感器接地，此類型接線方式的的電壓互感器稱為抗諧振電壓互感器，這種措施在部分地區(qū)有成功經(jīng)驗，其原理是提高電壓互感器的零序勵磁特性，從而提高電壓互感器的抗燒毀能力，已有很多廠家按此原理制造抗諧振電壓互感器。但是應(yīng)注意到，電壓互感器中性點仍承受較高電壓，且電壓互感器在諧振時雖可能不損壞，但諧振依然存在。e、電壓互感器二次側(cè)開三角繞組接阻尼電阻，在

14、三相電壓互感器一次側(cè)中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻，用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。f、中性點經(jīng)消弧線圈接地。2、中性點直接接地系統(tǒng)諧振消除方法及優(yōu)缺點a、盡量保證斷路器三相同期、防止非全相運行。b、改用電容式電壓互感器（CVT），從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件，但是電容式電壓互感器價格高、帶負載能力差、且仍帶有電感,二次側(cè)仍要采用消諧措施。增加對地電容,操作時讓母線帶上一段空線路或耦合電容器。c、帶空載線路可以很好地消諧，但有可能產(chǎn)生一個很大的沖擊電流通過互感器線圈,對互感器不利，而耦合電容器十分昂貴,目前

15、尚無高壓電容器。d、與高壓繞組串接或并接一個阻尼繞組，可消除基頻諧振，在發(fā)生諧振的瞬間投入此阻尼電阻將會增加投切設(shè)備和復(fù)雜的控制機構(gòu)。e、電容吸能消諧，對幅值較高的基頻諧振比較有效，但對于幅值較低的分頻諧振往往難以奏效。f、在開口三角形回路中接入消諧裝置，能自動消除基頻和分頻諧振，需在壓變開口三角繞阻回路中增加1根輔助邊線，增大了投資。g、采用光纖電壓互感器，可以有效地消除諧振。價格較高,還需要在現(xiàn)場中進一步實驗。六、從運行操作方面去防止諧振的發(fā)生。以上是從設(shè)備、技術(shù)方面考慮，我們還要從運行操作方面去防止諧振的發(fā)生。1、控制XcE/XL的比值，盡量躲開諧振區(qū)。1.1當(dāng)XCo/XL0.01或XC

16、o/XL3時不產(chǎn)生鐵磁諧振1.2當(dāng)運行相電壓Up除以額定電壓Un等于0.58時極易發(fā)生分頻或基波鐵磁諧振。1.3改變運行方式，以改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，消除諧振1.4當(dāng)電壓互感器的XL一定時，增加對地電容Co，XCo將減小，XCo/XL的比值也隨之減小，是防止鐵磁諧振發(fā)生的有效方法。倒閘操作中增加Co的方法一般有:外接電容、介入空載線路或空載變壓器、介入電纜線路、拉母聯(lián)或分段斷路器等。2、控制電源電壓、降低鐵磁諧振的工作點，使Up/Ue0.58。3、注意倒閘操作中的操作步驟。3.1當(dāng)參數(shù)處在串聯(lián)諧振范圍時，母線停電的操作順序：先拉母線電壓感器，以切斷L，再拉母聯(lián)斷路器，送電時順序相反；如220kV、11

17、0kV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)對帶電磁式電壓互感器的空母線充電時，為防止合上兩側(cè)刀閘后因斷開電容的耦合作用有可能與空母線電磁式電壓互感器產(chǎn)生串聯(lián)諧振，應(yīng)先合上開關(guān)，后合電壓互感器刀閘，如屬新安裝的電磁式電壓互感器投產(chǎn)時應(yīng)考慮帶上互感器對母線充電。3.2電源向母線升壓時，先合斷路器，使C短接，再升壓；3.3當(dāng)母差保護動作跳閘時，是一條母線停電，也要及時拉開母聯(lián)斷路器的隔離開關(guān)或母線TV的隔離開關(guān)，以切斷L-C回路。3.4運行中注意監(jiān)視備用母線的情況，發(fā)現(xiàn)異常，及時進行處理。熱備用母線，如發(fā)現(xiàn)母線電壓又指示時，應(yīng)首先考慮是否發(fā)生了串聯(lián)鐵磁諧振。，此時應(yīng)盡快合上母聯(lián)斷路器將C短接或拉開TV隔離開關(guān)；如在系統(tǒng)運行方式和倒閘操作過程中出現(xiàn)了開關(guān)斷口電容與空母線電磁式PT造成的串聯(lián)諧振，不管是合開關(guān)時出現(xiàn)的諧振過電壓，還是拉開關(guān)后出現(xiàn)的諧振過電壓，最直接有效的辦法是迅速拉開或合上主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。如上述措施無法實現(xiàn)時，應(yīng)迅速匯報調(diào)度，合上備用線路開關(guān)。由于諧振時電壓互感器一次繞組電流很大，應(yīng)禁止用電壓互感器或直接取下一次側(cè)熔斷器的方法來消除諧振。3.5當(dāng)變壓器向接有TV的空載母線合閘充電時，應(yīng)將變壓器中性點接地或經(jīng)消