【摘要】 該文章從電力系統(tǒng)的實際運維經(jīng)驗出發(fā)，就目前市場上的消諧裝置做出全面分析。并深入研究提出新型的消諧措施。該消諧措施能夠全面有效的解決PT鐵磁諧振過電壓問題。避免電力系統(tǒng)因PT鐵磁諧振過電壓造成PT保險熔斷、燒毀等事故。

【關(guān)鍵詞】 鐵磁諧振 二次消諧 流敏元件

一、事故概述

1.1 概況

（a）2011年2月27日～2011年12月8日，某局下屬20座變電站共發(fā)生34起電壓互感器高壓保險熔斷事故。（b）2012年3月24日～2012年4月13日，該局下屬6座變電站等共發(fā)生8起電壓互感器高壓保險熔斷事故。（c）該局所使用的電壓互感器為抗飽和倍數(shù)是1.6～1.8倍的普通電壓互感器。

1.2 事故原因分析

某局所屬的各變電站內(nèi)的電壓互感器高壓保險發(fā)生多起熔斷事故，以2012年3月24日110KV某變電站10KV系統(tǒng)Ⅰ母電壓互感器高壓保險熔斷為例分析：首先，該變電站在Ⅰ母C相電壓互感器高壓保險熔斷前并未進(jìn)行操作，故排除了系統(tǒng)發(fā)生操作過電壓的可能性。其次，該局所用的普通電壓互感器飽和點為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器嚴(yán)重飽和，激磁電流劇烈增加。另一方面，電壓互感器飽和，很容易激發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)致電壓互感器過載。上述兩種情況，都將造成電壓互感器燒毀或PT高壓保險熔斷。最后，從現(xiàn)場故障錄波圖（如圖1）電壓變化參數(shù)可知，該電力系統(tǒng)由一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)。在此轉(zhuǎn)化過程中由于電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩、互換及重新分布，就可能在某些設(shè)備上，甚至在整個電力系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的內(nèi)部過電壓。由于系統(tǒng)變化，使其參數(shù)滿足共振條件，則引起強(qiáng)烈的具有共振性質(zhì)的振蕩，并導(dǎo)致嚴(yán)重的諧振過電壓。圖1某局現(xiàn)場故障錄波圖。

1.3 結(jié)論

由于系統(tǒng)發(fā)生接地故障，致使系統(tǒng)電氣參數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生激磁涌流，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯飽和，引發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，此時電路中勵磁電流流過電壓互感器高壓保險熔絲，當(dāng)勵磁電流值大于電壓互感器高壓保險熔絲額定電流（0.5A）時，導(dǎo)致電壓互感器高壓保險熔絲熔斷事故。

二、PT鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理

2.1 PT鐵磁諧振的數(shù)學(xué)模型

圖2為簡單的電阻R，電容C和電感L的串聯(lián)回路，在其正常運行條件下，設(shè)感抗大于容抗，即L>C。當(dāng)鐵芯線圈用等效的非線性電感表示時，其伏安特性與鐵磁物質(zhì)的磁化曲線相似。如圖3中UL（I）所示。電容上的電壓UC =I/ωC ，與電流是一直線關(guān)系，如圖3中Uc（I）所示?？梢粤頡=0，則有E=△U=|UL-Uc|（因為UL、Uc 反相）。

在電源電壓E一定的條件下，△U與E出現(xiàn)了三個交點，即圖3中的A、B、C三點。它們是三個平衡點，其中B點是不穩(wěn)定的。電路工作在B點時，若回路中電流有小的波動，電路都會向A或C進(jìn)行偏移。因此，B點不是電路的實際工作點。電路工作在A點時，UL >Uc，電路呈感性，處于非諧振狀態(tài)；當(dāng)故作在C點時，Uc >UL，電路呈容性，電流增大，電容和電感都出現(xiàn)較高的過電壓，處于諧振狀態(tài)。在I0 點，等效的感抗ωL等于1/ωC，容抗和感抗相互匹配，壓降和電流將趨于無窮大，產(chǎn)生諧振。但是，當(dāng)I超過I0 繼續(xù)增大時，等效感抗進(jìn)一步下降，使得ωL和1/ωC錯開而不再相等，最后達(dá)到新的平衡點即C點。所以鐵磁諧振過電壓雖然由電感的非線性引起，但其幅值又受到電感的非線性的限制。

2.2 PT鐵磁諧振的幾個特點

（1）對于鐵磁諧振電路，在相同的電源電勢作用下回路可能不只一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)。電路到底穩(wěn)定在哪種工作狀態(tài)要看外界沖擊引起的過渡過程的情況。

（2）PT的非線性鐵磁特性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但鐵磁元件的飽和效應(yīng)本身也限制了過電壓的幅值。此外回路損耗也使諧振過電壓受到阻尼和限制。當(dāng)回路電阻大于一定的數(shù)值時，就不會出現(xiàn)強(qiáng)烈的鐵磁諧振過電壓。

（3）對諧振電路來說，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓的必要條件是XL=XC，因此鐵磁諧振可在很大的范圍內(nèi)發(fā)生。

（4）維持諧振振蕩和抵償回路電阻損耗的能量均由工頻電源供給。為使工頻能量轉(zhuǎn)化為其它諧振頻率的能量，其轉(zhuǎn)化過程必須是周期性且有節(jié)律的，即…1/n（n=1，2，3…）倍頻率的諧振。

（5）PT的鐵磁諧振一般應(yīng)具備如下三個條件：①PT的非線性鐵磁效應(yīng)是產(chǎn)生鐵磁諧振的主要原因；②PT感抗為容抗的100倍以內(nèi)，即參數(shù)匹配在諧振范圍；③要有激發(fā)條件，如PT突然合閘、單相接地突然消失（包括弧光接地）、外界對系統(tǒng)的干擾或系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓等。

三、某局現(xiàn)有消諧措施現(xiàn)狀和分析

3.1 現(xiàn)有消諧措施現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)實際運行經(jīng)驗表明，35KV及以下中性點不接地配電網(wǎng)中，各種形式的鐵磁諧振頻繁發(fā)生。多年來，國內(nèi)在研究鐵磁諧振機(jī)理的同時，也一直在探討防止和消除鐵磁諧振的措施。結(jié)合某局所使用的消諧措施來說，可以歸結(jié)為以下三個方面，也是目前國內(nèi)解決諧振問題的常見方法。

3.1.1 提高PT的抗飽和倍數(shù)

要徹底的解決PT的鐵磁諧振問題，最根本的是選用抗飽和倍數(shù)高，也就是勵磁特性好的電壓互感器。中性點非有效接地系統(tǒng)使用的單、三相接地型PT，在運行時除承受幅值一般不超過1.3倍額定電壓的工頻電壓升高外，還要承受系統(tǒng)單相接地等故障引起的幅值較大的工頻過電壓，一般不超過1.9倍。由于此種互感器經(jīng)常出現(xiàn)鐵磁諧振，因此要求提高抗飽和倍數(shù)和具有較好的過勵磁特性，以防止出現(xiàn)鐵磁諧振。電壓互感器的抗飽和倍數(shù)選擇2.5、3.0或3.5倍，其磁通密度選取一般小于0.8T。該局原先所使用的PT多為抗飽和倍數(shù)為1.6～1.8倍的普通PT。因此在2011年，該局對其所屬的24所變（配）電站所使用的PT進(jìn)行了更換。更換為抗飽和倍數(shù)為2.5倍的高性能PT。但是近期改造后的變（配）電站仍然發(fā)生了PT的鐵磁諧振故障。

優(yōu)點：徹底的避免鐵磁諧振的發(fā)生，保護(hù)PT自身和電網(wǎng)的安全運行。

缺點：PT的抗飽和倍數(shù)不能無限做大，柜內(nèi)空間的限制也決定PT的體積不宜過大。

3.1.2 PT中性點串消諧電阻

PT中性點串阻尼消諧的辦法統(tǒng)稱為PT一次消諧法。YN，yn接線的PT高壓繞組是中性點不接地系統(tǒng)中唯一的入地金屬通道，給PT諧振創(chuàng)造了通路條件，在PT中性點串聯(lián)阻尼器件就是一次消諧的核心思想。

（a）PT中性點經(jīng)非線性壓敏電阻接地

系統(tǒng)發(fā)生諧振時，過電壓幅值較低時呈幾百kΩ高電阻，有效抑制諧振起始發(fā)展，接地的高壓作用下非線性電阻下降，保證接地保護(hù)動作的靈敏度。

缺點：系統(tǒng)正常運行時，非線性壓敏電阻阻抗極大，達(dá)到MΩ級，和PT一次繞組阻抗數(shù)量級相當(dāng)，影響PT的測量精度；另外，在持續(xù)長時間的弧光接地短路時，非線性電阻的熱容量難以滿足散熱要求，會發(fā)生熱擊穿。

（b）PT中性點經(jīng)非線性流敏電阻接地

該流敏元件的伏安特性如圖4所示，特性類似熔斷器，小電流時呈低阻態(tài)，大電流時呈高阻態(tài)，且可以相互轉(zhuǎn)換。流敏元件的伏安特性克服看壓敏元件的缺點。系統(tǒng)正常運行時由于呈低阻狀態(tài)，基本不會影響到PT的測量精度。

XI曲線描述的是元件的阻抗隨流過電流的變化曲線，圖5中X1曲線為PT的阻抗曲線，X2曲線為流敏元件的阻抗曲線，Xc曲線為系統(tǒng)容抗曲線，K點為系統(tǒng)容抗與PT感抗相等點，即系統(tǒng)諧振點，X3曲線為PT與流敏元件串聯(lián)的阻抗曲線，很明顯，X3與Xc無交點，不會發(fā)生PT鐵磁諧振。

當(dāng)諧振發(fā)展初期階段，零序電流增大，超過0.2A時，該流敏元件的阻抗急劇增大，限制電流的發(fā)展，使PT快速去飽和，破壞諧振條件，消諧效果優(yōu)良，同時，也有效地保護(hù)了PT保險；當(dāng)PT阻抗升高，零序電流減小，流敏元件阻抗迅速降低，不影響測量精度。

綜述一次消諧元件的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：一次消諧元件是通過它的物理特性，通過阻抗的變化來破壞諧振條件，從而快速、準(zhǔn)確的達(dá)到消諧目的。具有即來即消的功能。其中加裝流敏型電阻后，PT與流敏元件串聯(lián)的阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)容抗，使電路不具備諧振的條件。

缺點：一次消諧元件自身的運行狀態(tài)不可知。也不具備存儲、上傳、通信等智能電網(wǎng)的建設(shè)要求。其中壓敏型阻尼在系統(tǒng)正常運行時呈高阻狀態(tài)，影響PT的測量精度。

3.1.3 PT剩余繞組加二次消諧電阻

（a）在PT開口三角側(cè)并聯(lián)固定（或可變）阻尼

一些要求不太高的變電所或配電系統(tǒng)常在PT開口三角處并聯(lián)電燈泡或電爐絲，用來吸收諧振能量，阻尼諧振。

其缺點是：電燈泡或電爐絲易損壞，當(dāng)其損壞后將不會有消諧作用；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在開口三角側(cè)將產(chǎn)生100 V的電壓，而由于電燈泡或電爐絲的冷態(tài)電阻是較小的，這將在PT開口三角側(cè)流過較大的電流引起PT損壞，因此，出現(xiàn)微機(jī)消諧裝置。

（b）在PT開口三角側(cè)并聯(lián)可控阻尼（微機(jī)消諧裝置）

由微機(jī)控制的智能消諧裝置，當(dāng)發(fā)生諧振時，裝置的鑒頻系統(tǒng)采集大約100ms（5周期）左右的數(shù)據(jù)量，通過FFT變換分析出諧波成分及幅值，相應(yīng)地投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。

其缺點是：在諧振電流加大的情況下，100ms的采樣時間使得諧振電流加熱PT熔絲以足夠充分的時間，可能在其投入消諧之前PT保險已經(jīng)熔斷，消諧電阻投入的瞬間PT一次的涌流也可能是PT保險熔斷的最后一個砝碼。

3.2 提高PT的抗飽和倍數(shù)

目前，該局變（配）電站在解決PT鐵磁諧振問題上的具體雖然做法不盡相同，但采取的措施都過于單一、各種方法相互獨立。這樣只能在一定程度上解決PT的鐵磁諧振問題，難以克服各類措施自身頑固的的缺點。無論是更換PT，或者加裝一、二次消諧器，都不能全面、徹底的解決PT鐵磁諧振的問題。因此，即使加裝了相應(yīng)的消諧振置的各變（配）電站仍然頻繁出現(xiàn)PT高壓保險熔斷等典型的由于鐵磁諧振引起的異常。這些措施的單一、獨立的使用不能全面的避免PT遭受鐵磁諧振造成的過電壓損害。

四、新型消諧措施的設(shè)想

鑒于目前消諧措施單一、獨立的現(xiàn)狀，筆者在這里提出一個新型消諧裝置的設(shè)想。

（a）綜合一次消諧器和微機(jī)型二次消諧裝置的優(yōu)點。

二次消諧的滯后性由一次消諧器的快速性進(jìn)行補償；一次消諧器的不可監(jiān)測型由二次消諧裝置采集其流過電流信號進(jìn)行微機(jī)監(jiān)測。因此，新型的消諧裝置是將一次消諧器和微機(jī)型二次消諧裝置進(jìn)行優(yōu)勢互補。一次消諧器發(fā)揮諧振即來即消的快速消諧作用，二次消諧采集諧振信號的同時，對反映一次消諧器運行狀態(tài)的電流信號進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷其是否正常工作。

（b）一次消諧器選用流敏型非線性元件。

流敏型元件相對于壓敏型而言有著巨大的優(yōu)點。其對過高幅值的鐵磁諧振具有更好的抑制效果。因此新型的消諧裝置一次消諧器部分應(yīng)選用流敏型元件。

某局變電站安裝流敏型一次消諧器后的現(xiàn)場測試情況。圖6反映出，PT鐵磁諧振發(fā)生后，流敏型一次消諧器立即動作。即可消除諧振。

（c）配合使用抗飽和倍數(shù)較高的PT。

選用具有2.5倍以上抗飽和倍數(shù)的PT，能很大程度的減小PT發(fā)生鐵磁諧振的概率。配合新型的消諧裝置能夠全面、徹底的解決PT鐵磁諧振過電壓問題。

新型消諧裝置接線原理圖，如圖7所示。

五、技術(shù)展望及總結(jié)

長久以來，特別是中性點不接地的電網(wǎng)系統(tǒng)中PT產(chǎn)生諧振問題始終困擾著供電局和用電單位，而PT鐵磁諧振導(dǎo)致的異常事故更是頻繁發(fā)生。因此市場對于新型的能夠全面徹底地消除鐵磁諧振的裝置渴望已久。

從設(shè)想上看，筆者提及的該新型消諧裝置克服了時下消諧裝置的單一性和獨立性，通過綜合一、二次消諧裝置的優(yōu)點，配合使用高性能PT達(dá)到徹底消諧的目的。但是從技術(shù)上看，仍然還有一定的難題。比如采集一次消諧器的電流裝置是使用什么樣的電流互感器；微機(jī)消諧器從軟件上如何兼容一次消諧的電流信號等等。

目前國內(nèi)廠家鮮有將此類設(shè)想實際付諸行動，研發(fā)階段還尚未到來。但是隨著科技的發(fā)展，用戶需求的明朗化，這種產(chǎn)品在不久的將來就會實現(xiàn)生產(chǎn)。

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