陽泉市煤氣公司 趙曉峰

電磁式PT鐵磁諧振的防范與抑制措施

陽泉市煤氣公司 趙曉峰

在10KV中性點不接地系統(tǒng)中，對經(jīng)常發(fā)生的電磁式PT故障現(xiàn)象進行了分析，闡述了鐵磁諧振的諸多特點，提出了有效防范抑制鐵磁諧振的措施。

電磁式PT；電容式CVT；光電式OVT；鐵磁諧振

1 引言

某燃氣公司儲配站供電系統(tǒng)設計為10KV雙回路供電,采用微機綜合繼電保護裝置,操作電源系統(tǒng)由電磁式PT升壓至220V后提供,一次主接線高壓柜排列為計量柜、PT柜、進線柜、變壓器柜、母聯(lián)柜、隔離柜。該系統(tǒng)投運近十年內(nèi),發(fā)生六次PT損毀事件,其中一次還包括計量PT,而且故障頻度主要產(chǎn)生在熱備用線路端,具體表現(xiàn)為熔斷器炸裂熔斷,PT本體炸裂,內(nèi)部絕緣物質(zhì)噴出,有時伴有弧光燒損痕跡,對供電系統(tǒng)的安全可靠運行帶來較大風險。

2 諧振產(chǎn)生原因

經(jīng)檢測PT二次回路無接地、短路現(xiàn)象,所帶的5臺微機綜合繼電保護裝置的負荷很小,未超過PT額定功率;僅于短時工作的真空斷路器的彈簧儲能電機也未超過PT極限功率,正常運行不會造成PT內(nèi)部繞組發(fā)熱增加。

然而電力系統(tǒng)的故障除過負荷、短路、接地外,由變壓器、電磁式電壓互感器、消弧線圈等設備鐵芯電感的磁路飽和作用,激發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的較高幅值的鐵磁諧振過電壓也是引發(fā)電力系統(tǒng)振蕩的常見故障。尤其在35KV及以下中性點非直接接地系統(tǒng)中,電磁式PT一次繞組采用星形接線,中性點直接接地,成為系統(tǒng)三相對地放電的唯一金屬通道,在單相接地、倒閘、雷擊等外部因素激發(fā)下,系統(tǒng)的穩(wěn)定性與對稱性遭到破壞,引發(fā)電網(wǎng)中性點位移,產(chǎn)生的非線性諧振,使得單相、兩相及三相對電壓升高,或者產(chǎn)生高值零序電壓分量,出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象,或者引發(fā)PT過電流,PT故障更為頻發(fā),重則引起相位反傾,電機反轉(zhuǎn)。

諧振過電壓的危害既取決于它的幅值,也取決于它的持續(xù)時間,既危及電氣設備的絕緣,持續(xù)的過電流將燒毀小容量的電感元件,還影響保護裝置的工作條件,如避雷器的滅弧等。

3 諧振產(chǎn)生機理

諧振過電壓就是具有電感電容等元件的電力系統(tǒng)構成一系列不同自振頻率的振蕩回路,當系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時,某些振蕩回路就有可能與外加電源發(fā)生諧振現(xiàn)象,導致系統(tǒng)中某些部分(或設備)上出現(xiàn)過電壓。

諧振過電壓在特定的電感參數(shù)下,配合一定的電容參數(shù)和其它條件,會產(chǎn)生線性諧振、鐵磁諧振及參數(shù)諧振三種不同性質(zhì)的諧振現(xiàn)象。

線性諧振是由像輸電線路、變壓器漏感等不帶鐵芯的電感元件或如消弧線圈中的氣隙其勵磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)中的電容元件組成。當系統(tǒng)的自振頻率與電源頻率相等或接近時,即能產(chǎn)生線性諧振。工頻線性諧振主要發(fā)生在達到一定長度空載線路,不對稱接地或非全相操作則會使諧振時線路長度更為縮短,線路損耗電阻是限制過電壓幅值的唯一因素,可經(jīng)消弧線圈對電網(wǎng)中的線性諧振進行補償。

參數(shù)諧振是由像凸極發(fā)電機的同步電抗的周期性變化的電感元件與系統(tǒng)空載長線路的電容元件組成回路,以參數(shù)配合適當時,經(jīng)電感周期變化,向諧振系統(tǒng)供應能量,即會造成參數(shù)諧振過電壓。具體表現(xiàn)為自勵磁過電壓,其能量由改變參數(shù)的原動機所供給,不需單獨的電源電壓。可通過增大回路阻尼電阻、采用快速自動調(diào)勵裝置、增加投入發(fā)電機容量以及線路側(cè)并聯(lián)電抗器等措施進行抑制。

鐵磁諧振是由像空載變壓器、電磁式電壓互感器等帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)的電容元件組成。由于鐵芯電感的飽和現(xiàn)象,使回路的電感參數(shù)是非線性的,在滿足一定的諧振條件時,即會產(chǎn)生鐵磁諧振,根據(jù)不同參數(shù),分為基波諧振、分次諧波諧振及高次諧波諧振,非線性諧振是由激發(fā)而突然產(chǎn)生的,同時能伴有反傾現(xiàn)象,可能使工頻相序由正序變?yōu)樨撔?鐵磁諧振具有激發(fā)消失后,在正常電源電壓作用下,多數(shù)情況鐵磁諧振能繼續(xù)維持存在(自保持);在實際電力系統(tǒng)中,配電變壓器的故障接地、輸電線路斷線、熔斷器的不對稱熔斷以及斷路器不同期操作等,均能構成串聯(lián)諧振回路,只要有足夠強烈的沖擊擾動,并且參數(shù)配合適當(一定的線路長度、斷線點),即會引發(fā)基波、分頻、高頻諧振;尤其在中性不接地系統(tǒng)中電磁式PT不同的飽和程度引起較高的中性點工頻、諧波位移電壓而激發(fā)起諧振過電壓等。

因此,電PT產(chǎn)生鐵磁諧振的三大因素是：(1)鐵磁式電壓互感器的非線性效應。(2)PT感抗為容抗的100倍以內(nèi),即參數(shù)匹配于諧振條件內(nèi)。(3)需要相應的激發(fā)條件,如系統(tǒng)空載投入與切斷、單相接地突然消失、外界對系統(tǒng)的干擾產(chǎn)生的過電壓等。

4 PT鐵磁諧振防止措施

根據(jù)鐵磁諧振機理,從兩方面可改善和預防PT引起的鐵磁諧振現(xiàn)象,一是改變系統(tǒng)的電感電容的參數(shù),使其遠離諧振的匹配條件;二是吸收諧振時產(chǎn)生的能量,抑制或消除發(fā)生的諧振。

4.1 選用電容式電壓互感器CVT

電容式電壓互感器主要由瓷套和裝在其中的若干串聯(lián)電容器組成的電容分壓器,以及由裝在密封油箱內(nèi)的變壓器,補償電抗器和阻尼裝置組成的中壓變壓器兩部分構成,CVT其特有的結構,不會象鐵磁式PT與斷路器斷口電容產(chǎn)生鐵磁諧振,從而消除了諧振引起的PT故障,至于CVT內(nèi)部的非線性電感僅局限于中壓回路內(nèi)部,可能產(chǎn)生的諧振不會影響至一次側(cè),同時由于加裝的阻尼器可有效消除諧振。因而在高壓、超高壓電力系統(tǒng)得到廣泛應用,但其暫態(tài)過程性能,以及測量精度等方面有待提升［1］。

4.2 選用勵磁性能優(yōu)良的PT［2］

選用勵磁特性好的PT,在系統(tǒng)合閘充電或單相接地等故障情況下其鐵芯不易飽和,感抗不致下降,進而使之不易形成滿足諧振的參數(shù)條件,諧振發(fā)生的概率大為降低。但由于PT勵磁特性提高后,相應的諧振電容參數(shù)就縮小,一旦發(fā)生諧振,其過電壓、過電流值將會更大［2］。

4.3 PT高壓側(cè)中性點經(jīng)消諧電阻接地

其消諧機理是將一非線性消諧電阻串接于PT一次側(cè)中性點與地之間,正常運行時,消諧器電阻呈高阻值(幾百kΩ);當發(fā)生單相接地時,其電阻呈低值(幾十kΩ);當發(fā)生弧光接地時,消諧器仍能保持一定阻值,限制PT涌流。

4.4 PT高壓側(cè)中性點經(jīng)零序電壓互感器接地，即“4VT”接法

PT高壓側(cè)中性點經(jīng)零序電壓互感器接地,開口三角繞組短接,其零序阻抗很小,當單相接地時,零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上,即零序電壓互感器有相電壓產(chǎn)生,其二次側(cè)有電壓輸出而發(fā)出接地報警。當接地消逝時,電容放電電流通過主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地,由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個放電電流,不致引起互感器飽和而發(fā)生諧振,對諧振有強烈的阻尼作用,對涌流有限制作用。

4.5 PT二次側(cè)開口三角接阻尼電阻

在發(fā)生鐵磁諧振時,開口角兩端感應零序電壓,經(jīng)阻尼電阻產(chǎn)生零序電流,該電流對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用,阻值越小,二次零序電流越大,去磁效果越好,該措施不僅能防止PT發(fā)生磁飽和,也能有效消耗諧振能量,防止產(chǎn)生諧振過電壓作用。但阻值越小,PT的過載現(xiàn)象越嚴重,在諧振或單相接地時間過長時,會導致保險絲熔斷或PT燒毀。

4.6 PT二次側(cè)開口三角接微機消諧裝置

在PT開口三角形輸出端并接雙向可控硅,同時采用微處理器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對取自開口三角的電壓信號進行分析,當系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時,PT開口三角形出現(xiàn)伴有不同頻率成分的零序電壓,根據(jù)不同頻率,不同電壓值自動識別并區(qū)分鐵磁諧振與接地以及是分頻諧振還是高頻諧振,當電網(wǎng)中發(fā)生鐵磁諧振時,可控硅才會導通,三角繞組被短接,鐵磁諧振在強烈的阻尼作用下迅速消失,當諧振消失后,可控硅恢復到阻斷狀態(tài)可控硅又恢復阻斷狀態(tài)。

4.7 選用光電式電壓互感器（OVT）

光電式電壓互感器本身結構不含鐵心,徹底消除磁飽和、鐵磁諧振等現(xiàn)象,同時暫態(tài)響應范圍大,測量精度高,頻率響應范圍寬,抗電磁干擾性能好,將是今后電磁式PT的替代產(chǎn)品。

5 結語

在預防和抑制電磁式PT引發(fā)的鐵磁諧振措施中,除了采用光電式電壓互感器能夠徹底消除諧振外,其他幾種消諧方式各有優(yōu)勢特點,但也有各自的局限性,因此在電網(wǎng)消諧的實際應用中,應根據(jù)電網(wǎng)的具體情況確定,最好是能將一次消諧裝置與二次消諧裝置相互配合使用,進行優(yōu)勢互補,以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

[1]秦勇明．電容式電壓互感器的應用[J]．江蘇電機工程, 2002(6):11-14．

[2]劉繼軍．PT鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生原因與抑制措施[J]．電氣開關,(2011．No．1)4－6．

[3]王林峰．電磁式電壓互感器的諧振及主要限制方法[J]．河北電力技術,2003,22(1):15-17．

趙曉峰（1969－），男，工程師，研究方向：工業(yè)電氣及自動化。