串聯(lián)諧振生產商為您分析電力系統(tǒng)中鐵磁諧振產生的原因及激發(fā)條件
文章概述
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)電壓大擾動作用下而激發(fā)產生的鐵磁諧振現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在220kV（或110kV）變電站空載母線上，當用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關或母聯(lián)開關對帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除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)產生的鐵磁諧振現(xiàn)象，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生的諧振。
鐵磁諧振產生的原因及激發(fā)條件
電力系統(tǒng)是一個復雜的電力網(wǎng)絡，在這個復雜的電力網(wǎng)絡中，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，給設備的安全運行帶來隱患，下面先從簡單的鐵磁諧振電路中進行分析。
在簡單的R、C和鐵鐵芯電感L電路中，假設在正常運行條件下，其初始狀態(tài)是感抗大于容抗，即ωL＞（1/ωC），此時不具備線性諧振條件，回路保持穩(wěn)定狀態(tài)。但當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ωL＝（1/ωC）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。
下列激發(fā)條件造成鐵磁諧振：
（1）電壓互感器的突然投入；
（2）線路發(fā)生單相接地；
（3）系統(tǒng)運行方式的突然改變或電氣設備的投切；
（4）系統(tǒng)負荷發(fā)生較大的波動；
（5）電網(wǎng)頻率的波動；
（6）負荷的不平衡變化等。
中性點直接接地系統(tǒng)諧振消除方法及優(yōu)缺點
4.1盡量保證斷路器三相同期、防止非全相運行。
4.2改用電容式電壓互感器（CVT），從根本上消除了產生諧振的條件，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。
4.3帶空載線路可以很好地消諧，但有可能產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，目前尚無高壓電容器。
4.4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備和復雜的控制機構。
4.5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。
4.6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。
4.7采用光纖電壓互感器，可以有效地消除諧振。價格較高。
常用的消諧方法及優(yōu)缺點
3.1中性點不接地系統(tǒng)常見的消諧措施
3.1.1采用勵磁特性較好的電壓互感器
目前，在我單位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。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺電壓互感器起始飽和電壓為1．5Ue，使電壓互感器在一般的過電壓下還不會進入飽和區(qū)，從而不易構成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。顯然，若電壓互感器伏安特性非常好，電壓互感器有可能在一般的過電壓下還不會進入較深的飽和區(qū)，從而不易構成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來說，這是治本的措施。但電壓互感器的勵磁特性越好，產生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過電壓、過電流更大。
3.1.2在母線上裝設中性點接地的三相星形電容器組，增加對地電容這種方法，當增大各相對地電容Co，使XCo/XL＜0.01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。。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會發(fā)生。
3.1.3電流互感器高壓側中性點經(jīng)電阻接地，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。系統(tǒng)單相接地有兩個過渡過程，一是接地時；二是接地消失時。接地時，當系統(tǒng)某相接地時，該相直接與地接通，另兩相對地也有電源電路（如主變繞組）成為良好的金屬通道。因此在接地時的三相對地電容的充放電過程的通道，不會走電壓互感器高壓繞組，就是說發(fā)生接地時電壓互感器高壓繞組中不會產生涌流，因為已有某相固定在地電位，也就不會發(fā)生鐵磁諧振。但是當接地消失時，情況就不同了。在接地消失的過程中，固定的地電位已消失，三相對地的金屬通道已無其他路可走，只有走電壓互感器高壓繞組，即此時三相對地電容（零序電容）3Co中存儲的電荷，對三相電壓互感器高壓繞組電感L/3放電，相當一個直流源作用在帶有鐵芯的電感線圈上，鐵芯會深度飽和。對于接地相來說，更是相當一個空載變壓器突然合閘，疊加出更大的暫態(tài)涌流。在高壓繞組中性點安裝電阻器Ro后，能夠分擔加在電壓互感器兩端的電壓，從而能限制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時流過電壓互感器的高幅值電流，將高壓繞組中的涌流抑制在很小的水平，相當于改善電壓互感器的伏安特性。
3.1.4電壓互感器一次側中性點經(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。
3.1.5電壓互感器二次側開三角繞組接阻尼電阻，在三相電壓互感器一次側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。若R＝0，即將開口三角兩端短接，相當于電網(wǎng)中性點直接接地，諧振就不會發(fā)生。但在實際應用中，由于原理及裝置的可靠性欠佳，這些裝置的運行情況并不理想。二次側電子消諧裝置仍有待從理論、制造上加以完善。在單相持續(xù)接地時，開三角繞組也必須具備足夠大的容量；這類消諧措施對非諧振區(qū)域內流過電壓互感器的大電流不起限制作用。
3.1.6中性點經(jīng)消弧線圈接地，中性點經(jīng)消弧線圈接地有以下優(yōu)點：瞬間單相接地故障可經(jīng)消弧線圈動作消除，保證系統(tǒng)不斷電；永久單相接地故障時消弧線圈動作可維持系統(tǒng)運行一定時間，可以使運行部門有足夠的時間啟動備用電源或轉移負荷，不至于造成被動；系統(tǒng)單相接地時消弧線圈動作可有效避免電弧接地過電壓，對全網(wǎng)電力設備起保護作用；由于接地電弧的時間縮短，使其危害受到限制，因此也減少維修工作量；由于瞬時接地故障等可由消弧線圈自動消除，因此減少了保護錯誤動作的概率；系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地可有效抑制單相接地電流，因此可降低變電所和線路接地裝置的要求，且可以減少人員傷亡，對電磁兼容性也有好處。可見，中性點諧振接地是中壓電網(wǎng)（包括電纜網(wǎng)絡）乃至高壓系統(tǒng)的比較理想的中性點接地方式。但是由于不適當操作或某些倒閘過程會導致局部電網(wǎng)在中性點不接地方式下臨時運行，所以這種系統(tǒng)也曾經(jīng)發(fā)生過電壓互感器諧振，同時安裝消弧線圈自然會增加投資，此外，消弧線圈自身的維護和整定還需要不斷的完善。
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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)電壓大擾動作用下而激發(fā)產生的鐵磁諧振現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在220kV（或110kV）變電站空載母線上，當用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關或母聯(lián)開關對帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除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)產生的鐵磁諧振現(xiàn)象，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生的諧振。
鐵磁諧振產生的原因及激發(fā)條件
電力系統(tǒng)是一個復雜的電力網(wǎng)絡，在這個復雜的電力網(wǎng)絡中，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，給設備的安全運行帶來隱患，下面先從簡單的鐵磁諧振電路中進行分析。
在簡單的R、C和鐵鐵芯電感L電路中，假設在正常運行條件下，其初始狀態(tài)是感抗大于容抗，即ωL＞（1/ωC），此時不具備線性諧振條件，回路保持穩(wěn)定狀態(tài)。但當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ωL＝（1/ωC）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。
下列激發(fā)條件造成鐵磁諧振：
（1）電壓互感器的突然投入；
（2）線路發(fā)生單相接地；
（3）系統(tǒng)運行方式的突然改變或電氣設備的投切；
（4）系統(tǒng)負荷發(fā)生較大的波動；
（5）電網(wǎng)頻率的波動；
（6）負荷的不平衡變化等。
中性點直接接地系統(tǒng)諧振消除方法及優(yōu)缺點
4.1盡量保證斷路器三相同期、防止非全相運行。
4.2改用電容式電壓互感器（CVT），從根本上消除了產生諧振的條件，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。
4.3帶空載線路可以很好地消諧，但有可能產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，目前尚無高壓電容器。
4.4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備和復雜的控制機構。
4.5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。
4.6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。
4.7采用光纖電壓互感器，可以有效地消除諧振。價格較高。
常用的消諧方法及優(yōu)缺點
3.1中性點不接地系統(tǒng)常見的消諧措施
3.1.1采用勵磁特性較好的電壓互感器
目前，在我單位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。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺電壓互感器起始飽和電壓為1．5Ue，使電壓互感器在一般的過電壓下還不會進入飽和區(qū)，從而不易構成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。顯然，若電壓互感器伏安特性非常好，電壓互感器有可能在一般的過電壓下還不會進入較深的飽和區(qū)，從而不易構成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來說，這是治本的措施。但電壓互感器的勵磁特性越好，產生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過電壓、過電流更大。
3.1.2在母線上裝設中性點接地的三相星形電容器組，增加對地電容這種方法，當增大各相對地電容Co，使XCo/XL＜0.01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。。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會發(fā)生。
3.1.3電流互感器高壓側中性點經(jīng)電阻接地，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。系統(tǒng)單相接地有兩個過渡過程，一是接地時；二是接地消失時。接地時，當系統(tǒng)某相接地時，該相直接與地接通，另兩相對地也有電源電路（如主變繞組）成為良好的金屬通道。因此在接地時的三相對地電容的充放電過程的通道，不會走電壓互感器高壓繞組，就是說發(fā)生接地時電壓互感器高壓繞組中不會產生涌流，因為已有某相固定在地電位，也就不會發(fā)生鐵磁諧振。但是當接地消失時，情況就不同了。在接地消失的過程中，固定的地電位已消失，三相對地的金屬通道已無其他路可走，只有走電壓互感器高壓繞組，即此時三相對地電容（零序電容）3Co中存儲的電荷，對三相電壓互感器高壓繞組電感L/3放電，相當一個直流源作用在帶有鐵芯的電感線圈上，鐵芯會深度飽和。對于接地相來說，更是相當一個空載變壓器突然合閘，疊加出更大的暫態(tài)涌流。在高壓繞組中性點安裝電阻器Ro后，能夠分擔加在電壓互感器兩端的電壓，從而能限制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時流過電壓互感器的高幅值電流，將高壓繞組中的涌流抑制在很小的水平，相當于改善電壓互感器的伏安特性。
3.1.4電壓互感器一次側中性點經(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。
3.1.5電壓互感器二次側開三角繞組接阻尼電阻，在三相電壓互感器一次側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。若R＝0，即將開口三角兩端短接，相當于電網(wǎng)中性點直接接地，諧振就不會發(fā)生。但在實際應用中，由于原理及裝置的可靠性欠佳，這些裝置的運行情況并不理想。二次側電子消諧裝置仍有待從理論、制造上加以完善。在單相持續(xù)接地時，開三角繞組也必須具備足夠大的容量；這類消諧措施對非諧振區(qū)域內流過電壓互感器的大電流不起限制作用。
3.1.6中性點經(jīng)消弧線圈接地，中性點經(jīng)消弧線圈接地有以下優(yōu)點：瞬間單相接地故障可經(jīng)消弧線圈動作消除，保證系統(tǒng)不斷電；永久單相接地故障時消弧線圈動作可維持系統(tǒng)運行一定時間，可以使運行部門有足夠的時間啟動備用電源或轉移負荷，不至于造成被動；系統(tǒng)單相接地時消弧線圈動作可有效避免電弧接地過電壓，對全網(wǎng)電力設備起保護作用；由于接地電弧的時間縮短，使其危害受到限制，因此也減少維修工作量；由于瞬時接地故障等可由消弧線圈自動消除，因此減少了保護錯誤動作的概率；系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地可有效抑制單相接地電流，因此可降低變電所和線路接地裝置的要求，且可以減少人員傷亡，對電磁兼容性也有好處。可見，中性點諧振接地是中壓電網(wǎng)（包括電纜網(wǎng)絡）乃至高壓系統(tǒng)的比較理想的中性點接地方式。但是由于不適當操作或某些倒閘過程會導致局部電網(wǎng)在中性點不接地方式下臨時運行，所以這種系統(tǒng)也曾經(jīng)發(fā)生過電壓互感器諧振，同時安裝消弧線圈自然會增加投資，此外，消弧線圈自身的維護和整定還需要不斷的完善。
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