电磁式电压互感器的谐振及主要限制方法.doc

1、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，

2、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 Y2Y3 Y0，三相对地负荷是平衡的，电网的

3、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 Y1Y0 ，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

4、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

5、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

6、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

7、 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 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 2 096 910 3F ，CB 2 072 810 3F ， CC 2 161 110

8、 3F ，在工频状态下，三相对地容抗为： XA0 1 52M ， XB0 1 54 M ， XC0 1 47 M 。 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35kV 0.1kV/ /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

9、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

10、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

11、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 R0.4Xm（ 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

12、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