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电力系统铁磁谐振研究现状(1)

北极星电力网技术频道    作者:金雄飞,李之昆   2012/5/31 9:09:01   

摘要:铁磁谐振过电压是一种常见的内部过电压,多发生在中性点不直接接地的配电网中,但在中性点直接接地的高压电网中,这种事故也常有发生。分析了电力系统铁磁谐振的产生机理,介绍了一些典型的铁磁谐振过电压,以及几种消除铁磁谐振的措施及原理,最后对铁磁谐振的当前研究现状进行了评价,提出今后进一步的研究方向。

在电力系统中包含有很多电感元件和电容元件。在开关操作或发生故障时,这些电感和电容元件可能形成不同自振频率的振荡回路,在外加电源作用下产生谐振现象,引起谐振过电压。谐振往往在电网某一局部造成过电压,从而危及电气设备的绝缘,甚至产生过电流而烧毁设备,还有可能影响过电压保护装置的正常工作条件。在不同电压等级、不同结构的系统中可以产生不同类型的谐振过电压。通常认为系统中的电阻和电容元件为线性参数,电感元件则一般有三类不同的特性参数。对应三种电感参数,在一定的电容参数和其它条件的配合下,可能产生三种不同性质的谐振现象。

① 线性谐振:电感参数为常数,电感值不随元件上的电压或电流的变化而变化。

② 铁磁谐振:电感元件因带有铁芯会产生饱和现象,电感参数不再是常数,而是随着电流或磁通的变化而变化。

③ 参数谐振:电感参数在外力的影响下发生周期性变化。

针对铁磁谐振的产生机理、特征等进行分析,并介绍几种典型的铁磁谐振以及抑制铁磁

谐振常见的几种措施,对其研究现状进行评价。

1铁磁谐振发生机理分析

铁磁谐振是谐振过电压中最常见的,也是最难以预防的。铁磁谐振又分为铁磁电压谐振(串联谐振)和铁磁电流谐振(并联谐振),两种谐振以铁磁电压谐振较为常见。下面以铁磁电压谐振为例,分析铁磁谐振发生的机理。

图1(a)为最简单的电阻R、电容C和铁芯电感L的串联电路。设在正常运行条件下初始感抗大于容抗。图1(b)为电路中电压与电流的相量图。设电流是正弦的,并以I·为参考相量。U·L和U·C分别为L和C上的电压。当略去铁损而把线圈的电感用等效电感代替,其等效正弦电压相量即U·L比I·超前 90°。当铁芯线圈用等效的非线性电感表示时,其伏安特性与铁磁物质的磁化曲线相似,如图1(c)UL(I)所示。电容上的电压UC=,与电流的关系为一直线关系,如图1(c)UC(I)所示。为简单起见,令R=0,则有

E·=U·L+U·C

由于U·L和U·C为反相,故上式可改写为

E=△U,△U=|UL-UC|

在电源电压E一定的条件下,电路出现a、b、c三个平衡点,其中b点是不稳定的。在b点时,回路中电流有任何微小扰动,都会使其倾向a或c两个稳定点中的一个,故b点不成为回路的实际工作点。回路工作在a点时,UL>UC,整个回路为感性,电感和电容上电压都不高,电流也不大,处于非谐振状态。当工作在c点时,UC>UL,回路呈容性,电流增大,电容和电感都出现较高的过电压,此时回路处于谐振状态。

在I0点处,等效感抗ωL等于,这与线性谐振相仿,压降和电流将趋于无穷大,但因电感非线性的特点,当I越过I0而继续增大时,等效感抗进一步下降,使得ωL与自动错开,最后到达新的稳定点c点,所以铁磁谐振过电压虽由电感的非线性引起,但其幅值最终又受到非线性所限制,一般不超过电源电压的三倍。

2几种常见的铁磁谐振

2.1断线谐振

所谓断线泛指导线断落、断路器非全相操作以及熔断器的一相或二相熔断。断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回路,其中电感是指空载或轻负载变压器的励磁电感等,电容是指导线的对地和相间电容,或电感线圈的对地杂散电容等。在中性不接地的配电网络中,断线谐振出现的比较频繁,并且造成各种后果,即:在绕组两端和导线对地间出电压;负载变压器的相序反倾;中性点位移和虚幻接地;绕组铁芯发出异常响声和导线出现电晕声。在严重情况下,甚至瓷瓶闪络,避雷器爆炸和击毁电气设备。

2.2传递过电压

当高压线路中发生不对称接地或断路器的不同期操作时,将会出现零序电压和零序电流分量,通过静电和电磁耦合,能在近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递过电压;同样,变压器高压绕组侧的零序电压通过绕组间的杂散电容传递至低压侧,危及后者的电气绝缘。如果低压侧接有铁芯电感元件(消弧线圈、空载变压器或电压互感器等),则有可能产生铁磁谐振过电压。

2.3电磁式电压互感器引起的铁磁谐振

在电力系统中,为了监测发、变电所母线对地电压,通常在发电机或变电所母线上接有电压互感器,并且其一次绕组接成星形,中性点直接接地。这样当进行某些操作时(例如中性点绝缘系统非同期合闸,或接地故障消失之后),电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路,由于回路参数及外界激发条件的不同,可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。统计表明,电磁式互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见且造成事故最多的一种内部过电压,严重地影响供电安全,必须予以重视。在中性点直接接地的电网中,电网中性点电位已被固定,但高压断路器断口均压电容与电压互感器绕组电感形成的串联回路,在参数配合时,也有可能出现谐振过电压。

2.4串联电容补偿线路中的铁磁谐振

串联补偿装置是多个串、并联连接的三相电容器组,它串接在输电线路的首端、中间或者末端,其目的是使容抗补偿线路的正序感抗。在中、低压配电线路中,串补主要用来提高线路末端电压。当串补线路末端接有空载或轻载变压器时,其励磁电感很大,它与线路正序电感相加,并与串补电容组成很低的自振角频率,在线路合闸或投入串补时将会产生分频铁磁谐振,使得压降和电流波形发生畸变。在超高压线路中,投入串补的目的是为了提高线路的传输能力。与中低压配电线路一样,如在线路末端接有空载变压器,则会产生同样的分频铁磁谐振。

3 防止铁磁谐振的措施

电力系统实际运行经验表明,35 kV及以下配电网中,各种形式的铁磁谐振频繁发生,110 kV~220 kV 的高压系统中,这种事故也经常发生。多年来,中国在研究铁磁谐振机理的同时,一直在探讨防止和消除铁磁谐振的措施,归纳起来可在以下三方面采取措施:改变电感、电容的参数,使其不具备匹配条件,不易激发引起谐振;消耗谐振能量、增大系统阻尼,抑制或消除谐振的发生;在电力系统设计方面采取不同的接地方式或运行时采取临时倒闸措施。实际中常用的消除铁磁谐振的具体措施如下:

3.1改善电压互感器的励磁特性

要彻底解决铁磁谐振问题,最根本的是选用励磁伏安特性好的电压互感器,在一般过电压水平下不足以进入其深度饱和区,因而构不成谐振的匹配参数。3~10 kV系统中使用的三相五柱式电压互感器和110 kV及以上系统采用的电容式电压互感器,均因好的伏安特性而不易激发铁磁谐振。

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