防止中性点不接地系统铁磁谐振的措施

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摘　要：在分析中性点不接地系统铁磁谐振的机理和特点的基础上，对常用的消谐措施进行了讨论，指出其局限性、适用范围及使用中应注意的问题。

关键词：中性点不接地系统；电压互感器；铁磁谐振  　 　　变电站中性点不接地系统中，电压互感器常因铁磁谐振而烧毁或熔断熔丝。人们对此做了大量的分析研究，采取了不少措施防止谐振发生，然而由于系统结构的复杂性和运行方式的灵活，造成运行参数具有随机性。同时也因现存的各种消谐措施的局限性，使得只能在某些情况下消除谐振。电压互感器（TV）饱和引起的铁磁谐振仍然是威胁电力系统安全运行的重要原因。因此，有必要在分析中性点不接地系统铁磁谐振机理的基础上探讨消谐措施，以便在实际工作中有针对性地预防、消除中性点不接地系统铁磁谐振。   1　中性点不接地系统铁磁谐振的机理及特点 1．1　铁磁谐振的产生 　　中性点不接地系统中TV接入系统的接线图如图1所示 当出现激发条件时，TV中暂态励磁电流急剧所不同，网络中性点出现零序电压 ，三相TV中产生零序电流，经电源形成回路，简化等值电路如图2所示。   当Ln与3 C0在某频率下参数值匹配时， 得以流通，从而在3 C0上建立 与各相电源电压叠加，产生过电压，维持TV饱和，从而形成持续一段时间的铁磁谐振。 1．2　铁磁谐振的特点 　　根据Peterson的研究［1］，当TV饱和时，励磁电抗Xm与系统正序容抗无关，只和系统对地的零序容抗X0有关，且当X0／Xm＜0．01时，不发生谐振；随着（X0／Xm）的增大，依次发生1／2分频、基频、三倍频谐振，相应地，发生谐振所需的外加电压也逐渐增大。由于运行中的一般都是额定相电压（0．58 Ur，Ur为额定线电压），因此1／2分频时较多发生基波谐振，高次谐波的谐振较少。分频谐振的频率并非严格等于1／2次，分频谐振时，铁心高度饱和，励磁电流剧增数十甚至一百倍，导致TV烧毁或保护用熔断器熔断。 2　消除铁磁谐振的措施 　　消谐应从两方面着手，即改变电感电容参数和消耗谐振能量。人们据此制订了多种消谐措施。 2．1　TV开口三角两端接电阻器R△ 　　R△相当于接到电源变压器的中性点上，故其电阻R△越小，越能抑制谐振的发生。若R△＝0，即将开口三角两端短接，相当于电网中性点直接接地，谐振就不会发生。消除分频谐振时R△要最小。使用该措施时应注意： 　　a）系统中每台TV开口三角均接电阻器时措施方有效。     b）经验表明，对于6～10 k V电网，当TV饱 和特性较好时此措施比较有效。 　　c）经验表明，装设于互感器开口三角绕组的阻尼电阻一般对35 kV和66 k V系统效果较好，可固定投入，也可用零序电压继电器将电阻器短时投入，1 min后自动切除［2］。 　　d）R△采用白炽灯泡时，由于谐振经常在单相接地消失后产生，白炽灯泡因发热而使其电阻显著增大，所以此时不起消谐作用。 　　e）当电压等级越高或TV饱和特性越差时，要求的R△越小。因而发生持续稳定的单相接地故障时，R△的额定功率不易满足要求。 　　f）当系统电容三相不对称（如断线），或TV一次非全相熔断器烧断时，在对称状态下可以抑制的谐振，在不对称时仍有可能谐振，此时需减小R△才能抑制谐振。这是因为：电容不对称时，除了网络会有较大的不对称电压外，由于电容的减小导致容抗增大而易进入谐振区；TV一次非全相熔断器烧断时，它的并联电感有所减少，但由于二次侧电压降低，R△反应到一次侧的电阻增大得较快，从而降低了电阻器的阻尼效果。 　　g）由于R△是接在开口三角两端，因此这一负载必定同时加在三角绕组和一次绕组上，这就要求TV要有足够的容量，尤其是在间歇性弧光接地时，由于R△的接入，将使流过一次绕组的电流显著增大，增加了TV烧损的可能性。 　　h）为了使TV不因电压升高而进入饱和状态，应根据TV的容量选择电阻的额定功率。 　　i）现在许多二次侧消谐装置实质是对在开口三角两端接入电阻器的改进，其原理多是首先鉴别高频、基频、分频谐振，然后用电子电路实现不同的消谐措施以达到消谐目的。然而，在实际应用中，由于原理及装置的可靠性欠佳，这些装置的运行情况并不理想。二次侧电子消谐装置仍有待从理论、制造上加以完善。 2．2　TV一次侧中性点经电阻器R0接地 　　该措施除了能限制TV中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过TV的高幅值电流外，亦能减少每相TV上的电压（相当于改善TV的伏安特性）。使用该方法时应注意： 　　a）电阻器R0的电阻R0不能太小，也不能太大，否则单相接地时，开口三角电压太低，影响接地指示灵敏度及保护装置的正确动作。根据文献［2］推荐，R0＞0．06 Xm。 　　b）若网络中必须有多台高压侧中性点接地的TV同时运行，则必须每台TV均在中性点安装消谐电阻器方有效。 　　c）电阻器的额定功率须较大，一般采用额定功率相当大的非线性电阻器与线性电阻器串联。非线性电阻器在低电压下电阻较大，还能阻止谐振发展。　　d）该措施与TV开口三角绕组并接R△并非完全等价，对于系统三相电容严重不对称或TV一次非全相熔断器烧断等异常情况均可有效消谐。 　　e）当系统发生单相接地故障时，R0上将有超过几千伏的高压，此时不能使用中性点绝缘较低的TV。若35 kV系统使用的TV中性点绝缘水平为低压级（500 V），则TV绝缘有可能承受不了过电压。 2．3　TV一次侧中性点经零序TV接地 　　这种措施在部分地区有成功经验，其原理是提高TV的零序励磁特性，从而提高TV的抗烧毁能力，已有厂家按此原理制造抗谐振TV。 　　但是应注意到，TV中性点仍承受较高电压，且TV在谐振时虽可能不损坏，但谐振依然存在。 2．4　母线上装设中性点接地的三相星形电容器组 　　这种方法是根据Peterson对谐振区域的研究提出的，当增大各相对地电容C0，使X0／Xm＜0．01时，可防止谐振，文献［2］亦列有此项措施。但是，增大对地电容后，单相接地电流增加，有可能引起弧光接地过电压且电容C0折算至TV开口三角形两端的电容很大，容抗很小，当发生单相接地时，将引起过流而烧坏TV。 2．5　降低电压互感器运行电压 　　将3台Ur＝10 kV的单相TV星形连接，中性点接地，二次侧接成开口三角形，TV运行电压从10 kV降至5．8 kV。该措施可消除二次谐波的影响，但TV没有连接电压表的出线，一般不宜采用。 2．6　减少同一网络中并联TV台数 　　该措施的目的是防止TV并联后，总体等效伏安特性曲线较平，TV容易饱和而产生谐振。因此，除电源侧作为绝缘监视而必须将TV高压侧中性点TV接地外，其它TV（尤其是用户TV）应尽可能不接地。 2．7　改善TV伏安特性 　　显然，若TV伏安特性非常好（如每台TV起始饱和电压为1．5 Ur），则TV有可能在一般的过 电压下还不会进入较深的饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。从某种意义上来说，这是治本的措施。 2．8　系统中性点经消弧线圈接地或接入同类的消弧电抗 　　该措施的零序等值电路如图3所示。   由于LK比LTV小几个数量级，相当于将LTV短路，所以不再会发生参数匹配谐振。该方法虽然投资大，但可消除一切铁磁谐振，有明显优点。 3　结论 　　综上所述，消除中性点不接地系统铁磁谐振措施各有其优点和局限性，在实际应用中必须注意： 　　a）应首先从运行方式、设备选用和操作上防止谐振发生，如可尽量减少并联TV的数量，选用励磁特性好的TV，操作时防止出现激发条件等，这些都是简单而实用的措施，而不可盲目倚赖其它消谐措施。 　　b）TV开口三角形并接消谐装置与TV中性点串接电阻器混用时，在10 k V系统单相接地时不能消谐，因此，不应将这两种方法混用。 　　c）理论研究表明，TV开口三角并接电阻器的缺点不少，一般情况下，应尽量少用，但在变电站投运等运行情况变化较少的情况下，该方法仍可作为6～10 k V侧有效消谐措施。 　　d）TV中性点串接电阻器的适用范围较广，在二次电子消谐装置未能很好地防止谐振的情况下，不失为一简单有效的方法，但使用时应注意其亦有一定的局限性。 　　e）用并联电容器组方法消谐危害较大，一般不宜采用。 　　f）二次电子消谐装置虽然有成功运行经验，因其理论及制造仍存在问题，实际中的总体运行情况并不好，不宜盲目推广使用。 　  g）35 kV系统采取消谐措施时应注意，在未经过充分的理论分析与运行考验前，慎用TV中性点串接电阻器或二次侧装电子消谐装置的方法，宜按文献［2］的推荐，采用二次侧并接电阻器的措施来消谐，但必须选择好电阻器的额定功率和标称阻值。 　　h）消弧电抗的消谐效果最好，若经济技术比较后可行的，可采用此法。 参考文献 ［1］PETERSON H A.Transients in power systems[M].[s.1.]，1951． ［2］DL／T620—1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合及　　其条文说明［S］． ［3］刘继．电气装置的过电压保护［M］．北京：水利电力出版社，1986． ［4］黄伟群．35 kV抗谐振电压互感器［J］．变压器，1995（3）：10—11