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电力系统谐振学习资料


电力系统谐振学习资料
一、概述 铁磁谐振是由铁心电感元件,如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消 弧线圈等和和系统的电容元件,如输电线路、电容补偿器等形成共谐条件,激发 持续的铁磁谐振,使系统产生谐振过电压。 电力系统的铁磁谐振可分二大类:一类是在 66kV 及以下中性点绝缘的电网 中,由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合,在系统电压大扰动 (如遭雷击、

单相接地故障消失过程以及开关操作等)作用下而激发产生的铁磁 谐振现象;另一类是发生在 220kV(或 110kV)变电站空载母线上,当用 220kV、 110kV 带断口均压电容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充 电过程中,或切除(含保护整组传动联跳)带有电磁式电压互感器的空母线时, 操作暂态过程使连接在空母线上的电磁式电压互感器组中的一相、 两相或三相激 发产生的铁磁谐振现象, 即串联谐振,简单地讲就是由高压断路器电容与母线电 压互感器的电感耦合产生谐振由于谐振波仅局限于变电站空载母线范围内, 也称 其为变电站空母线谐振。 二、铁磁谐振的现象 1、铁磁谐振的形式及象征 1)基波谐振:一相对地电压降低,另两相对地电压升高超过线电压;或两 相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出 2)分次谐波:三相对地电压同时升高、低频变动 3)高次谐波:三相对地电压同时升高超过线电压 2、串联谐振的现象:线电压升高、表计摆动,电压互感器开口三角形电压 超过 100V 三、铁磁谐振产生的原因及其分析: 1、铁磁谐振产生的原因: 1) 、有线路接地、断线、断路器非同期合闸等引起的系统冲击 2) 、切、合空母线或系统扰动激发谐振 3) 、系统在某种特殊运行方式下,参数匹配,达到了谐振条件 2、串联谐振产生的原因:进行刀闸操作时,断路器隔离开关与母线相连,

引发断路器端口电容与母线上互感器耦合满足谐振条件 3、电力系统铁磁谐振产生的原因分析 电力系统是一个复杂的电力网络,在这个复杂的电力网络中,存在着很多电感及 电容元件,尤其在不接地系统中,常常出现铁磁谐振现象,给设备的安全运行带 来隐患,下面先从简单的铁磁谐振电路中对铁磁谐振原因进行分析。 3.1 简单的铁磁谐振电路中谐振原因分析 在简单的 R、C 和铁铁芯电感 L 电路中,假设在正常运行条件下,其初始状 态是感抗大于容抗,即ωL>(1/ωC),此时不具备线性谐振条件,回路保持稳定 状态。但当电源电压有所升高时,或电感线圈中出现涌流时,就有可能使铁芯饱 和,其感抗值减小,当ωL=(1/ωC)时,即满足了串联谐振条件,在电感和电容 两端便形成过电压,回路电流的相位和幅值会突变,发生磁谐振现象,谐振一旦 形成,谐振状态可能“自保持” ,维持很长时间而不衰减,直到遇到新的干扰改 变了其谐振条件谐振才可能消除。 3.2 电力系统铁磁谐振产生的条件 电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的,如电力变压器、互感器、 发电机、消弧线圈为电感元件,补偿用的并或串联电容器组、高压设备的寄生电 容为电容元件, 而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容,这 些元件组成复杂的 LC 震荡回路,在一定的能源作用下,特定参数配合的回路就 会出现谐振现象。 由于铁芯电感的磁通和电流之间的非线性关系,电压升高导致 铁芯电感饱,极容易使电压互感器发生铁磁谐振。在中性点不接地系统中,如果 不考虑线路的有功损耗和相间电容, 仅考虑电压互感器电感 L 与线路的对地电容 Co,当 C 大到一定值,且电压互感器不饱和时,感抗 XL 大于容抗 XCo。而当电压 互感器上电压上升到一定数值时, 电压互感器的铁芯饱和, 感抗 XL 小于容抗 XCo, 这样就构成了谐振条件, 下列几种激发条件可以造成铁磁谐振:a.电压互感器的 突然投入; b.线路发生单相接地; c.系统运行方式的突然改变或电气设备的投切; d.系统负荷发生较大的波动; e.电网频率的波动;

f.负荷的不平衡变化等。 电压互感器的铁磁谐振必须由工频电源供给能量才能维持下去如果抑制或 消耗这部分能量,铁磁谐振就可以抑制或消除。在我国 6—10KV 配电网内,发生 互感器引起的谐振过电压情况甚为频繁,每到雷雨季节,熔断电压互感器保险的 情况频繁发生。 3.3 中性点不接地系统铁磁谐振产生的原因 中性点不接地系统中,为了监视绝缘,发电厂、变电所的母线上通常接有 Yo 接线的电磁式电压互感器,由于接有 Yo 接线的电压互感器,网络对地参数除 了电力导线和设备的对地电容 Co 外,还有互感器的励磁电感 L,由于系统中性 点不接地,Yo 接线的电磁式电压互感器的高压绕组,就成为系统三相对地的唯 一金属通道。正常运行时,三相基本平衡,中性点的位移电压很小。但在某些切 换操作如断路器合闸或接地故障消失后, 由于三相互感器在扰动后电感饱和程度 不一样而形成对地电阻不平衡, 它与线路对地电容形成谐振回路,可能激发起铁 磁谐振过电压。 电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统 中最常见和造成事故最多的一种内部过电压。在实际运行设备中,由于中性点不 接地电网中设备绝缘低, 线树矛盾以及绝缘子闪烙等单相接地故障相对频繁,一 般说来,单相接地故障是铁磁谐振最常见的一种激发方式。 3.4 中性点直接接地系统铁磁谐振产生的原因 若中性点直接接地, 则电压互感器绕组分别与各相电源电势相连,电网中各 点电位被固定,不会出现中性点位移过电压;若中性点经消弧线圈接地,其电感 值远小于电压互感器的励磁电感,相当于电压互感器的电感被短接,电压互感器 的变化也不会引起过电压。 但是,当中性点直接接地或经过消弧线圈接地的系统 中, 由于操作不当和某些倒闸过程,也会形成局部电网在中性点不接地方式下临 时运行。 在中性点直接接地电力系统中,一般铁磁谐振的激发因素为合刀闸和断 路器分闸。在进行此操作时,由于电路内受到足够强烈的冲击扰动,使得电感 L 两端出现短时间的电压升高、 大电流的震荡过程或铁心电感的涌流现象。这时候 很容易和断路器的均压电容 Ck 一起形成铁磁谐振。 四、铁磁谐振对电力系统安全运行的影响 通过以上分析, 我们就能够明白,当线路发生单相接地或断路器操作等干扰

时, 造成电压互感器电压升高, 三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和, 电压互感器的各相感抗发生变化, 各相电感值不相同, 中性点位移产生零序电压。 由于线路电流持续增大,导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和,当满足ωL=1/ωC 时,即具备谐振条件,从而产生谐振过电压,其造成的主要影响如下: 1、中性点不接地系统中,其运行方式的主要特点是单相接地后,允许维持 一定的时间,一般为 2h 不致于引起用户断电。但随着中低压电网的扩大,出线 回路数增多、线路增长,电缆线路的逐渐增多,中低压电网对地电容电流亦大幅 度增加,单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压,一般为 3—5 倍相电压甚至更高, 致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿,并且在过电压的作用 下极易造成第二点接地发展为相间短路造成设备损坏和停电事故, 严重威胁电网 安全运行。 2、在发生谐振时,电压互感器一次励磁电流急剧增大,使高压熔丝熔断。 如果电流尚未达到熔丝的熔断值,但超过了电压互感器额定电流,长时间处于过 电流状况下运行,必然造成电压互感器烧损。 3、谐振发生后电路由原来的感性状态转变为容性状态,电流基波相位发生 180°反转,发生相位反倾现象,可导致逆序分量胜于正序分量,从而使小容量 的异步电动机发生反转现象。 4、产生高零序电压分量,出现虚幻接地和不正确的接地指示。 五、常用的消谐方法及优缺点 多年来,国内外专家学者对铁磁谐振做了大量研究,在理论分析方面,前人 进行了大量卓有成效的工作, 阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性 谐振的丰富内容,给我们提供了坚实的理论基础。一般来讲,消谐应从两方面着 手, 即改变电感电容参数以破坏谐振条件和过吸收与消耗谐振能量以抑制谐振的 产生,或使其受阻尼而消失。下面是常用的消谐方法。 1、中性点不接地系统常见的消谐措施 1.1 采用励磁特性较好的电压互感器 目前, 在我单位新建变电站电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好的 电压互感器。电压互感器伏安特性非常好,如每台电压互感器起始饱和电压为 1.5Ue,使电压互感器在一般的过电压下还不会进入饱和区,从而不易构成参数

匹配而出现谐振。显然,若电压互感器伏安特性非常好,电压互感器有可能在一 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。但电压互感器的励磁特性越好,产生电压互 感器谐振的电容参数范围就越小。虽可降低谐振发生的概率,但一旦发生,过电 压、过电流更大。1.2 在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组,增加对地 电容这种方法, 当增大各相对地电容 Co, XCo/XL<0.01 时(谐振区为小于 0.01 使 或大于 3)回路参数超出谐振的范围,可防止谐振。通过对两种典型伏安特性的 铁芯电感进行模拟试验。 试验结果表明,谐振区域与阻抗比 XCo/XL 有直接关系, 对于 1/2 分频谐振区,阻 XCo/XL 约为 0.01~0.08;基波谐振区,XCo/XL 约为 0.08~0.8;高频谐振区,XC0/XL 约为 0.6~3.0。当改变电网零序电容时,XCo/XL 随之改变, 回路中可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。如果零序电 容过大或过小,就可以脱离谐振区域,谐振就不会发生。 1.3 电流互感器高压侧中性点经电阻接地,由于系统中性点不接地,Yo 接线的电 磁式电压互感器的高压绕组, 就成为系统三相对地的唯一金属通道。系统单相接 地有两个过渡过程, 一是接地时; 二是接地消失时。 接地时, 当系统某相接地时, 该相直接与地接通,另两相对地也有电源电路(如主变绕组)成为良好的金属通 道。 因此在接地时的三相对地电容的充放电过程的通道,不会走电压互感器高压 绕组, 就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流,因为已有某相固 定在地电位,也就不会发生铁磁谐振。但是当接地消失时,情况就不同了。在接 地消失的过程中,固定的地电位已消失,三相对地的金属通道已无其他路可走, 只有走电压互感器高压绕组,即此时三相对地电容(零序电容)3Co 中存储的电 荷, 对三相电压互感器高压绕组电感 L/3 放电,相当一个直流源作用在带有铁芯 的电感线圈上,铁芯会深度饱和。对于接地相来说,更是相当一个空载变压器突 然合闸,叠加出更大的暂态涌流。在高压绕组中性点安装电阻器 Ro 后,能够分 担加在电压互感器两端的电压, 从而能限制电压互感器中的电流,特别是限制断 续弧光接地时流过电压互感器的高幅值电流, 将高压绕组中的涌流抑制在很小的 水平,相当于改善电压互感器的伏安特性, 3.4 电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地,此类型接线方式的的 电压互感器称为抗谐振电压互感器,这种措施在部分地区有成功经验,其原理是

提高电压互感器的零序励磁特性,从而提高电压互感器的抗烧毁能力,已有很多 厂家按此原理制造抗谐振电压互感器。但是应注意到,电压互感器中性点仍承受 较高电压,且电压互感器在谐振时虽可能不损坏,但谐振依然存在。 3.5 电压互感器二次侧开三角绕组接阻尼电阻,在三相电压互感器一次侧中 性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻, 用于消 耗电源供给谐振的能量,能够抑制铁磁谐振过电压,其电阻值越小,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。但在实际应用中,由于原理及装臵的可靠性欠佳,这些装臵的运 行情况并不理想。二次侧电子消谐装臵仍有待从理论、制造上加以完善。在单相 持续接地时,开三角绕组也必须具备足够大的容量;这类消谐措施对非谐振区域 内流过电压互感器的大电流不起限制作用 3.6 中性点经消弧线圈接地,中性点经消弧线圈接地有以下优点:瞬间单相 接地故障可经消弧线圈动作消除,保证系统不断电;永久单相接地故障时消弧线 圈动作可维持系统运行一定时间, 可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或 转移负荷, 不至于造成被动; 系统单相接地时消弧线圈动作可有效避免电弧接地 过电压,对全网电力设备起保护作用;由于接地电弧的时间缩短,使其危害受到 限制,因此也减少维修工作量;由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除,因 此减少了保护错误动作的概率; 系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地 电流,因此可降低变电所和线路接地装臵的要求,且可以减少人员伤亡,对电磁 兼容性也有好处。可见,中性点谐振接地是中压电网(包括电缆网络)乃至高压系 统的比较理想的中性点接地方式。 但是由于不适当操作或某些倒闸过程会导致局 部电网在中性点不接地方式下临时运行,所以这种系统也曾经发生过电压互感器 谐振,同时安装消弧线圈自然会增加投资, 此外,消弧线圈自身的维护和整定还需 要不断的完善。 2、中性点直接接地系统谐振消除方法及优缺点 1、尽量保证断路器三相同期、防止非全相运行。 2、改用电容式电压互感器(CVT) ,从根本上消除了产生谐振的条件,但是 电容式电压互感器价格高、带负载能力差、且仍带有电感,二次侧仍要采用消谐 措施。增加对地电容,操作时让母线带上一段空线路或耦合电容器。

3、带空载线路可以很好地消谐,但有可能产生一个很大的冲击电流通过互 感器线圈,对互感器不利,而耦合电容器十分昂贵,目前尚无高压电容器。 4、与高压绕组串接或并接一个阻尼绕组,可消除基频谐振,在 发生谐振的瞬间投入此阻尼电阻将会增加投切设备和复杂的控制机构。 5、电容吸能消谐,对幅值较高的基频谐振比较有效,但对于 幅值较低的分频谐振往往难以奏效。 6、在开口三角形回路中接入消谐装臵,能自动消除基频和分频谐振,需在 压变开口三角绕阻回路中增加 1 根辅助边线,增大了投资。 7、采用光纤电压互感器,可以有效地消除谐振。价格较高,还 需要在现场中进一步实验。 六、从运行操作方面去防止谐振的发生。 以上是从设备、 技术方面考虑, 我们还要从运行操作方面去防止谐振的发生。 1、控制 XcE/XL 的比值,尽量躲开谐振区。 1.1 当 XCo/XL≤0.01 或 XCo/XL≥3 时不产生铁磁谐振 1.2 当运行相电压 Up 除以额定电压 Un 等于 0.58 时极易发生分频或基波铁 磁谐振。 1.3 改变运行方式,以改变网络参数,消除谐振 1.4 当电压互感器的 XL 一定时,增加对地电容 Co,XCo 将减小,XCo/XL 的 比值也随之减小,是防止铁磁谐振发生的有效方法。倒闸操作中增加 Co 的方法 一般有:外接电容、介入空载线路或空载变压器、介入电缆线路、拉母联或分段 断路器等。 2、控制电源电压、降低铁磁谐振的工作点,使 Up/Ue≠0.58。 3、注意倒闸操作中的操作步骤。 3.1 当参数处在串联谐振范围时, 母线停电的操作顺序: 先拉母线电压感器, 以切断 L,再拉母联断路器,送电时顺序相反;如 220kV、110kV 带断口均压电 容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充电时, 为防止合上两侧 刀闸后因断开电容的耦合作用有可能与空母线电磁式电压互感器产生串联谐振, 应先合上开关, 后合电压互感器刀闸,如属新安装的电磁式电压互感器投产时应 考虑带上互感器对母线充电。

3.2 电源向母线升压时,先合断路器,使 C 短接,再升压; 3.3 当母差保护动作跳闸时,是一条母线停电,也要及时拉开母联断路器的 隔离开关或母线 TV 的隔离开关,以切断 L-C 回路。 3.4 运行中注意监视备用母线的情况,发现异常,及时进行处理。热备用母 线,如发现母线电压又指示时,应首先考虑是否发生了串联铁磁谐振。 ,此时应 尽快合上母联断路器将 C 短接或拉开 TV 隔离开关;如在系统运行方式和倒闸操 作过程中出现了开关断口电容与空母线电磁式 PT 造成的串联谐振,不管是合开 关时出现的谐振过电压, 还是拉开关后出现的谐振过电压,最直接有效的办法是 迅速拉开或合上主开关或母联开关。如上述措施无法实现时,应迅速汇报调度, 合上备用线路开关。 由于谐振时电压互感器一次绕组电流很大,应禁止用电压互 感器或直接取下一次侧熔断器的方法来消除谐振。 3.5 当变压器向接有 TV 的空载母线合闸充电时,应将变压器中性点接地或 经消弧线圈接地。 3.6 系统发生并联谐振时,应瞬间短接 TV 开口三角形绕组,有时也可以消 除谐振,尤其是分频谐振特别有效。 为防止电力系统中发生铁磁谐振,杜绝铁磁谐振给电网带来的不安全影响, 作为从事电网调度工作的我更是义不容辞的责任, 这需要我们在工作中一点一滴 地做起,确实为保证电网安全运行、共创和谐社会做出更多努力。

电力系统铁磁谐振研究现状?
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

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臵的正常工 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? 串联补偿装臵是多个串、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。? 3.2 减少同一网络中并联电压互感器台数? 同一电网中,并联运行的电压互感器台数越多,总的伏安特性会变得越差, 总体等值感抗也越小,如电网中电容电流较大,则容易发生铁磁谐振。所以变电 所母线并联运行时,只需投入一台作绝缘监视用,其余退出。若不能退出时,可 将其高压侧接地的中性点断开。 用户变电所的电压互感器中性点应不接地,只作 为侧量仪表和保护用。? 3.3 每相对地加装电容器? XC/XL≤0.01 时,不易发生铁磁谐振,因此在 10 kV 以下的小变电所可加装 中性点接地的电容器组或用一般电缆代替架空线。 对大变电所连接有多台电压互 感器的情况,因需增装电容量较大,不宜采用。对于空母条件下的铁磁谐振,可 利用投入空载线路的办法消除。? 3.4 系统中性点经消弧线圈或电阻接地? 中性点经消弧线圈接地的方法相当于在电压互感器每一相励磁电感上并联一 个消弧线圈的电感, 因消弧线圈的电感较电压互感器对地的电感小,差几个数量 级,完全打破了参数匹配的关系,使铁磁谐振不易发生。中性点经电阻接地的方 法可以限制各类故障时中性点位移电压幅值,从而抑制了铁磁谐振的发生。? 3.5 高压侧中性点串接单相电压互感器? 在电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器(即零序电压互感器) ,结构 和原理如图 2 所示。 它由 4 台单相电压互感器组成, 其中 3 台为主电压互感器(三 组线圈分别为 P1、P2、P3,其中 P1 为一次线圈,P2 为二次辅助线圈,P3 为二 次线圈),一台为零序电压互感器(一、二次线圈分别为 P4、P5)。主电压互感器 一次线圈 P1 接成星形,其中性点经零序电压互感器接地,主电压互感器二次辅 助线圈 P2 接成闭口三角形。YJ 为接地继电器。?

该方案相当于中性点接入一个高阻抗,其结果使三相电压互感器的等值感抗 显著增大,从而易实现 X ? C/X ? L≤0 ? 01 的条件,避免了由于饱和而引起 的铁磁谐振。但同一电网中,如有多组电压互感器,则必须每组均按此接线方能 有效,且三相电压互感器中性点对地电压(零序电压)亦被抬高。? 3.6 在电压互感器高压侧中性点串接电阻? 该方法中串入的电阻实际上等价于每相对地串接,也就是在铁磁谐振的串联 谐振回路中串入电阻。此电阻可增大系统阻尼,消耗谐振的幅度和能量。虽然电 阻值越大,抑制谐振效果越好,但阻值太大会影响系统接地保护的灵敏度,电压 互感器中性点电位要抬高, 有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。? 3.7 开口三角绕组加阻尼电阻? 相当于将电阻 R ?△接至变压器中性点上,故阻值愈小,就愈能抑制谐振的 发生。如果 R ?△为零,即开口三角绕组短接,相当于电网中性点直接接地,也 就不存在发生铁磁谐振的条件了。? 3.8 开口三角绕组加装消谐装臵? 这种方法对已运行系统是简便而有效的措施。其原理在此不做赘述。在实际 应用中都有较好的效果。?

4 铁磁谐振研究现状评价? 多年来,国内外专家学者对铁磁谐振做了大量理论研究和实验分析。在理论 研究方面,阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性谐振的丰富内容, 提供了坚实的理论基 础。 在实验分析方面,通过现场模拟试验对铁磁谐振的发展过程和谐振条件进行 了大量研究 ,揭示了铁磁谐振的内在规律,并在此基础上研制了几种消谐装臵。近几年来, 非线性振动 理论、分叉理论、模糊理论、混沌理论等方法的引入不仅扩大了研究领域,而且 给研究带来 了很大方便。 同时大量数学工具如 Matlab 和 Mathematic 的使用也为铁磁谐振的 研究提供了便

利条件。随着研究的不断深入和发展,对铁磁谐振研究已达到了一个新高度。? 到目前为止,国内对于铁磁谐振的数值仿真计算研究实际上可分为两类。? ① 在最简化的数学模型基础上,用一些拟定参数进行计算得出有关铁磁谐振 的规律。可利用的方法有图解法、谐波平衡法、相平面法、描述函数法等,但这 些方法只能进行定性的分析或稳态情况下的定性计算, 对于三相非线性电路的定 量计算缺少全面有效的算法,所以这些方法很难取得好的效果。? ② 采用电力系统电磁暂态计算程序等电力系统专用仿真计算程序,对实际系 统进行仿真计算。 实际上此类程序并没有专门针对铁磁谐振现象进行计算,所以 仿真效果并不是很理想。

5 结论? 长期以来电力系统谐振过电压严重威胁着电网的安全, 特别是对中性点不直接 接地系统,铁磁谐振所占的比例较大。因此对此类铁磁谐振问题研究得较多,其 中不乏新的消谐装臵的出现。 但对中性点直接接地系统的铁磁谐振研究较少。随 着电网的日趋发展, 中性点直接接地系统的铁磁谐振问题越来越严重,出现的概 率越来越大, 也应引起人们的重视。今后应深入研究中性点直接接地系统的铁磁 谐振以及消谐措施,为电力系统安全运行提供参考依据和良好的预防作用。?

问答:
如何判断电力系统发生了谐振的现象 ?

系统发生谐振时电压表、电流表、功率表指针均发生周期性摆动,如有联络线, 表计的摆动最明显,距系统震荡中心越近,电压摆动越大,白炽灯忽明忽暗非常 明显。现在很多变电站都有故障录波,可以观察波形进行判断。
在电力系统中,串联谐振将产生什么?对电力设备的什么造成很大危害 ?

串联谐振在具有电阻 R、电感 L 和电容 C 元件的交流电路中,电路两端的电压 与其中电流位相一般是不同的。如果我们调节电路元件(L 或 C)的参数或电源

频率,可以使它们位相相同,整个电路呈现为纯电阻性。电路达到这种状态称之 为谐振。 在谐振状态下, 电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。研究谐振的目的就是要 认识这种客观现象, 并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征,同时又要预防 它所产生的危害。按电路联接的不同,有串联谐振和并联谐振两种。 在电阻、 电感及电容所组成的串联电路内, 当容抗 XC 与感抗 XL 相等时, XC 即 =XL,电路中的电压 U 与电流 I 的相位相同,电路呈现纯电阻性,这种现象叫 串联谐振(也称为电压谐振)。当电路发生串联谐振时,电路的阻抗 Z=√R2+XC-XL2=R,电路中总阻抗最小,电流将达到最大值。 这样很可能导致电容被击穿或者电流过大而烧坏。

简述电力系统谐波产生的原因,说明变流器谐波对供电系统、电机负载的影响?

电网谐波来自于 3 个方面: 一是发电源质量不高产生谐波: 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称, 铁心也很难做到绝对均匀一致 和其他一些原因,发电源多少也会产生一些谐波,但一般来说很少。 二是输配电系统产生谐波: 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的 非线性, 加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段 上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结 构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越 远,谐波电流也就越大,其中 3 次谐波电流可达额定电流 0.5%。 三是用电设备产生的谐波: 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源 等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。我们知道,晶 闸管整流装置采用移相控制, 从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的 也是另一部分缺角的正弦波, 从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显 然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路,在接感性负载 时则含有奇次谐波电流,其中 3 次谐波的含量可达基波的 30%;接容性负载时

则含有奇次谐波电压, 其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相 全控桥 6 脉整流器,变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流;如 果是 12 脉冲整流器,也还有 11 次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由整流 装置产生的谐波占所有谐波的近 40%,这是最大的谐波源。 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制, 谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一 般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、 电石炉。 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉 料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形 连接线圈而注入电网。其中主要是 2 7 次的谐波,平均可达基波的 8% 20%,最 大可达 45%。 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放 电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的 还含有负的伏安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流 装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中, 因不平衡电流的变化也能使波形改变。 这些家用电器虽然功率较小, 但数量巨大, 也是谐波的主要来源之一。

谐波对电网的影响主要有: 谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波 还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机 械损坏。 谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。 谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大。当谐波引起系统谐振 时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及安全自动装置误动,损坏系统设 备(如电力电容器、电缆、电动机等),引发系统事故,威胁电力系统的安全运行。 谐波可干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如线损),使无功补偿设备不 能正常运行等,给系统和用户带来危害。


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