常见的谐振过电压及其产生原因分析

1.传递过电压

在正常运行条件下,中性点绝缘或经消弧线圈接地的电网中性点位移电压很小。但是,当电网中发生不对称接地故障、断路器非全相或不同期操作时,中性点位移电压将显著增大,通过静电耦合和电磁耦合,在变压器的不同绕组之间或相邻的输电线路之间会发生电压传递的现象。若此时参数配合不利,耦合电路将产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。

现以发电机—升压变压器组接线为例分析传递过电压的产生过程。如图3-14所示为发电机—升压变压器组接线图和等值电路。其中,C 12为变压器高低压绕组间的耦合电容,C 0为低压侧每相对地电容,L为低压侧对地等值电感。

图3-14　发电机—升压变压器组的接线图和等值电路

当发生前述不对称接地短路或断路器操作时,高压侧中性点将有较高的位移电压(单相接地时为相电压)。该电压将通过静电与电磁的耦合传递至低压侧,传递至低压侧的电压为。通常低压侧消弧线圈采用过补偿运行方式,所以当L与3C 0并联后呈感性。在特定条件下,当　时,将发生串联谐振,达到很高的数值,即出现了传递过电压。当出现这种传递过电压时同时伴随消弧线圈、电压互感器等的铁芯饱和时可表现为铁磁谐振,否则为线性谐振。

防止传递过电压的措施首先是尽量避免出现中性点位移过电压,如尽量使断路器三相同期动作,不出现非全相操作等;其次,适当选择低压侧消弧线圈的脱谐度,不使回路参数形成谐振。

2.断线引起的谐振过电压

电力系统中发生基波铁磁谐振比较典型的另一类情况是断线过电压。所谓断线过电压是泛指由于导线的故障断线、断路器的非全相动作或严重的不同期切合及熔断器的不同期熔断等造成系统非全相运行时所出现的铁磁谐振过电压。只要电源侧和受电侧中任一侧中性点不接地,在断线时都可能出现谐振过电压。例如,线路断线时谐振故障录波如图3-

15所示。

图3-15　线路断线时谐振故障录波

对于断线过电压,最常遇到的是三相对称电源供给不对称三相负载。现以中性点不接地系统线路末端接有空载(或轻载)变压器,变压器中性点不接地,其中的一相导线断线为例分析断线过电压的产生过程。

图3-16　中性点不接地系统一相断线时的电路

如图3-16所示,电源内阻抗、线路阻抗等与线路容抗相比数值很小可以忽略,L为空载(或轻载)变压器的励磁电感,C 0为每相导线对地电容,C 12为导线相间电容,l为线路长度,变压器接在线路末端。若在离电源xl(x=0～1)处A相导线断线,断线处两侧A相导线的对地等值电容分别为=x C 0和=(1-x)C 0。A相电源侧导线的相间电容为=x C 12,变压器侧导线的相间电容为=(1-x)C 12。线路正序电容与零序电容的比值为

图3-17　图3-16(b)的戴维南等值串联谐振电路

一般δ=1.5～2.0。由上式可知,C 12=(δ-1)C 0。由于电源三相对称,且A相断线后,B、C相从电路上完全对称,因而可以得到如图3-16(b)的等值单相电路。利用戴维南定理可以进一步将该电路简化为一串联谐振电路,如图3-17所示。图中电源为a、b两端点间的开路电压,等值电容C为a、b间的入口电容(电压源短接),计算如下:

根据断线(非全相运行)的不同具体情况,都有相应的等值单相接线图和等值串联谐振回路。表3-3中列出了几种有代表性的断线故障的电路以及简化后的等值电容和等值电源的表达式。

表3-3　断线故障等值电路及其参数

续表

在一定的参数配合和激发条件下,非全相运行时的谐振电路可能会产生基频、高频或分频谐振。当发生基频谐振时,会出现三相对地电压不平衡,如一相升高、两相降低,或两相升高、一相降低,或三相同时升高的现象。在负载变压器侧可能会使三相绕组电压的负序分量占主要成分,造成相序反倾。

从表3-3中可以看出,第三种情况即在中性点不接地系统单相断线且负载侧导线接地时,等值电容的数值较大,即当断线故障发生在负载侧(x=1)时,电容C最大达C max=3C 0。因此不发生由于断线引起基波铁磁谐振过电压的条件为

式中:L 0为变压器不饱和时的励磁电感。

若变压器的励磁阻抗X m=ωL 0,则上述情况下不发生断线引起的基波铁磁谐振过电压的条件改写成

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【例3-2】 某10kV中性点不接地系统,线路末端接有空载变压器,其容量为100kVA,空载电流为3.5%,线路对地电容为0.005μF/km。计算断线时不发生基波铁磁谐振的线路长度。

解:由给定的变压器参数,得变压器的激磁电抗为

设线路长度为l km,则C 0=0.005lμF,则不发生基波铁磁谐振的线路长度为

可见,短路故障时,基波铁磁谐振在实际的电力系统中是完全可能发生的。

为防止断线过电压,可采取以下措施:

(1)保证断路器的三相同时动作;避免发生拒动;不采用熔断器设备。

(2)加强线路巡视和检修,避免发生断线。

(3)如断路器操作后发生异常现象,应立即复原和进行检查。

(4)在中性点直接接地的电网中,操作时应将负载变压器的中性点临时接地,此时变压器的合闸相的绕组电压已被固定,未合闸相则通过三角形的低压绕组感应出一个恒定电压,谐振条件被破坏。

(5)必要时在变压器的中性点装设棒间隙。

图3-18　带有Y 0接线电压互感器的三相回路

3.电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压

在中性点不接地系统中,为了监视三相对地电压进行电度计量或保护,在发电机或变电站母线上常接有Y 0接线的电磁式电压互感器,且其绕组中性点直接接地。于是,网络对地参数除了电力设备和导线的对地电容C 0外,还有电压互感器的励磁电感L,如图3-18所示。正常运行时,电压互感器的感抗很大,网络对地仍呈容性,三相基本平衡,电网中性点O的位移电压很小。当系统中出现某些操作(如电压互感器突然合闸,线路瞬间单相接地等)时,在某一相或两相绕组中出现巨大的涌流,使电压互感器各相电感的饱和程度不同,会出现互感器的一相或两相电压升高,就可能出现较高的中性点位移电压,可能激发谐振过电压。

由于过电压是由零序电压引起的,因此网络零序参数的不同或外界激发条件的不同,使这种过电压可以是基波谐振过电压,也可以是高次或分次谐波过电压。下面以基波谐振过电压的产生为例进行分析。

由于过电压仅取决于零序回路的参数,因此导线的相间电容、补偿用电容器组、负载变压器等都是接在相间的,对过电压没有影响,因此可以得到如图3-18(b)所示的等值电路。中性点位移电压为

式中:Y 1、Y 2、Y 3分别为三相回路的导纳。

图3-19　中性点位移时的三相电压相量图

正常运行时,Y 1=Y 2=Y 3,所以很低,一般不大于15%,各相对地导纳呈容性。扰动的结果是电压互感器上某些相的对地电压升高。假定B相、C相两相电压升高,流过L 2和L 3的电流增大,由于电感的饱和使L 2和L 3减小,这样就可能使B相和C相的对地导纳Y 2和Y 3呈感性,而Y 1呈容性,容性导纳与感性导纳的抵消作用使Y 1+Y 2+Y 3显著减小,导纳中性点位移电压大大增加。如参数配合不当使Y 1+Y 2+Y 3=0,则发生串联谐振,使中性点位移电压急剧上升,如图3-19所示为中性点位移后的相量图。中性点位移电压为U 0,在此情况下,B相、C相两相电压升高,A相电压下降。这种结果与系统出现单相接地(如A相接地)的情况是相仿的,但实际上并不存在单相接地,所以此时出现的这种现象称为虚幻接地现象。显然,中性点位移电压越高,出现相对地的过电压也越高。

长期以来的试验研究和实测结果表明,由电磁式电压互感器饱和引起的基波和高次谐波谐振过电压很少超过3p.u.,因此除非存在弱绝缘设备,一般是不危险的,但其经常引起电压互感器冒烟、高压熔断器熔断等异常现象以及引起接地指示的误动作(虚幻接地),影响电能计量及保护正确动作。从危害性而言,分频谐振的过电压最大。对于分次谐波过电压而言,由于受到电压互感器铁芯严重饱和的限制,过电压一般不超过2p.u.,但激励电流急剧增加,引起高压熔断器的频繁熔断甚至造成电压互感器的烧毁。

为了限制和消除这种铁磁谐振过电压,可以采取以下措施:

(1)选用励磁特性较好的电磁式电压互感器,或改用电容式电压互感器。

(2)在零序回路中加装阻尼电阻。电压互感器的开口三角绕组为零序电压绕组,在此绕组的两端接上电阻R(R≤0.4X T,X T为互感器在额定线电压作用下换算到电压侧绕组的单相绕组激磁阻抗),可以消除各次谐波的谐振现象。正常运行时,因为没有零序电压,R不会消耗能量。对于35kV及以下的中性点不接地系统,则阻值不能过小,因为通常允许系统内带单相接地故障运行2h,长时间接入较小的电阻,可能会使电压互感器过热而烧毁,为此最好采用非线性电阻。

图3-20　电压互感器一次绕组中性点经一次消谐装置接地实物图

(3)在母线上加装一定的对地电容,使≤0.01,则不会出现谐振。

(4)在判定产生饱和过电压时,可采取临时倒闸措施,如投入消弧线圈,将变压器中性点临时接地以及投入事先规定的某些线路或设备等。

现场采取在35kV电压互感器一次绕组中性点与地之间装设一次消谐装置的措施,消除铁磁谐振现象,如图3-20所示。