一种铁磁谐振抑制和消除新方法

一种铁磁谐振抑制和消除新方法摘要：本文以岳阳电网220kv汉昌变发生的一起10kv母线电压互感器烧坏事故为分析基础。

在详细地介绍了铁磁谐振基础上，建立了事故发生时变电站10kv母线与配网的电气模型，并在此基础上分析了铁磁谐振发生原因。

针对一、二次消谐装置存在的优缺点之后，提出了一种新型的智能消谐装置，并介绍了新装置的工作原理，仿真结果证明了该装置能够有效地抑制和消除铁磁谐振。

abstract： based on the case that 10kv busbar voltage transformer burned out in yueyang 220kv grid in hanchang transformer substation， the paper presents ferroresonance and establishes the electrical model of 10kv busbar and distribution network of transformer substation， and analyzes the cause of ferroresonance. aiming at the advantages and disadvantages of primary and secondary harmonic devices， the paper puts forward a new type of intelligent harmonic devices，and introduces the operation principle， simulation results shows that the device is able to effectively suppress and eradicate the ferroresonance.关键词：电压互感器：铁磁谐振；智能key words： pt；magnetic resonance；smart中图分类号：tm451 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）14-0054-030 引言为了保证供电的可靠性，变电站内主变的10kv侧中性点不接地，由于线路中传输的交流电对地存在充放电效应[1]，因此配电线路（尤其是电缆线）对地存在分布电容，接于10kv母线上的电压互感器从工作原理上来说就相当于一个三相小容量变压器，各相感抗相等，互感器中性点电压等于零。

但如当投入空载母线、线路断线、雷击、单相接地障发生和消失或者系统的一些其他干扰引起电压上升的时候，电压互感器的原边励磁感抗随着励磁电流的增大会逐渐饱和从而使得励磁阻抗急剧减小[2]，当励磁阻抗与线路和系统电容发生或者接近谐振的时候就会使得电压互感器两端过电压，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。

2012年8月岳阳电网220kv汉昌变就发生了一起因铁磁谐振引起的电压互感器烧坏事件，本文深入分析铁磁谐振发生的原因，总结了一些常用的消谐方法，并提出一种新型抑制和消除铁磁谐振的装置。

1 系统运行方式和事件发生过程220kv汉昌变10kv出线是平江县城主供电源之一，变电站2012年8月16日，当时天气比较恶劣，有暴风，19：20分岳阳电业局监控中心报220kv汉昌变10kvⅱ母三相电压不平衡ua=7.86kv，ub=uc=12.35kv，拉开10kv汉洪ⅰ线后，系统谐振现象消失，但是10kvⅱ母电压为ua=ub=10.5kv，uc=0。

仍存在c相接地现象，当班调度员通知维操人员到达汉昌变检查设备，调度令拉开10kv汉高线后，接地现象消失。

当班调度员通知维操人员到达汉昌变，在检查高压室的时候发现现场有烟雾，10kv3x24tv已经烧坏。

2 事件原因分析根据事故发生时监控人员向调度汇报的系统运行遥测数据和听取现场维操人员对设备的检查情况汇报，初步可以判断事件发生的原因是恶劣的天气条件引起10kv汉洪ⅰ线线路瞬间接地，造成电压互感器两端过电压，从而引发它与系统电容产生谐振，拉开汉洪ⅰ线后谐振消失，此时由于刮风的缘故10kv汉高线又发生了c相接地。

2.1 铁磁谐振分类和特征由于对地电容和互感器的参数不同，在变化的感抗和不同频率的激励源作用下，可能产生三种频率的共振：基波共振、高次谐波共振和分频谐波共振[2]。

各种共振的表现形式如下：基波共振：发生基波共振时，可分为两种现象特征，一是系统由两相电压升高，一相电压电压略低，电压互感器的中性点对地有电压差并且高于相电压（或者电压互感器副边开口三角形有电压），类似单相接地；或者是二相对地电压降低，一相对地电压升高，中性点有电压，以第一种情况较为常见。

分频谐波共振：分频谐振也就是电感与电容谐振频率在低于工频，此时互感器三相电压会同时升高，并且电压互感器中性点有电压，发生分频谐振是电压互感器一次电流会急剧增加，甚至可达正常额定电流的30～50倍或者更高。

中性点电压频率大多数低于1/2工频。

高次谐波共振：高次谐波谐振时，电压互感器三相电压同时升高，中性点有较高电压，频率主要是三次谐波，这是因为电压互感器励磁绕组饱和后会产生较多的三次谐波。

2.2 铁磁谐振的原因分析变电站的10kv母线上都装设电磁式的电压互感器（tv），在某些扰动下如电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等，使电压互感器发生三相不同程度的饱和，以至破坏了电网的对称，电网中性点就出现较高的位移电压，设l1为tv三相并联的零值电抗，而当l1与3c0回路达到固定振荡频率时，将会在系统中产生谐振现象。

随着系统对地的电容3c0的增大，依次发生高次（2、3次）、基波、1/2次分频谐振。

谐振一旦形成，如果谐振激励源一直存在或者谐振回路阻尼较小，谐振状态可能“自保持”，维持很长时间不衰减直到遇到新的干扰改变了谐振的条件才可能消除。

设等效电路图中的谐振激励源为■，电流为■，电压互感器线圈上的电压为■l，等效电容电压为■c，向量图如下。

从以上向量图可以看出在串联谐振电路中，当电感、电容的参数配合适当，随着激励源频率的不同，电容或者电感上的电压都有可能成倍的超过激励源，谐振过电压的倍数与激励源的倍数与谐振回路阻尼r、电压互感器在饱和情况下电感变化范围以及激励源自身频率成分有关。

3 常见的铁磁谐振抑制和消除方法防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气参数着手，破坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。

这样既可防止电压互感器发生磁饱和，又可预防电压互感器铁磁谐振过电压的产生。

3.1 一次消谐法一次消谐在压变高压绕组中性点接消谐电阻如下图6所示，消谐电阻的作用有两点：一是起到振荡回路阻尼的作用，可以防止振荡电流过大和振荡时间过长；二是将振荡回路的能量进行泄放，在发生铁磁谐振时，消谐电阻既能消除电压互感器饱和过电压和抑制低频饱和电流，又能防止高压熔丝熔断，同时只要阻值选择适当，就不影响压变的正常运行，但每一台压变都必须装设（尤其是较易发生铁芯饱和的压变），适用于电网较大、对地电容较大的场合。

采用这种消谐方式，由于在电压互感器中性点接入了电阻，电网有接地发生或者三相平衡被破坏时，消谐电阻与互感器绕组进行了分压，从而使得系统测量电压偏低，影响测量精度。

3.2 二次消谐二次消谐器采用高性能的单片微机作为核心元件，对tv开口三角电压（即零序电压）进行循环检测。

正常工作情况下，该电压小于30v，装置内的大功率消谐元件（固态继电器）处于阻断状态，对系统运行不产生影响。

当tv开口电压大于30v 时，系统出现故障。

消谐装置开始对此信号进行数据采集，通过电路对信号进行数字测量、滤波、放大等数字信号处理技术，然后对检测到的数据进行分析、计算，得出故障类型。

如果当前是铁磁谐振，系统立即启动消谐电路，使固态继电器导通，让铁磁谐振在阻尼作用下迅速消失。

此时，cpu系统进行记录、存贮，并自动报警、显示谐振信息（时间、频率、电压值）。

二次消谐发能有效地抑制压变饱和过电压，但它有一定局限性，无法抑制低频饱和电流，特别是当电压互感器发生谐振，并且谐振电流很大时，由于二次侧开口三角形被短路，造成一次侧互感器电流变得更大，同时装于消谐装置装设在二次侧，无法抑制一次侧高压涌流，互感器熔丝仍然容易熔断；适用于电网较小，对地电容不大的场合。

4 智能铁磁谐振抑制和消除法从以上分析可知无论是一次消谐还是二次消谐，虽然能取得一定的消除和抑制铁磁谐振的作用，但两种方法都存在一定的局限性和缺陷。

针对这种情况，本文提出一种基于可控硅的智能铁磁谐振消谐方法，如下图8所示，该方法较好的综合一次消谐和二次消谐优点，基于可控硅的智能控制系统能够很好的弥补一次和二次消谐振方法的缺点。

4.1 工作原理分析图8中，智能消谐系统由四部分组成：检测系统、决策系统、输出部分以及执行部分。

检测系统用于实时检测电网各种运行数据，如电压、电流、频率成分等，并把这些数据送入决策系统；基于专家知识库的决策系统接收从检测系统检测的数据来判断电网是否发生了谐振和谐振类型；输出系统根据控制系统判断结果将控制信号输入执行部分；执行部分用于控制双向晶闸管的导通角度。

电压互感器发生谐振时，控制系统判断出谐振类型和算出双向晶闸管的导通角度和导通时刻，输出系统将这些信号直接转换为执行硬件的控制脉冲。

当系统发生接地或者对称性被破坏时，初始状态下双向晶闸管是不导通的，在决策系统做出判断之前，这是中性点对地相当于开路，从而避免了由于消谐电阻与电压互感器分压，保证了消谐装置检测系统参数的准确性。

当电压互感器与系统发生谐振时候，双向晶闸管可正向和反向导通不同的角度，从而等效控制谐振回路的阻抗，这样可以有效的破坏振荡回路的谐振条件，也减小了振荡电流。

4.2 仿真分析为了验证新型铁磁谐振装置的有效性和正确性，在电力系统仿真软件psim中搭建了仿真模型，如下图所示，通过合理的设置系统参数，仿真模拟了系统持续发生接地，由于电压互感器励磁绕组两端过电压发生饱和与系统容抗形成铁磁谐振。

仿真结果显示，在系统发生单相弧光接地时，电压互感器与系统对地电容发生谐振时，新型智能消谐装置投入后能够很好地消除铁磁谐振。

在谐振激励源持续存在的时，一次或者二次消谐装置只能被动的将谐振能量释放而不能起到破坏谐振条件的作用，基于可控硅的智能消谐装置既能有效的破坏谐振条件同时将谐振回路的能量进行释放，而且基于专家知识库的决策系统还能判断出谐振的类型，并依据谐振类型和谐振的强度输出不同的控制脉冲。

5 结语本文提出的的一种新型智能消谐装置，综合了一次消谐装置能防止电压互感器饱和过电压和抑制低频饱和电流，又能防止高压熔丝熔断以及二次消谐装置能够进行智能判定和快速进行谐振能量释放的优点，而且克服了一次、二次消谐装置存在消谐电阻分压和泄放电流过大的缺点。