电力系统铁磁谐振分析综述

如 "N:N 年以来石家庄供电公司共发生 "" 次铁磁 谐振 多数是空倒母线 第一次事故发生时""% K* 导线段母线上的所有金属不接地部分出现严重的 电晕放电及绝缘子放电 响声巨大 段母线正常 结 *烧毁 自从 "NN& 年以后电 果导致段母线 .相 ) 网) *采用 () *法增加了一个 ) * 从而使谐振发生 *法是一种预防谐振 的几率大大降低 由此可见() 的有效措施
图 #!基频谐振相平面图
: $ ! $ ! 9分频谐振状态
当 )为 "%% 9 ,%% CM时 系 统将发 生分频 谐振 此时相平面图为 # 条封闭轨线 如图 , 所示 与其相 B < C=54 D 指数谱 % %, %"& ' 对应的 8 " * # *+ , * + %, %"L ( 表明此时电路解仍为周期解其周期为系 统电源电压周期的 # 倍系统发生 " 7 # 分频谐振
< 9结论
铁磁谐振的发生和类型同线路 ) *感抗以及线路 对地电容大小存在密切联系 当今分析铁磁谐振的 方法很多利用小波以及非线性动力学可以比较透彻 地揭示铁磁谐振的发生机理 铁磁谐振的消谐措施 主要有微机消谐 一次侧加电阻消谐() *法消谐等 综合比较() *法是一种相对较好的方法
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: " ! 9* +,. ) (/ 指数
非线性动力学中8 B < C=54 D 指数描述相空间轨迹 上 # 个非常接近的点沿各自轨迹运动一段时间后的 分开程度 由 8 B < C=54 D 指数可判断动力系统解的性 阶系统 8 B < C=54 D 指数定义为 质 " F @ G " 7 # F 5H % # 7 % % H "E " "
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小波变换事实上是利用一系列的滤波器对信号 进行滤波每进行一个尺度的小波分解 就会提取出 一个频段 的 信 号 分 量 这 样 选 择 一 个 合 适 的 采 样 率, 种频率的谐振 " 7 , 分频" 7 # 分频 基频 将被 分解到不同的频段上因此从小波变换各尺度细节分 量中选出能量最大的尺度从而判断谐振的类型 故障点 幅值突变点 是可以用小波检测出来的 对于 " 7 # 和 "7 , 频谐振来说 谐振点是明显的频率突 变点但对于基频谐振来说 无论幅值还是频率突变 都不是很明显 基频谐振实际中并不是十分严格的基 频所以不是完全没有频率突变 这就更要用到信号 处理方 法 中 在 时 频 局 部 化 方 面 极 具 优 势 的 小 波 来 检测 因为铁磁谐振检测既需要检测突变点 又需要进 行分频考虑到计算的简洁性 希望尽量用一种小波 < =>0 6 ?@ 0 3 所提出的小波 简称 变换实现两个目的 ; A> 小波 作为良好的紧支集正交小波 首先被作为考 虑对象 虽然 A> 小波存在分频不到位的现象 即分 频不是很严格 但对于谐振频率检测来说 只要检测 出能量最大的分析尺度即可 并不需要十分严格的分 频 因为要进行信号的局部分析 所以小波函数的宽 度 即支集 窄一些会比较好 支集越小的小波对突 变点的检测效果越好 但函数的光滑性越差 频域分 辨率越低 根据著名的不确定性原理 小波函数的时 域分辨率和频域分辨率是一对矛盾值 应根据实际情 况进行选择与调和 ,
$ " ! 9谐振的分类特点
根据谐振的频率不同 可以分为低频 高频和基 频谐振 各种谐振具备以下不同的特点 " 低频谐振过电压倍数较低一般不超过 #$ & 倍的相电压 三相电压表的指示数值同时升高 而且 有周期性的摆动线电压指示正常 # 高频谐振 过电压倍数较高 三相电压表示 数同时升高最大值达相电压的 ( 9 & 倍 线电压基本 正常过电流较小 , 基频谐振三相电压表中指示数值为两相高 一相低线电压正常过电流很大往往导致电压互感器 熔丝熔断 甚至烧毁电压互感器过电压倍数在 ,$ #倍 相电压以内伴有接地信号指示即虚假接地现象#
电容为 )
: $ ! $ $ 9基频谐振状态
)为 L%% 9 ,%% CM时 系 统进 入 基 频 谐 振 状 态 相平面图见图 # 谐振曲线为封闭轨线此时 8 B < C=54 D 指数谱 % %$ %%: N %$ %"# " 此时 " E # EI , EI 电路有周期解其频率与系统电源频率相同
$ 9铁磁谐振分析
$ " $ 9# $ % $ & ' ()谐振分布原理
多年来国内外许多专家学者对铁磁谐振现象做 了大量的理论研究和实验分析 特别是 $ . $ / 0 1 0 2 3 4 5 的研究揭示了铁磁谐振的内在规律 $ . $ / 0 1 0 2 3 4 5 等人通过模拟试验 对 铁磁谐 振 进 行了全面的研究得出谐振随着对地电容和电压互感 器起始励磁电感的增大 依次会发生高频 基频和分 频谐振谐振曲线如图 " 所示 由图 " 可见 铁心电 感的伏安特性愈好 铁心越不易饱和 谐振区域愈向 ! 愈大 其中 右移也即谐振所需要 的 阻 抗 参 数 ! 6 47 8 0
# $
, 阶 系 统 中 将 , 个 8 B < C=54 D指 数 从 大 到 小 排 列即规定 的谱为 " # , 下式为该系统不同
图 (!混沌状态相平面图
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电!力!设!备
的过电流 '
第 : 卷 第 "# 期
; 9消谐措施
; " $ 9微机消谐装置
微机消谐装置也称二次消谐器 被安装在 ) *的 开口三角绕组上 正常运行或者发生单相接地故障 时装置不动作 而一旦判断电网发生铁磁谐振时 便 会使正反并联在开口三角两端的 # 只晶闸管交替过 零触发导通以限制和阻尼铁磁谐振 当谐振消除后晶 闸管自行截止必要时可以重复动作 装置启动消谐 期间晶闸管全导通呈低阻态 电阻为几 G 至几十 G 该阻值非常小足以产生阻尼高频基频及分频 , 种谐振效果 而且对整个电网有效 即一个系统中只 需选择 " 台互感器安装消谐装置即可 微机消谐装 置的主要缺点是难以正确区分基波谐振和单相接地
! 9利用小波分析铁磁谐振
近年来随着小波理论的研究深入 采用小波变换
经验交流
分析铁磁谐振也是一个新的研究方向
孙增杰等电力系统铁磁谐振分析综述
类型解对应的 8 B < C=54 D 指数谱特性 平衡点 I I I " # , E 周期解 混沌解 % I I " # , E J % I " # , E 拟周期解 % % I " # , E
图 ,!分频谐振相平面图
: $ ! $ : 9混沌谐振状态
当 )E N% CM时 系统电路将发生混沌谐振 这 样的系统参数在实际运行中一般不会出现 但从理论 上对混沌谐振状态的分析有助于其他系统中对混沌 谐振的鉴别和防治 相平面将为不封闭的轨线 如图 ( 所示 此时 8 B < C=54 D 指数谱 %, %,' ' % " * # * %, %,L L 这表明此时电路的解为混沌解 , *+
! " " #年 $ !月 !期 第 %卷 第 $
电!力!设!备 !
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孙增杰" 王铁强" 王海棠#
"$河北省电力公司河北省 石家庄市 %&%%#" #$ 燕山大学电气工程学院河北省 秦皇岛市 %''%%( 摘!要 铁磁谐振是配电网运行中的一种常见现象多发生在中性点不直接接地的配电网中 谐振导致的过电压和过 * 过热烧毁影响线路的正常运行 文章针对铁磁谐振的发生机理及其分类进行了概述 电流往往会使电压互感器 ) 并对当前研究铁磁谐振的各种方法和消谐措施做了总结 关键词 铁磁谐振小波相空间消谐措施 中图分类号) + ,""
&
= 9参考文献
" !重庆大学南京工学院$ 高电压技术 + $ 重庆 重庆大学出版 社"N:,$ # !周铁军 王田蓉$ 供电系统中电压互 感器铁 磁谐振 现象分 析 Q $ 煤矿机电$ #%%& ( L& 9 L'$ , !杨秋霞宗伟田璧元$ 基于小波分析的铁磁谐振检测 Q $ 电 网技术$ #%%' "" &' 9 &: '#$ ( !张博鲁铁成杜晓磊$ 中性点接地系统铁磁谐振非线性动力学 分析 Q $ 高电压技术#%%L " ,' 9 (%$ & !郑鹏鹏$ 配电网综合消谐措施的探讨 Q $ 电力设备#%%& , &L 9 &N$ ' !王亮施围$ 沙玉洲 等$ 采用 () *法的配电网中铁磁谐振的研 $ 高电压技术#%%& "% ": 9 #%$ 究 Q
例如选 取 系 统 额 定 电 压 有 效 值 为 电 压 基 准 值 & ""% 7 ,E ',$ &" K* 选取电压互感器额定容量为 > E 槡 . 则阻抗基准值为 ( 容量 基 准 值 ' > E,%% * > E
# & '> E ",$ (( + 系统母线及其他设备的等值对地 > 7
: 9铁磁谐振的非线性动力学分析
: " $ 9相空间及相平面
相空间是一种抽象的数学空间 时域内动力系统 特性可由系统状态变量确定的相点在相空间中的运 动状态表示 若相点由 # 个系统状态变量确定 则该 相点将在二维空间即相平面中运动 在铁磁谐振电路中 任意时刻的电路状态可用此 时互感器电压变量和铁心磁通变量确定的相点在相平 面中的运动轨线表示 随着时间的推移在相空间中 相点由初始点开始沿确定轨线运动 若相点运动轨线 是封闭曲线则该动力系统具有周期解 对于动力系 统的混沌解其相空间中的轨线将永远不会封闭 (
$ . $ / 0 1 0 2 3 4 5 曲线 图 "!! 是线路零序容抗! 是) *额定线电压下的感抗 6 4 8 0 / 0 1 0 2 3 4 5 由试验得出谐振区域与阻抗比 ! ! 有直接 6 47 8 0 关系 对 于 " 7 # 分 频 谐 振 区 域 阻 抗 比 ! ! 6 47 8 0约 为 %$ %" 9 %$ %: 基频谐振区域 ! ! 约为 %$ %: 9 %$ : 6 47 8 0 高频谐振区域! ! 约为 %$ '9 ,$ % 当改变电网零 6 47 8 0 ! 随之改变 回路可能会由一种谐振 序电容时 ! 6 47 8 0 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不会发生
; " ! 9一次消谐阻尼器
一次消谐阻尼器 如 8 O P型阻尼器 实际上是将 一个非线性消谐电阻 -串接于电压互感器一次侧的 中性点与地之间系统正常运行时 -呈高阻值 可达 几百 K 阻尼作用大 使谐振在最初不易发生 当 发生谐振时 -也可以在很短的时间内消除谐振 但 是一次消谐装置也存在以下缺点只能消除本 ) *谐 振需要选用较大热容量的消谐电阻防止烧毁
" 9引言
在中性点不接地的配电网中 为了监视三相对地 电压变电站和发电机的母线上都接有电磁式电压互 * 其一次绕组接成星形 中性点直接接地 感器 ) 这样电网对地参数除了电力设备和导线的对地电容 外还有 ) *对地励磁电感共同构成了振荡回路 正 常运行时 ) * 的 励 磁 感 抗 很 大 网 络 对 地 阻 抗 呈 容 性三相基本平衡中性点的位移电压很小 系统不会 发生谐振 但在某些情况下 如单相接地故障消失和 重合闸操作不当时 产生暂态冲击的过程会使 ) *的 三相励磁电 感 迅 速 饱 和 且 各 相 的 饱 和 程 度 差 别 很 大致使三相对地阻抗明显不平衡 电网中性点出现 较高的位移电压从而出现过电压使 ) *和三相对地 电容构成的振荡回路产生 ) *谐振 铁磁谐振 ) * 谐振是配电网中出现最为频繁和造成事故最多的一 种内因过电压现象 它不仅会造成系统过电压 而且 会造成 ) *过电流 过热冒油 爆炸 母线短路 ) *保 险熔断等事故严重影响配电网的安全运行 " 本文 针对铁磁谐振的发生机理及其分类进行了概述 并对 当前研究铁磁谐振的各种方法和消谐措施做了总结