电磁式电压互感器铁磁谐振及消谐方法的分析

激磁阻抗与 C0 的容抗相等时 ,产生铁磁谐振 。因此 , TV 铁芯的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原
因 。铁磁谐振的发生 ,会给电力系统带来很大危害 。
谐振过电流引起电压互感器一次熔断器熔断或烧毁 ;
谐振过电压影响高压电气设备的绝缘性能 ,甚至影响
《电气开关 》(2010. No. 1)
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别 [ J ]. 电力系统自动化 , 1994 (4).
收稿日期 : 2009 - 11 - 25 作者简介 :刘业胜 (1982 - ) ,男 ,助理工程师 ,从事核电站电气相关的工程改造及
研究工作 。
(上接第 5页 ) 铁磁谐振时 ,单片机启动消谐程序 ,使两只并联晶闸管 交替过零触发导通 ,开口三角绕组被短接 ,迅速阻尼和 限制铁磁谐振 ;当谐振消失后 ,晶闸管自动截止 。由于 开口三角绕组短接时间短 ,不会对电压互感器工作造 成影响 。但当 Xc 与 XL 比值远小于 0101时 ,在单相接 地故障消除后 ,微机消谐器不能抑制电压互感器一次 绕组过电流 [ 4 ] 。
4 消谐方法分析
电力系统消谐方法一般从以下几个方面进行研 究 :改变电力系统电感 、电容元件参数 ,使它们不具备
谐振条件 ;快速消耗谐振能量 ,降低谐振过电压 、过电 流的倍数 ;合理地分配有功负荷 ,一般在轻载或空载条 件下易发生谐振 [ 3 ] 。在电力系统实际应用中 ,常采用 下述消谐措施 :
5 总结
本文以基于三相桥式整流电路的无刷励磁系统旋 转整流器为例 ,对目前的旋转整流器监测方法进行了介 绍 ,并对各种方法的适用性进行了分析 。从结论可知 , 氖指示灯频率检测法只可以作为辅助检测手段 ,二极管 波形探测法的适用范围较广 ,而谐波电枢原理只适用于 单支路非多只二极管并联的结构 ,因此在选择旋转整流 器监测方法时要根据旋转整流器的结构进行 。
参考文献 [ 1 ] 王瑾. 严仰光. 旋转整流器式无刷交直流发电机谐波电枢反应研 究 [ J ]. 南京航空航天大学学报 , 2006. 6 (32). [ 2 ] 李岩 ,苏学军. 无刷励磁系统谐波电枢反应的仿真与实验研究 [ J ]. 中小型电机 , 2002. 29. [ 3 ] 刘念. 无刷励磁系统旋转整流器电流波形分析及其故障的微机识
sis to the elim inating resonance available is further carried out.
Key words: voltage transformer; ferromaguetic2resonance; natural point
1 引言
为了监控电力系统的运行状态 ,电力系统中安装 了大量电磁式电压互感器 。而电磁式电压互感器属于 带铁芯的电感元件 ,当电力系统受到某些扰动 (或受 激发条件作用 )时 ,电感元件的电抗值会发生变化 ,与 电力系统中的电容构成谐振电路 。一般把带铁芯的电 感元件产生的谐振称为铁磁谐振 。
(2) 4TV 法消谐 。在电压互感器一次绕组中性点 经一台单相电压互感器接地 。相当于系统中性点接入 一个高阻抗 ,使电磁式电压互感器等值阻抗增加 。当 发生单相接地故障时 ,系统零序电压大部分降落在单 相电压互感器上 ,使电磁式电压互感器不宜饱和 ,避免 了铁磁谐振的发生 。但 4TV 法增加了电压互感器等 效电感 ,使分频谐振产生的过电流存在较长时间 ,对中 性点接单相电压互感器可能造成危害 。
现在普遍采用微机消谐器消谐 ,即在开口三角绕 组并联两只受单片机控制的反向连接的晶闸管 。微机 消谐器能区分谐振和系统单相接地故障状态 。当发生
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支路非多只二极管并联的整流器 ,而对于单支路多只 二极管并联的旋转整流结构则不适用 ,具体原因结合 整流电路分析如下 :
短路电流在三相系统 、C0 及接地点 K间流动 ,其数值
较大 (与系统正常运行时比 ) ;非故障相电压升高 3倍
额定相电压 ,使非故障相 C0 充满电 。 当单相接地故障消失后 ,非故障相 C0 经 TV 一次
绕组及其中性点放电 ,此时 TV 激磁电流突然增大 ,使
TV 铁芯处于严重饱和状态 ,其激磁阻抗下降 。当 TV
(5)其它消谐方法 。减少并联运行的电磁式电压 互感器台数 ,增大电压互感器的等值电抗 ;设计合理电 力系统中性点工作方式 ;采用励磁特性较好又不宜饱 和的电磁式电压互感器 ;在满足运行要求前提下 ,尽量 采用电容式电压互感器等 。
5 结论
(1)电压互感器一次绕组中性点经消谐电阻接 地 ,只要选择合适的消谐电阻 ,此方法既能消除铁磁谐 振过电压 ,又能抑制分频谐振过电流 。因此 ,此方法适 用于容量较大且对地电容较大的电网 。
( 2)同样以三相桥式整流电路为例 ,对于单支路 多只二极管并联的整流结构 (如图 6所示 ) ,如果出现 单支路中某一桥臂上所有二极管出现故障 ,那么此种 情况跟 (1)中描述相似 ,此时桥式整流电路结构产生 变化 ,在探测线圈中引起谐波电势发生变化 ,从而可以 进行整流器故障判断 。但是如果出现某支路中非所有 并联二极管出现故障 ,则此时三相桥式整流电路结构 并未产生变化 ,因此在励磁机电枢绕组中不会产生谐 波分量变化 ,此时探测线圈中的谐波感应电势仍以 6k 次为主 ,因此判断结果将为二极管工作正常 ,但是此时 已经出现二极管故障 ,在这种情况下谐波电枢原理法 将不适用 。所以基于谐波电枢原理的监测方法具有一 定的局限性 。
电力系统安全稳定运行 。
3 谐振激发条件与谐振类型之间的关系
在中性点不接地系统中 ,除了单相接地故障消失 后能激发铁磁谐振外 ,在下列激发条件作用下 ,也可能 产生铁磁谐振 :
(1)电磁式电压互感器突然投入运行 ; (2)线路非同期合闸操作 ; (3)线路断线 ; (4)电力系统瞬时过电压等 。 不同的激发条件 ,产生不同频率的谐振 ,根据 H · A ·Peterson对谐振区域的划分 ,谐振分为基频谐振 、 分频谐振和高频谐振三种类型 。而不同类型的频率谐 振与电力系统各相对地电容容抗 Xc 与电压互感器单 相绕 组 在 额 定 电 压 时 电 抗 值 XL 的 比 值 有 直 接 关 系 [1, 2 ] 。 (1) Xc 与 XL 比值在 0108～018范围时 ,谐振频率 等于电网额定频率 ,即发生了基频谐振 。此时 ,系统电 压表指示两相升高 、一相降低 ,线电压不变 ;过电压倍 数不超过 312 倍相电压 , 发生虚假接地信号 。利用 ATP - EM TP电磁暂态计算程序进行铁磁谐振仿真研 究发现 ,线路非同期合闸操作易激发基频谐振 ,而单相 接地故障消失后不易激发 。 (2) Xc 与 XL 比值在 0101 ～0108 范围时 ,谐振频 率为电网额定频率的 1 /2、1 /3等 ,即发生了分频谐振 。 此时 ,系统电压表指示三相升高 ,线电压不变 ;过电压 倍数较低 ,不超过 215倍相电压 ,电压表指针周期性摆 动 ;过电流很大 ,易使电压互感器一次熔断器熔断 。利 用 ATP - EM TP电磁暂态计算程序进行铁磁谐振仿真 研究发现 ,单相接地故障消失后易激发分频谐振 ,而线 路非同期合闸操作在适当的外界条件下能激发分频谐 振。 (3) Xc 与 XL 比值在 016 ～3 范围时 ,谐振频率为 电网额定频率的 3倍 、5倍等 ,即发生了高频谐振 。此 时 ,系统三相电压同时升高 ,线电压基本不变 ;过电压 倍数较大 ,最大达到 4 ～5 倍相电压 ;谐振时过电流较 小 。利用 ATP - EM TP电磁暂态计算程序进行铁磁谐 振仿真研究发现 ,线路非同期合闸操作在适当的外界 条件下能激发高频谐振 。
Abstract:B y analyzing the ferromagnetic resonance and harm of an electromagnetic voltage transformer, the relations between the electromagnetic resonance exciting conduction and its resonance types are expounded. The system atic analy2
( 1 )电压互感器一次绕组中性点经消谐电阻接地 消谐 。在单相接地故障消失后 ,消谐电阻限制 TV 一 次绕组中的励磁电流大小 ,避免 TV 铁芯过饱和使其 电抗下降 ,形成谐振电路 。消谐电阻越大 ,消谐效果越 好 ,其一般为几千欧到几万欧不等 。但是 ,消谐电阻太 大时 ,也会产生负面影响 。如 :消谐电阻越大电压降也 大 ,电阻发热严重易被烧毁 ;单相接地故障时 ,消谐电 阻承担大部分零序电压 ,使电压互感器开口三角绕组 输出电压降低 ,要影响继电保护装置动作的灵敏度 。
(1)以三相桥式整流电路为例 ,对于单支路只有 一个二极管的整流结构 (如图 5所示 ) ,如果出现一个 二极管故障 ,则三相桥式整流电路结构将被破坏 ,因此 在励磁机电枢中产生的谐波分量将会产生变化 ,从而 引起探测线圈中感应的谐波电势分量产生变化 ,因此 谐波电枢原理可适用于此种方法 。
图 5 单支路非多只 图 6 单支路多只二 二极管并联的电路 极管并联的了研究铁磁谐振
机理 ,忽略系统中的电阻 、相间电容和系统电源阻抗 ,
假设系统处于空载状态 。
系统正常运行时 ,系统中性点 N 电压为零 ,电压
互感器激磁阻抗很大 ,其激磁电流很小 ,所以 TV 铁芯
不饱和 ,其电抗数值不变 。当图 1中 K点发生单相接
地短路故障 ,系统中性点 N 的电压升高不为零 ,接地
2 铁磁谐振机理及危害
以图 1为例 ,分析中性点不接地系统中电磁式电 压互感器铁磁谐振机理 。图 1中 , TV 为电磁式电压互
图 1 中性点不接地系统接线图
感器 , TVA 、TVB 、TVC 为电压互感器三相一次绕组 , TV
一次绕组中性点直接接地 ; C0 为系统对地等效电容 ;
·
EA
、·EA
(3)电力系统中性点经消弧线圈接地消谐 。电网 发生单相接地故障时 ,消弧线圈中的电感电流补偿了 接地电容电流 ,使接地点电流大大减小 ,接地点不易产 生电弧 ,降低弧光过电压发生的几率 ;又因为消弧线圈 的电感远小于电压互感器的励磁电感 ,所以电压互感 器被消弧线圈短接 ,不会因电压互感器铁芯饱和而产 生过电压 。因此 ,此方法有效地防止电压互感器铁磁 谐振现象的发生 。
4 文章编号 : 1004 - 289X (2010) 01 - 0004 - 03
《电气开关 》(2010. No. 1)
电磁式电压互感器铁磁谐振及消谐方法的分析
戴宪滨
(沈阳工程学院 ,辽宁 沈阳 110136)
摘 要 :通过分析电磁式电压互感器铁磁谐振机理及危害 ,阐述了铁磁谐振激发条件与其谐振类型之间的关系 , 进一步对现有消谐方法进行系统分析 。 关键词 :电压互感器 ;铁磁谐振 ;中性点 中图分类号 : TM451 文献标识码 : B
( 4 )在电压互感器的开口三角绕组并联阻尼电阻 消谐 。并联阻尼电阻一般为压敏电阻 。系统正常运行 时 ,开口三角绕组输出电压为零 ,电阻呈高阻值 ;发生 谐振时 ,电压互感器一次绕组有零序电流 ,在开口三角 绕组零序电压 ,此时电阻呈低阻值且消耗谐振能量 。 从理论上分析 ,阻尼电阻越小 ,消耗谐振能量效果越显 著 ,但开口三角绕组及阻尼电阻将流过较大的电流 ,使 电压互感器和阻尼电阻烧毁 ;另外 ,阻尼电阻消谐速度 慢 ,不能短时间消除谐振过电压 ,电压互感器仍可能被 烧毁 。
Ana lysis of Ferromagnetic Resonance and Elim ina ting Resonance M ethod of Electromagnetic Voltage Tran sform er
DA I X ian2bin ( Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China)