鐵磁諧振實驗開發及其研究

賀秋麗,李如琦,陳新苗,梁志堅,王輯祥,王慶華

(廣西大學電氣工程學院,廣西南寧 530004)

在電力系統中,鐵磁諧振是一個常見的故障,當產生某種沖擊擾動時,例如,斷路器的突然合閘,電網產生瞬時接地等,都可能使一相或兩相對地電壓瞬間升高,致使電壓互感器的鐵心飽和,激磁電感下降,在某些情況下,電壓互感器的非線性電感就會和系統的對地電容產生鐵磁諧振。鐵磁諧振是小接地電流系統運行中常見的故障,它會引起電壓互感器高壓保險熔斷或燒毀、絕緣擊穿、避雷器爆炸等事故,危及系統供電安全[1,2,3],研究配電網鐵磁諧振現象這個課題具有非常重要的現實意義。

1 鐵磁諧振的產生

中性點不接地系統中,三相對地導納為YA、YB、YC,各相對地電壓由下式表示

式中,rA、rB、rC為各相對地泄漏電阻,一般可認為無窮大,CA、CB、CC為各相對地電容 ,LA、LB、LC為電壓互感器各相電感。

電壓互感器是一種鐵磁元件,正常運行時,互感器不飽和,其電感很大,式(3)中各相導納表現為容性且三者相差甚小,由于三相電壓基本對稱,式(2)表示的中性點位移電壓是很小的。但是,當產生某種沖擊擾動時,例如斷路器的突然合閘、電網產生瞬間弧光接地、雷電干擾等,都可能使一相或兩相對地電壓瞬間升高,致使電壓互感器的鐵心趨于飽和,激磁電感急劇下降,使中性點位移電壓明顯上升,當參數的配合使總導納(YA+YB+YC)接近于零時,就會產生鐵磁諧振,使系統中性點的位移電壓大大增加。各相對地電壓是其電源電壓和中性點電壓的矢量和,這就使各相對地電壓與正常運行情況發生了顯著的變化。發生鐵磁諧振時,中性點位移電壓(即零序電壓)反映到電壓互感器的開口三角上,可能發出接地信號。

2 實驗平臺的分析與介紹

該實驗平臺模擬的是一個很簡單的小電流接地系統,將其分為5個部分進行分析與介紹,包括:電源部分,模擬線路部分,互感器部分,消弧線圈部分,接地部分。

2.1 電源部分

電源部分接線如圖1所示,選用三臺型號為NDK(BK)-100的單相變壓器,其變比為 380/220V,容量為100VA。三臺變壓器一次側三角形接法,二次側為星形接法,形成了變壓器組。

2.2 模擬線路部分

任意兩個導體之間隔以絕緣介質就形成了電容,電力網三根導線對地或導線之間都存在著分布電容,這些電容將引起附加電流。對于線路部分的模擬,由于是小電流接地系統,線路是通過電容聯系起來,忽略掉線路電感,研究的是在穩態下的實驗,可用集中電容來模擬。如圖1所示,選用型號為CBB61的交流電容器,容量為1uF5%,耐壓500VAC,出線每相接上2只電容來模擬系統對地電容。

2.3 互感器部分

2.4 消弧線圈部分

消弧線圈部分接線如圖1所示,變壓器中性點N通過轉換開關QL接入消弧線圈L,以實現中性點不接地和中性點經消弧線圈之間的切換。消弧線圈L選用型號為TSGC-6的三相調壓器,其容量為6kVA,選擇其中一相,來構成可調電抗器。

2.5 接地部分

接地部分接線如圖1所示,出線一相(A相)通過接地開關Qd與地線相連接,以實現單相接地與不接地間的切換。在進行過渡電阻影響實驗時,在Qd和地之間接入一個滑動變阻器,如圖1中虛線所示。

將以上各個部分連結起來,組成實驗平臺的總體接線如圖1所示,所有的實驗都將在該系統的基礎上進行。

3 電壓互感器鐵磁諧振實驗

實際電力系統產生鐵磁諧振,是由于某種外因使電壓互感器的鐵心趨于飽和,激磁電感急劇下降所致。根據式(2)、(3)可知,三相對地導納 YA、YB、YC之間的大小和性質(容性、感性)差別較大而使三者之和較小時,就可以使中性點位移電壓上升,從而模擬鐵磁諧振。為此,用改變對地電容的方法使參數不平衡,就可以產生鐵磁諧振現象。實驗步驟如下:

圖1 小電流接地系統總體接線圖

方案一、A相全斷線(無電容)激發鐵磁諧振

(1)按圖1小電流接地系統實驗平臺接線,系統簡化電路圖如圖2(a),每相并聯2只1uF的電容器,接入星形—星形—開口三角電壓互感器 TV,加上電源,測量正常運行時各相對地電壓(UAd、UBd、UCd)、中性點對地電壓UNd及開口三角電壓U0,各相對地電容電流(Ica、Icb、Icc)、流入互感器電流(Ifa、Ifb、Ifc)填入表格1中。

(2)斷開電源,將A相所接的2只電容器全斷開,模擬線路在電源端完全斷線,使系統各相對地參數不平衡,此時A相全斷線(無電容)的系統等效電路如圖2(b),A相對地導納為感性,B、C相為容性。合上電源后測量各參數填入表格1中。并用示波器觀察各相對地電壓,中性點對地電壓的波形、相位差及其諧波含量。

(3)畫出一次側三個相電壓、三相對地電壓和中性點位移電壓矢量圖并進行分析。

圖2

表1

從表1可知,UBd和UCd均升高,而UCd最高,流入互感器C相的電流400mA,C相嚴重飽和,故C相電壓升高最大,B相略微升高。

方案二、電壓互感器一次A相并聯可調電感器

(1)在實驗平臺圖1基礎上,電壓互感器一次側A相并聯一個可調電感器(用兩個調壓器串聯代替)接地,將可調電感器調至最大,合上電源,測量結果填入表2。

(2)緩慢調小可調電感器,并測量填入表2。調節可調電感器時,注意觀察電壓互感器各相電流表讀數的變化情況,當有某一相讀數突然躍升時(此時也會聽到電壓互感器某相發出很大的噪音說明已發生諧振)停止調節,測量結果填入表2。

(3)繼續緩慢調小可調互感器直至到0(0時為A相接地),然后迅速將可調電感器調到步驟(2)中剛開始發生諧振的位置,再緩慢往回調大可調電感器,觀察諧振情況,測量紀錄各量填于表2,用示波器觀察各相電壓電流波形及其諧波。

表2 (說明:可調電感位置為兩調壓器串聯后總刻度之和)

4 鐵磁諧振防止實驗

實驗平臺如圖1,對方案一鐵磁諧振做消諧實驗。

(1)加上電源,測量正常運行時各參數填入表格3中。

(2)斷開電源,將A相所接的2只電容器全斷開,模擬線路在電源端完全斷線,使系統各相對地參數不平衡,觸發鐵磁諧振,合上電源后測量填入表格3中。

(3)在A相無電容而B、C相接2只并聯電容的情況下,將電壓互感器 TV開口三角繞組上并接200W的白熾燈泡,測量各參數。

(4)將200W燈泡換成100W,合上電源后測量各參數填入表格3中。

(5)在A相無電容而B、C相接2只并聯電容的情況下,將電壓互感器TV開口三角繞組短接,在高壓側中性點串接一臺零序電壓互感器一次繞組(采用一臺單相380/100V互感器),合上電源后測量各參數填入表格3中。

(6)在A相無電容而B相、C相接2只并聯電容的情況下,電壓互感器原邊中性點經500、1000、2000歐電阻接地,合上電源后測量各參數填入表格3中。

(7)在A相無電容而B相、C相接2只并聯電容的情況下,系統變壓器中性點經消弧線圈(用一個調壓器代替,且把調壓器調至最大430位置)接地,合上電源,緩慢把消弧線圈從欠補償狀態調至過補償狀態(即把電壓器調小),合上電源后測量各參數填入表格3中。

表3

通過表3的數據,看出各種消諧措施的效果都不一樣。

(1)電壓互感器開口三角并接電阻對抑制鐵磁諧振的效果:200W燈泡的抑制效果比100W的好,因200W燈泡的電阻比100W燈泡電阻要小。

(2)電壓互感器一次側經零序互感器接地對抑制鐵磁諧振的效果:當電壓互感器一次側接入零序電壓互感器接地后,中性點位移電壓降為126V,越原來的430V的諧振時電壓相比已明顯降低了很多,但是與接200W或100W燈泡的抑制效果稍微差些。

(3)電壓互感器一次側中性點經電阻接地:當電壓互感器一次側中性點接入電阻500歐接地后,系統中性點位移電壓UNd從原來的430V降到了195V,可知諧振得到了抑制,隨著電阻增大到1000歐和2000歐時,中性點位移電壓UNd再次降低,分別為161.5V和141V,可見電阻越大對抑制鐵磁諧振的效果越好,但是與前面兩項消諧措施相比卻顯得差些了。因為接入的電阻是個耗能元件,在等效電路中相當于一個阻尼電阻,電阻越大阻尼越強,抑制鐵磁諧振過電壓效果越好。

(4)中性點經消弧線圈接地:當接入消弧線圈后,中性點位移電壓UNd降到350V,隨著消弧線圈的調小,中性點位移電壓還不斷的降低,當消弧線圈調到350位置時IL=163mA>Icb=155mA,說明此時消弧線圈已到過補償狀態,而此時的 UNd為253V,已減少了 。隨著消弧線圈繼續調小,中性點位移電壓不斷降低,十分明顯。

5 結語

本文重在研究鐵磁諧振的內在規律,分析了鐵磁諧振的機理,鐵磁諧振的一些特征通過實驗手段很好地反映了出來。并對加入阻尼電阻的消諧原理進行分析,是對現有理論的補充,取得了顯著的實驗效果。為確保電力系統網絡穩定運行,提高電力系統的安全可靠性,針對鐵磁諧振過電壓物理機理和抑制方法有待更進一步深入探討。

[1]王輯祥.電氣工程實踐訓練[M].中國電力出版社,2007

[2]文遠芳.高電壓技術[M].華中科技大學出版社,2001年

[3]楊保初,劉曉波,戴玉松.高電壓技術[M].重慶大學出版社,2001年