森博工业

石化知识

您的当前位置:网站首页 >> 石化知识
谐振过电压
来源: | 发布时间:2017-11-7 9:26:39 | 浏览次数:

image.png

1.线性谐振

线性谐振中电路的参数是常数,不随电压或电流的变化而变化,不带铁心的电感元件(线路的电感、变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁心的电感元件(消弧线圈)和系统中的电容元件形成的谐振回路。有以下特点:

--自振频率ω0 固定。当它与电源频率相等或接近时,容易发生线性谐振。

--当ω=ω0  时,过电压只能由回路电阻来限制,避雷器不起作用。

--线性谐振要求有严格的参数配合。

--发生不对称短路或非全相操作时可诱发线性谐振过电压

例如:在有些大容量的配电变压器10/0.4kV空载运行时如低压侧带有电容器,很有可能产生线性谐振,进而损坏设备,这样的情形时有发生。

用消弧线卷进行补偿的电网,在发生单相接地和切除时、及发生单相断线时,伴随着不同程度的线性谐振现象。

2.参数谐振过电压

水轮发电机在同步运行状态下,其电抗将在:

           之间周期性地变动。    

 如果外接负载的容抗满足条件:

                

或        image.png          

    且损耗R足够小时,就有可能在此电感参数周期变化的震荡电路中激发起一种特殊性质的参数谐振现象。

3.非线性谐振(铁磁谐振)

image.png

铁磁谐振三种状态

image.png

即使是基波谐振,也可能含有高次谐波,这是铁磁谐振的重要特点

 --基波铁磁谐振分析:

  带铁心的电感元件的伏安特性是一条曲线,正常时工作在线性段,当某种原因出现饱和时工作在饱和段。

     电容的伏安特性一直是一条直线。

     在基波频率下, ωL0 >1/ωc 

                 即 ω0 =1/√L0c﹤ω

    当电感为未饱和时,回路的自振频率ω0小于电源频率ω,电网不会发生谐振。

而发生饱和时,电感值下降(L﹤L0),回路的ω0会增加接近或等于ω,这是发生的工频谐振的必要条件。

另外还需要一定的程度外界能量,冲击激发持续的铁芯谐振,这种现象称为外激现象。

外激原因有:电网的突然合闸(三相不同期)、发生故障和故障消除等。这些都有可能在短时间内电感两端电压升高大电流的振荡过程或铁芯电感励磁涌流。一旦激发起来,谐振可以自保持,维持很长时间不会衰减。

---高频和分频铁磁谐振分析:

将基波铁磁谐振公式ωL0 >1/ωc 

                 即 ω0 =1/√L0c﹤ω

               中的ω换成

             ωi=kω     k=n/m

         n  m 为自然数。

      当k为正数时,此时谐振为高频谐振;

      当k为分数时,此时谐振为分频谐振

对于高频铁磁谐振来说,最易发生的是二次和三次谐波谐振,五次也有可能。三次谐波因为变压器通常由一侧绕组接成三角形,对三次谐波形成短路。由于电感对高频的高阻抗作用,七次谐波已很少见。

另外电网的有功负载也能起到抑制谐波的作用。

对于分频谐波,由于谐振频率很低,励磁感抗急剧减少,使得励磁电流迅速增大,因此分频谐振不仅具有一定幅值得过电压,还会在电感线卷中出现极大的电流,从而造成温升和电动力。

--- 铁磁谐振的共同特性:

①产生铁磁谐振的根本原因是电感元件的铁芯的非线性特性。当电感元件的励磁电流增大到一定数值时,超过铁芯的线性区间而进入饱和区,在饱和区波形产生严重的畸变,畸变的波形根据傅立叶变换,可分解成若干个频率不同的正弦波。在这一系列的正弦波中,有非常大的可能性找到某一频率ωi,使得在ωi之下发生电感同外部电路中的电容发生L-C 谐振。  

②使电感元件的铁芯由线性区间进入非线性饱和区间,是由于电网在某种原因下,产生了一定幅值的不平衡电压,这个不平衡电压加在PT等电感元件上,使得PT铁芯饱和

③在多种情形下,电网会产生不平衡电压。如:单相接地故障,断路器的三相不同期合闸,变压器的投入,元件发生断相运行,系统中三相参数不平衡等因素。当不平衡电压超过一定数值,PT就极有可能会饱和,进而极有可能引发铁磁谐振。

④铁磁谐振回路可产生三种谐振状态:

        谐振频率等于工频的工频谐振或基波谐振;

        谐振频率高于工频的高频谐振;

        谐振频率低于工频的分频谐振。

⑤当回路中的某一参数(电容C)或外加电势E虽然作平滑变化,但回路的工作状态可能会发生突变,谐振振荡可能会突变式地产生或消失,这种现象称为铁磁谐振的跃变。

⑥当电网中存在一定的损耗电阻的情况   下,铁磁谐振过电压的幅值会受到电感铁磁芯饱和效应的限制。

⑦电网中的避雷器,对铁磁谐振过电压不能起到限制作用。相反很有可能因铁磁谐振过电压长时间不消除导致避雷器爆炸的事故。

常见的发生铁磁谐振过电压有以下几种情形:

 1)断线谐振过电压

     这里所谓的断线,是指由于导线因故障折断、断路器非全相动作或严重不同期、熔断器一相或两相熔断等原因造成电力系统非全相运行的现象。只要电源侧或负荷侧有一侧中性点不接地,断线可能组成复杂多样的非线性串联谐振回路,出现谐振过电压。   

断线谐振会导致系统中性点位移及绕组、导线对地产生过电压,严重时发生绝然闪络、避雷器爆炸、小电动机反转,还有可能将过电压传递到低压侧。

在6--35 kV系统中,断线引起的过电压事故是较为频繁的。通常最大过电压发生在断线相上,使得该处的绝然易遭受破坏及避雷器爆炸。

在中性点直接接地的110--220 kV系统中,因断路器不同期和拒动、断线所引起的铁磁谐振过电压也经常发生。对中性点分级绝然的变压器来说,由于中性点避雷器的灭弧电压很低,常在谐振过电压下动作而爆炸。

断线引发的铁磁谐振大部分情况是激发电磁式PT谐振,也有一部分是激发空载或轻载变压器谐振。

 防止断线过电压的措施:

    ①加强线路巡视和检修,及早发现导线的机械损伤,避免发生架空线断线。

    ②提高检修质量,保证断路器的三相同期性,避免发生某一项拒动。

    ③不用熔断器设备,避免非全相运行,或采用三相联动的负荷开关。

    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。

    ⑤不将空载变压器长期挂在线路上运行。

    ⑥必要时在中性点加间隙保护,保护中性点设备绝然。

    ⑦中性点经消弧线卷接地的电网,要运行在过补偿状态。

    ⑧消弧线卷应装在电源侧,避免装在负荷侧。

    ⑨增加系统阻尼,消弧线卷串联或并联一个电阻或经电阻接地,都能减低铁磁谐振过电压的幅值。

2)多台PT中性点接地引发的分频谐振过电压

如果一个系统中有多台电压互感器的中性点接地,会恶化PT的特性,极易造成谐振过电压。研究表明,它的谐振以分频谐振最为常见。

防范措施:

 ①运行方式上,可采用分段供电,一段母线接一台中性点接地的电压互感器。

 ②尽量减少同一系统中性点接地的电压互感器,特别是负荷侧,应明确不应采用中性点接地的电压互感器。

 ③增加消谐电阻。在开口三角加消谐器

3)主变压器送空载母线出现虚假接地现象

110kV主变压器向35kV、10kV、6kV空母线,或35kV主变压器向10kV、6kV空母线送电,经常发生35kV、10kV、6kV空母线的电压互感器的中性点电压发生位移,并发生接地信号,但实际上母线侧并没有接地现象,这种现象称为虚假接地现象,是一种铁磁谐振过电压。

母线虚假接地,是由于工频谐振造成的。其原因为,在高压断路器合闸时,有不平衡电压的“激发”,作用于母线PT,母线PT的二相铁芯严重饱和而导纳呈感性,另一相仍为容性。呈感性的二相电压升高,中性点偏移至电压三角形之外,为了保持三相电压向量之和为零得平衡条件,呈容性的一相电压降低并同原来反方向。

母线虚假接地或称为虚幻接地

     是由于PT饱和及工频谐振引起电压位移的重要标志。至于具体是哪一相接地具有随机性。

防范措施:在主变合闸时,中性点临时接地。

 4)双电源定相过电压

在双电源电网内,当某一电源侧的线路检修之后或新设备投运之前,必须事先确定其相位,以防非同期合闸。但定相测试时,如采取不正确的做法,也会引起铁磁谐振,产生严重的过电压,危及人身和设备安全。

如果用电磁式PT定相,无论是一个单相PT,还是两台单相或两台三相PT,当PT接入系统时,它改变了系统中原来的电磁状态。当接入的PT刚好同系统中的电容形成谐振条件,再加上系统中或多或少都存在不平衡电压,此时就会引发PT饱和而发生铁磁谐振。

防止定相过电压

 ①在中性点不接地系统进行时,应采用电阻定相杆法。

 ②在中性点直接接地系统进行定相时,无论采用哪一种方法都不会产生谐振过电压。如果不是中性接点直接接地系统,但被定相的两个电网的电源变压器中性点均已引出,则定相时可将两台变压器的中性点临时接地,以防谐振过电压的产生。

③当必须利用外接电压互感器进行定相时,可用35kVPT在10(6)kV电网中进行,也可用电容式电压互感器进行定相。

 ④当利用两台中性点接地的电压互感器进行定相时,如电源变压器中性点不接地,为了消除互感器引起的铁磁谐振过电压,可将互感器的中性点临时不接地,或在开口三角绕组上接入适当的电阻。

5)消谐装置失效引起的谐振过电压

我国的配电网络为了防止谐振过电压作了大量的预防工作,特别在消谐装置应用方面作出了突出贡献。但是在实践中也发现,现行的消谐装置故障或选用不当,会导致或加剧铁磁谐振。

对消谐装置失效的防范措施:     

   ①各种消谐器投入运行前应进行交接试验,投运后还要进行测试。

   ②消谐器选型要注意同PT相配合。

   ③对已安装的微机二次消谐器,要加强管理。

   包括试验、巡检及故障原因分析等。

   ④同一组PT的三相绕组特性应尽量相同。

 6)单相接地引发的铁磁谐振过电压

 由于单相接地故障,导致中性点出现位移,常常在接入电磁式的PT的系统中引起铁磁谐振。

7)中性点绝缘系统中电磁式PT引起的铁磁谐振过电压

系统中即使没有大的扰动,但由于几种因素叠加作用,使得中性点位移电压达到某一数值,从而发生铁磁谐振。

对电磁式PT谐振的防范措施:

   ①选用伏安特性较好不易饱和的PT,可明显降低谐振概率。

   ②尽量减少系统中中性点接地的PT的数量,增加互感器中总感抗值。

   ③增大对地电容,有利于减少铁磁谐振的可能。     

   ④在零序回路中增加阻尼电阻或利用高性能的消谐装置。

   ⑤如有可能,使用电容式PT。

8)传递过电压

电网中发生不对称接地故障,开关非全相或不同期动作时,网内将出现零序电压和三相电流不对称,通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合,或直接传递作用,在相邻的送电线路之间或变压器绕组之间会产生电压的传递现象。当系统接有电压互感器等铁磁元件时,还可能构成串联谐振回路,产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压

传递过电压的传递方式:

        ①相邻架空或电缆线路之间

        ②变压器绕组之间

        ③直接传递

传递过电压预防措施

①临时将变压器低压侧的中性点接地。

②避免变压器高压侧有较长时间的三相不同期或高压侧端路器不对称拒动,避免在高压侧使用熔断器。

③在低压侧不装设消弧线卷和C0很小的情况下,可在低压侧装设电容器。

④装设消弧线卷后,应保持一定的脱谐度或中性点加装电阻。

⑤低压侧装设避雷器可以阻止传递过电压。

9)减少铁磁谐振发生机率的措施

①110kV及220kV系统采用带有均压电容的断路器开断连接有电磁式电压互感器的空载母线,经验算有可能产生铁磁谐振过电压时,宜选用电容式电压互感器。已装有电磁式电压互感器时,运行中应避免可能引起谐振的操作方式,必要时可装设专门消除此类铁磁谐振的装置。

②由单一电源侧用断路器操作中性点不接地的变压器出现非全相或熔断器非全相熔断时,如变压器的励磁电感与对地电容产生铁磁谐振,能产生2.0p.u~3.0p.u.的过电压;有双侧电源的变压器在非全相分合闸时,由于两侧电源的不同步在变压器中性点上可出现接近于2.0p.u.的过电压,如产生铁磁谐振,则会出现更高的过电压。

      操作时变压器中性点接地

③经验算如断路器操作中因操动机构故障出现非全相或严重不同期时产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点为标准分级绝缘、运行时中性点不接地的110kV及220kV变压器的中性点绝缘,宜在中性点装设间隙及保护。在操作过程中,应先将变压器中性点临时接地。

有单侧电源的变压器,如另一侧带有同期调相机或较大的同步电动机,也类似有双侧电源的情况。

④3kV~66kV不接地系统或消弧线圈接地系统偶然脱离消弧线圈的部分,当连接有中性点接地的电磁式电压互感器的空载母线(其上带或不带空载短线路),因合闸充电或在运行时接地故障消除等原因的激发,使电压互感器过饱和则可能产生铁磁谐振过电压。

为限制这类过电压,可选取下列措施:

     a 选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器。

     b 减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量,除电源侧电压互感器高压绕组中性点接地外,其它电压互感器中性点尽可能不接地。

     c 个别情况下,在10kV及以下的母线上装设中性点接地的星形接线电容器组或用一段电缆代替架空线路以减少XC0,使XC0<0.01Xm。

    注:Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗。

    d  在互感器的开口三角形绕组装设)的电阻(K13为互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比)或装设其它专门消除此类铁磁谐振的装置。

     10kV及以下互感器高压绕组中性点经Rp·n≥0.06Xm(容量大于600W)的电阻接地。

     e 3kV~66kV不接地及消弧线圈接地系统,应采用性能良好的设备并提高运行维护水平,以避免在下述条件下产生铁磁谐振过电压:

      e-1配电变压器高压绕组对地短路;

      e-2送电线路一相断线且一端接地或不接地

    f 有消弧线圈的较低电压系统,应适当选择消弧线圈的脱谐度,以便避开谐振点;无消弧线圈的较低电压系统,应采取增大其对地电容等措施(如安装电力电容器等),以防止零序电压通过电容,如变压器绕组间或两条架空线路间的电容耦合,由较高电压系统传递到中性点不接地的较低电压系统,或由较低电压系统传递到较高电压系统,或回路参数形成串联谐振条件,产生高幅值的转移过电压。

⑤减少出现中性点位移电压的可能性

a  加强设备管理,减少设备故障率;

           b 提高断路器检修质量,严格控制三相合闸不同期。

           c  严格控制发电机、电动机、变压器三相绕组的直流电阻的不平衡率。

          d  密切注意架空线路的三相参数不平衡造成的中性点位移,必要时采取措施。

           f   在投运主变时,要合上中性点接地刀闸。

          g  用于无功补偿的电容器组,在接入10/6kV母线时,对抑制谐振和减少不平衡电压位移有双重作用。 

更多内容可以进入森博工业专家论坛-接地系统方式选择及小电流接地弧光过电压的防护与治理版块进行讨论


相关内容:

企业防过电压防护的具体措施

工频过电压

操作过电压

内部过电压

过电压绝缘配合原则

 
 
 上一篇:工频过电压
 下一篇:雷电过电压及对企业危害形式
友情链接:中国机电一体化技术应用协会 石化论坛 展会网 大型仪器共享平台 成都民达电力 中国天辰工程有限公司 中国化学工程集团公司

主管单位:中国机电一体化技术应用协会-工程技术发展中心

版权归属 承办单位:北京森博文化传播有限责任公司  

电    话:010-57258103 010-57024427  传    真:010-53020787  邮    箱:kefu@sunper-ind.com sunperind@163.com 

ICP备案编号:京ICP15031648-2