10-35kV中性点不直接接地系统中,电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上,其一次侧绕组接成 Y 形,中性点直接接地,因此各相对地励磁电感与导线对地电容之间各自组成独立的振荡回路,并可看成是对地的三相负荷。在正常运行条件下,三相对地负荷是平衡的,电网的中性点处在零电位,当电网发生冲击扰动时,可能使一相或两相的对地电压瞬间提高,使得电压互感器的励磁电流突然增大而发生饱和,其等值励磁电感相应减小,这样,三相对地负荷变成不平衡了,中性点就发生位移电压,结果可能使一相对地电压升高,另外两相则降低;铁磁谐振过电压的幅值一般不超过 1.5-2.5 倍的系统最高运行相电压(个别可达到 3.5 倍《SDJ-79 电力设备过电压保护设计技术规程》),而且持续时间很长, 无法利用避雷器来限制。
铁磁谐振过电压基本上可分为 3 种类型;基波谐振(50Hz)、高次波谐振(3 次波、5 次波、7 次波等)、分频谐振(2 分频、3 分频)。
分频谐振一般电压不高,电流较大,铁心易饱和发热,造成绝缘击穿破坏。
基波和高次频谐振时,一般电流不大,电压很高,造成的后果是产品表面闪络,层间绝缘击穿,直接发生弧光接地。
根据有关资料的运行经验也证明以上的论述,发生分频谐振时,三相对地电压都升高,且过电压较低,容易烧毁 PT 保护熔丝;发生基频谐振时,一相对地电压降低,两相对地电压升高,且超过线电压;高频谐振时,三相对地电压都升高,过电压较大。
而解决谐振的方法只有几种:一、改变线路的参数,使谐振达不到激发的程度;二、通过阻尼抑制来消耗谐振的能量;三、负荷侧优先选用“V-V”接线方案,电源侧选用“Y”型接法;四、选用电容式电压互感器,但电容式电压互感器成本高,精度低,过电压后电容量降低,自谐振等不利因素。因此第二种和第三种则是比较合理的办法;
目前为了解决 PT 烧毁事故发生,行业内普遍采用的防谐振措施:加 装一次消谐器,二次消谐器或消谐 PT 这三种方法。
一次消谐器的核心是串接高容量非线性压敏电阻,根据中性点的电压变化而改变阻值,从而达到消除谐振的目的。该类消谐的方法最大的缺点就是系统运行的不确定性等因素,造成中性点一直有电压,一次消谐器长期处于工作状态而发热失效。
微机消谐的核心就是在电压互感器二次开口三角绕组处并联可变阻尼,通过二次绕组的阻尼抑制(通过开口三角电压产生的电流来抑制抵消一次绕组的磁通)来消除谐振。然而在开口三角处接入可变阻尼的方法常常会因阻尼阻值不当引发系统性风险,同时微机也存在信号干扰,故障辨识困难的缺点。微机消谐的另外一个缺点对长时间谐振问题无法解决,如果有长时间谐振,则剩余绕组长期处于短路状态,则会造成互感器铁心发热而失效。
系统的运行方式是实时变化的,即使在选择设备时尽量避免电厂电容参数 耦合,仍无法完全避免谐振产生,降低 PT 的磁密将是解决问题的关键所在,因此 4PT 方案就凸显出其优点了。而 4PT 方案则是经过了多年的运行和改进,已经趋于成熟和完善。
下面就简要说明一下 4PT 对 3 种谐振的关系。
1. 基频和高频谐振:谐振电压与谐振频率的关系
以上是彼德逊曲线做的模拟曲线,左边是2 种样品的伏安特性曲线,右边是谐振区域的曲线,其中U 为试验电压的相电压,√3Uph 为铁芯电感的额定线电压,并取U=√3Uph 时的励磁电流作为基准值。当Xc0=1/ωC0 在一定区域内则发生谐振。而这两种谐振的最明显特征则是过电压,所以当发生谐振时,该互感器为全绝缘结构,可以承受住过电压,消谐PT 一次的高阻又起到了消除谐振的目的。二次绕组的串接,还可以抵消励磁电流。
2. 分频谐振:铁芯磁密与频率的关系
其中 e 为匝间电压,f 为频率,S 为铁芯截面积;e,S 为定制,PT 制作之后就无法改变,当存在 1/3 分频,1/2 分频或者是 2/3 分频,改变的频率,那么铁芯磁密就会有明显的变化,按最严重的 1/3 分频其瞬间磁密将达到 2.4T 左右,铁芯严重饱和;这种互感器设计的时候一般磁密为 0.8T,已经考虑到单相接地 1.9Upr时 8h 运行,不过此时的磁密仅仅为 1.5T 左右,远小于 2.4T,采用消谐 PT 后,发生故障时电压会通过中性点将一部分电压施加到消谐绕组上,此时对于 PT 的磁密就远远小于其保护磁密了。
4PT 方案最后的办法是通过压差式结构设计,改变系统的运行方式。
方案一
方案二
方案三
方案一存在的问题就是剩余绕组长期处于短路状态,容易造成产品发热失 效。
方案二存在的问题是 1a、1b、1c 经过消谐 PT 绕组后,容量下降很大,约为30%左右,如果是做为计量使用,当系统出现谐波时,对计量干扰很大,基本不能有效的进行电量的测量。
方案三主 PT 测量绕组与消谐 PT 绕组分开,当系统故障时,不会影响主 PT 的测量和计量;而消谐 PT 的测量绕组 o、n 通过表计监控,可以对如微机后台进行记录。消谐 PT 采用压差式设计,即一次绕组电阻加大,二次绕组电阻减小的原则设计,从而降低一次绕组分次波震荡的暂态过程,二次绕组导线加粗,提高了二次绕组的过载能力。
但在实际应用过程中,还会因谐波问题造成的二次不平衡问题,这情况一般是 3 次谐波造成,稳妥的办法是用频率表测量一下开口三角处的频率,如果确实是 3 次谐波的问题,那需要用有源滤波来处理了。
以上是个人经验所谈,如有不适之处,望各位朋友指正。