諧振與消諧裝置

消弧和消諧的區(qū)別

消弧：在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地短路時，中性點電位將上升到相電壓，這時流經(jīng)消弧線圈的電感電流與單相接地的電容性故障電流相互抵消，使故障電流得到補償，補償后的殘余電流變得很小，不足以維持電弧，從而自行熄滅。

消諧：電力系統(tǒng)中有許多鐵芯電感元件,例如變壓器、電壓互感器、消弧和并聯(lián)補償電抗器,這些大都為非線性元件,它和系統(tǒng)的電容組成許多復(fù)雜的振蕩回路,如果滿足一定的條件,就可激發(fā)起持續(xù)時間較長的鐵磁諧振過電壓。發(fā)生鐵磁諧振時產(chǎn)生的較高過電壓和較大的過電流,極易使電力設(shè)備的絕緣損壞,嚴(yán)重情況下危及運行人員的安全。消諧裝置的作用就是消除鐵磁諧振。

鐵磁諧振

在中性點不直接接地系統(tǒng)中，電壓互感器PT通常接在母線上，其一次側(cè)繞組接成星形，中性點直接接地，因此各相對地勵磁電感與導(dǎo)線對地電容之間各自組成獨立的振蕩回路，并可看成是對地的三相負(fù)荷。

正常工況下，三相對地負(fù)荷是平衡的，電網(wǎng)的中性點處在零電位。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生沖擊擾動時，可能使一相或兩相的對地電壓瞬間提高，使得電壓互感器的勵磁電流突然增大而發(fā)生飽和，其等值勵磁電感相應(yīng)減小，可能與系統(tǒng)對地電容形成參數(shù)匹配，從而引發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，造成系統(tǒng)過電壓和PT繞組過電流。

為何鐵芯飽和后電感減小

上述鐵磁諧振的形成原理，有一句話可能不好理解：鐵芯飽和后勵磁電感相應(yīng)減小。從物理意義上說，電感是表征電感元件存儲磁場能力的參數(shù)，在數(shù)值上等于單位電流產(chǎn)生的磁鏈。下面從公式推導(dǎo)：

在變壓器/電壓互感器額定運行時：

N1為變壓器一次側(cè)繞組的匝數(shù)。S為鐵芯導(dǎo)磁截面積，L為鐵芯平均長度。

圖為磁化曲線，表示物質(zhì)中的磁場強度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強度B之間的關(guān)系。

當(dāng)鐵芯飽和時，磁導(dǎo)率減小，磁導(dǎo)減小，勵磁電感減小，勵磁電抗也減小。上述推導(dǎo)也可以解釋為什么當(dāng)正常運行時PT的勵磁電抗很大，當(dāng)鐵芯飽和時勵磁電抗很小。

PT諧振區(qū)域圖

設(shè)L0為PT三相并聯(lián)的等值電抗，3C0為線路對地電容。當(dāng)L0與3C0回路達到固定震蕩頻率時，會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。隨著系統(tǒng)對地電容3C0的增大，依次發(fā)生高頻、基頻、分頻諧振（稍后我們會介紹這三種諧振的特點和危害）。諧振一旦形成，其狀態(tài)可能自保持，并維持很長時間。如上圖所示，橫坐標(biāo)為：系統(tǒng)每相對地容抗與額定線電壓下PT繞組勵磁電抗的比值。縱坐標(biāo)為鐵磁諧振激發(fā)電壓Ex與PT工作線電壓Ux的比值。1表示分頻諧振，2表示基頻諧振，3表示高頻諧振。從上圖可以看出，隨著橫坐標(biāo)容抗與感抗比值的增大，系統(tǒng)分別處于1/2次諧振、基波和高頻諧波諧振區(qū)域，不同頻率諧振區(qū)的最低臨界激發(fā)電壓逐漸增大，分頻諧振所需的激發(fā)電壓最低，因此在實際運行條件下，只要滿足一定的參數(shù)條件，分頻諧振是最容易發(fā)生的。

諧振特點及危害

基波諧振：系統(tǒng)兩相對地電壓升高，一相對地電壓降低，但不為零。中性點對地電壓(可由互感器輔助繞組測得電壓)略高于相電壓，類似單相接地；或者是兩相對地電壓降低，一相對地電壓升高，中性點有電壓。前者更為常見。分頻諧波共振：三相電壓同時升高，中性點有電壓，這時電壓互感器一次電流可達正常額定電流的30～50倍甚至更高。中性點電壓頻率大多為1/3工頻或1/2工頻。因為頻差，三相電壓表出現(xiàn)低頻擺動。高次諧波共振：往往三相電壓同時升高，中性點有較高電壓，頻率主要是三次諧波。分次諧波諧振時過電壓并不高，但電壓互感器電流極大，易使PT因過熱而爆炸；基波諧振時電流并不大，而過電壓較高；高次諧波諧振時，一般電流不大，過電壓很高，經(jīng)常使設(shè)備絕緣損壞。

消諧方法

產(chǎn)生條件：要想針對諧振采取針對性解決措施，首先要了解鐵磁諧振產(chǎn)生的條件：

①中性點非有效接地系統(tǒng)②非線性電感元件和電容元件組成的振蕩回路③振蕩回路中的損耗足夠小，所以諧振實際上多發(fā)生在系統(tǒng)空載或輕載時④電感的非線性要相當(dāng)大⑤有激發(fā)作用，即系統(tǒng)有某種電壓、電流的沖擊擾動，如跳合閘、瞬間短路等。

為了消除PT的鐵磁諧振過電壓，主要從改變電感電容參數(shù)和消耗諧振能量兩方面來考慮。系統(tǒng)的運行方式是實時變化的，即使在選擇設(shè)備時盡量避免電感電容參數(shù)耦合，但仍無法完全避免諧振產(chǎn)生。消耗諧振能量方面目前系統(tǒng)中較常使用的有一次消諧器和二次微機消諧器。

一次消諧

一次消諧器是高容量非線性電阻，安裝在電壓互感器一次繞組中性點，正常運行時阻值很大，單相接地或其他原因中性點電位升高，則電阻值下降，減小中性點偏移度，快速抑制過電壓，避免諧振。另外，由于 6～35kV電網(wǎng)中性點不接地，母線上 Y0 接線的 PT 一次繞組將成為該電網(wǎng)對地唯一金屬性通道，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地或接地消失時，電網(wǎng)對地電容通過PT一次繞組有一個充放電過渡過程，此時常有最高幅值達數(shù)安培的工頻半波涌流通過PT，此電流有可能將PT高壓熔絲熔斷。在電壓互感器中性點安裝一次消諧器能有效限制這類涌流，避免了熔絲熔斷。

二次消諧

二次消諧是在電壓互感器的二次開口三角繞組裝設(shè)的微機消諧裝置，能夠?qū)?PT 開口三角電壓進行實時循環(huán)檢測。正常工作情況下，該電壓較小，裝置內(nèi)的大功率消諧元件（可控硅）處于阻斷狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響。當(dāng)檢測到開口三角電壓大于 30V 時，表示有故障發(fā)生，于是裝置開始對開口三角電壓進行數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)字測量、濾波、放大等數(shù)字信號處理技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析、計算，判斷出當(dāng)前的故障狀態(tài)。如果出現(xiàn)某種頻率的鐵磁諧振 （一般在17~150Hz 之間），CPU 立即啟動消諧電路（使可控硅導(dǎo)通），讓鐵磁諧振在強大的阻尼下迅速消失。 在開口三角處并聯(lián)消諧電阻，若消諧裝置內(nèi)部可控硅出現(xiàn)故障，報警接點導(dǎo)通啟動交流接觸器，接觸器啟動大容量電阻，從而消除諧振。系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時，裝置瞬時啟動消諧元件，將 PT 開口三角繞組瞬間短接，產(chǎn)生強大阻尼，從而消除鐵磁諧振。

主要難點

微機消諧裝置的主要難點在于對基波諧振和單相接地的區(qū)分，通常，將當(dāng)U0≥ 150V時定為基頻諧振；當(dāng)30V≤U0<145V時定為單相接地故障。另外鐵磁諧振時PT電感與線路電容構(gòu)成諧振回路，此時各線路對地電容電流為零，因此不存在零序電流；而單相接地時各線路出現(xiàn)零序電流。