铁磁谐振实验开发及其研究

2011-04-26贺秋丽李如琦陈新苗梁志坚王辑祥王庆华

电气电子教学学报 2011年1期

贺秋丽,李如琦,陈新苗,梁志坚,王辑祥,王庆华

(广西大学电气工程学院,广西南宁 530004)

在电力系统中,铁磁谐振是一个常见的故障,当产生某种冲击扰动时,例如,断路器的突然合闸,电网产生瞬时接地等,都可能使一相或两相对地电压瞬间升高,致使电压互感器的铁心饱和,激磁电感下降,在某些情况下,电压互感器的非线性电感就会和系统的对地电容产生铁磁谐振。铁磁谐振是小接地电流系统运行中常见的故障,它会引起电压互感器高压保险熔断或烧毁、绝缘击穿、避雷器爆炸等事故,危及系统供电安全[1,2,3],研究配电网铁磁谐振现象这个课题具有非常重要的现实意义。

1 铁磁谐振的产生

中性点不接地系统中,三相对地导纳为YA、YB、YC,各相对地电压由下式表示

式中,rA、rB、rC为各相对地泄漏电阻,一般可认为无穷大,CA、CB、CC为各相对地电容 ,LA、LB、LC为电压互感器各相电感。

电压互感器是一种铁磁元件,正常运行时,互感器不饱和,其电感很大,式(3)中各相导纳表现为容性且三者相差甚小,由于三相电压基本对称,式(2)表示的中性点位移电压是很小的。但是,当产生某种冲击扰动时,例如断路器的突然合闸、电网产生瞬间弧光接地、雷电干扰等,都可能使一相或两相对地电压瞬间升高,致使电压互感器的铁心趋于饱和,激磁电感急剧下降,使中性点位移电压明显上升,当参数的配合使总导纳(YA+YB+YC)接近于零时,就会产生铁磁谐振,使系统中性点的位移电压大大增加。各相对地电压是其电源电压和中性点电压的矢量和,这就使各相对地电压与正常运行情况发生了显著的变化。发生铁磁谐振时,中性点位移电压(即零序电压)反映到电压互感器的开口三角上,可能发出接地信号。

2 实验平台的分析与介绍

该实验平台模拟的是一个很简单的小电流接地系统,将其分为5个部分进行分析与介绍,包括:电源部分,模拟线路部分,互感器部分,消弧线圈部分,接地部分。

2.1 电源部分

电源部分接线如图1所示,选用三台型号为NDK(BK)-100的单相变压器,其变比为 380/220V,容量为100VA。三台变压器一次侧三角形接法,二次侧为星形接法,形成了变压器组。

2.2 模拟线路部分

任意两个导体之间隔以绝缘介质就形成了电容,电力网三根导线对地或导线之间都存在着分布电容,这些电容将引起附加电流。对于线路部分的模拟,由于是小电流接地系统,线路是通过电容联系起来,忽略掉线路电感,研究的是在稳态下的实验,可用集中电容来模拟。如图1所示,选用型号为CBB61的交流电容器,容量为1uF5%,耐压500VAC,出线每相接上2只电容来模拟系统对地电容。

2.3 互感器部分

2.4 消弧线圈部分

消弧线圈部分接线如图1所示,变压器中性点N通过转换开关QL接入消弧线圈L,以实现中性点不接地和中性点经消弧线圈之间的切换。消弧线圈L选用型号为TSGC-6的三相调压器,其容量为6kVA,选择其中一相,来构成可调电抗器。

2.5 接地部分

接地部分接线如图1所示,出线一相(A相)通过接地开关Qd与地线相连接,以实现单相接地与不接地间的切换。在进行过渡电阻影响实验时,在Qd和地之间接入一个滑动变阻器,如图1中虚线所示。

将以上各个部分连结起来,组成实验平台的总体接线如图1所示,所有的实验都将在该系统的基础上进行。

3 电压互感器铁磁谐振实验

实际电力系统产生铁磁谐振,是由于某种外因使电压互感器的铁心趋于饱和,激磁电感急剧下降所致。根据式(2)、(3)可知,三相对地导纳 YA、YB、YC之间的大小和性质(容性、感性)差别较大而使三者之和较小时,就可以使中性点位移电压上升,从而模拟铁磁谐振。为此,用改变对地电容的方法使参数不平衡,就可以产生铁磁谐振现象。实验步骤如下:

图1 小电流接地系统总体接线图

方案一、A相全断线(无电容)激发铁磁谐振

(1)按图1小电流接地系统实验平台接线,系统简化电路图如图2(a),每相并联2只1uF的电容器,接入星形—星形—开口三角电压互感器 TV,加上电源,测量正常运行时各相对地电压(UAd、UBd、UCd)、中性点对地电压UNd及开口三角电压U0,各相对地电容电流(Ica、Icb、Icc)、流入互感器电流(Ifa、Ifb、Ifc)填入表格1中。

(2)断开电源,将A相所接的2只电容器全断开,模拟线路在电源端完全断线,使系统各相对地参数不平衡,此时A相全断线(无电容)的系统等效电路如图2(b),A相对地导纳为感性,B、C相为容性。合上电源后测量各参数填入表格1中。并用示波器观察各相对地电压,中性点对地电压的波形、相位差及其谐波含量。

(3)画出一次侧三个相电压、三相对地电压和中性点位移电压矢量图并进行分析。

图2

表1

从表1可知,UBd和UCd均升高,而UCd最高,流入互感器C相的电流400mA,C相严重饱和,故C相电压升高最大,B相略微升高。

方案二、电压互感器一次A相并联可调电感器

(1)在实验平台图1基础上,电压互感器一次侧A相并联一个可调电感器(用两个调压器串联代替)接地,将可调电感器调至最大,合上电源,测量结果填入表2。

(2)缓慢调小可调电感器,并测量填入表2。调节可调电感器时,注意观察电压互感器各相电流表读数的变化情况,当有某一相读数突然跃升时(此时也会听到电压互感器某相发出很大的噪音说明已发生谐振)停止调节,测量结果填入表2。

(3)继续缓慢调小可调互感器直至到0(0时为A相接地),然后迅速将可调电感器调到步骤(2)中刚开始发生谐振的位置,再缓慢往回调大可调电感器,观察谐振情况,测量纪录各量填于表2,用示波器观察各相电压电流波形及其谐波。

表2 (说明:可调电感位置为两调压器串联后总刻度之和)

4 铁磁谐振防止实验

实验平台如图1,对方案一铁磁谐振做消谐实验。

(1)加上电源,测量正常运行时各参数填入表格3中。

(2)断开电源,将A相所接的2只电容器全断开,模拟线路在电源端完全断线,使系统各相对地参数不平衡,触发铁磁谐振,合上电源后测量填入表格3中。

(3)在A相无电容而B、C相接2只并联电容的情况下,将电压互感器 TV开口三角绕组上并接200W的白炽灯泡,测量各参数。

(4)将200W灯泡换成100W,合上电源后测量各参数填入表格3中。

(5)在A相无电容而B、C相接2只并联电容的情况下,将电压互感器TV开口三角绕组短接,在高压侧中性点串接一台零序电压互感器一次绕组(采用一台单相380/100V互感器),合上电源后测量各参数填入表格3中。

(6)在A相无电容而B相、C相接2只并联电容的情况下,电压互感器原边中性点经500、1000、2000欧电阻接地,合上电源后测量各参数填入表格3中。

(7)在A相无电容而B相、C相接2只并联电容的情况下,系统变压器中性点经消弧线圈(用一个调压器代替,且把调压器调至最大430位置)接地,合上电源,缓慢把消弧线圈从欠补偿状态调至过补偿状态(即把电压器调小),合上电源后测量各参数填入表格3中。

表3

通过表3的数据,看出各种消谐措施的效果都不一样。

(1)电压互感器开口三角并接电阻对抑制铁磁谐振的效果:200W灯泡的抑制效果比100W的好,因200W灯泡的电阻比100W灯泡电阻要小。

(2)电压互感器一次侧经零序互感器接地对抑制铁磁谐振的效果:当电压互感器一次侧接入零序电压互感器接地后,中性点位移电压降为126V,越原来的430V的谐振时电压相比已明显降低了很多,但是与接200W或100W灯泡的抑制效果稍微差些。

(3)电压互感器一次侧中性点经电阻接地:当电压互感器一次侧中性点接入电阻500欧接地后,系统中性点位移电压UNd从原来的430V降到了195V,可知谐振得到了抑制,随着电阻增大到1000欧和2000欧时,中性点位移电压UNd再次降低,分别为161.5V和141V,可见电阻越大对抑制铁磁谐振的效果越好,但是与前面两项消谐措施相比却显得差些了。因为接入的电阻是个耗能元件,在等效电路中相当于一个阻尼电阻,电阻越大阻尼越强,抑制铁磁谐振过电压效果越好。

(4)中性点经消弧线圈接地:当接入消弧线圈后,中性点位移电压UNd降到350V,随着消弧线圈的调小,中性点位移电压还不断的降低,当消弧线圈调到350位置时IL=163mA>Icb=155mA,说明此时消弧线圈已到过补偿状态,而此时的 UNd为253V,已减少了。随着消弧线圈继续调小,中性点位移电压不断降低,十分明显。