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热敏电阻型一次限流消谐器的研究及应用

jiang_0514  发表于 2009/8/26 15:27:55      1711 查看 1 回复  [上一主题]  [下一主题]

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热敏电阻型一次限流消谐器的研究及应用
作者:宁夏电力科技教育工程院 吴旭涛 艾绍贵 樊益平 严南征  来源:赛尔输配电产品应用变压器及仪器仪表卷 总第81期
  摘要:在中性点非有效接地系统中,电磁式电压互感器的铁磁谐振过电压是出现为最频繁、造成事故最多的一种内部过电压。运行经验表明,传统的PT消谐措施,并不能有效地遏制PT铁磁谐振过电压事故的发生。研究表明,用热敏电阻制作消谐器,更适合消除PT铁磁谐振。应用情况也证明了热敏电阻型一次限流消谐器对于消除PT铁磁谐振确实具有良好的效果。同时,热敏电阻型一次限流消谐器还能够有效地防止因熔断器不能可靠熔断所引发的母线短路故障。
  
  关键词:中性点非有效接地系统;电磁式电压互感器;铁磁谐振;热敏电阻;一次限流消谐器
  
  1引言
  
  在中性点非有效接地系统中,电磁式电压互感器(以下简称PT)铁磁谐振过电压是出现最频繁、造成事故最多的一种内部过电压。PT铁磁谐振过电压,往往会导致PT熔断器熔断,甚至导致PT烧损,PT柜、避雷器、电缆头爆炸,母线全停,对电网的安全运行构成了极大的威胁,并严重影响了供电的可靠性。虽然目前电网已采取了各种消谐措施,但依然未能遏制PT铁磁谐振过电压事故的上升势头。此外,某些情况下PT饱和时的励磁电流增长,不会造成PT一次熔断器立即熔断。经过一段时间的电流作用后,热量的累积最终会导致熔断器的熔断,但电弧往往不能熄灭。持续的燃弧会造成熔管炸裂,从而引发PT柜内母线短路事故。
  
  2 PT铁磁谐振的机理及传统消谐技术分析
  
  2.1 PT铁磁谐振的发生机理概述

  
  在中性点非有效接地系统中,为了测量三相对地电压和监视对地绝缘,PT的中性点直接接地。如图1所示,网络参数除了电力设备和导线对地等效电容C0外,还有PT的励磁电感L。
  
  图1中性点非有效接地系统的等效网络

  
  正常运行时,PT的励磁阻抗很大,并与网络的对地等效电容并联。由于网络中的感抗大于容抗,所以网络对地阻抗仍呈容性。但当系统中出现某些扰动,使PT三相电感饱和程度不同时,PT的励磁电感将与网络的对地电容构成特殊的谐振回路,产生谐振过电压。根据网络参数的不同,PT谐振的类型包括:工频谐振、高频谐振和分频谐振三种类型,其中分频谐振会造成PT的严重饱和,因此危害性最大。
  
  2.2 PT铁磁谐振的传统消谐技术
  
  对于中性点非有效接地系统中的PT铁磁谐振,目前消谐的方法较多,归纳起来,主要可分为改变参数、增加阻尼两大类,但均存在缺点和不足。
  
  2.2.1 改变参数
  
  (1)改善PT的伏安特性,使之不容易发生磁饱和。在这种情况下,必须要有更大的激发才会引起谐振。为此,应当减小铁芯磁密,即增大铁芯的截面积。为了消除谐振,铁芯的截面积应当增大到4倍以上,这是不现实的。因此改善励磁特性只能降低谐振的概率。但是特性改善后,一旦产生谐振,过电压将会变得更高。
  
  (2)对于减少同一网络中并联PT台数,因中性点非有效接地系统属于配电网络,直接对用户供电,所以实际难以做到。
  
  (3)母线上装设中性点接地的三相星形电容器组。对连接有多台PT的情况,因需增装电容量较大。同时,装设电容器组后,当发生单相闪络时接地电流将超过电弧熄灭的容许电流,从而产生弧光接地过电压的问题。
  
  (4)PT高压侧中性点串联单相PT,将PT开口三角绕组短接,并在三相PT的中性点和大地之间串接一个单相PT,它的三倍感抗就是零序感抗,谐振也就难以发生。单相PT的次级电压用以测取电网的零序电压。显然,同一电网中,如有多组PT则必须每组均按此接线方能有效,且三相PT中性点对地电压(零序电压)亦被抬高,对于中性点弱绝缘的PT,在系统不对称接地时,甚至会发生绝缘击穿。
  2.2.2 增加阻尼
  
  (1)在PT一次侧中性点串入阻尼电阻:所串入的阻尼电阻类型有线性电阻,以及非线性压敏电阻。串入线性电阻时,阻值需达到数百千欧,正常运行条件下会影响PT的测量精度;当系统发生单相接地故障时,PT中性点电位要抬高,电阻上将有超过几千伏的高电压,有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。而压敏电阻(常采用SiC)的特性是电压越高,电阻越低,不利于消除谐振。正常运行状态下,对于10kV系统,当电网中性点存在位移电压时,压敏电阻的接入有可能放大PT二次开口三角电压,造成系统单相接地的假象,导致系统不能正常运行。
  
  (2)PT二次开口三角绕组接阻尼电阻。包括接入阻容吸收装置和线性电阻两种方式。PT开口三角绕组接线性电阻,电压等级越高或PT特性越差时,要求相应的电阻值越小,因而当发生持续稳定的单相接地故障时,电阻的容量难以满足要求,而且PT的容量也难以满足要求。PT开口三角绕组接阻容吸收装置,如果重复发生谐振且持续时间较长,则亦同样存在PT及消谐装置的容量问题。
  
  3热敏电阻型一次限流消谐器的消谐性能研究
  
  3.1PT铁磁谐振的理想消谐措施
  

  分析研究表明,谐振是振荡系统的某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态(或准稳态)现象,在这种周期性或准周期性的运行状态中,发生谐振的谐波,其振幅会急剧上升。谐振过电压的危害性既决定于其幅值大小,也决定于其持续时间的长短。谐振过电压的幅值与谐振能量密切相关,而尽量缩短谐振的持续时间,对设备的绝缘是非常有利的。谐振过电压甚至可以稳定存在,直到破坏谐振条件为止。利用电阻的阻尼作用,可破坏其谐振条件,使谐振消除。PT铁磁谐振只决定于系统的零序回路参数。在PT中性点串入阻尼电阻,可以达到消除谐振的目的。理想的阻尼电阻,在正常运行状态下为0,不改变PT的零序回路,因此不会影响互感器的测量精度,也不会放大PT二次开口三角电压;在谐振发生时,电阻趋于∞,相当于互感器不接地,也就破坏了零序谐振回路。
  
  3.2热敏电阻型一次限流消谐器的作用机理
  
  热敏电阻在低温下呈现低阻,串联安装在PT一次绕组中性点与地之间,当PT发生谐振时,零序电压升高,电流流过热敏电阻,其电阻会上升。因此可以选择热敏电阻制作PT一次消谐器。PTC材料是目前应用比较广泛的一种热敏电阻材料,通常用于电子设备的过流保护。
  
  PTC具有正温度系数,在一定的转变温度(居里温度点)下发生相变,其电阻率迅速增加至极限值(可增大3~7个数量级),发生半导体和绝缘体的相互转变。反之,当PTC热敏电阻从高温的环境降至常温时,其阻值也会随之下降到低阻状态。采用PTC热敏电阻串入PT中性点,当PT发生谐振时铁芯饱和,一次绕组激磁电流增加,PTC热敏电阻温度升高,电阻增大,能够较好地发挥出阻尼作用。而且谐振能量越大,PTC的消谐时间越短。因此,采用PTC材料作为阻尼元件,谐振过电压的幅值越大,消谐速度越快,对设备的绝缘极为有利。正常运行状态下,PTC热敏电阻呈现出较低的阻值,与PT的实际运行工况相一致。因此,PTC热敏电阻是一种比较理想的消谐用阻尼电阻。
  
  3.3热敏电阻型一次限流消谐器的主要特点
  
  研究表明,热敏电阻型一次限流消谐器具有以下特点:
  
  (1)一次限流消谐器串联安装在PT中性点与地之间。正常运行状态下电阻为40kΩ,而PT一次绕组的阻抗则为兆欧级,因此不会对PT的各项性能产生影响,同时也未明显改变系统的各项参数。
  
  (2)一次限流消谐器能够实现连续快速消谐,基波谐振的消谐时间约为1.56s,分频谐振的消谐时间约为2.1s左右,对于电气设备绝缘极为有利。
  
  (3)在3.5倍工频过电压作用下,限流消谐器能够将PT激磁电流限制在了100mA以下,不会导致因PT一次熔断器熔断后不能熄弧引发的母线短路事故。
  
  4热敏电阻型一次限流消谐器的应用
  
  4.1热敏电阻型一次限流消谐器的现场试验
  
  某110kV变电所35kV系统为单母线运行且未带出线,母线的每次操作都会诱发PT铁磁谐振。为此,在该变电所35kV的PT中性点安装了热敏电阻型一次限流消谐器,并进行了现场试验。试验发现:PT中性点直接接地,用断路器向母线送电时,合闸4次,4次都发生了PT分频谐振,且谐振一直持续至断开母线为止。在上述状态,过电压倍数最高为2.33倍,且超过2倍的概率为66.6%。将PT中性点通过一次限流消谐器接地,用断路器给母线送电时,合闸4次,4次也发生了分频谐振,但谐振在持续了2s左右时间后消失,其过电压倍数最高仅为1.78倍。
  
  图2为此次现场试验中,PT通过热敏电阻型一次限流消谐器接地,第一次通过断路器向母线送电,三相电压的变化过程。由图2可以看出,断路器合闸5个周波后,出现了PT铁磁谐振,但由于限流消谐器的作用,在1.4s左右,铁磁谐振消失。
  
  图2热敏电阻型一次限流消谐器的消谐过程
  
  将图2中波形的谐振部分放大如图3所示。图3中,在A相波形中取一段完整的周波,如图中所示的S1至S2区间,其波长为40.5ms,频率为24.691Hz。这表明试验中,PT发生了典型的1/2次分频谐振。
  
  图3试验中发生的PT铁磁谐振类型
  此次试验中,PT中性点通过热敏电阻型一次限流消谐器接地,断路器第四次送电瞬间及其后,PT中性点电流测试情况如图4、图5所示。
  
  图4断路器合闸瞬间PT中性点电流
  
  图5断路器合闸后PT中性点电流的变化过程

  
  图4反映出,在断路器向母线送电瞬间,PT上有频率极高的励磁电流流过,且电流幅值较高,由中性点测得的电流幅值超过了2.5A。由于断路器合闸操作的激发作用,PT出现了铁磁谐振现象,如图5所示。由于热敏电阻型一次限流消谐器的作用,分频铁磁谐振后,PT中性点的电流峰值未超过160mA,并有逐步下降的趋势,最终随着谐振的消失,PT中性点电流下降为0。图4表明,断路器的合闸操作确实对PT产生了激发作用。而图5则表明,热敏电阻型一次限流消谐器不仅能够消除谐振,同时也起到了限流作用。
  
  4.2热敏电阻型一次限流消谐器的运行现状
  
  截至2008年5月,宁夏电网共计有67只热敏电阻型一次限流消谐器在运,其中35kV电压等级27只,10kV电压等级40只。多数供电局都是在PT屡次发生铁磁谐振的情况下,选择使用了热敏电阻型一次限流消谐器。例如,银川供电局的轻载及农网变电站多次发生由于PT铁磁谐振造成的设备损坏故障,严重影响安全生产,为此开始加装热敏电阻型一次限流消谐器。安装热敏电阻型一次限流消谐器后,这些变电所再未发生过由于铁磁谐振造成的设备损坏故障。石嘴山供电局红果子变则是在10kV的PT安装了压敏电阻型消谐器造成PT三相电压严重不平衡的情况下,将原消谐器更换为热敏电阻型一次限流消谐器。更换前,红果子变10kV的PT二次电压A、C两相较B相高出4.6V,折算至一次侧A、C两相较B相高出460V电压,更换后A、B、C三相电压基本平衡。宁东供电局对热敏电阻型一次限流消谐器的安装使用情况统计如表1所示。
  
变电站
安装位置
安装日期
安装前一年谐振次数
安装后一年谐振次数
磁窑堡变
35kVⅡ母单元
2007年10月
1
0
青山变
35kVⅠ母单元
2008年3月
1
0
萌城变
35kVⅠ母单元
2008年4月
1
0
冯记沟变
35kVⅠ母单元
2008年3月
2
0
大水坑变
10kVⅠ母单元
2007年11月
2
0
永利变
35kVⅠ母单元
2007年5月
2
0

  表1宁东供电局热敏电阻型一次限流消谐器安装使用情况
  
  显然,热敏电阻型一次限流消谐器的安装使用,对于防止PT铁磁谐振故障的发生发挥了显著的作用。
  
  5结论
  
  传统的PT铁磁谐振消谐措施,不能从根本上消除谐振。采用热敏电阻型消谐器,更加符合PT消谐的原则,因此具有优异的消谐作用。应用情况也证明了热敏电阻型一次限流消谐器对于消除PT铁磁谐振,确实起到了良好的效果。同时热敏电阻型一次限流消谐器具有显著的限流作用,能够有效地防止因熔断器不能可靠熔断,引发的母线短路故障的发生。

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