国标中对铁心励磁特性的确定推荐了交流和直流2种方法。互感器制造厂常采用交流法测量TA的二次匝链磁通与励磁电流的关系。但交流法的主要缺点是:50 Hz工频会导致绕组和二次端子承受过电压,因此,试验受绕组绝缘水平和电源频率的限制,测量时需要能产生低频正弦波电压的低频发电机或其他高压变频设备,整个测试系统较为笨重。传统的模拟有效值仪表一般对标准正弦波有效,当信号波形有畸变时,此时读数不是真实的有效值,用其代替均方根误差相对较大。此外由于是目测,测绘曲线点数少,所以准确度较低。

在电力系统中很多因素都能造成过电压的发生。但是对电力系统危害最大的是铁磁谐振引起的过电压,而且由铁磁谐振造成的过电压发生的次数最多。由于铁芯电感的非线性特征使涌流中产生大量的低次谐波,一旦涌流中的谐波分量频率与振荡电路的固有频率接近时,将产生严重的过电压,过电压与工频电压进行叠加从而在回路中形成饱和过电压。过电压的发生,不仅严重危及生命,或者更糟糕的是,直接导致设备损坏,造成停电事故。当发生接地故障或者合闹操作时容易发生铁磁谐振,一旦发生铁磁谐振过电压,过电流就会发生,这是由于电磁式电压互感器作为非线性元件和总线之间能够形成一个非常大的对地电容,从而形成了一个谐振电路。

为了避免这种现象,有必要采取一些措施,以防止出现铁磁谐振。然而,不同的措施有其各自的优缺点,对此需要明确分析,以找到其范围和局限性,提高设备性能,具有非常重要的应用价值。

一般情况下,电磁式电压互感器的励磁阻抗非常大,其与大地形成对地电容,保证了相间平衡,中性点的位移电压非常小。但是,当发生单相接地故障或者故障排除、接入互感器、电力系统的运行方式发生改变、电气设备的投入或者切除、负荷端大规模的变化或者网络频率发生大的波动等干扰时,会使得电压互感器的绕组电感下降,励磁电流瞬间增大,相间电感差异增大,从而使得中性点的位移电压变大,即出现零序电压。

谐振现象的发生前提一定是电网中存在谐振回路。此处,TV的三相并联零序电抗L。和对地电容3C?就构成了谐振回路。一旦电网中的频率达到谐振频率就会发生铁磁谐振。谐振的类型可以分为高次(2、3次)、基波、1/2次分频谐振,分类与对地的电容3C。的增大是密切相关的。谐振形成后可以自保持,直到改变外施条件从而使谐振条件破坏,这样以达到消除谐振现象的目的。

临界电压的最低值与谐振区的频率有关,电压的临界动作值与;值有关。所需的外施电压随频率的升高而变大。外施电压在分频谐振区最低,相反在高频谐振区最高。比如当实际电压满足额定电压的0.55倍时,稍微有点波动,系统就能被激发出现铁磁谐振,并且在正常的额定电压下,最容易发生工频谐振和分频谐振现象。

一旦发生谐振现象,互感器各相的对地电压都发生变化。各相绕组的相电压都会不同程度的变大,而电网正序电势由于是由电源电势决定,所以保持恒定不变。电源中性点发生位移从而导致电压变化,这种变化就是电网运行中非常常见的过电压现象。体现在互感器开口三角绕组处的中性点位移电压就是电网的对地零序电压。3C0回路中将流过零序电流,震荡过程没有正序电流的参与。零序电压的下降结果和将3C0,移接至电源的中性点所产生的结果是相似的。

高频谐振时,由于高频时激发电压非常高,虽然过电压可以达到额定电压的五倍,在实际中并不容易产生。但是分频谐振与之不同,由于其频率为二分频是工频的二分之一,励磁电抗也就缩小一半,激磁电流瞬间增大,可以高达额定励磁电流的上百倍,使得电压互感器铁芯严重饱和,从而短路电流持续的时间增长,造成保护电压互感器的溶丝培断或者造成互感器本身绕组的烧毁事故。

为了监视电力系统的运行状态,往往在一次系统中(发电厂和变电站)装设电压互感器,而且电磁式的互感器在中性点不接地系统中得到了广泛的应用。由于电磁式的互感器呈感性,并且系统中存在大量的容性元件,当频率达到谐振频率时会发生谐振过电压,同时产生的大电流可能使得一次侧的溶断器烧毁,严重时可以损坏电ffiS感器,使得继电保护装置误动作,从而影响系统的稳定性。

中性点不接地系统正常运行时,其伏安特性是非线性的,这是因为正常运行时,中性点电压为0,流过电容C0的电流为对地电容电流,数值是非常小的,但是电压互感器的各相激磁阻抗比较大,使得激磁电流比较小,铁芯不会饱和。当系统中发生故障(单相短路接地)而达到激励条件时,系统的中性点电压高于零,从而产生幅值比较大的短路电流,该短路屯流在整个电力系统中(包括电源、互感器一次侧、对地电容以及大地)流动,系统中的零序电压和零序电流不再为0,没有发生故障的剩余两相的电压会升高,超过额定的相电压。在电压作用下,铁芯因为流过一次绕组的激磁电流的瞬间增大而出现饱和现象,从而导致电磁式电压互感器的激磁阻抗减小。一旦满足Xlo= Xco电磁式电压互感器的铁芯中就会出现铁磁谐振。

上面描述的是出现单相接地故障时,铁磁谐振现象出现的原理。除此以外,当电源非同期合闹、空载线路投切操作或者投入新的电磁式电压互感器等也能导致系统满足谐振条件。不同激发条件导致的谐振,谐振频率也是不同的,根据频率的不同将铁磁谐振分为低频、高频以及基频三种不同类型。

仿真模型介绍

中性点不接地系统的铁磁谐振现象,由于在实际电力系统中,铁磁谐振现象通常发生在当变压器或者互感器空载时,这些设备的电感和输电线路对地电容所形成的回路。电路中含有非线性的电感,所以磁通随时间变化关系也是非线性的。铁磁谐振回路中的电源电动势为e(t)=EmSinωt,、ω为电II角频率。电路方程通过基尔霍夫定律可推得:

电压互感器的非线性特性

谐振回路中最重要的电感元件电压互感器,其励磁特性具有非线性特征,所以必须弄清楚互感器励磁特性的非线性特征。磁链与电流的关系分为两个阶段,当电流比较小时,磁链与电流成正比,绕组电感值几乎为定值;但是随着电流的增大,铁芯饱和现象越来越严重,磁链与电流的关系呈现出非线性,同时绕组电感也不再是常数(随电流的增大而减小)。电感可分为静态电感和动态电感,静态电感反映的是磁链大小与电流的比值,而实际过渡过程中,采用动态电感即磁链变化量与电流变化量的比值。对于线性电感,静态电感值和动态电感值是相同的,而且是常数。而电磁式互感器中的铁芯电感是非线性的,静态电感和动态电感并不是相同的,但它们具有相同的变化趋势,即随着电流的增大而减小。如励磁试验中拟合结果相同,在仿真计算中也往往采用多项式来表示励磁特性关系。

铁磁谐振检测中的粒子群算法

由于长期受到鱼群、鸟群以及人类社会的行为规律的启发,1995年IEEE的国际神经网络学术会议上,美国社会心理学家J.Kennedy和电气工程师R.C.Eberhart提出了粒子群算法。粒子群算法的基本思想是假设有许多初始粒子存在有限可解空间,并且粒子没有速度和质量,每个粒子都代表着需要解决问题的最优解,粒子在空间不停的运动,但是粒子的速度是受到动态调整的,速度不仅决定其运动的方向还能够决定其走过的路程,当然速度的调整是根据已有的经验或者研究问题的群体经验来设定的。每个粒子都追踪最优的粒子所在的位置,粒子的好坏是通过适应度函数来确定的。经过多次迭代搜索更新后,就得到了问题的最优解。

粒子群算法有许多优点,粒子的初始值对于最优值的获得没有影响,使得该方法的研究范围大大的扩展。该算法的公式非常简单,需要考虑的参数变量比较少,这样就容易通过编程来实现。在寻求最优解的过程是,是群体搜索,迭代收敛的速度非常的快,大大节省了计算时间。能量的高低与电流电压密切相关,一旦发生铁磁谐振,回路中谐振频率对应的电压、电流最大,则可以认为铁磁谐振回路中只有谐振频率存在,其他频率忽略不计。

一次侧消谐

一次侧消谐主要的措施都施加在一次绕组侧。将消谐电阻连接在中性点或者将中性点与一台单相的电压互感器相连接地。中性点连接的消谐电阻小到几千欧姆,大到几万欧姆,具有分流、避免铁芯过饱和以及过电压的出现等作用。当发生单相接地故障时,消谐电阻在故障消失后起到将非故障相电流引入大地的效果。这样就使得一次线圈的励磁电流减小,由于消谐电阻也串联在零序等值电路中,所以也能起到降低一次线圈电压的作用。

将单相电压互感器连接到电压互感器的中性点处来消谐,能够起到增大电压互感器等值阻抗的作用,这是因为单相互感器的接入等同于高阻抗接入。一旦发生单相接地的故障,则单相电压互感器起到分担系统零序电压的作用,从而避免了互感器铁芯饱和现象的出现,进一步避免了铁磁谐振的出现。但是一次侧消谐由于安装在中性点位置会带来一些的问题,高压中性点发生位移,造成三相电压不平衡。使电压互感器二次侧相电压波形中出现明显的三次谐波,导致相电压测量结果严重失真,电压互感器 口三角会滤出三次谐波的干扰信息,其值可达几伏到十几伏,影响接地信号继电器的整定.

二次侧消谐

二次侧消谐指将灯泡、电阻或者一些智能的消谐器并联在电磁式电压互感器的二次开口三角绕组上的方法。

并联大功率的白识灯,一旦发生故障,灯泡可以消耗一部分多余的能量。因为灯泡的加入相当于增大了系统的总电阻,则系统的有功损耗就增多。有功的损耗增加减少了发生铁磁谐振的可能性。一般并联在开口三角绕组处的电阻为压敏电阻,其阻值随电压的变化而变化。正常情况下,电压在开口三角绕组处为零,压敏电阻的阻值非常大,在系统中不起作用。一旦发生单相接地故障,开口三角绕组处的电压增大,压敏电阻值减小,系统仿佛经中性点接地。从而将大量的谐振能量导入大地,减少对系统的损害。将能够区分谐振和系统接地故障的智能消谐器连接在开口三角绕组处,当消谐器检测到发生了铁磁谐振故障就动作,将互感器的开口三角绕组短接进而产生一个抑制谐振过电压的与谐振电压相反的反向电势.

其他方法

一方面只要保证系统的整体阻抗呈感性就能防止铁芯出现过饱和状态,为了达到这一目的,可以采取的方法有很多,比如减少电磁式电压互感器并联运行的台数、增大互感器的等值电抗等等。另一方面还可以选用电容式电压互感器等激磁特性好但是又不容易出现铁芯饱和的互感器。除此以外,改变电压互感器的接线方式或者在系统中增加防止铁磁谐振的措施。

直流饱和法是在互感器二次端子上施加一个恒定的直流电压,使磁通逐渐上升并达到饱和来确定铁心的励磁特性。测量过程是通过测量励磁电流,并对互感器两端电压进行积分便可得到被测的励磁曲线。恒定的直流电压采用直流源提供,为了在较短时间达到所要求的励磁电流限值,电源提供的最大励磁电流Im应是额定电流的5倍以上,同时电源的电压应略高于ImRct的乘积,其中,Rct为电流互感器二次绕组的直流电阻,其测试原理见下图,图中,ch1通道为测试流过互感器的电流;ch2通道为测试互感器两端电压;E为直流电源;R1为充电电阻;Rd为放电电阻;Rsh为取样电阻;S为放电测试开关。

测量步骤

实际测量时,需根据选用线圈的二次时间常数及线圈内阻等设计参数,初步估计饱和电流大小和达到饱和的时间。

适当调整直流源输出电压及充电电阻与放电电阻,调整好示波器参数(主要是采集满屏信号所需的时间),保证采集到所有区间段的有效数据,然后用标准温度计测量并记录当前温度值。按测试启动K1,充电指示灯亮,一段时间后,线圈饱和,励磁电流达到稳定值,此时按放电测试开关,放电过程开始,直至电流降至0,将示波器中的数据导出到存储设备中。为了避免测量中需退磁,试验采用正反电源充电,第1次充放电不记录数据,从第2次测试开始记录数据,记录完毕先关掉电源,然后将2次绕组两端接线互换位置,每2次一组,在测量剩磁时可得到完整的磁滞回线。为避免随机误差,每个绕组均测量5组数据。