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电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究.doc

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电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究.doc电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究.doc 电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究 王德忠 王季梅 摘要 通过理论分析及实验研究,建立了应用速饱和电抗型阻尼器及 氧 化锌避雷器抑制电容式电压互感器中铁磁谐振的阻尼理论,并提出了暂 态条件下速饱和 电抗型阻尼器中电感和阻尼电阻等参数的理论计算与 实验相结合的方法,且在实际的电容式 电压互感器回路上进行了铁磁谐 振试验。 关键词:电容式电压互感器 速饱和电抗型阻尼器 铁磁谐振 氧化锌 避 雷器 A Study of the Protective Device wi...
电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究.doc
电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究.doc 电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究 王德忠 王季梅 摘要 通过理论分析及实验研究,建立了应用速饱和电抗型阻尼器及 氧 化锌避雷器抑制电容式电压互感器中铁磁谐振的阻尼理论,并提出了暂 态条件下速饱和 电抗型阻尼器中电感和阻尼电阻等参数的理论计算与 实验相结合的方法,且在实际的电容式 电压互感器回路上进行了铁磁谐 振试验。 关键词:电容式电压互感器 速饱和电抗型阻尼器 铁磁谐振 氧化锌 避 雷器 A Study of the Protective Device with Inductor in Series Resistance for Capacitor Voltage Transformer Wang Dezhong Wang Jimei (Xian Jiaotong University 710 049 China) Abstract The damping theory for ferroresonance of the protec tive device with the inductor in series resistance and lightning arrester(MOA) a pply to the CVT has been built by the theory analysis and experiment.The way of combine theoretical calcutation with experiment make use of parameters for the i nductance and the resistance of the protective device with the inductor in serie s resistance on the transient condition.The experiment of the ferroresonance h as been carried on the circuit of the practical CVT. Keywords:Capacitor voltage transformer Protective device with inductor in series resistanceFerroresonance Lightning arrester 1 引言 在高压及超高压输变电系统中,由于技术与经济方面的原因,目前 国内外广泛采用电容式电 压互感器(Capacitor Voltage Transformer以下简称CVT)。与PT相比CVT的瞬变响应特性较差。近年来微机保护 装置大量应用,其动作时间小于20ms,准确动作的电压低至1,3V,这 样IECpubl186A有关瞬变响应的原规定值就会使高速距离保护误动作。,1,3,现有的研究已经表明 ,影响CVT瞬变响应特性的主要原因是其谐振 型阻尼装置的储能过大。为此 ,研制一种新型的阻尼装置,改善CVT 的瞬变响应特性,对提高超高压输变电系统的动态稳 定性、增加输送容 量、保证电力系统安全可靠运行具有重要的技术经济意义。 本文建立了速饱和电抗型阻尼装置与氧化锌避雷器(MOA)配合的阻 尼理论,并提出了确定阻 尼器中电感及其串联电阻的方法。 2 CVT的等值电路及其铁磁谐振 从CVT的原理和结构看,电容分压器的等值电容和中压变压器的励磁电感形成了L-C串联回 路,CVT的简化等值电路如图1所示。在此回路中由于存在电容及非线性电感L,所以当电路受到强烈的电冲击时,m 如CVT一次侧合闸、二次侧短路消除等正常及非正常操作时, 均可能激发出铁磁谐振,出现暂态或稳态的谐振过电压。这种过电压不但对CVT本身的绝缘 造成危害,并会造成与其相连的继电保护误动作,引起系统事故。一般CVT回路的固有频率 很低,约为几个Hz,因此当回路出现铁磁谐振时,一般为额定频率的分数次谐振如1/2、1/3 、1/5、1/7次,,4,据实验测定,以1/3次谐波为主。 图1 CVT的简化等值电路 Fig.1 The simple equivalent circuit for CVT 显然,铁磁谐振是由于CVT本身的结构所决定的,有功负荷对L-C回路的振荡有很好的阻尼效果,现代CVT对铁磁谐振的抑制均采用在二,5,次侧接入阻尼电阻来实现。原则上,该阻尼电阻可用下式计算 (1) 式中R--阻尼电阻 z ω--额定角频率 N C+C--电容分压器的额定电容 12 U--接入阻尼电阻的二次电压 2f U--额定中间电压 M n--分次谐波数(n=2、3、5、7、…) 但在具有非线性电感的L-C-R回路中,由于计算精度较低,一般在工程设计中都是通过试验来找出CVT的铁磁谐振的分次谐波存在范围,最终确定所需的阻尼电阻值。 3 CVT的次谐波存在范围 通过试验的方法来确定CVT的分次谐波存在范围。试验在CVT的等值电路上进行,试验线路如 图2所示。 在图2中 图2 铁磁谐振试验线路图 Fig.2 The experiment circuit for ferro-resonance TA--10kV/1000kVA调压器 TB--60kV/720kVA试验变压器 PT--35kV电压互感器 CT--500/5A电流互感器 TYD--被试CVT FZ--分压/分流器 SC-16--光线示波器 被试CVT的参数为:C+C=0.1164μF,U=13kV,中间变压器的额定12m 磁 密为B=0.74T,CVT回路的直流电阻R=2342Ω。 N 试验方法为:先对CVT施加一适当的电压,然后将双刃闸刀Q合上,使CVT的主二次绕组通过 交流接触器的一对接点KM短接,经过不小于0.1s的时延后接点KM突然分离,使CVT二次侧的 短路突然消除,从而产生强烈的电冲击,激发出稳定的分次谐波铁磁谐振,此时将阻尼电阻 接入 ,并调节电阻值,直至谐振消失,此电阻值即为CVT在该电压下抑制分次谐波铁磁谐振所需 的电阻值。改变CVT的外施电压,重复上述过程,可以得到CVT在不同电压下的阻尼电阻值。 图 3是试验测得的被试CVT的分次谐波存在范围(图中斜线侧区域)。由曲线所确定的电压、电阻 值(或功率)表示在此电压下分次谐波不能稳定存在的临界电阻值。 为了使CVT能在GB4703-8 4及IEC186A规定的时间内消除分次谐波铁磁谐振,CVT阻尼装置的阻尼功率必须大于上述临 界值(图3中的阻尼功率均按U=100V计算所得)。 2f 图3 500kVCVT铁磁谐振范围 Fig.3 The rang of ferro-resnance for 500kV CVT 4 CVT速饱和电抗型阻尼器的研究 4.1 速饱和电抗型阻尼器的工作原理 速饱和电抗型阻尼器的原理电路如图4所示。这种阻尼器是靠电抗器铁心的快速饱和而将阻 尼电阻r接入CVT回路的。在CVT正常运行z 条件下电抗器的电抗L很大,通过阻 尼器的电流仅为几十mA,其功耗s 及储能均很小;而当CVT发生铁磁谐振时,在过电压作用下 电抗器的电感值急剧下降,将电阻r接入回路消耗足够的功率来阻尼铁磁谐振。带z,3,6,有 这种阻尼器的CVT具有良好的瞬变响应特性。 图4 速饱和电抗型阻尼器原理电路 Fig.4 The principle circuit of the protective device with inducto r in seriesres istance 在这种阻尼器中电抗器起着一个无触点开关的作用,其铁心材料的B-H特性是决定电抗 器开关特性的关键。一般冷轧电工硅钢片由于其B-H曲线在饱和段比较平滑,其开关特 性不好,很难兼顾CVT稳态和暂态之间的矛盾。冷轧硅钢片Z的B-H特性如图5 中曲线1所示。如果11 考虑稳态特性,铁心磁密的工作点势必下移,这样,CVT谐振发生时电抗 器铁心的饱和深度不够,阻尼效果不好;反之,若将电抗器铁心的额定磁密移至B-H曲 线的饱和段附近,可以满足阻尼要求,但在CVT正常 运行时会产生较大的高次谐波电流,导 致三相CVT的开口三角电压失常,影响系统零序保护。 图5 Z及1j51的B-H曲线 11 Fig.5 The B-H curve for Zand 1j51 11 铍镆合金1j51的B-H曲线具有良好的开关特性,其矩形比可高达0.9以上,图5中曲线2 是1j51的B-H特性曲线,在同样的额定工作磁密B值下,1j51的磁场强度H 远小于Z的磁场强度H,因此不会产NNj11Nz生高次谐波电流。而当CVT出现铁磁谐振过电压时,在同样的磁通密度B值下,1j51的H,, H(Z的磁场强度),使电抗器的电抗值大幅度ggjgz11 地下降,电阻r上消耗足够的功率,以阻尼CVT中的铁磁谐振。 z 4.2 速饱和电抗型阻尼器的阻尼理论 4.2.1 CVT正常运行条件下,阻尼回路的阻抗应尽可能大,即 (2) 式中 X--正常电压下电抗器的电抗 LS1 r--与电抗器串联的阻尼电阻 z R--由次谐波存在范围确定的阻尼电阻 z 4.2.2 在CVT发生铁磁谐振过电压U时,阻尼器的有功功耗应大于等G 于电阻R消耗的功率 z (3) 即 (4) 式中 X--谐振过电压下的感抗 LS2 考虑极限情况,令 (5) 22 r-Rr+X=0(6) zzzLS2 求解得 (7) 因为r为实数,则 z 2 R-4X?(8) zLS2 即 (9) 显然,R/2为电抗器饱和后感抗的上限值。 z 而从式(7)可知,满足阻尼条件的电阻r的最大值为 z (10) (11) 令 dL/dr=0 则r=R/2(12) S2zmzmz 即当r=R/2时,X有最大值。 zmzLS2 如果从电阻r上消耗的功率考虑 z (13) 令 dP/d=0 则r=X(14) rzrzzLS2 此时 (15) 由上述分析可得到以下几点结论 (1)X?R/2是阻尼的必要条件。 LS2z (2)X的允许取值与r有关,当r=R/2时,X 有最大值R/2。 LS2zzzLS2z (3)当X=r时,阻尼功率最大。 LS2z 4.2.3 电抗器参数的确定 (1)CVT的正常工作电压范围为(0.8,1.2)U,在此电压范围内电抗N 器应呈现高阻抗 ,也就是说,电抗器铁心的工作磁密B应小于其饱和N磁密B,一般取1.2U下的B=0.9B,按 sNNs U=4.44fWSC(0.B)(16) s 确定铁心的截面积S和绕组匝数W。因为电抗器的电感 (17) 所以为保证电抗器的开关特性,原则上匝数W越少越好。 (2)根据电抗器的V-A特性与其铁心材料的B-H特性拟合的特点,由已知的CVT谐振过电 压值U的下限,在U=U及初步选定的S、W参数下GzG 估算X值,并按X?R/2校核,调整S、W参数,直至满足要求。 LS2LS2z (3)作电抗器的V-A特性曲线,由U=点求得 X?R/2,满LS2LS2z足阻尼的必要条件;否则应重新调整S、W参数。 4.2.4 阻尼电阻r上限值的实验法确定方法 z 由上述分析可知,X越小,允许的r值越大。由于阻尼装置的回路LS2z 为 R-L回路,增大r对回路的暂态过程是有利的。因此在已确定的电抗z 器参数下求 出满足阻尼要求的r的最大值是很有必要的。 z 使用的方法是作出不同r时阻尼器的V-A特性曲线,由特性曲线和z 相应的电阻值计算 出U-P曲线,求出U-P和次谐波存在范围U-Pz两rzrzR条 曲线的交点,此交点即为相应电压下r的最大值。在某一给定电压z 下,只有Pz,P,阻尼器才起作用,不同的电压下,电阻r的上限值r Rzz不同,电 压U越高,电阻r的上限值越大。 Gz 4.3 氧化锌避雷器(MOA)阻尼理论 从式(1)可知,分次谐波数n越大(即频率越低),CVT中所需的阻尼电阻R越大, 即阻尼功率越小。因此在CVT设计中应采取,提高z 其铁磁谐振的分次谐波数n。表1为n =3、5、7时由式(1)计算所得前述测定次谐波存在范围用参数CVT的所需阻尼功率。 表1 n=3、5、7时阻尼功率 Tab.1 The damping power when n=3、5、7 分次谐波数n 3 5 7 阻尼功率/W 1230 644 450 在CVT回路中其固有频率一般为2,6Hz。在CVT遭 受强烈的电冲击时由于中压变压器铁心会进入B-H曲线的饱和段,电 感下降,使回路频 率上升。过电压越高铁心的饱和深度越强,电感L越小,回路频率越高,即分次谐波数n 越小,所需的阻尼功率越大。计算及实验测定国产CVT二次侧短路消除过电压一般为额定电 压的3,4倍,在此过电压作用下CVT最易被激发出50/3Hz(即n=3)的铁磁谐振,阻尼,4,6,较为 困难。为此,在CVT中压回路中接入一氧化锌避雷器(MOA),将预期的过电压 限制在一个比较低的水平,使中压变压器铁心的饱和深度减弱,铁磁谐振分次谐波数n 变大,使所需阻尼功率下降,以利于铁磁谐振的阻尼。 5 CVT的铁磁谐振试验 5.1 试品概况 试品为一台500kV的CVT,等值电容C=0.116μF,额定中间电压e U=13kV,中 压变压器的额定磁密B=0.74T,CVT回路的总电阻R=2342Ω。MN CVT的中压与地 之间接有MOA,MOA的动作电压为20kV,由分次谐波存在范围确定的阻尼电阻R=12Ω 。 z 5.2 阻尼器的参数选择 电抗器的额定电压为100V,铁心选用1j51铍镆合金,饱和磁密度B=1.5T,矩形比? 0.9,片厚δ=2mm,铁心形状为环形。由前述对电抗s 器的开关特性要求选择两组参数: 22 S=8cm,W=350和S=12cm,W=305。磁路平均长度均为314mm。 cc 按照前述阻尼理论选取阻尼器电阻r分别为5Ω和6Ω,组成三种z 22参数的阻尼器:S=8cm W=350 r=5Ω;S=12cm W=305 r= 5Ω;czcz 2S=12cm W=305 r=6Ω。 cz 由实验测得三种参数阻尼器的V-A特性见表2及图6。由V-A特性曲线和相应的电阻r 值计算得到U-Pz曲线,求出其与次谐波存在范围zr U-P曲线的交点 如图7所示。图中、两种参数阻尼器的U-Pz曲线rzr与U-Pz曲线 交点所对应的电压值分别为147V和153V,均低于预期过R 电压154V,可以满足阻尼要求;图中 种参数阻尼器的U-P曲线与U-PrzRz曲线的交点所对应的电压值为 165V,高于CVT预期的铁磁谐振过电压,不能满足阻尼要求。 图6 阻尼器的V-A特性曲线 Fig.6 The charactertic curve about voltage-current of the protective device 表2 阻尼器的V-A特性测试数据 Tab.2 The measuring data of the V-Acharacteristics of the protective device 电流/A 电压/V 参数 参数 参数 120 0.05 0.04 0.04 123 0.80 1.00 1.00 130 4.00 7.00 6.50 135 6.30 9.50 8.50 140 8.80 13.00 11.80 145 11.30 17.00 14.80 154 16.20 24.00 21.30 163 20.00 29.00 26.00 图7 U-Pz和U-Pz曲线 Rr Fig.7 The curve of U-Pz and U-Pz Rr 5.3 CVT的铁磁谐振试验 在CVT试品剩余电压绕组上接图7中种参数的阻尼器,用图2所示的电路进行铁磁谐振试验 。试验按GB4703-84的要求进行,在1.2UN下进行30次;在1.5U下进行10次 。试验结果符合GB4703-84的规定,N 在1.2U下铁磁谐振的持续时间不超过0.2s; 在1.5U下不超过2s。铁NN 磁谐振试验的典型波形图如图8和图9所示。 图8 在1.2U下铁磁谐振试验的典型波形 N Fig.8 The experiment wave form for ferro-resonance on 1.2 U N 图9 在1.5U下铁磁谐振试验的典型波形 N Fig.9 The experiment wave for mfor ferro-resonance on 1.5 U N 6 结论 本文提出的速饱和电抗型阻尼器及中压回路采用MOA保护技术结合 的阻尼理论是解决CVT瞬 变响应及铁磁谐振抑制的技术关键,并通过实 验验证,证明这一理论指导下的阻尼器中电抗 器及电阻r的参数选择方z 法是正确的。 王德忠 上海电机厂有限公司副总工程师、高级工程师、工学硕士、西 安 交通大学博士生,主要从事电容式电压互感器及无功补偿技术的研究 和应用。 王季梅 西安交通大学电气工程学院教授,博士生导师,主要从事真空 电 弧理论及熔断器理论的研究和应用,出版专著8本,发表论文280余 篇。 作者单位:王德忠(西安交通大学电气工程学院 710049) 王季梅(西安交通大学电气工程学院 710049) 参考文献 1,Effect of transients on E H V Protection,part2:Response of current and voltage transformers.Electrical Times,1967(1):132, 134 2,Response chartatic of capacitor voltage transformer.IEEE 1971 winter p ower meeting papers,I Vole TP1971 ..3,王德忠CVT瞬变响应特性研究电力电容器,1994(2,3) .4,周延岭CVT铁磁谐振研究:,学位论文,西安交通大学,1963 5,Contribution to ferroresonance protection of capacitor voltage trans former.Micafil,1976. 6,Wiszzniewski A,et al.Influence of ferroresonance suppression circuit s upon the rtansient response of capacitor voltage transformer.IEEE Transactions on Power Delvery,1987,10(4) 7,725,765kV capacitor voltage transformer.Micafil,1970. 8,Down L R,et al.The effects of nonlinear damping arrangement on the fr equency response of capacitive voltage transformers.CIGER second south African r egional conference,Durban south Africa,1994.
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