張 強(qiáng)，司紅代，徐蘊(yùn)鋒

(1．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2．沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136;3．大連市熱電集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116021)

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振的發(fā)生原因及條件

1.1 發(fā)生原因

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，電磁式電壓互感器TV的高壓側(cè)中性點(diǎn)通常是接地的，同時(shí)存在母線(xiàn)、電纜、線(xiàn)路、變壓器等設(shè)備的對(duì)地電容，這樣就構(gòu)成了電容、電感的并聯(lián)回路。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器鐵心未達(dá)到飽和，互感器電感遠(yuǎn)大于線(xiàn)路對(duì)地電容，工頻條件下，未滿(mǎn)足諧振條件，因此不會(huì)發(fā)生諧振。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，例如系統(tǒng)單相接地，此時(shí)故障相電壓為零，接地相電感、電容被短接，非故障相電壓升高為原來(lái)的倍，同時(shí)因非故障相電壓升高可能使得電壓互感器鐵心飽和而使電感下降，當(dāng)下降后的等效電感與系統(tǒng)等效電容參數(shù)配合在整數(shù)或分?jǐn)?shù)倍系統(tǒng)頻率時(shí)滿(mǎn)足諧振條件，這就有可能引起鐵磁諧振，諧振電流有可能比正常時(shí)大幾十倍甚至上百倍。如果高壓側(cè)電流不能達(dá)到使熔斷器熔斷且超過(guò)允許值時(shí)，就可能使電壓互感器燒毀，對(duì)系統(tǒng)影響較大［1］。圖1為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的示意圖，圖2為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一次側(cè)系統(tǒng)電氣等效圖。

1.2 發(fā)生的條件

發(fā)生鐵磁諧振需具備5個(gè)條件，如圖3所示。

2 鐵磁諧振TV仿真模型的建立

TV鐵心易飽和特性是構(gòu)成鐵磁諧振的重要條件，而TV的V－I特性曲線(xiàn)集中反映其鐵心飽和特性［3］。在以往的仿真中，往往采用非線(xiàn)性電感(具有TV的V－I特性)串聯(lián)電阻來(lái)模擬TV高壓側(cè)繞組，其結(jié)果忽略了TV本身的鐵損和漏抗，使仿真誤差較大。

本文以電磁仿真軟件PSCAD中可以自定義V－I特性曲線(xiàn)的單相三卷變壓器UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)模塊為基礎(chǔ)，由3個(gè)UMEC構(gòu)成TV，其接線(xiàn)方式如圖4所示。其中:(Ua、Ub、Uc)模擬TV一次高壓側(cè)三相端，TV一次側(cè)中性點(diǎn)接地， (ua、ub、uc)模擬TV二次低壓側(cè)三相端，(N，L)模擬TV的開(kāi)口三角形側(cè)。仿真過(guò)程中的零序電壓從模型中的開(kāi)口三角形(N，L)處測(cè)量，這樣會(huì)更有效、更準(zhǔn)確地模擬母線(xiàn)TV的運(yùn)行特點(diǎn)。圖5為某變電站TV的V－I特性曲線(xiàn)圖，由圖5可知，TV的感抗具有明顯的非線(xiàn)性特點(diǎn)。

a． 低損。鐵磁諧振一般發(fā)生于輕、空載運(yùn)行方式下 (諧振回路中的損耗值小于某臨界值)。

b． 電容。存在線(xiàn)路、電纜、母線(xiàn)、變壓器等設(shè)備的對(duì)地電容。

c． 非線(xiàn)性電感。電磁式電壓互感器鐵心易飽和的特性。

d． 參數(shù)配合范圍。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的理論研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著Xco/Xm比值不同，可能激發(fā)不同類(lèi)型的諧振。

①當(dāng)Xco/Xm=0.01～0.07時(shí)，發(fā)生分頻諧振。

②當(dāng)Xco/Xm=0.07～0.55時(shí)，發(fā)生基波諧振。

③當(dāng)Xco/Xm=0.55～2.8時(shí)，發(fā)生高頻諧振(主要是3次諧波)。

④當(dāng)Xco/Xm≤0.01或 Xco/Xm≥2.8時(shí)，系統(tǒng)一般不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。

e． 激發(fā)事件

投/切變壓器、電壓互感器、空載線(xiàn)路、母線(xiàn)等設(shè)備;線(xiàn)路發(fā)生單相金屬、瞬間弧光接地及接地故障的消失 (易激發(fā)分頻諧振);變壓器和TV一相或兩相高壓保險(xiǎn)絲熔斷;線(xiàn)路斷線(xiàn)，斷路器非同期合閘 (易激發(fā)基頻諧振)等［2］。

3 避免和防止鐵磁諧振的方法

鐵磁諧振對(duì)電力系統(tǒng)危害較大，需要采取相應(yīng)的措施加以防范和避免。而避免和防止鐵磁諧振的方法主要有2大類(lèi):一是破壞鐵磁諧振發(fā)生條件;二是消耗振蕩能量。

3.1 破壞鐵磁諧振發(fā)生條件

3.1.1 改變正常操作順序

改變正常操作順序，可避免鐵磁諧振。例如:在可能的情況下，可優(yōu)先考慮合上空載母線(xiàn)上的空載變壓器或無(wú)源線(xiàn)路，改變電感參數(shù)，消除諧振?；謴?fù)供電時(shí)，先對(duì)空載母線(xiàn)充電后再投入變壓器。

優(yōu)點(diǎn):對(duì)可能產(chǎn)生諧振的操作程序加以調(diào)整，采用合適的操作方法，避免電感、電容串聯(lián)，這樣可以避開(kāi)產(chǎn)生諧振的條件。這是我國(guó)當(dāng)前普遍采用的一項(xiàng)消諧措施。

缺點(diǎn):該方法違反了正常的操作順序，可能引發(fā)不良后果，當(dāng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致空母線(xiàn)運(yùn)行時(shí)，有引發(fā)諧振的可能。對(duì)于無(wú)人值守的變電站，后果是嚴(yán)重的。

3.1.2 采用勵(lì)磁特性好的TV

TV勵(lì)磁特性［4］有2個(gè)方面:一是勵(lì)磁特性量值，即對(duì)飽和點(diǎn)的要求。二是勵(lì)磁特性的一致性，即各相互感器勵(lì)磁電抗的差異。

對(duì)勵(lì)磁特性的控制措施主要也是2個(gè)方面:一是改變互感器鐵心的分布，使其不易出現(xiàn)飽和;二是出廠(chǎng)前對(duì)互感器按3臺(tái)進(jìn)行配組，提高其一致性。

勵(lì)磁特性好的TV，在一般的電壓水平下不會(huì)進(jìn)入深度飽和區(qū)，不易形成諧振的匹配參數(shù)。若三相TV勵(lì)磁特性的一致性不好，會(huì)使鐵磁諧振的幾率增大。一般要求三相TV勵(lì)磁電流最大和最小值之比不超過(guò)130%。

優(yōu)點(diǎn):采用勵(lì)磁特性越好的TV產(chǎn)生諧振的電容參數(shù)范圍就越小，可以降低諧振發(fā)生的概率，采用勵(lì)磁特性好的TV通常認(rèn)為是解決諧振的一個(gè)基本措施。TV系統(tǒng)零序電壓迅速降至零，使系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱(chēng)運(yùn)行。

缺點(diǎn):一旦激發(fā)至飽和狀態(tài)，可能產(chǎn)生更大的過(guò)電壓、過(guò)電流。

3.1.3 增加對(duì)地電容

增加對(duì)地電容可以使系統(tǒng)等效容抗與感抗遠(yuǎn)離鐵磁諧振參數(shù)范圍。從而避免鐵磁諧振。

優(yōu)點(diǎn):讓母線(xiàn)帶上一段空線(xiàn)路或電容器，增加對(duì)地電容，可使回路參數(shù)超出諧振的范圍，可以避免諧振，操作簡(jiǎn)單易行。

缺點(diǎn):有可能產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流通過(guò)TV繞組，對(duì)互感器不利。而且電容器十分昂貴，若系統(tǒng)中有多臺(tái)中性點(diǎn)接地，則需增裝的電容器數(shù)量很大。

3.1.4 采用電容式電壓互感器CTV

圖6 CTV結(jié)構(gòu)原理圖

電容式電壓互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，由電容分壓器和1個(gè)較低電壓等級(jí)的中間電磁式電壓互感器組成。

優(yōu)點(diǎn):改用電容式電壓互感器從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件，基本能防止諧振。而且現(xiàn)在的電容式電壓互感器運(yùn)行維護(hù)容易，目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，72.5 kV及以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)，電壓互感器均采用CTV。近些年在我國(guó)CTV也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。

缺點(diǎn):帶負(fù)載能力差，容易出現(xiàn)自諧振現(xiàn)象，二次側(cè)仍要采用消諧措施，其價(jià)格稍高、測(cè)量精度低、事故率高、暫態(tài)特性不如電磁式電壓互感器等，只能用于精度要求不高的場(chǎng)合。

3.1.5 4TV接線(xiàn)方式

4TV的接線(xiàn)如圖7所示，在電壓互感器TV的高壓中性點(diǎn)與地之間串接單相電壓互感器TV0，TV0與TV同型號(hào)，接地信號(hào)電壓可從TV0二次側(cè)取得。原TV的輔助開(kāi)口三角形繞組兩端a'c'要短接或接上小電阻以消除3次諧波的影響。為正確反映電壓變化，TV0的變比和原TV的變比要一致;接地繼電器KV的整定值應(yīng)比原來(lái)接在輔助三角形繞組開(kāi)口端的整定值小一些，以保證可靠發(fā)出接地信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn):零序電壓大部分加在零序TV0上，外部激發(fā)不能使TV進(jìn)入飽和區(qū)，起到抑制過(guò)電壓、過(guò)電流的作用;TV0高壓繞組的直流電阻約為10 kΩ，對(duì)諧振有強(qiáng)烈的阻尼作用，這一措施適合于各種配電網(wǎng)。

圖7 4TV接線(xiàn)圖

缺點(diǎn):4TV接線(xiàn)常有閉口三角環(huán)流過(guò)大燒毀TV的情況發(fā)生。

3.2 消耗諧振能量

3.2.1 TV二次開(kāi)口三角接入阻尼電阻R

在TV二次開(kāi)口三角繞組接入電阻 (如圖8所示)，電壓互感器開(kāi)口三角繞組為零序電壓繞組，此接法的優(yōu)點(diǎn):相當(dāng)于在互感器高壓側(cè)Y0接線(xiàn)繞組上并聯(lián)電阻，而此電阻只有在電網(wǎng)有零序電壓時(shí)才出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)是不存在的，即零序電壓繞組所接的R在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)消耗能量，而諧振發(fā)生時(shí)在R上消耗諧振能量，消除諧振。其電阻值越小，效果越好，R=0時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地。通常，用于消諧的開(kāi)口三角的電阻R應(yīng)滿(mǎn)足≤0.4XMf，其中XMf為勵(lì)磁電感感抗換算到 TV開(kāi)口三角繞組兩端值。

圖10 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地時(shí)的零序電壓曲線(xiàn)圖

圖9中，TV二次開(kāi)口三角形接入電阻時(shí)，系統(tǒng)零序電壓逐漸降低至零。電阻越小效果越顯著。值比TV勵(lì)磁電感小得多，相當(dāng)于將TV等效零序電感短路，打破了參數(shù)匹配關(guān)系，使諧振不易產(chǎn)生。如圖10所示，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓迅速衰減到零。

缺點(diǎn):對(duì)于對(duì)地電容較小的系統(tǒng)，由于電容電流較小所需采用消弧線(xiàn)圈電感值較大，雖然能抑制諧振的產(chǎn)生，但過(guò)大的電感會(huì)使暫態(tài)振蕩更加劇烈。由于不適當(dāng)操作或某些倒閘過(guò)程會(huì)導(dǎo)致局部電網(wǎng)在中性點(diǎn)不接地方式下臨時(shí)運(yùn)行，也可能發(fā)生過(guò)諧振，此外，消弧線(xiàn)圈自身的維護(hù)和整定還需要不斷完善。

3.2.3 電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

優(yōu)點(diǎn):中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式可以限制諧振時(shí)的過(guò)電壓水平，能夠起到消耗能量、降低諧振振幅、阻尼和抑制諧波的作用，能相應(yīng)減少非故障相TV繞組的電壓，降低TV的飽和程度，減少鐵磁諧振產(chǎn)生幾率。

缺點(diǎn):由于中性點(diǎn)電阻的接入會(huì)使TV開(kāi)口三角繞組輸出電壓降低，影響接地指示裝置靈敏度。另外阻值的選擇還受到中性點(diǎn)絕緣水平限制。

4 結(jié)論

缺點(diǎn):由于電阻接在開(kāi)口三角繞組兩端，會(huì)導(dǎo)致一次側(cè)電流增大，也就要求TV的容量要相應(yīng)增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但TV的過(guò)載現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，諧振或單相接地時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或TV燒毀。

3.2.2 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地

優(yōu)點(diǎn):中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地可以完全消除鐵磁諧振，還可以限制流過(guò)的大電流，使熔絲不被燒毀，系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地相當(dāng)于在TV每一相勵(lì)磁電感上并聯(lián)1個(gè)電感，由于消弧線(xiàn)圈的電感

本文對(duì)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振問(wèn)題產(chǎn)生的原因、發(fā)生的條件和防范的措施進(jìn)行了研究，并采用電磁仿真軟件PSCAD對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行仿真，分析了防范鐵磁諧振各種措施的優(yōu)缺點(diǎn)。

根據(jù)實(shí)際中鐵磁諧振發(fā)生概率的大小，宜采取防范措施情況如下。

a． 針對(duì)鐵磁諧振發(fā)生概率較小地方:①改變正常操作順序;②增加對(duì)地電容。

b． 針對(duì)鐵磁諧振發(fā)生概率相對(duì)較大的地方:①系統(tǒng)中性點(diǎn)接消弧線(xiàn)圈接地;②電壓互感器一次繞組的中性點(diǎn)加電阻或消諧器接地;③TV二次開(kāi)口三角接入阻尼繞組。

c． 針對(duì)鐵磁諧振發(fā)生概率較大地方:采用勵(lì)磁特性曲線(xiàn)較好的TV。

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