陳 晨，裴 健

(1.東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091；2.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

在配電網(wǎng)廣泛使用的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，母線上安裝的電磁式電壓互感器通常采用Y0/Y0/開口三角接線方式。當(dāng)合閘空載母線、線路發(fā)生瞬間單相弧光接地或系統(tǒng)負(fù)荷劇烈變化時(shí)，所產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊過程會(huì)引起PT飽和以及鐵磁諧振現(xiàn)象，經(jīng)常導(dǎo)致PT一次側(cè)保險(xiǎn)熔斷。尤其當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員為了省事而給PT一次側(cè)換裝大容量保險(xiǎn)時(shí)，嚴(yán)重的鐵磁諧振還有可能導(dǎo)致PT燒毀，進(jìn)而嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1-2］。

為了盡可能防止鐵磁諧振的發(fā)生，近幾十年來先后提出了很多防護(hù)措施，主要包括采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器、減小同一網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電壓互感器的臺(tái)數(shù)、在母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組、系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或電阻接地、高壓側(cè)中性點(diǎn)串接單相電壓互感器、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻或零序PT接地、開口三角繞組加阻尼繞組等。這些措施各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性［3-8］。

針對(duì)PT鐵磁諧振問題，提出一種新的抑制方法。理論分析和仿真研究結(jié)果驗(yàn)證了所述方案的有效性。

1 鐵磁諧振的基本原理

對(duì)于圖1所示的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，為了監(jiān)視絕緣，PT一次繞組中性點(diǎn)直接接地，其勵(lì)磁電感分別為 LA、LB、LC，與其并聯(lián)的電容 C0代表該相母線總對(duì)地電容。C0與勵(lì)磁電感并聯(lián)后的導(dǎo)納為YA、YB、YA。

正常運(yùn)行條件下，勵(lì)磁電感LA=LB=LC，故YA=YB=YA，三相對(duì)地負(fù)載平衡，中性點(diǎn)電位為零。

當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生沖擊擾動(dòng)，例如電源合閘至空母線或線路瞬間單相弧光接地，使PT一相或兩相出現(xiàn)涌流，造成對(duì)應(yīng)相互感器磁路飽和，勵(lì)磁電感L減小，這樣三相對(duì)地負(fù)荷不再平衡，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，其值為：

圖1 帶有PT的鐵磁諧振回路

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于PT勵(lì)磁阻抗很大，各項(xiàng)導(dǎo)納呈現(xiàn)容性，而擾動(dòng)使PT飽和，對(duì)應(yīng)相導(dǎo)納可能呈現(xiàn)感性。這樣一來，感性和容性導(dǎo)納相互抵消，使總導(dǎo)納YA+YB+YA顯著減小，位移電壓Eo大為增加，如果參數(shù)匹配適當(dāng)，總導(dǎo)納接近于零，就產(chǎn)生了串聯(lián)諧振現(xiàn)象，中性點(diǎn)位移電壓將急劇上升。此時(shí)三相導(dǎo)線的對(duì)地電壓等于各相電源電勢(shì)和位移電壓的相量和。

由于鐵心的磁飽和引起電壓、電流波形的畸變，即產(chǎn)生了諧波，使上述諧振回路還會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生諧振。隨著線路長(zhǎng)度的逐漸增加即C0的逐漸增加，將依次發(fā)生高頻、工頻和分頻諧振，相應(yīng)的依次產(chǎn)生高頻、工頻和分頻諧振過電壓。當(dāng)空載母線合閘時(shí)C0很小，將產(chǎn)生三倍頻及以上高頻諧振；較大的C0則會(huì)出現(xiàn)工頻諧振；在出線較長(zhǎng)時(shí)C0很大，將產(chǎn)生分頻(通常為1/2次)諧振。當(dāng)發(fā)生高次諧波諧振時(shí)，一般過電流不大，但過電壓很高；基波諧振時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)兩相對(duì)地電壓升高，一相對(duì)地電壓降低；分頻諧振過電壓一般不超過兩倍相電壓，但由于勵(lì)磁感抗減半，電壓互感器深度飽和，勵(lì)磁電流將急劇增大，甚至達(dá)額定值的百倍以上，從而造成電壓互感器發(fā)熱、噴油甚至爆炸［1］。

2 阻尼諧振原理

諧振過電壓的持續(xù)時(shí)間一般很長(zhǎng)，甚至可以穩(wěn)定存在，直到諧振條件被破壞為止。 它的危害性既取決于其幅值的大小，也取決于持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。因此，消除鐵磁諧振的方法，從原理上也分為兩類：改變諧振回路參數(shù)和阻尼諧振的方法。

改變回路參數(shù)是通過改變諧振回路的電感或電容參數(shù)，從而破壞諧振條件，或諧振條件雖然滿足，但已難以激發(fā)諧振，從而達(dá)到消除諧振的目的［1-4］。

增大系統(tǒng)阻尼、消耗諧振能量也可以很好的抑制或消除諧振發(fā)生。由于配電網(wǎng)PT諧振具有零序性質(zhì)，系統(tǒng)負(fù)荷、相間電容等正序參數(shù)均不參與諧振，因此可以通過在零序回路中增加電阻來阻尼諧振的產(chǎn)生和發(fā)展［6-8］。

常用的阻尼消諧措施是在PT開口角繞組兩端接入阻尼電阻，如圖1所示。忽略PT自身漏阻抗，在開口角接入阻尼電阻情況下，中性點(diǎn)位移電壓為：

其中R′為R折算到PT一次側(cè)的參數(shù)。

由式(2)可知，R的阻值越小，由鐵磁諧振引起的中性點(diǎn)位移電勢(shì)就越小，就越能抑制鐵磁諧振的發(fā)生。如果阻尼電阻R為零，即將PT開口角短接，則相當(dāng)于圖1中電網(wǎng)中性點(diǎn)O直接接地，諧振條件就不能成立，諧振也就隨之消失?；谠撍悸罚岢鲆环N新的抑制PT鐵磁諧振的方法。

3 PT二次開口角短路對(duì)鐵磁諧振的抑制

所述抑制PT鐵磁諧振抑制方法的實(shí)施方案如圖2所示。由于系統(tǒng)的非線性，使得無法對(duì)可控硅所產(chǎn)生的短路脈沖的波形進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，也無法通過控制可控的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短的有效控制。因此選擇在可控硅端電壓上升沿由負(fù)到正過零瞬間對(duì)可控硅進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，這樣就可以減小可控硅閉合所產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖的強(qiáng)度，進(jìn)而減小對(duì)PT的沖擊，同時(shí)兩種狀態(tài)間的平穩(wěn)過渡也可以讓可控硅保持最長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而保證了最長(zhǎng)的阻尼時(shí)間。由于諧振過程是逐漸衰減的，可控硅端電壓每次過零時(shí)間可能無法準(zhǔn)確掌握，為了保證在端電壓上升沿過零瞬間觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，可以給可控硅提供的觸發(fā)脈沖持續(xù)一段時(shí)間，使得這段時(shí)間涵蓋端電壓上升沿過零時(shí)刻即可。

圖2 PT鐵磁諧振抑制方法實(shí)施方案

借助Matlab來對(duì)PT二次開口角短路的消諧作用進(jìn)行仿真驗(yàn)證。Simulink中可飽和電壓互感器的磁化曲線如圖3所示。它通過分段線性化的方法來對(duì)飽和后的磁化曲線進(jìn)行擬合。將實(shí)測(cè)的PT空載伏安特性逐點(diǎn)轉(zhuǎn)化成瞬時(shí)磁通和勵(lì)磁電流關(guān)系后，輸入到該P(yáng)T模型即可模擬電磁式電壓互感器的飽和特性。其余線路參數(shù)同選線方案仿真中的參數(shù)一致。

根據(jù)實(shí)測(cè)的JDZX11-10BG型電壓互感器空載伏安特性得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果如表1所示。

圖3 分段線性化的PT飽和磁化曲線

表1 電壓互感勵(lì)磁特性(標(biāo)么值)

仿真中，C相在0.1 s時(shí)刻發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障，0.2 s時(shí)刻接地故障消除。隨著出線長(zhǎng)度的逐漸增加，由消除單相接地故障依次激發(fā)三倍頻、基頻和二分頻鐵磁諧振。在0.4 s時(shí)刻附近可控硅端電壓上升沿過零時(shí)刻瞬間觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁諧振的抑制。圖4(a)、(b)、(c)依次為發(fā)生三倍頻、基頻和二分頻鐵磁諧振時(shí)采取PT開口角瞬時(shí)短路進(jìn)行消諧得到的仿真波形。

圖4 鐵磁諧振及消諧仿真波形

從圖4可以看出，隨著出線長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，由單相接地故障消除瞬間依次激發(fā)三倍頻、基頻和二分頻鐵磁諧振，各種諧振所體現(xiàn)出來的特征同1中闡述的一致。在發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，通過在可控硅端電壓上升沿過零瞬間使開口角瞬時(shí)短接，可以有效消除鐵磁諧振。

由式(2)可知，當(dāng)PT開口角內(nèi)串入的阻尼電阻R在不超過某一阻值的情況下，都可以對(duì)鐵磁諧振起到有效抑制作用。針對(duì)仿真所用系統(tǒng)，通過仿真也發(fā)現(xiàn)在R＜15 Ω時(shí)，PT開口角內(nèi)串入阻尼電阻的消諧方法是完全有效的，超過這一阻值則失效。由于PT開口角串入阻尼電阻的另一個(gè)目的也是為了限制所產(chǎn)生的短路脈沖的幅值，以防對(duì)PT造成不利影響，因此有必要看一下本文所提出的PT開口角直接瞬時(shí)短接所產(chǎn)生的短路脈沖的強(qiáng)度是否在PT穩(wěn)定運(yùn)行所允許的范圍內(nèi)。圖5為所述消諧方案下得到的PT開口角短路脈沖有效值同阻尼電阻阻值的關(guān)系曲線，其中短路脈沖有效值計(jì)算所用周期為0.5 s，根據(jù)JDZX11-10BG型電壓互感器熱極限輸出計(jì)算出的PT開口角允許流過的最大電流有效值為9 A。從圖中可以看出，在阻尼電阻R=0 Ω情況下所產(chǎn)生的短路脈沖的有效值比9 A要小的多，開口角瞬時(shí)短接不會(huì)對(duì)PT的正常運(yùn)行造成不利影響。

圖5 短路脈沖有效值與阻尼電阻R的關(guān)系

4 結(jié)語

PT鐵磁諧振是電力系統(tǒng)常見的一種諧振形式如果處理不好會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成巨大危害。針對(duì)這種電力系統(tǒng)常見的諧振形式，提出了一種新的抑制方法，理論分析和仿真研究印證的該方法的有效性，為抑制PT鐵磁諧振提供了值得借鑒的思路。