陳 晨,裴 健
(1.東營供電公司,山東 東營 257091;2.山東電力集團(tuán)公司,山東 濟(jì)南 250001)
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,所產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊過程會引起PT飽和以及鐵磁諧振現(xiàn)象,經(jīng)常導(dǎo)致PT一次側(cè)保險熔斷。尤其當(dāng)現(xiàn)場人員為了省事而給PT一次側(cè)換裝大容量保險時,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。
對于圖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代表該相母線總對地電容。C0與勵磁電感并聯(lián)后的導(dǎo)納為YA、YB、YA。
正常運(yùn)行條件下,勵磁電感LA=LB=LC,故YA=YB=YA,三相對地負(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,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,造成對應(yīng)相互感器磁路飽和,勵磁電感L減小,這樣三相對地負(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,由于PT勵磁阻抗很大,各項(xiàng)導(dǎo)納呈現(xiàn)容性,而擾動使PT飽和,對應(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。此時三相導(dǎo)線的對地電壓等于各相電源電勢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對諧波產(chǎn)生諧振。隨著線路長度的逐漸增加即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C0很小,將產(chǎn)生三倍頻及以上高頻諧振;較大的C0則會出現(xiàn)工頻諧振;在出線較長時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,一般過電流不大,但過電壓很高;基波諧振時,會呈現(xiàn)兩相對地電壓升高,一相對地電壓降低;分頻諧振過電壓一般不超過兩倍相電壓,但由于勵磁感抗減半,電壓互感器深度飽和,勵磁電流將急劇增大,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]。
諧振過電壓的持續(xù)時間一般很長,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)時間的長短。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。基于該思路,提出一種新的抑制PT鐵磁諧振的方法。
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,也無法通過控制可控的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)對可控硅導(dǎo)通時間長短的有效控制。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PT的沖擊,同時兩種狀態(tài)間的平穩(wěn)過渡也可以讓可控硅保持最長的導(dǎo)通時間,進(jìn)而保證了最長的阻尼時間。由于諧振過程是逐漸衰減的,可控硅端電壓每次過零時間可能無法準(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)一段時間,使得這段時間涵蓋端電壓上升沿過零時刻即可。
圖2 PT鐵磁諧振抑制方法實(shí)施方案
借助Matlab來對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飽和后的磁化曲線進(jìn)行擬合。將實(shí)測的PT空載伏安特性逐點(diǎn)轉(zhuǎn)化成瞬時磁通和勵磁電流關(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 電壓互感勵磁特性(標(biāo)么值)
仿真中,C相在0.1 s時刻發(fā)生瞬時單相接地故障,0.2 s時刻接地故障消除。隨著出線長度的逐漸增加,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時刻附近可控硅端電壓上升沿過零時刻瞬間觸發(fā)可控硅導(dǎo)通,以實(shí)現(xiàn)對鐵磁諧振的抑制。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采取PT開口角瞬時短路進(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,隨著出線長度的延長,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,通過在可控硅端電壓上升沿過零瞬間使開口角瞬時短接,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,都可以對鐵磁諧振起到有效抑制作用。針對仿真所用系統(tǒng),通過仿真也發(fā)現(xiàn)在R<15 Ω時,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目的也是為了限制所產(chǎn)生的短路脈沖的幅值,以防對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,開口角瞬時短接不會對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
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對電力系統(tǒng)造成巨大危害。針對這種電力系統(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。