許明生　王倩

摘 要：配電網(wǎng)單相接地故障消失后，線路電容性電荷可能會引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象，進而危害電壓互感器的正常運行?；诘皖l振蕩的發(fā)生機理和等值電路，運用EMTP軟件對低頻振蕩過電壓和過電流進行仿真計算，分析線路電容、接地故障消失時刻對電氣暫態(tài)量造成的影響，以及量值的變化規(guī)律。結(jié)果表明，系統(tǒng)中性點加入消弧線圈對該類型故障有良好的抑制效果。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；電壓互感器；低頻振蕩；仿真計算

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.134

在中性點不接地的配電網(wǎng)中，發(fā)電機或變電所母線上經(jīng)常安裝用來監(jiān)測母線對地電壓的電磁式電壓互感器。通常情況下，電壓互感器按YO/YO/?的方式排列，一次側(cè)中性點接地。鑒于互感器勵磁繞組的非線性，當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，往往會導(dǎo)致電壓互感器的一次側(cè)出現(xiàn)沖擊電流，造成設(shè)備損壞，甚至噴油燒毀，嚴重影響電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。

本文對單相接地故障消失后，線路電壓和接地點發(fā)生變化而引發(fā)的配電網(wǎng)低頻振蕩進行理論研究和仿真計算，分析電網(wǎng)各點電壓和電流的暫態(tài)變化規(guī)律，輔助運維檢修人員判斷故障類型，并對該類型的故障采取正確的抑制措施。

1 低頻振蕩機理

配電網(wǎng)單相接地短路有2個過渡過程：①當系統(tǒng)單相接地時，非故障相對地電壓上升為線電壓。由于線路存在對地電容，在線電壓的作用下，線路上的容性電荷通過短路點在導(dǎo)線與大地之間形成電容電流。②當接地消失以后，線路電荷流經(jīng)大地的回路不復(fù)存在。由于三相電壓恢復(fù)正常，線路上積累的與線電壓對應(yīng)的電容電荷將降低到相電壓對應(yīng)的電荷，多余的電荷需要尋找回路釋放入地。在配電網(wǎng)中性點不接地的情況下，電壓互感器一次繞組成為對地的唯一金屬性通路。因此，多余電荷經(jīng)由電壓互感器一次繞組釋放入地。在釋放電荷的過程中，電壓互感器一次繞組中產(chǎn)生飽和沖擊電流。該電流呈低頻振蕩狀態(tài)（約2～5 Hz），一般在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內(nèi)出現(xiàn)，電流幅值遠大于諧振電流，在半個周波內(nèi)即可熔斷互感器的熔絲。

理論上，一般采用虛擬補償電量法解決相關(guān)問題。當單相接地故障消失后，分析線路電容放電產(chǎn)生的低頻飽和電流，其主要思路是：將給定的系統(tǒng)和開關(guān)的開斷操作分為2個等效過程來分析——開斷操作之前的穩(wěn)態(tài)過程和操作導(dǎo)致的暫態(tài)過程。開關(guān)開斷前電路中存在回路電流，分斷操作后端口產(chǎn)生端電壓。根據(jù)這一理論，可以計算系統(tǒng)暫態(tài)電氣量。

2 等值電路

單相接地短路過程中的電壓和電流可以記為：

式（1）中： ， 是接地開斷前的回路電流和電壓；i%，us%是接地消失后的暫態(tài)電流和電壓；i，us是接地過程中的總電流和電壓。

根據(jù)上述分析，中性點不接地系統(tǒng)的單相接地等效電路可以展開為圖1和圖2所示的形式來分析。根據(jù)虛擬補償電量法，單相接地消失等效于在接地短路點并接一個與單相接地時電流方向相反的電流源。

由于接地電弧熄滅時刻具有隨機性，故障的消失不一定處于正常相電壓的最大時刻。因此，并不是線路單相接地短路消失后就一定會出現(xiàn)很大的低頻飽和電流。低頻沖擊電流與互感器鐵芯的勵磁特性密切相關(guān)，鐵芯很容易發(fā)生飽和，低頻振蕩時產(chǎn)生的沖擊電流會越大。在極端情況下，線路的間歇性單相接地故障反復(fù)出現(xiàn)，流經(jīng)互感器一次側(cè)的低頻飽和沖擊電流等效于幾次故障的累加。

3 過電壓分析

EMTP是電力網(wǎng)絡(luò)與電力電子暫態(tài)仿真領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的程序之一，它適用于電力網(wǎng)絡(luò)受到擾動（開關(guān)投切或故障）后計算隨時間變化的電氣暫態(tài)量，比如電力系統(tǒng)低頻振蕩中的電壓和電流變化。此外，EMTP-ATP程序廣泛應(yīng)用于暫態(tài)保護裝置的選擇、高壓并聯(lián)電抗器的選擇、氧化鋅避雷器的選擇和機電暫態(tài)計算中。

本文運用EMTP程序?qū)ε潆娋W(wǎng)低頻振蕩進行仿真，分析系統(tǒng)中性點電壓、相電壓和互感器一次電流的變化情況。仿真數(shù)據(jù)如下：變壓器型號為SZ9-20000/35，變比35 kV/10 kV，YNd11聯(lián)結(jié)，高低壓側(cè)額定電流分別為0.33 kA和1.1 kA，空載電流為0.16%，空載損耗為15.6 kW，短路阻抗為8.26%.母線電壓互感器為JDZJ-10型，其勵磁特性如表1所示。

3.1 對地電容的影響

針對不同的線路長度，分別按照對地電容C=3 ?F、C=5 ?F和C=10 ?F進行仿真，以分析低頻振蕩時的過電壓與過電流的變化情況。以A相發(fā)生接地故障為例，設(shè)置故障從0.1 s開始，0.2 s接地消失。仿真故障消失后，系統(tǒng)中的低頻振蕩仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2和圖3中可以看出，在中性點不接地系統(tǒng)中，線路達到一定長度，在互感器電感與對地電容偏離諧振參數(shù)匹配范圍內(nèi)，單相接地故障消失將會激發(fā)低頻振蕩。一般情況下，低頻振蕩導(dǎo)致的過電壓在2倍左右，但是，互感器一次側(cè)低頻飽和電流非常大，可達額定勵磁電流的幾百倍，往往會造成互感器熔絲瞬間熔斷。隨著系統(tǒng)對地電容的增大，低頻振蕩現(xiàn)象越嚴重，振蕩頻率越低。

3.2 接地消失時刻的影響

以A相接地故障消失為例，對地電容C=5 ?F時，接地開始時間為0.1 s，接地消失時刻分別取0.2 s、0.202 s、0.204 s和0.205 s，仿真接地消失時間（初始相位不同）對低頻振蕩的影響如表3所示。

從表3中可以看出，當接地消失時刻在中性點電壓峰值時，低頻振蕩能量最大，流過互感器一次側(cè)的過電流最嚴重；當接地消失時刻在中性點電壓過零時，低頻振蕩能量最低，流過互感器一次側(cè)的過電流也最小，但仍然大于互感器一次熔絲的額定電流（0.5 A）。振蕩能量差異的原因在于接地消失時刻各相電壓的瞬時值不同，因此，線路上積累的容性電荷也不同。

4 消弧線圈的作用

分析消弧線圈對低頻振蕩的抑制作用，線路對地電容C=5 ?F，消弧線圈采用過補償方式，計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，系統(tǒng)中性點接入消弧線圈后，在單相接地故障消失后，中性點電壓偏移很小，互感器電流峰值為60 mA。因此，消弧線圈可以有效抑制單相接地消失后的低頻振蕩，保護電壓互感器的正常運行。

5 結(jié)束語

本文簡要分析了配電網(wǎng)單相接地故障消失后，線路累積的電容性電荷在系統(tǒng)中引起的低頻振蕩現(xiàn)象，并深入研究了振蕩機理、等效電路、仿真計算和抑制措施。結(jié)果表明，低頻振蕩引起的系統(tǒng)過電壓幅值一般在2倍左右，在互感器上造成的沖擊電流遠遠超過勵磁電流，甚至高達上百倍，可以瞬間熔斷互感器熔絲。低頻振蕩主要與線路電容、接地故障消失時刻有關(guān)——線路電容與接地消失時的系統(tǒng)電壓越大，振蕩能量越強。因此，在系統(tǒng)中性點加裝消弧線圈，可以有效抑制低頻振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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作者簡介：許明生（1972—），高工，副主任，主要從事配網(wǎng)運行、配網(wǎng)檢修搶修方面的工作。

〔編輯：白潔〕