鄧 軍，馬晉佩

（1.廣西電網(wǎng)公司來賓供電局，廣西 來賓 546100；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030000）

來賓供電局10 kV配網(wǎng)鐵磁諧振抑制措施應(yīng)用研究

鄧 軍1，馬晉佩2

（1.廣西電網(wǎng)公司來賓供電局，廣西 來賓 546100；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030000）

基于電磁暫態(tài)仿真軟件（EMTP-ATP），研究10 kV配網(wǎng)鐵磁諧振過電壓、過電流水平，分析其影響因素，如三相不同期合閘、單相接地故障消失時(shí)刻、系統(tǒng)對地電容值大小等，進(jìn)而比較分析不同諧振抑制措施的抑制效果，為提高配電網(wǎng)的供電安全提供參考依據(jù)。

鐵磁諧振；消諧措施；仿真軟件ATP

0 引言

電力系統(tǒng)存在許多電感元件，尤其是安裝在母線上的電磁式電壓互感器，當(dāng)操作不當(dāng)或單相接地故障消失時(shí)極易導(dǎo)致鐵芯飽和，與回路中的電容元件相匹配達(dá)到諧振條件，產(chǎn)生鐵磁諧振。由于來賓供電局 (以下簡稱“來賓局”)10 kV配網(wǎng)采用中性點(diǎn)不直接接地運(yùn)行方式，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，造成系統(tǒng)內(nèi)部過電壓和電壓互感器（PT）繞組的過電流，可導(dǎo)致高壓側(cè)熔斷器熔斷、避雷器損壞，甚至PT爆炸，嚴(yán)重威脅來賓配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

本文以來賓局110 kV工業(yè)園變電站為原型搭建ATP仿真模型，分析計(jì)算來賓局10 kV配電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)系統(tǒng)過電壓、過電流水平，進(jìn)而對比研究常見幾種消諧措施的優(yōu)劣勢，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 鐵磁諧振過電壓仿真分析

對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，激發(fā)鐵磁諧振的因素較多，實(shí)際運(yùn)行中以單相接地故障消失時(shí)系統(tǒng)對地電容大小、單相接地故障消失時(shí)刻、三相不同期合閘三種因素較為常見。下面仿真分析該三種影響因素激發(fā)鐵磁諧振的強(qiáng)弱情況。

1.1 單相接地故障消失時(shí)系統(tǒng)對地電容大小對鐵

磁諧振的影響

單相接地故障是配網(wǎng)系統(tǒng)最為常見、最容易激發(fā)鐵磁諧振的一種故障類型。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，對地電容不同，激發(fā)的諧振類型及強(qiáng)度不同，因此改變系統(tǒng)單相對地電容，分析PT上電壓、電流值及系統(tǒng)諧振情況。仿真中設(shè)置單相接地故障時(shí)間0.1～0.135 s，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)不同對地電容值時(shí)所激發(fā)的鐵磁諧振狀況

由表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)對地電容較小時(shí)容易激發(fā)基頻諧振，過電壓倍數(shù)達(dá)到2.6 p.u.；隨著對地電容的增大，諧振頻率降低，產(chǎn)生分頻諧振，PT上電流增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了正常允許值。

1.2 單相接地故障消失時(shí)刻對鐵磁諧振的影響

單相接地故障消失時(shí)刻不同，系統(tǒng)中是否能激發(fā)出鐵磁諧振及激發(fā)的鐵磁諧振的強(qiáng)度均不同。經(jīng)仿真研究，系統(tǒng)在故障相電源電壓處于峰值處消失，更易激發(fā)出強(qiáng)度更大的鐵磁諧振。表2為不同故障消失時(shí)刻激發(fā)的鐵磁諧振情況。

表2 單相接地故障消失時(shí)刻不同時(shí)所激發(fā)的鐵磁諧振狀況

1.3 三相不同期合閘對鐵磁諧振的影響

三相不同期合閘時(shí)，系統(tǒng)有比較劇烈的電磁能量振蕩，尤其在系統(tǒng)對地電容較小時(shí)，這一現(xiàn)象更為明顯，甚至能夠激發(fā)短時(shí)的高頻諧振。改變系統(tǒng)單相對地電容，設(shè)置斷路器三相合閘時(shí)間為0.1 s、0.1 s、0.11 s，不同期合閘激發(fā)的鐵磁諧振情況如表3所示。

表3 不同對地電容下不同期合閘激發(fā)的鐵磁諧振

由表3可以得知：三相不同期合閘會引起鐵磁諧振現(xiàn)象，產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓最大至3.13倍，在PT一次側(cè)產(chǎn)生電流較大，PT長時(shí)間流過該電流將對其正常運(yùn)行造成威脅。

2 系統(tǒng)鐵磁諧振抑制措施

鑒于單相接地故障的常見性及嚴(yán)重性，研究消諧措施時(shí)以單相接地故障消失作為激發(fā)鐵磁諧振的因素，并在仿真中設(shè)置故障相電源電壓處于峰值時(shí)消失，此時(shí)最易激發(fā)鐵磁諧振。

2.1 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地對鐵磁諧振的抑制作用

系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，阻值分別取1 000Ω、1 MΩ，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)接入電阻，單相接地故障時(shí)間為0.1～0.135 s，C0為0.25μF，仿真得到其電壓電流波形如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 對地電容為0.25μF、中性點(diǎn)絕緣時(shí)電壓、電流波形

圖2 對地電容為0.25μF、中性點(diǎn)接地電阻為1 000Ω時(shí)電壓、電流波形

圖3 對地電容為0.25μF、中性點(diǎn)接地電阻為1 MΩ時(shí)電壓、電流波形

系統(tǒng)中性點(diǎn)對地絕緣，C0為0.25μF時(shí)，如圖1所示系統(tǒng)發(fā)生1/3分頻諧振；當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障消失時(shí)，在其中性點(diǎn)投入1 000Ω電阻，如圖2所示接地故障消失后不再發(fā)生諧振，有良好的抑制效果；當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)1 MΩ電阻接地時(shí)，如圖3所示，對諧振抑制效果不明顯。

2.2 PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式對鐵磁諧振的抑制作用

系統(tǒng)發(fā)生諧振后，在PT一次側(cè)中性點(diǎn)接入R=20 kΩ的線性電阻、非線性電阻，其伏安特性為U=k Iα，其中k=10.669 kV/A，α=0.56，單相接地故障時(shí)間為0.1～0.135 s，C0為0.25μF，仿真得到其電壓電流波形如圖4、圖5所示。

圖4 對地電容為0.25μF、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)20 kΩ電阻接地時(shí)電壓、電流波形

圖5 對地電容為0.25μF、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻接地時(shí)電壓、電流波形

當(dāng)對地電容C0=0.25μF，單相接地故障消失時(shí)系統(tǒng)發(fā)生在1/3分頻諧振。PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)線性電阻、非線性電阻接地，電源中性點(diǎn)電壓偏移減小，PT上電流幅值減小，有效抑制了諧振。但是這種消諧方式主要是靠電阻阻尼消耗諧振的能量，線性電阻熱容量較小，容易導(dǎo)致PT熔絲熔斷等故障。非線性電阻相比于線性電阻熱容量較大，流過其電流越大阻值越大，阻尼效果較好。

2.3 采用4PT接法對鐵磁諧振的抑制作用

仿真設(shè)置系統(tǒng)單相對地電容C0=0.25μF，單相接地故障時(shí)間0.1～0.135 s，三相PT中性點(diǎn)經(jīng)零序PT接地。母線電壓、原PT三相電流、零序PT電流波形如圖6所示。

圖6 對地電容為0.25μF、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序PT接地時(shí)電壓、電流波形

改變系統(tǒng)單相對地電容，采用4PT方式后鐵磁諧振激發(fā)情況如表4所示。

對比表1、表4可知，4PT法可以有效抑制系統(tǒng)中可能發(fā)生的鐵磁諧振：發(fā)生鐵磁諧振的對地電容范圍減小，原三相PT上的過電流幅值大大降低，過電壓幅值也降低，零序PT比原三相PT上過電流要大。由于零序PT同樣存在非線性電感，系統(tǒng)沒有從根本上抑制諧振。

表4 采用4PT時(shí)單相接地故障消失所激發(fā)的諧振情況

2.4 PT開口三角繞組接阻尼電阻對鐵磁諧振的抑制作用

仿真時(shí)設(shè)置系統(tǒng)單相對地電容為0.25μF，開口三角接5Ω線性阻尼電阻，單相接地故障時(shí)間為0.1～0.135 s。

PT開口三角接入阻尼電阻，諧振基本沒有被激發(fā)，該方法可以很好地抑制諧振。但是要求在單相接地故障消失瞬間投入阻尼電阻，電阻提前投入和延遲投入都不能對PT起到有效的保護(hù)作用。

2.5 采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器

系統(tǒng)中導(dǎo)致鐵磁諧振最主要的電感元件是電磁式電壓互感器，其勵(lì)磁特性至關(guān)重要。目前，各變電站普遍選用飽和點(diǎn)電壓為1.9倍相電壓的電壓互感器，即當(dāng)PT一次側(cè)電壓超過1.9倍相電壓時(shí)，互感器由于鐵芯飽和激磁電抗急劇下降，勵(lì)磁電流劇增。由第一節(jié)的分析可知，系統(tǒng)單相接地故障消失、三相不同期合閘等引發(fā)的系統(tǒng)過電壓倍數(shù)大多數(shù)超過1.9倍相電壓，此時(shí)已進(jìn)入PT飽和區(qū)。為抑制鐵磁諧振，改善PT勵(lì)磁特性，采用低磁密PT，提高飽和點(diǎn)電壓到3倍相電壓。

表5 改善后PT勵(lì)磁曲線參數(shù)

仿真采用改善后的PT，系統(tǒng)單相對地電容為0.06μF單相接地故障時(shí)間為0.1～0.135 s。

當(dāng)對地電容為0.06μF時(shí)，單相接地故障消失時(shí)系統(tǒng)發(fā)生1/2分頻諧振。采用改善的PT后，在短時(shí)振蕩后系統(tǒng)恢復(fù)正常，有效抑制了諧振。

改變系統(tǒng)單相對地電容，采用改善PT后抑制效果如表6所示。

表6 采用改善后PT的諧振抑制效果

對比表1可知，采用改善的PT后，系統(tǒng)經(jīng)過短時(shí)振蕩后恢復(fù)正常狀態(tài)，PT上未出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。因?yàn)閱蜗嘟拥毓收舷Ъぐl(fā)的鐵磁諧振過電壓倍數(shù)均不超過新PT的飽和點(diǎn)電壓值，系統(tǒng)內(nèi)電容電感值未達(dá)到諧振條件，從根本上抑制了諧振的發(fā)生。

3 結(jié)束語

a）系統(tǒng)單相接地故障消失、三相不同期合閘等操作均可能導(dǎo)致鐵磁諧振現(xiàn)象，且單相接地故障消失時(shí)刻會影響鐵磁諧振激發(fā)的強(qiáng)弱情況，故障在故障相電壓峰值時(shí)消失激發(fā)的鐵磁諧振最為嚴(yán)重。

b）系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，當(dāng)電阻較小時(shí)可以有效抑制諧振，電阻較大時(shí)對諧振基本無抑制效果，但較小的電阻將改變系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式。

c）PT開口三角接入阻尼可以有效抑制諧振，但對電阻的切入時(shí)間有嚴(yán)格要求，并且阻尼電阻較小時(shí)開口三角環(huán)流較大，實(shí)際運(yùn)行中對系統(tǒng)存在安全隱患。

d）PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻接地可以有效抑制諧振，且由于其非線性特性有較大的熱容量及較強(qiáng)的通流能力，避免了線性電阻因熱容量小導(dǎo)致熔斷器熔斷等故障。

e） 采用4PT法可以有效抑制諧振，減小PT上過電壓、過電流大小。但由于4PT接法，要求采用全絕緣PT，PT數(shù)量增加，并要求較大的柜體尺寸。實(shí)際應(yīng)用有一定限制。

f）PT勵(lì)磁特性越好，鐵芯越不容易飽和，也越不容易與系統(tǒng)中電容達(dá)到諧振匹配條件，改善PT勵(lì)磁特性，提高飽和點(diǎn)電壓，可以從根本上消除諧振。

g） PT一次側(cè)經(jīng)電阻接地、4PT法、改善PT勵(lì)磁特性方式均可有效抑制諧振，來賓供電局根據(jù)變電站實(shí)際情況分別進(jìn)行擇優(yōu)選用，抑制鐵磁諧振過電壓取得了良好效果。

Research on Ferromagnetic Resonance Suppression Measures in Laibin 10 kV Distribution Network

DENG Jun1,M A Jinpei2

(1.Guangxi Laibin Power Supply Company,Laibin,Guangxi 546100,China; 2.State Grid Taiyuan Power Supply Company,Taiyuan,Shanxi 030000,China)

Based on the electromagnetic transient simulation software (EMTP- ATP), this paper studies the ferromagnetic resonance overvoltage and over-current level of 10 kV distribution network, and the influencing factors are analyzed, including three- phase non- synchronous switch- on, the disappear moment of single phase earth fault and shunt capacitance value, etc. The effects of different resonance suppressing measures are analyzed, which provides reference for improving the safety of power distribution network.

ferromagnetic resonance;harmonic elimination measures;ATP

TM8

A

1671-0320（2016）02-0038-04

2015-11-23，

2016-01-25

鄧 軍（1970），男，廣西全州人，1993年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級工程師，從事輸變電設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理工作；

馬晉佩（1988），女，山西呂梁人，2015年畢業(yè)于重慶大學(xué)電力工程專業(yè)，碩士，助理工程師，從事過電壓和接地技術(shù)研究。