神華包神鐵路有限責(zé)任公司 李文勇

變配電所異常過電壓情況研究

神華包神鐵路有限責(zé)任公司 李文勇

變配電所過電壓是導(dǎo)致供電線路停運(yùn)的重要原因之一，為了保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，需要減少甚至避免變配電所過電壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文首先給出了變配電所過電壓的類型以及判定方法；其次對(duì)變配電所常見的諧振過電壓現(xiàn)象進(jìn)行了分析，給出了建模方法和機(jī)理分析；最后給出了變配電過諧振過電壓的預(yù)防和治理方法。通過對(duì)諧振過電壓現(xiàn)象的預(yù)防可以大幅減少過電壓現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

變配電所；過電壓；諧振；諧波

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)可靠性的要求也越來越高。變配電所過電壓由于其破壞性強(qiáng)以及不可預(yù)知性，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成很大的影響。文獻(xiàn)[1]介紹了由于雷擊等自然因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生過電壓，從而對(duì)供電線路造成了破壞；文獻(xiàn)[2]以某變電站35KV系統(tǒng)為模型，研究了單相接地和斷線故障時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)諧振過電壓的情況。從以上文獻(xiàn)不難看出，無論哪種形式的過電壓都會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成極大的影響。本文對(duì)變配電所異常過電壓情況進(jìn)行研究，所得結(jié)論對(duì)如何避免變配電所過電壓情況的發(fā)生具有重要的意義。

1 變配電所過電壓的類型及判別方法

過電壓通俗上可以理解為電壓超出正常值，從原理上解釋主要是由于電磁場的變化從而導(dǎo)致電壓發(fā)生變化。過電壓現(xiàn)象在電力系統(tǒng)中非常常見，并且會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)損壞等不利情況的出現(xiàn)，所以分析過電壓的類型并找出過電壓的判別方法十分重要。

過電壓按其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分類，可以大致分為兩種類型。第一種為大氣過電壓，屬于外部因素導(dǎo)致的電壓升高現(xiàn)象。形成大氣過電壓的因素主要是雷電，雷電產(chǎn)生時(shí)伴隨著巨大的電流，短暫的電流變化會(huì)造成電磁效應(yīng)，進(jìn)而影響雷電周圍的電氣設(shè)備。大氣過電壓主要分為兩種形式，即直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓；第二種情況為內(nèi)部過電壓，屬于系統(tǒng)內(nèi)部自身原因?qū)е碌碾妷荷攥F(xiàn)象。內(nèi)部過電壓主要有三種形式，第一種形式為工頻過電壓，線路空載時(shí)，由于電容效應(yīng)的影響，電壓會(huì)逐步升高，到達(dá)線路末端時(shí)，電壓達(dá)到最大值，當(dāng)遠(yuǎn)距離輸電線路超過300km時(shí)，空載線路造成的工頻電壓升高現(xiàn)象就不能忽略了。不對(duì)稱接地是造成工頻過電壓的另一種原因，其中單相接地的影響最為嚴(yán)重。造成工頻過電壓的最后一個(gè)原因是線路甩負(fù)荷；第二種內(nèi)部過電壓的形式是操作過電壓，操作過電壓主要是指電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能原件在其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)部磁場發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電壓升高的現(xiàn)象；最后一種情況為諧振過電壓，諧振過電壓是外部頻率與系統(tǒng)內(nèi)部某一頻率發(fā)生諧振的現(xiàn)象，是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

過電壓的判斷主要是根據(jù)過電壓的產(chǎn)生原理進(jìn)行判斷。通過判斷過電壓發(fā)生時(shí)電氣設(shè)備周圍是否有雷電現(xiàn)象的發(fā)生，來判別大氣過電壓；通過輸電線路的長度來判斷是否為電容效應(yīng)過電壓；通過是否有故障接地現(xiàn)象，判斷是否為非故障接地情況。

2 變配電所諧振過電壓情況研究

2.1 諧振過電壓的形式

諧振過電壓是系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的主要形式，也是電氣系統(tǒng)中常見的一種過電壓現(xiàn)象。諧振過電壓與產(chǎn)生諧振的條件有關(guān)，當(dāng)諧振條件不消除時(shí)，過電壓現(xiàn)象會(huì)一直存在，所以其危害程度較大。

根據(jù)電感特性的不同，可以將諧振過電壓分為三類：

（1）線性諧振過電壓：諧振回路由不帶鐵芯的電感元件(如輸電線路的電感,變壓器的漏感)或勵(lì)磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件(如消弧線圈)和系統(tǒng)中的電容元件所組成。

（2）非線性諧振過電壓(鐵磁諧振過電壓):諧振回路由帶鐵芯的電感元件(如空載變壓器、電壓互感器)和系統(tǒng)的電容元件組成。因鐵芯電感元件的飽和現(xiàn)象,使回路的電感參數(shù)是非線性的,這種含有非線性電感元件的回路在滿足一定的諧振條件時(shí),會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振。

（3）周期諧振過電壓：由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件(如凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd～Xq間周期變化)和系統(tǒng)電容元件(如空載線路)組成回路,當(dāng)參數(shù)配合時(shí),通過電感的周期性變化,不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量,造成參數(shù)諧振過電壓。

其中非線性諧振過電壓是最常見的。非線性諧振需要一定的激發(fā)條件，使電壓、電流幅值從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)，如電源電壓暫時(shí)升高、系統(tǒng)受到較強(qiáng)烈的電流沖擊等。當(dāng)激發(fā)因素消失后，諧振過電壓仍然可以繼續(xù)長期存在。還有非線性諧振過電壓一般不會(huì)非常高，過電壓幅值主要取決于鐵心電感的飽和程度。非線性諧振過電壓又可以分為以下三種類型：

2．1．1 斷線性非線性諧振

當(dāng)電力系統(tǒng)中線路出現(xiàn)故障時(shí)，可能造成中性點(diǎn)不接地的現(xiàn)象，在該情況下會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的非線性串聯(lián)諧振回路，從而造成斷線性非線性諧振過電壓的出現(xiàn)。斷線性非線性諧振目前沒有可以使用的算式，一般通過對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行分析，將三相電路通過轉(zhuǎn)化得到LC回路，通過對(duì)LC回路進(jìn)行求解計(jì)算，繼而得到三相電路上的過電壓情況。

2．1．2 傳遞性非線性諧振

產(chǎn)生傳遞性非線性諧振的主要原因是線路中的零序電壓和電流分量的作用。當(dāng)零序電壓或電流通過鐵芯電感元件時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生傳遞性非線性諧振過電壓。

2．1．3 互感器鐵芯飽和引起非線性諧振

互感器鐵芯飽和引起的非線性諧振與互感器的結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，電壓互感器低壓側(cè)和高壓側(cè)的負(fù)載容量相差很大，當(dāng)回路中電流突然變化時(shí)會(huì)引起互感器鐵芯的飽和，這樣就會(huì)造成回路中非線性諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 諧振過電壓的產(chǎn)生機(jī)理

為了對(duì)諧振過電壓機(jī)理進(jìn)行研究，需要對(duì)整體變配電所建立諧波電流源模型，通過對(duì)不同類型諧波進(jìn)行分析得出諧振過電壓的產(chǎn)生機(jī)理。

[3]，諧波電流的大小要嚴(yán)格遵循國家規(guī)范中公用電網(wǎng)諧波的允許值，公用電網(wǎng)諧波的限值見表2-1。

表2-1 諧波電壓限值

諧波電流的類型有一相諧波電流、兩相諧波電流和三相諧波電流三種形式，所以在對(duì)建立的模型進(jìn)行分析時(shí)，要分別考慮上述三種不同的情況。初始電流值的確定需要根據(jù)系統(tǒng)電流值得上限和下限確定。通過分析系統(tǒng)隨著頻率的變化，等效阻抗呈現(xiàn)出怎樣的變化趨勢可以找到系統(tǒng)的諧振點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可得在仿真模型中，A相、B相和C相中任意一相都會(huì)造成系統(tǒng)過電壓情況的發(fā)生，并且根據(jù)變化趨勢可以判斷諧振是線性的還是非線性的。

3 變配電所諧振過電壓的治理方法

對(duì)于變配電所常見的諧振過電壓的處理，目前常用的方法主要有兩種：

對(duì)電路中的諧波電流進(jìn)行限制。電路中諧振的發(fā)生主要是諧波電流的影響，因此為了消除諧振現(xiàn)象的發(fā)生，可以從諧波電流的源頭處進(jìn)行限制。在諧波波源處安裝交流濾波器可以較好的消除諧波電流，還可以在諧波波源處安裝有源電力濾波器，可以達(dá)到同樣的效果。

改變系統(tǒng)自身參數(shù)。通過上文的研究我們知道，諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理是系統(tǒng)內(nèi)部頻率與外部頻率數(shù)相同從而導(dǎo)致諧振現(xiàn)象的發(fā)生。所以當(dāng)諧波波源無法被控制時(shí)，可以通過改變系統(tǒng)內(nèi)部震動(dòng)參數(shù)，從而避開諧振區(qū)域。改變系統(tǒng)參數(shù)最常用的方式是通過系統(tǒng)增加電容或者電感，從而改變系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。

加裝微機(jī)消諧裝置消除非線性諧振。其工作原理是通過微機(jī)系統(tǒng)循環(huán)采集并檢測TV開口三角繞組電壓的變化來判斷是否有諧振，通常的實(shí)現(xiàn)辦法是在開口三角繞組中并一個(gè)電阻。理論上，對(duì)于諧振頻率越低的非線性諧振，應(yīng)選取阻值越小的電阻，但阻值過小的電阻并接在TV開口三角繞組上會(huì)影響TV的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蒚V燒毀。同時(shí)由于鐵磁諧振頻率往往不是單一的，所以這種方法也難以消除所有諧振。

為了防止過電壓情況的發(fā)生，需要對(duì)系統(tǒng)的過電壓情況進(jìn)行監(jiān)控，以便能在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理。對(duì)變配電所異常過電壓情況的監(jiān)控，需要對(duì)變配電三相線的電壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)某一相或者幾相電壓超標(biāo)的情況時(shí)，要及時(shí)切斷超標(biāo)的電壓。為此可以在變配電所內(nèi)增設(shè)對(duì)對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果出現(xiàn)過電壓情況則發(fā)出警報(bào)并且具有自動(dòng)切斷所做操作功能的設(shè)備，從而達(dá)到對(duì)配電所異常過電壓情況監(jiān)控的目的。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)變配電所中常見的諧振過電壓現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并且給出了預(yù)防和治理方法：通過對(duì)電路中諧波電流進(jìn)行控制，以及改變系統(tǒng)自身的參數(shù)可以有效的預(yù)防和治理諧振過電壓現(xiàn)象的發(fā)生。通過安裝具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警以及自動(dòng)切斷操作功能的設(shè)備，來達(dá)到最過電壓監(jiān)控的目的。

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反模糊化采用加權(quán)平均法，即：

2.5 模糊結(jié)果輸入PID控制器

做模糊處理的目的是為了使小車在不同的賽道上擁有不同的PID參數(shù)，得到PID輸出結(jié)果后將其輸入PID控制器。本文所采用的是較為簡單的處理方式，將模糊處理的結(jié)果作為PID參數(shù)的系數(shù)，即：

假定模糊處理輸出結(jié)果是μout，則從PID控制器中輸出的PID參數(shù)即為：

Kpout = Kp* μout，Kiout = Ki*μout，Kdout = Kd*μout

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析

在未采用模糊處理時(shí)，由于各賽道元素上小車運(yùn)行軌跡的變化規(guī)律不同（見圖4），采用單一的PID參數(shù)，適應(yīng)性較差，容易出現(xiàn)響應(yīng)遲緩。加入模糊之后，根據(jù)所處的賽道對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，一旦檢測到偏差，系統(tǒng)就能更快地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，小車行進(jìn)的路徑更加合理，避免了緊急制動(dòng)的可能性，使車速曲線更加平滑。此外運(yùn)行路程也有所減少，從側(cè)面提高了小車的運(yùn)行速度。

圖4 小車運(yùn)行軌跡對(duì)照?qǐng)D

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作者簡介：

李雨璇（1994—），中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程在讀本科生，嵌入式研究方向。

李文勇（1976—），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電氣化鐵路變配電所運(yùn)行、檢修及試驗(yàn)工作。