劉洪正 ,師 偉 ,姚金霞 ,周生奇
(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司,山東 青島 266002)
10kV配電網(wǎng)中為監(jiān)測(cè)變電站母線(xiàn)對(duì)地電壓,需在其配電母線(xiàn)上接一次繞組為星形連接、中性點(diǎn)接地的電磁式電壓互感器(TV)。正常運(yùn)行條件下,線(xiàn)路三相對(duì)地容抗非常接近,系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓近似為零,零序電壓測(cè)量值小于動(dòng)作電壓,不至于引起保護(hù)裝置動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某些擾動(dòng)時(shí),如空載母線(xiàn)投切、線(xiàn)路瞬間單相接地故障清除等,可能導(dǎo)致電壓互感器三相勵(lì)磁電感出現(xiàn)不同程度的飽和,造成系統(tǒng)中性點(diǎn)的工頻位移電壓較大,若系統(tǒng)零序回路參數(shù)達(dá)到特定條件,則可能激發(fā)諧振過(guò)電壓,引起TV高壓熔絲熔斷甚至TV燒毀,嚴(yán)重制約系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-4]。因此,加強(qiáng)對(duì)鐵磁諧振的機(jī)理以及抑制措施的研究意義重大。
結(jié)合 TV 典型勵(lì)磁的非線(xiàn)性特性,Peterson[5]研究了產(chǎn)生各種諧波的條件,給出的諧波區(qū)域曲線(xiàn)如圖1所示。其中,Ex為鐵磁諧振激發(fā)電壓;Ux為T(mén)V工作線(xiàn)電壓;XC0為系統(tǒng)每相對(duì)地容抗;Xm為T(mén)V高壓繞組在額定線(xiàn)電壓下的勵(lì)磁感抗。曲線(xiàn)1,2,3包絡(luò)范圍分別對(duì)應(yīng)分頻諧振、基頻諧振和高頻諧振。
圖1 諧振區(qū)域圖
Peterson提出TV鐵磁諧振的頻率與XC0/Xm的比值密切相關(guān),存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:
1)XC0/Xm=0.01~0.07,分頻諧振;
2)XC0/Xm=0.07~0.55,基頻諧振;
3)XC0/Xm=0.55~2.80,高頻諧振;
4)XC0/Xm<0.01 或 XC0/Xm>2.80, 系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振。
另外,由圖1也可以看出,激發(fā)諧振所需的電壓從分頻諧振到高頻諧振呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),即分頻諧振的條件最容易滿(mǎn)足。
理論上講,由TV飽和導(dǎo)致的高頻諧振過(guò)電壓幅值能達(dá)到額定相電壓的4~5倍,然而現(xiàn)實(shí)中的過(guò)電壓幾乎不超過(guò)3倍,故35 kV及以下系統(tǒng)中由高頻諧振引起設(shè)備受損的概率較低?;l諧振可能造成系統(tǒng)一相或兩相電壓升高,其過(guò)電壓幅值并不高,當(dāng)呈現(xiàn)兩相電壓升高、一相電壓下降時(shí),近似于單相接地,易引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作。分頻諧振的過(guò)電壓幅值通常小于2倍相電壓,然而較低的頻率使得TV勵(lì)磁電抗變小,勵(lì)磁電流陡增,電流幅值可能達(dá)到額定勵(lì)滋電流的上百倍,造成高壓熔絲熔斷甚至是TV爆炸[6]。由此可知,分頻鐵磁諧振過(guò)電壓對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的危害最大。
針對(duì)配電網(wǎng)中頻繁發(fā)生的鐵磁諧振現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的諧振抑制措施,例如采用勵(lì)磁特性更好的TV、在TV高壓側(cè)中性點(diǎn)接單相TV、在TV一次側(cè)中性點(diǎn)加裝消諧器、系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地;二次側(cè)開(kāi)口三角安裝阻尼電阻等[7-10]。目前雖然電網(wǎng)中應(yīng)用的各種消除鐵磁諧振的措施在實(shí)際中取得了一定成效,各種消諧措施因作用機(jī)理不同而各有所長(zhǎng),亦具有各自的局限性,針對(duì)某一具體系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際接線(xiàn)方式和運(yùn)行方式對(duì)上述消諧措施進(jìn)行分析和優(yōu)化配置,因地制宜地采取相應(yīng)的消諧方案。
上合組織青島峰會(huì)重大保電期間,山東省某變電站A 10 kV系統(tǒng)所帶出線(xiàn)較少,系統(tǒng)對(duì)地電容電流較小,在系統(tǒng)發(fā)生單相接地等擾動(dòng)時(shí),容易引發(fā)系統(tǒng)鐵磁諧振,對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備安全運(yùn)行造成不良影響。利用電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP對(duì)該變電站10 kV系統(tǒng)的鐵磁諧振情況及兩種抑制諧振措施進(jìn)行相應(yīng)了仿真計(jì)算,研究結(jié)果可為電力部門(mén)治理鐵磁諧振提供參考。
對(duì)變電站A的10 kV配電網(wǎng)建立仿真模型,在上合組織青島峰會(huì)期間,該變電站10 kV側(cè)僅保留2回電纜出線(xiàn)(電纜參數(shù)見(jiàn)表1),10 kV母線(xiàn)以及其中1回電纜出線(xiàn)—線(xiàn)路A的末端接有TV(TV參數(shù)見(jiàn)表2),系統(tǒng)一次接線(xiàn)如圖2所示。
圖2 10 kV配電網(wǎng)接線(xiàn)簡(jiǎn)化圖
表1 出線(xiàn)電纜參數(shù)
表2 TV參數(shù)
單相TV在線(xiàn)電壓的勵(lì)磁電抗Xm=397.4 kΩ,電容約為 0.573 9 μF,經(jīng)計(jì)算 XC0/Xm=0.014 8,該參數(shù)恰好落在Peterson分頻諧振區(qū)域,即在外界條件激勵(lì)下,易引起系統(tǒng)分頻諧振。配電網(wǎng)中激發(fā)鐵磁諧振最常見(jiàn)的一種情況是單相接地故障清除,本文以此作為計(jì)算條件。
假設(shè)系統(tǒng)在0.1 s時(shí)發(fā)生單相金屬接地,0.158 s時(shí)接地故障解除,單相接地故障消失瞬間產(chǎn)生了分頻諧振,不同運(yùn)行工況下10 kV母線(xiàn)三相電壓、母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流的仿真結(jié)果如圖3~8所示。其中,A相、B相、C相的電壓或電流分別用紅色、綠色、藍(lán)色曲線(xiàn)表示。
1)10 kV母線(xiàn)TV中性點(diǎn)直接接地,帶線(xiàn)路A和線(xiàn)路B,仿真結(jié)果如圖3~4所示。
圖3 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖4 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
2)10 kV母線(xiàn)TV中性點(diǎn)直接接地,不帶線(xiàn)路A,仿真結(jié)果如圖5~6所示。
3)10 kV母線(xiàn)TV中性點(diǎn)直接接地,不帶線(xiàn)路B,仿真結(jié)果如圖7~8所示。
可以看出,單相接地故障消失引起分頻諧振,造成母線(xiàn)三相電壓同時(shí)升高,過(guò)電壓幅值可達(dá)2.2 pu,并伴隨有低頻擺動(dòng)。10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)的勵(lì)磁電流急劇上升,幅值可達(dá) 0.14 A,遠(yuǎn)超TV正常工作電流,容易造成TV燒毀。
圖5 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖6 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
圖7 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖8 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
在TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器(非線(xiàn)性電阻),是目前抑制鐵磁諧振最常用的方法,它能夠較大程度上消耗能量,有效抑制過(guò)電流、過(guò)電壓,降低飽和程度,抑制諧振發(fā)生。消諧電阻能夠限制TV涌流,尤其是由斷續(xù)弧光接地引起的過(guò)電流,并能分擔(dān)TV單向繞組電壓,使繞組的鐵芯飽和程度下降,從而改善TV勵(lì)磁特性。非線(xiàn)性電阻的特性由式(1)決定[11]。
式中:k取 10.669 kV/A;α 取 0.56。
在10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器,不同運(yùn)行工況下10 kV母線(xiàn)三相電壓、母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流的仿真結(jié)果如圖9~14所示。
1)10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器,帶線(xiàn)路A和線(xiàn)路B,仿真結(jié)果如圖9~10所示。
圖9 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖10 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
2)10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器,不帶線(xiàn)路A,仿真結(jié)果如圖11~12所示。
3)10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器,不帶線(xiàn)路B,仿真結(jié)果如圖13~14所示。
可以看出,在TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器能夠有效地抑制TV飽和引起的諧振過(guò)電壓、過(guò)電流,系統(tǒng)的分頻諧振在1 s內(nèi)得到有效抑制。
圖11 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖12 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
圖13 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖14 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
在10 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)接入消弧線(xiàn)圈 (第1檔:15.1 A),可以看作在TV高壓側(cè)勵(lì)磁電感上并聯(lián)了一個(gè)電感,因?yàn)橄【€(xiàn)圈的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TV的感抗,若系統(tǒng)中出現(xiàn)零序電流,零序電流主要經(jīng)消弧線(xiàn)圈流入大地,從而抑制TV的鐵磁諧振。采用系統(tǒng)中性點(diǎn)接入消弧線(xiàn)圈的方式進(jìn)行消諧,仿真得到的電壓、電流波形如圖15~16所示。
圖15 10 kV母線(xiàn)一次電壓波形
圖16 10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)勵(lì)磁電流波形
可以看出,在投入消弧線(xiàn)圈后,系統(tǒng)諧振得到了有效抑制,系統(tǒng)分頻諧振在1 s內(nèi)得到有效抑制。
將研究結(jié)果應(yīng)用于其他變電站,經(jīng)過(guò)1個(gè)月的運(yùn)行,未發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象,效果良好。
表3 應(yīng)用情況
上合組織青島峰會(huì)重大保電期間,因部分變電站10 kV系統(tǒng)所帶出線(xiàn)較少,系統(tǒng)對(duì)地電容電流較小,在系統(tǒng)單相接地故障消除時(shí),易造成TV的分頻諧振。通過(guò)在10 kV母線(xiàn)TV一次側(cè)中性點(diǎn)串接消諧器或采用系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地均可以有效抑制系統(tǒng)分頻諧振。