陳洪翔

（江蘇嘉宏新材料有限公司，江蘇 連云港 222000）

受設(shè)備制造和運(yùn)行成本等的限制，目前35kV 無(wú)接地配電網(wǎng)多以變電站（三相對(duì)地電壓）監(jiān)測(cè)為主。在電網(wǎng)中，母線閉合、暫態(tài)單相接地等綜合因素的影響會(huì)導(dǎo)致PT 感抗呈下降趨勢(shì)。PT 勵(lì)磁電感與其對(duì)地電容相匹配并構(gòu)成非線性共振環(huán)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鐵磁共振、過(guò)電壓現(xiàn)象[1]。由于鐵磁諧振與電網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)、配網(wǎng)運(yùn)行方式、供電設(shè)備特性等具有較直接的關(guān)系，因此在運(yùn)行中一旦電網(wǎng)某個(gè)因素出現(xiàn)異常，便會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的高頻、低頻諧振。在長(zhǎng)時(shí)間的影響下，諧振會(huì)導(dǎo)致PT 出現(xiàn)熔絲熔斷等安全事故。

鐵磁諧振回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、諧振形式多樣、隨機(jī)性強(qiáng)且具有混沌等特點(diǎn)，使其在不同系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式各不相同。截至目前，鐵磁諧振問(wèn)題一直未得到較好解決，其原因既為其自身的不足并受分析手段所限。鑒于鐵磁共振現(xiàn)象頻發(fā)，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)過(guò)電壓的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)理及控制方法進(jìn)行深入研究、加深對(duì)鐵磁共振的理解并尋求更有效的抑制方法具有較現(xiàn)實(shí)的意義[2]。為落實(shí)該方面工作，該文將以某化工企業(yè)35kV 變電所10kV 系統(tǒng)為例，進(jìn)行如下研究。

1 建立35kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文以某變電站中典型的35kV 電力系統(tǒng)為例，進(jìn)行中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型的構(gòu)建研究。從電磁角度對(duì)系統(tǒng)中各裝置的物理性質(zhì)進(jìn)行精確模擬，并對(duì)其進(jìn)行合理計(jì)算，將其作為系統(tǒng)模型構(gòu)建的前提條件[3]。根據(jù)建模中所需設(shè)備實(shí)際特性參數(shù)，建立如圖1 所示的仿真模型。

1.2 模型中的主變壓器與母線出線參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)建模需求，系統(tǒng)中的主變壓器均為三相繞組變壓器，主變壓器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主變壓器參數(shù)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)上述圖1 可以看出，此變電所中母線共有5 條出線，出線參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 變電所中5 條母線出線參數(shù)

1.3 電壓互感器（PT）空載伏安接線設(shè)計(jì)

35kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接線上的所有PT均被稱之為母線PT，在深入研究中發(fā)現(xiàn)，造成系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生鐵磁諧振的主要原因是PT 的非線性，因此，要確保構(gòu)建模型符合規(guī)范，就需要掌握PT 在空載條件下運(yùn)行的勵(lì)磁特性[4]。在高壓側(cè)進(jìn)行PT 空載運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試中的接線示意圖如圖2所示。在該基礎(chǔ)上構(gòu)建單相PT 的仿真模型，如圖3 所示。

圖2 高壓側(cè)PT 空載運(yùn)行測(cè)試接線

圖3 單相PT 的仿真模型

通過(guò)上述方式，可以將PT 在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的伏安特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞔沛湐?shù)據(jù)，然后采用逐點(diǎn)遞推法得到PT的伏安運(yùn)行特性曲線，以此為依據(jù)即可掌握PT 在運(yùn)行中的勵(lì)磁特性。再根據(jù)測(cè)試得到的PT 勵(lì)磁特性設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型中的PT 參數(shù)，以此構(gòu)建35kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型[5]。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振影響因素分析

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)鐵磁諧振的影響

為探究35kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行方式是否會(huì)對(duì)鐵磁諧振產(chǎn)生影響，該文進(jìn)行了如下研究。通常情況下，35kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)采用單母線帶分段母線的運(yùn)行方式。在正常運(yùn)行情況下，每臺(tái)主變都有一條母線，2 條母線通過(guò)35kV備用電源的自動(dòng)切換裝置互為備份母線[6]。當(dāng)一條母線出現(xiàn)故障或進(jìn)行例行檢查、檢修時(shí)，可采用母聯(lián)接式斷路器將其他母線斷開(kāi)，從而恢復(fù)正常工作。該文在分析配線方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出5 種可能的配線方式，分別如下：第一種，#1 主變帶35kV I 段母線上傳遞負(fù)載。第二種，#2 主變帶35kV II 段母線上傳遞負(fù)載。第三種，#1 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負(fù)載。第四種，#2 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負(fù)載。第五種，#1 和#2 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負(fù)載[7]。針對(duì)上述5 種方式分別記錄系統(tǒng)諧振過(guò)電壓，記錄結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下的鐵磁諧振過(guò)電壓記錄表

表3 中35kV 母線電壓的單位為p.u.，是指35kV 系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓基準(zhǔn)值為1p.u.。1p.u.的轉(zhuǎn)換公式如公式（1）所示。

將諧振頻率小于工頻1/3 的諧振稱為頻率較低分頻諧振，結(jié)合表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，單相接地消失以后，系統(tǒng)的三相對(duì)地與中性點(diǎn)均出現(xiàn)了諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。比較不同的運(yùn)行方式，其諧振過(guò)電壓的數(shù)值和頻率較接近。該文在研究過(guò)程中設(shè)置的外界激發(fā)方式相同，系統(tǒng)在上述5 種運(yùn)行方式下對(duì)地的電容值均接近，PT 等值勵(lì)磁電感值也較接近，即XCO/Xm的比值相近，對(duì)應(yīng)的諧振范圍相似。其中XCO代表系統(tǒng)每相對(duì)地容抗，Xm代表PT 高壓側(cè)勵(lì)磁電抗。在5 種運(yùn)行方式下，系統(tǒng)均能夠正常運(yùn)行。

2.2 單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)對(duì)鐵磁諧振的影響

由于35kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同的單相接地原因會(huì)造成不同的接地電阻阻值，因此需要進(jìn)一步分析接地電阻阻值對(duì)鐵磁諧振的影響[8]。假設(shè)系統(tǒng)單線運(yùn)行時(shí)，其首端A 相會(huì)在0.02s 出現(xiàn)單相接地故障，于0.06s 接地時(shí)，改變單相接地時(shí)故障點(diǎn)的阻值，將接地電阻的變化范圍設(shè)置為0.5Ω～5.0Ω，通過(guò)仿真方式模擬并記錄諧振產(chǎn)生時(shí)的電壓電流值，見(jiàn)表4。

表4 不同接地電阻值下鐵磁諧振的變化記錄表

無(wú)論故障發(fā)生在線路首端還是末端，當(dāng)單相接地故障消失進(jìn)而激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓時(shí)，35kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的母線電壓和中性點(diǎn)電壓沒(méi)有隨故障點(diǎn)接地電阻值的變化而發(fā)生明顯變化，因此諧振時(shí)頻率受接地電阻值變化的影響并不明顯。

3 鐵磁諧振抑制措施

為抑制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振，將系統(tǒng)的中性點(diǎn)通過(guò)消弧線圈接地。對(duì)系統(tǒng)在單相接地時(shí)的接地容性電流進(jìn)行估算。單相接地電容電流主要有2 種，一種是線路對(duì)地容電流，另一種是電力裝置對(duì)地容電流。因?yàn)榕c線路相比，電力裝置的容性電流很小，所以在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì)。以架空輸電線路為例，其單相接地時(shí)電容電流的計(jì)算分為2 種情況，一種為架空線路有地線，另一種為架空線路無(wú)地線。第一種情況的電容電流的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：IC代表架空線路有地線時(shí)的單相接地電容電流；UN代表線路的額定電壓；l代表線路的長(zhǎng)度。

第二種情況的電容電流的計(jì)算如公式（3）所示。

式中：代表架空線路無(wú)地線時(shí)的電箱接地電容電流。

當(dāng)消弧線圈工作處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，可以有效抑制系統(tǒng)鐵磁諧振。過(guò)電壓幅值會(huì)隨時(shí)間的推移而逐步衰減，0.5s 后，系統(tǒng)電壓已降至1.12p.u.；1.5s 后，電壓已接近正常；大約為1.02p.u.時(shí)，其頻率已經(jīng)接近工頻。隨著時(shí)間的推移，中點(diǎn)處的偏置電壓也逐漸降低，直至變?yōu)?。結(jié)果表明，在經(jīng)過(guò)消弧線圈的情況下，由PT 飽和所引起的分頻磁場(chǎng)較弱，因此可以得到較好的抑制。其根本原因是消弧線圈的電感值通常小于PT 的勵(lì)磁電感，中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線圈時(shí)會(huì)出現(xiàn)零序電流。此時(shí)，如果在PT 的勵(lì)磁電感的兩端并聯(lián)一個(gè)遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感的電感，將會(huì)打破原有的參數(shù)匹配關(guān)系，使PT 難以進(jìn)行飽和運(yùn)行，進(jìn)而可降低出現(xiàn)諧振的概率，有效抑制諧振。

4 工況分析與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振抑制效果

某化工企業(yè)35kV 變電所10kV 母線投用后出現(xiàn)了母線電壓不平衡現(xiàn)象，母線電壓分別為A 相6.075kV，B 相5.662kV，C 相5.966kV，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得二次電壓為A 相61V，B 相57V，C 相60V，開(kāi)口三角電壓為7.5V。三相線電壓基本平衡，相電壓不平衡，最大為0.5kV。

停電檢修后對(duì)電壓互感器進(jìn)行外觀檢查及試驗(yàn)，檢查后發(fā)現(xiàn)，電壓互感器外觀表面正常，無(wú)灼燒、裂紋等情況。對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 電壓互感器停電檢修測(cè)試數(shù)據(jù)

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，三相電壓互感器的參數(shù)滿足出廠要求，彼此的伏安特性相差不大，不是導(dǎo)致電壓不平衡的根本原因。

將一次消諧器與電壓互感器中性點(diǎn)拆開(kāi)后直接接地并將其重新帶電后，一次電壓A 相為5.94kV，B 相為5.93kV，C 相為5.93kV，開(kāi)口三角電壓為0V。此時(shí)母線電壓已平衡，恢復(fù)一次消諧器接線后，不平衡情況已然存在。采用顯示頻率的數(shù)字式頻率表測(cè)量開(kāi)口三角兩端的電壓，接近150Hz，表明電壓互感器勵(lì)磁電流中的三次諧波電流造成中性點(diǎn)經(jīng)一次消諧器產(chǎn)生位移電壓，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)口三角電壓升高、母線電壓不平衡。為解決上述問(wèn)題，在與變電所運(yùn)營(yíng)管理單位綜合商議后，決定使用該文設(shè)計(jì)的方法抑制鐵磁諧振。抑制效果如圖4 所示。

圖4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振抑制效果

5 結(jié)語(yǔ)

含鐵芯的電磁變壓器在35kV 無(wú)接地中性點(diǎn)配網(wǎng)中具有廣泛應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路、運(yùn)行和缺相等故障時(shí)，鐵芯與系統(tǒng)電容將產(chǎn)生高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的諧振過(guò)電壓，并對(duì)電網(wǎng)可持續(xù)、安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。為解決該問(wèn)題，該文以某化工企業(yè)35kV 變電所10kV 系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，為證明并檢驗(yàn)所提鐵磁諧振抑制方法的應(yīng)用效果，對(duì)存在母線電壓不平衡的系統(tǒng)鐵磁諧振進(jìn)行抑制。根據(jù)圖4 結(jié)果可以看出，該文設(shè)計(jì)的鐵磁諧振抑制方法可以有效抑制系統(tǒng)運(yùn)行中的諧振，即與抑制前相比，抑制后的系統(tǒng)鐵磁諧振頻率顯著降低。