電力系統(tǒng)鐵磁諧振數(shù)字仿真及防范措施

張 強，司紅代，徐蘊鋒

(1．東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006;2．沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136;3．大連市熱電集團有限公司，遼寧 大連 116021)

1 中性點不接地系統(tǒng)鐵磁諧振的發(fā)生原因及條件

1.1 發(fā)生原因

中性點不接地電網(wǎng)中，電磁式電壓互感器TV的高壓側中性點通常是接地的，同時存在母線、電纜、線路、變壓器等設備的對地電容，這樣就構成了電容、電感的并聯(lián)回路。系統(tǒng)正常運行時，電壓互感器鐵心未達到飽和，互感器電感遠大于線路對地電容，工頻條件下，未滿足諧振條件，因此不會發(fā)生諧振。當系統(tǒng)故障時，例如系統(tǒng)單相接地，此時故障相電壓為零，接地相電感、電容被短接，非故障相電壓升高為原來的倍，同時因非故障相電壓升高可能使得電壓互感器鐵心飽和而使電感下降，當下降后的等效電感與系統(tǒng)等效電容參數(shù)配合在整數(shù)或分數(shù)倍系統(tǒng)頻率時滿足諧振條件，這就有可能引起鐵磁諧振，諧振電流有可能比正常時大幾十倍甚至上百倍。如果高壓側電流不能達到使熔斷器熔斷且超過允許值時，就可能使電壓互感器燒毀，對系統(tǒng)影響較大［1］。圖1為中性點不接地系統(tǒng)的示意圖，圖2為中性點不接地系統(tǒng)一次側系統(tǒng)電氣等效圖。

1.2 發(fā)生的條件

發(fā)生鐵磁諧振需具備5個條件，如圖3所示。

2 鐵磁諧振TV仿真模型的建立

TV鐵心易飽和特性是構成鐵磁諧振的重要條件，而TV的V－I特性曲線集中反映其鐵心飽和特性［3］。在以往的仿真中，往往采用非線性電感(具有TV的V－I特性)串聯(lián)電阻來模擬TV高壓側繞組，其結果忽略了TV本身的鐵損和漏抗，使仿真誤差較大。

本文以電磁仿真軟件PSCAD中可以自定義V－I特性曲線的單相三卷變壓器UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)模塊為基礎，由3個UMEC構成TV，其接線方式如圖4所示。其中:(Ua、Ub、Uc)模擬TV一次高壓側三相端，TV一次側中性點接地， (ua、ub、uc)模擬TV二次低壓側三相端，(N，L)模擬TV的開口三角形側。仿真過程中的零序電壓從模型中的開口三角形(N，L)處測量，這樣會更有效、更準確地模擬母線TV的運行特點。圖5為某變電站TV的V－I特性曲線圖，由圖5可知，TV的感抗具有明顯的非線性特點。

a． 低損。鐵磁諧振一般發(fā)生于輕、空載運行方式下 (諧振回路中的損耗值小于某臨界值)。

b． 電容。存在線路、電纜、母線、變壓器等設備的對地電容。

c． 非線性電感。電磁式電壓互感器鐵心易飽和的特性。

d． 參數(shù)配合范圍。

根據(jù)國內(nèi)外學者的理論研究及實驗結果可知，隨著Xco/Xm比值不同，可能激發(fā)不同類型的諧振。

①當Xco/Xm=0.01～0.07時，發(fā)生分頻諧振。

②當Xco/Xm=0.07～0.55時，發(fā)生基波諧振。

③當Xco/Xm=0.55～2.8時，發(fā)生高頻諧振(主要是3次諧波)。

④當Xco/Xm≤0.01或 Xco/Xm≥2.8時，系統(tǒng)一般不會發(fā)生鐵磁諧振。

e． 激發(fā)事件

投/切變壓器、電壓互感器、空載線路、母線等設備;線路發(fā)生單相金屬、瞬間弧光接地及接地故障的消失 (易激發(fā)分頻諧振);變壓器和TV一相或兩相高壓保險絲熔斷;線路斷線，斷路器非同期合閘 (易激發(fā)基頻諧振)等［2］。

3 避免和防止鐵磁諧振的方法

鐵磁諧振對電力系統(tǒng)危害較大，需要采取相應的措施加以防范和避免。而避免和防止鐵磁諧振的方法主要有2大類:一是破壞鐵磁諧振發(fā)生條件;二是消耗振蕩能量。

3.1 破壞鐵磁諧振發(fā)生條件

3.1.1 改變正常操作順序

改變正常操作順序，可避免鐵磁諧振。例如:在可能的情況下，可優(yōu)先考慮合上空載母線上的空載變壓器或無源線路，改變電感參數(shù)，消除諧振。恢復供電時，先對空載母線充電后再投入變壓器。

優(yōu)點:對可能產(chǎn)生諧振的操作程序加以調(diào)整，采用合適的操作方法，避免電感、電容串聯(lián)，這樣可以避開產(chǎn)生諧振的條件。這是我國當前普遍采用的一項消諧措施。

缺點:該方法違反了正常的操作順序，可能引發(fā)不良后果，當系統(tǒng)故障導致空母線運行時，有引發(fā)諧振的可能。對于無人值守的變電站，后果是嚴重的。

3.1.2 采用勵磁特性好的TV

TV勵磁特性［4］有2個方面:一是勵磁特性量值，即對飽和點的要求。二是勵磁特性的一致性，即各相互感器勵磁電抗的差異。

對勵磁特性的控制措施主要也是2個方面:一是改變互感器鐵心的分布，使其不易出現(xiàn)飽和;二是出廠前對互感器按3臺進行配組，提高其一致性。

勵磁特性好的TV，在一般的電壓水平下不會進入深度飽和區(qū)，不易形成諧振的匹配參數(shù)。若三相TV勵磁特性的一致性不好，會使鐵磁諧振的幾率增大。一般要求三相TV勵磁電流最大和最小值之比不超過130%。

優(yōu)點:采用勵磁特性越好的TV產(chǎn)生諧振的電容參數(shù)范圍就越小，可以降低諧振發(fā)生的概率，采用勵磁特性好的TV通常認為是解決諧振的一個基本措施。TV系統(tǒng)零序電壓迅速降至零，使系統(tǒng)三相電壓對稱運行。

缺點:一旦激發(fā)至飽和狀態(tài)，可能產(chǎn)生更大的過電壓、過電流。

3.1.3 增加對地電容

增加對地電容可以使系統(tǒng)等效容抗與感抗遠離鐵磁諧振參數(shù)范圍。從而避免鐵磁諧振。

優(yōu)點:讓母線帶上一段空線路或電容器，增加對地電容，可使回路參數(shù)超出諧振的范圍，可以避免諧振，操作簡單易行。

缺點:有可能產(chǎn)生一個很大的沖擊電流通過TV繞組，對互感器不利。而且電容器十分昂貴，若系統(tǒng)中有多臺中性點接地，則需增裝的電容器數(shù)量很大。

3.1.4 采用電容式電壓互感器CTV

圖6 CTV結構原理圖

電容式電壓互感器內(nèi)部結構如圖6所示，由電容分壓器和1個較低電壓等級的中間電磁式電壓互感器組成。

優(yōu)點:改用電容式電壓互感器從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件，基本能防止諧振。而且現(xiàn)在的電容式電壓互感器運行維護容易，目前在工業(yè)發(fā)達國家，72.5 kV及以上電壓等級的電力系統(tǒng)，電壓互感器均采用CTV。近些年在我國CTV也得到了長足發(fā)展。

缺點:帶負載能力差，容易出現(xiàn)自諧振現(xiàn)象，二次側仍要采用消諧措施，其價格稍高、測量精度低、事故率高、暫態(tài)特性不如電磁式電壓互感器等，只能用于精度要求不高的場合。

3.1.5 4TV接線方式

4TV的接線如圖7所示，在電壓互感器TV的高壓中性點與地之間串接單相電壓互感器TV0，TV0與TV同型號，接地信號電壓可從TV0二次側取得。原TV的輔助開口三角形繞組兩端a'c'要短接或接上小電阻以消除3次諧波的影響。為正確反映電壓變化，TV0的變比和原TV的變比要一致;接地繼電器KV的整定值應比原來接在輔助三角形繞組開口端的整定值小一些，以保證可靠發(fā)出接地信號。

優(yōu)點:零序電壓大部分加在零序TV0上，外部激發(fā)不能使TV進入飽和區(qū)，起到抑制過電壓、過電流的作用;TV0高壓繞組的直流電阻約為10 kΩ，對諧振有強烈的阻尼作用，這一措施適合于各種配電網(wǎng)。

圖7 4TV接線圖

缺點:4TV接線常有閉口三角環(huán)流過大燒毀TV的情況發(fā)生。

3.2 消耗諧振能量

3.2.1 TV二次開口三角接入阻尼電阻R

在TV二次開口三角繞組接入電阻 (如圖8所示)，電壓互感器開口三角繞組為零序電壓繞組，此接法的優(yōu)點:相當于在互感器高壓側Y0接線繞組上并聯(lián)電阻，而此電阻只有在電網(wǎng)有零序電壓時才出現(xiàn)，正常運行時是不存在的，即零序電壓繞組所接的R在正常運行時不會消耗能量，而諧振發(fā)生時在R上消耗諧振能量，消除諧振。其電阻值越小，效果越好，R=0時相當于系統(tǒng)中性點直接接地。通常，用于消諧的開口三角的電阻R應滿足≤0.4XMf，其中XMf為勵磁電感感抗換算到 TV開口三角繞組兩端值。

圖10 系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時的零序電壓曲線圖

圖9中，TV二次開口三角形接入電阻時，系統(tǒng)零序電壓逐漸降低至零。電阻越小效果越顯著。值比TV勵磁電感小得多，相當于將TV等效零序電感短路，打破了參數(shù)匹配關系，使諧振不易產(chǎn)生。如圖10所示，系統(tǒng)中性點電壓迅速衰減到零。

缺點:對于對地電容較小的系統(tǒng)，由于電容電流較小所需采用消弧線圈電感值較大，雖然能抑制諧振的產(chǎn)生，但過大的電感會使暫態(tài)振蕩更加劇烈。由于不適當操作或某些倒閘過程會導致局部電網(wǎng)在中性點不接地方式下臨時運行，也可能發(fā)生過諧振，此外，消弧線圈自身的維護和整定還需要不斷完善。

3.2.3 電壓互感器一次側中性點經(jīng)電阻接地

優(yōu)點:中性點經(jīng)電阻接地的運行方式可以限制諧振時的過電壓水平，能夠起到消耗能量、降低諧振振幅、阻尼和抑制諧波的作用，能相應減少非故障相TV繞組的電壓，降低TV的飽和程度，減少鐵磁諧振產(chǎn)生幾率。

缺點:由于中性點電阻的接入會使TV開口三角繞組輸出電壓降低，影響接地指示裝置靈敏度。另外阻值的選擇還受到中性點絕緣水平限制。

4 結論

缺點:由于電阻接在開口三角繞組兩端，會導致一次側電流增大，也就要求TV的容量要相應增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但TV的過載現(xiàn)象也就越嚴重，諧振或單相接地時間過長會導致保險絲熔斷或TV燒毀。

3.2.2 系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地

優(yōu)點:中性點經(jīng)消弧線圈接地可以完全消除鐵磁諧振，還可以限制流過的大電流，使熔絲不被燒毀，系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地相當于在TV每一相勵磁電感上并聯(lián)1個電感，由于消弧線圈的電感

本文對電力系統(tǒng)中性點不接地系統(tǒng)鐵磁諧振問題產(chǎn)生的原因、發(fā)生的條件和防范的措施進行了研究，并采用電磁仿真軟件PSCAD對相關問題進行仿真，分析了防范鐵磁諧振各種措施的優(yōu)缺點。

根據(jù)實際中鐵磁諧振發(fā)生概率的大小，宜采取防范措施情況如下。

a． 針對鐵磁諧振發(fā)生概率較小地方:①改變正常操作順序;②增加對地電容。

b． 針對鐵磁諧振發(fā)生概率相對較大的地方:①系統(tǒng)中性點接消弧線圈接地;②電壓互感器一次繞組的中性點加電阻或消諧器接地;③TV二次開口三角接入阻尼繞組。

c． 針對鐵磁諧振發(fā)生概率較大地方:采用勵磁特性曲線較好的TV。

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