防止35 kV母線電壓互感器鐵磁諧振的技術(shù)措施

馬小輝, 周和平

(華立儀表集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 310023)

防止35 kV母線電壓互感器鐵磁諧振的技術(shù)措施

馬小輝, 周和平

(華立儀表集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 310023)

35 kV中性點不接地系統(tǒng)在三相運行參數(shù)不對稱時,電壓互感器時常發(fā)生鐵磁諧振。提出在35 kV母線接入一組電容器,同時在電壓互感器一次側(cè)繞組中性線中串接一個電感線圈。運行結(jié)果表明,采取的技術(shù)措施可有效抑制變壓器中性點的電壓位移和電壓互感器高壓側(cè)熔斷器的熔斷問題,保證了電能計量、電壓保護(hù)、對地絕緣監(jiān)測及指示儀表的正常運行。

中性點不接地系統(tǒng); 電壓互感器; 鐵磁諧振; 技術(shù)措施

0 引 言

為提高供電可靠性,35 kV系統(tǒng)中性點采用不接地運行方式,母線電壓互感器監(jiān)測系統(tǒng)對地絕緣狀況,所以中性點采用直接接地方式。在系統(tǒng)發(fā)生單相瞬時或永久性接地故障,以及正常倒閘操作中時,時常發(fā)生電壓互感器的高壓側(cè)熔斷器熔斷的現(xiàn)象,造成電能計量失壓、電壓保護(hù)脫離運行、系統(tǒng)運行狀況無法掌握,以及盤表指示或顯示不正確,給電力系統(tǒng)安全運行帶來危害。

本文分析了系統(tǒng)單相接地故障和正常倒閘操作而引發(fā)的高壓側(cè)熔斷器的熔斷問題,并提出了相應(yīng)的防范措施。

1 單相接地

在35 kV中性點不接地系統(tǒng)中,為監(jiān)測系統(tǒng)對地絕緣狀況,電壓互感器一次側(cè)繞組中性點采用直接接地方式。當(dāng)系統(tǒng)C相發(fā)生接地故障時,35 kV供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 當(dāng)系統(tǒng)C相發(fā)生接地故障時35 kV供電系統(tǒng)

電感與電容并聯(lián)電路如圖2所示。

圖2 電感與電容并聯(lián)電路

并聯(lián)鐵磁諧振分為低頻、分頻、工頻及高頻,頻率越低,危害性越大,其特點是流過導(dǎo)線對地的電容電流IC與電壓互感器電感電流IL數(shù)值相等,由于它們的相位互差180°,相互補(bǔ)償,使總電流IZ=IL-IC=0。雖然總電流為0,但電容和電感線圈中的電流卻很大,它們互相進(jìn)行充放電,易引起局部系統(tǒng)發(fā)生振蕩,造成繼電保護(hù)誤動作。該現(xiàn)象從現(xiàn)場的35 kV母線電壓表的指針擺動可以看到,其充放電的電流造成電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷,使其對地絕緣監(jiān)測裝置及相應(yīng)的電壓保護(hù)和指示儀表失去作用,甚至造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 正常操作

系統(tǒng)在正常運行的情況下,因線路停送電、母線充電、線路負(fù)荷互帶等倒閘操作,均會發(fā)生35 kV母線電壓互感器高壓熔斷器熔斷現(xiàn)象。在未發(fā)現(xiàn)任何故障時更換熔斷器后,系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。顯然,這是在倒閘操作中引起電磁過渡,造成了電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷。

某110 kV變電站一次系統(tǒng)接線方式如圖3所示。圖3中,110 kV變電站停電檢修完工后,合上開關(guān)S1,通過110 kV電源對主變壓器送電,之后再合上開關(guān)S2對35 kV母線充電時,發(fā)生三相電壓嚴(yán)重不對稱,盤上電壓表大幅度擺動,最后電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷。

圖3 某110 kV變電站一次系統(tǒng)接線方式

圖3中,開關(guān)S1處在合閘位置,T為變電站主變壓器,處在空載勵磁狀態(tài);開關(guān)S3處在斷開位置。當(dāng)開關(guān)S2合閘對35 kV母線充電時,通過電壓互感器二次側(cè)反映出35 kV母線三相電壓嚴(yán)重不對稱,主變壓器35 kV側(cè)中性點對地電壓升高。為便于分析問題,將圖3簡化成等值電路。10 kV側(cè)等值電路如圖4所示。

圖4 10kV側(cè)等值電路

主變壓器35 kV側(cè)繞組中性點采用不接地運行方式,電壓互感器一次側(cè)繞組電感與導(dǎo)線對地電容并接在一起,形成星形接線,中性點直接接地。正常情況下,三相負(fù)載是對稱的,但由于某些激發(fā)條件的作用,如充電的三相開關(guān)不同期合閘,導(dǎo)致合閘瞬間三相電壓不同,造成電壓互感器三相勵磁涌流值不同,如A相電壓剛過零值,B、C相電壓處在較高值。此時,A相繞組通過的勵磁涌流最大,鐵心趨向于磁飽和,A相繞組電感變小,B、C相電感相對較大,鐵心未飽和。對于35 kV側(cè)變壓器,電壓互感器A相繞組與導(dǎo)線對地電容形成并聯(lián),因容抗大于感抗,使A相負(fù)載呈感性,而B、C相負(fù)載呈容性。由于上述合閘產(chǎn)生的電磁過渡過程的結(jié)果是電壓互感器三相負(fù)載有不同的電感值,致使各相與等值電容組成的并聯(lián)回路的總阻抗呈感性或容性狀態(tài),這會使三相負(fù)載變得嚴(yán)重不對稱。當(dāng)三相負(fù)載不對稱時,電源的中性點對地電壓就會產(chǎn)生位移。依據(jù)基爾霍夫節(jié)點電壓定律,中性點位移電壓UZX為

(1)

j[ωCA-(1/ωLA)]

YB=j[ωCB-(1/ωLB)]

YC=j[ωCC-(1/ωLC)]

式中:YA、YB、YC——三相負(fù)載導(dǎo)納。

從式(1)可以看出,當(dāng)容性負(fù)載和感性負(fù)載導(dǎo)納相互補(bǔ)償時,YA+YB+YC接近于0,中性點位移電壓UZX變得很大。當(dāng)UZX與三相電源電壓分別疊加后,其結(jié)果能使三相對地電壓同時升高;當(dāng)UZX較低時,則其中一相或兩相與其疊加可能低于相電壓,這就是充電操作時造成母線三相電壓不對稱和變壓器中性點出現(xiàn)很高對地電壓的原因。由于電壓升高,電壓互感器勵磁電流增大,感抗下降,鐵心磁通趨向于磁飽和,當(dāng)感抗與對地電容的容抗相等時,即發(fā)生鐵磁諧振。同時,還可能因出現(xiàn)零序電壓,接在開口三角的電壓繼電器動作,發(fā)出信號,這些情況都將導(dǎo)致電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷。

3 技術(shù)措施

在正常運行狀態(tài)下,電壓互感器一次側(cè)繞組與導(dǎo)線對地電容形成并接,中性點直接接地。因繞組感抗大于對地容抗,并聯(lián)回路阻抗呈容性狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生單相接地或正常倒閘操作時,因系統(tǒng)參數(shù)的改變,三相參數(shù)失去對稱性,造成35 kV側(cè)變壓器中性點電壓發(fā)生位移,相電壓與中性點的位移電壓疊加,可能引起三相電壓同時升高或其中一相或兩相升高,使電壓互感器發(fā)生磁飽和,電感變小,而繞組感抗小于對地電容容抗,呈感性狀態(tài)。

為保證在正常倒閘時電壓互感器不發(fā)生鐵磁諧振,首先要保證一次側(cè)繞組的感抗與對地電容的容抗呈容性狀態(tài)。故35 kV母線接入一組電容器,電容器的容抗XC與電壓互感器的感抗XL的比值<0.01,或者按照35 kV架空線路(無架空地線)每千米、每相導(dǎo)線對地電容35 μF來計算,以不小于5 km導(dǎo)線對地電容作為抑制變壓器中性點位移電壓的電容器容量,并接在母線上。實際運行也證明,當(dāng)電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時,將一條空載線路投入運行,鐵磁諧振就會消失,其實就是相當(dāng)于投入了一組電容器,使其負(fù)載呈容性狀態(tài),抑制了變壓器中性點的電壓位移。

圖5 保護(hù)措施線路

(2)

XL2=0.732XL1

式中:UX——線電壓;

Uφ——相電壓;

XL1——電壓互感器感抗;

XL2——中性線電感線圈感抗。

當(dāng)系統(tǒng)正常運行中,電壓互感器中性點通過熔斷器FU2接地,在倒閘操作過程中引發(fā)變壓器中性點的電壓位移,由母線電容器組來進(jìn)行抑制,使電磁過渡過程平穩(wěn)結(jié)束。在發(fā)生單相接地、勵磁電流>0.5 A時,FU2首先熔斷。將電感線圈L2串接在電壓互感器一次側(cè)繞組回路中,起到了限制勵磁電流的作用。

4 結(jié) 語

電壓互感器高壓側(cè)熔斷器在設(shè)備本身出現(xiàn)故障時熔斷,在系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常現(xiàn)象時,必須保證電壓互感器正常運行,并能夠真實反映運行狀況。通過在35 kV母線上接入一組電容器,并在電壓互感器一次側(cè)繞組中性點中串接一個電感線圈,可以有效地抑制變壓器中性點的電壓位移和電壓互感器高壓側(cè)熔斷器的熔斷問題,保證了電能計量、電壓保護(hù)、對地絕緣監(jiān)測及指示儀表能夠正常運行。

[1] 胡明紅.動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(1):27-30.

[2] 馬小輝,周和平.三相電能計量裝置V/V接線方式的分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(9):5-8.

[3] 唐軍,周和平.10 kV電力用戶無功補(bǔ)償運行方式分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(10):32-34.

【編輯部資訊】

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《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

Technical Measures for Preventing Ferromagnetic Resonance of 35 kV Generatrix Voltage Transformer

MA Xiaohui, ZHOU Heping

(Holley Metering Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

The ferromagnetic resonance of voltage transformer often occurs when the three-phase operation parameters are asymmetric in 35 kV neutral point ungrounding system. This paper proposed the access to a group of capacitor in in 35 kV generatrix,and a inductance coil was tandem connection in primary winding of voltage transformer. The operation results show the technical measures effectively restrain the voltage displacement of transformer neutral point and fusing problem of voltage transformer high voltage side. It can ensure the normal operation of energy metering,voltage protection,ground insulation monitoring,and indicating instrument.

neutral point ungrounding system; voltage transformer; ferromagnetic resonance; technical measures

馬小輝(1973—),男,博士,從事電能計量自動化主站和采集終端項目的研究。

TU 852

A

1674-8417(2015)01-0022-04

2014-09-28

周和平(1954—),男,高級工程師,從事電能計量及電器設(shè)備自動化保護(hù)方面的研究。