配電網(wǎng)鐵磁諧振消除措施的探討

孫園　陳小平　周明輝

1、引言

由于經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，全社會(huì)對電量的需求也迅速增加。10KV和35KV的系統(tǒng)數(shù)目也逐年攀升，由于普遍采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，隨著電纜線路的逐漸增多，致使電網(wǎng)對地電容電流大幅度增加，鐵磁諧振現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給電網(wǎng)安全帶來隱患。因此，對鐵磁諧振的各方面的深入研究是十分迫切的。

2、常見消諧措施及分析

依據(jù)諧振的誘發(fā)原因及產(chǎn)生條件，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：改變電力系統(tǒng)電感、電容元件參數(shù)，使它們不具備諧振條件；快速消耗諧振能量，降低諧振過電壓、過電流的倍數(shù)。

2.1主動(dòng)消諧。配電網(wǎng)中有大量的電磁式電壓互感器，當(dāng)系統(tǒng)在某些因素的干擾下，質(zhì)量差的電壓互感器達(dá)到勵(lì)磁飽和狀態(tài)的初始值小容易飽和，最終可能導(dǎo)致諧振的發(fā)生，特別是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中更容易產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。若能在設(shè)計(jì)上改變電力系統(tǒng)電感、電容元件參數(shù)，在參數(shù)上錯(cuò)開引起使諧振的條件，會(huì)在一定程度上減少諧振的發(fā)生。為了說明這一原理，對某單相電壓互感器進(jìn)行了勵(lì)磁特性的實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)接線圖如圖1所示，測得勵(lì)磁特性曲線如圖2所示。在勵(lì)磁特性曲線中的拐點(diǎn)是當(dāng)施加的電流值增加50%，而激勵(lì)出電壓值增加不大于10%時(shí)則該點(diǎn)就是該勵(lì)磁特性曲線拐點(diǎn)。

從圖2可判斷拐點(diǎn)的過程如下：當(dāng)電流為0.14A時(shí)，電壓大約為149V，電流增大50%時(shí)電流為0.21A，此時(shí)電壓的值大約為164V，比電流為0.14A時(shí)的電壓超過約10%。因此可以判定此電壓互感器的勵(lì)磁拐點(diǎn)在0.14A附近。電流小于0.14A時(shí)，電壓跟電流大體呈現(xiàn)線性關(guān)系，即電壓互感器的鐵芯未達(dá)到飽和狀態(tài)，感抗可以認(rèn)為是一固定值；當(dāng)電流超過0.14A時(shí)，電壓跟電流就不在呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著電流的增大，電壓值基本不變，也就是說感抗的值越來越小，電壓互感器的鐵芯飽和越來越嚴(yán)重，在感抗的逐漸減小過程中，當(dāng)感抗和容抗相等時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。分析可知，電流在0.5～0.7A之間電壓互感器鐵芯的飽和程度已經(jīng)很嚴(yán)重了。因此，選取勵(lì)磁特性較好的互感器是從根本上預(yù)防諧振的一個(gè)好方法。勵(lì)磁特性取決于額定磁密，勵(lì)磁特性越好互感器額定的磁密度就越少，勵(lì)磁特性越差互感器的額定的磁密度越大，但由于電壓互感器的額定磁密度受到成本、互感器的容量、準(zhǔn)確級等的限制，使得額定的磁密度的不能無限制的減少，而且勵(lì)磁特性較好起始飽和電壓比較高能夠減小了諧振發(fā)生可能性但發(fā)生諧振時(shí)電壓高危害性更大。

2.2被動(dòng)消諧。2.2.1一次消諧。1、電壓互感器高壓側(cè)經(jīng)高電阻接地，在6～35kV的電網(wǎng)中一般選取20～30kΩ的電阻值。消諧的機(jī)理是限制零序電壓和電流，當(dāng)零序電壓發(fā)生偏移，在電壓方面零序電壓將加在高電阻上，能夠有效地減小互感器的飽和程度，從而達(dá)到防止諧振的發(fā)生；在電流方面接有高電阻時(shí)，零序電流也會(huì)相應(yīng)的減小，防止互感器高壓繞組的電流過大而燒毀。由上可見，電阻值的選擇相當(dāng)關(guān)鍵，電阻值選擇的越大承受的電壓越高，互感器鐵芯就越不容易飽和，防止諧振發(fā)生的效果越好，但電阻的取值如果過大，一方面開口三角的輸出電壓會(huì)過低使得繼電保護(hù)裝置的拒動(dòng)。另一方面電阻取值過大，則中性點(diǎn)的電位會(huì)很高，對中性點(diǎn)的絕緣水平要求較高。電阻也可以選擇非線性電阻，選擇非線性電阻克服了線性高電阻的缺陷，當(dāng)系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)或零序電壓偏移較小時(shí)，非線性電阻呈現(xiàn)為高組態(tài)，能夠起到強(qiáng)大的阻尼作用；當(dāng)互感器的零序電壓過大時(shí)，非線性電阻的阻值迅速較小增大開口三角的輸出電壓，使得相應(yīng)的繼電保護(hù)動(dòng)作，而且能夠減小N端的電壓使其不超過N端的絕緣水平。此方法能夠有效的抑制單相接地故障消除時(shí)引起的涌流，涌流的電流比較大可達(dá)幾十倍甚至上百倍的額定勵(lì)磁電流，導(dǎo)致互感器的鐵芯嚴(yán)重飽和，最終導(dǎo)致諧振的發(fā)生。當(dāng)涌流達(dá)到熔斷器的設(shè)定值時(shí)，熔絲熔斷保護(hù)了互感器；當(dāng)涌流未達(dá)到熔絲的設(shè)定值時(shí)，過電流在繞組的持續(xù)發(fā)熱會(huì)引起互感器的燒毀。2、“4PT”消諧。4PT是指在互感器的零序串接一個(gè)單相電壓互感器，在電壓互感器的中性點(diǎn)發(fā)生電位偏移時(shí)，單相互感器的電感遠(yuǎn)小于三相電壓互感器的非線性電感，因此，大部分的零序電壓全都加在零序PT上，相當(dāng)于改善了三相電壓互感器的勵(lì)磁特性，使得互感器鐵芯不易飽和，不至于引起諧振，而且采用零序串PT的方法能夠消除三次諧波對二次相電壓測量的不良影響。3、電源中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。這種情況下，消弧線圈的作用不在于補(bǔ)償電容電流，而是因消弧線圈感抗值遠(yuǎn)小于PT的勵(lì)磁電感，回路的零序自振角頻率將決定于3倍消弧線圈的感抗值和C0，PT引起的共振現(xiàn)象成為不可能。

2.2.2二次消諧。在開口三角繞組串接電阻或微機(jī)消諧器，兩者本質(zhì)上是一樣的，都是起到阻尼的作用。通常采用的微機(jī)型消諧器接線如圖3所示。

當(dāng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，裝置起動(dòng)消諧期間晶閘管全導(dǎo)通呈低阻態(tài)，電阻值很小，約為MΩ級別，可迅速消耗能量，產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼作用，從而消除鐵磁諧振。當(dāng)諧振排除后，晶閘管能夠自動(dòng)的截止，需要時(shí)可以重復(fù)動(dòng)作。

2.2.3消諧措施的比較。（1）由于4PT接線零序電壓互感器采用的是普通的互感器，互感器的感抗和直流電阻通常都是比較小的，因此對抑制低頻飽和電流的效果不是非常的理想。4PT由于開口三角的回路是短接的，在電力系統(tǒng)的容量比較大，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)單相弧光接地、單相斷線等故障的情況下，所產(chǎn)生的零序電壓的值較大，使得開口三角感應(yīng)的電壓也較大回路形成的環(huán)流值也就較大，如果環(huán)流的值達(dá)到一定的程度可能會(huì)使得電壓互感器的熱容量不夠而被燒壞。（2）高壓側(cè)經(jīng)高電阻接地消諧存在如下問題：一方面，電阻的熱容量受到限制而去不容易燒制，零序的電壓值都加在電阻上，此時(shí)如果電阻的熱容量不夠時(shí)，發(fā)熱量過大會(huì)使電阻損壞而起不到阻尼的作用最終失去消諧的效果，電阻值取的越大消諧效果越好但電阻如果過大，電阻的熱容量是一個(gè)問題，還有就是中性點(diǎn)的對地的絕緣水平可能不夠。此外，該消諧措施的另一缺點(diǎn)是造成三相電壓的不平衡。（3）微機(jī)消諧的缺點(diǎn)是采用電子器件，當(dāng)電子器件失效時(shí)造成互感器損壞是很嚴(yán)重的。諧振發(fā)生時(shí)，由于使用的是電力電子器件，對數(shù)據(jù)的采集也是需要一定的時(shí)間的，因此，消除諧振是一個(gè)過程。采集數(shù)據(jù)造成的延時(shí)有可能錯(cuò)過阻尼的最佳時(shí)間，而達(dá)不到消諧的效果。綜上所述，二次消諧器是通過消耗能量產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼效果，能夠較少諧振對互感器所造成的損壞，而不能消除高壓側(cè)熔斷器頻繁發(fā)生熔斷。主要原因是由于二次消諧對于高壓側(cè)因故障產(chǎn)生的涌流無效。一次消諧器的應(yīng)用，能夠起到有效的消諧以及也對低頻放電電流的良好的抑制作用，但因其正常運(yùn)行情況的時(shí)候，三相電壓不平衡和過高的零序電壓，以及中性點(diǎn)對地的電壓可能超過電壓互感器的絕緣水平，甚至因?yàn)橄C器的熱容量不夠而導(dǎo)致消諧器裝置被燒壞，而失去消諧作用。因此，必須采取一些補(bǔ)救措施才能得以安全運(yùn)行。開口角短接的4PT接線對消諧和抑制超低頻振蕩電流效果都是不錯(cuò)的，但是對零序電壓的測量不準(zhǔn)確，同時(shí)開口角內(nèi)的環(huán)流可能會(huì)燒毀電壓互感器。

3、消諧建議

雖然電力系統(tǒng)諧振難以避免，但在日常維護(hù)中，運(yùn)行人員可采取下述措施在最大程度上避免或減少諧振的發(fā)生。（1）定期或不定期巡查線路負(fù)荷，禁止或減少諧波含量過高的負(fù)載投運(yùn)。（2）定期或不定期巡查架空線路，修剪和清理靠近線路的樹枝，以避免刮風(fēng)下雨時(shí)樹枝碰到架空線路而引起對地短路。（3）若有城建施工，需盡早提醒施工人員該地段有電力電纜，避免施工挖破電纜引起短路故障。（4）提高員工對鐵磁諧振的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)員工的意識(shí)，規(guī)范操作，在諧振發(fā)生時(shí)，能夠迅速做出判斷，及時(shí)的排除故障，從而保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4、結(jié)語

本文對引起諧振主要因素的電壓互感器做了實(shí)驗(yàn)分析，并分析比較了防治諧振的多種方法。結(jié)果表明，一次消諧效果較好于二次消諧；各地的用戶需根據(jù)自己的實(shí)際的負(fù)荷特點(diǎn)、運(yùn)行情況，選取較為適合的防治措施。

（作者單位：1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 2.國網(wǎng)三明供電公司 3.ABB（中國）有限公司廈門分公司）

【基金項(xiàng)目】福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA13233）