10 kV配電網(wǎng)鐵磁諧振及其抑制措施仿真研究及應(yīng)用

劉洪正 ，師 偉 ，姚金霞 ，周生奇

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

10kV配電網(wǎng)中為監(jiān)測變電站母線對地電壓，需在其配電母線上接一次繞組為星形連接、中性點接地的電磁式電壓互感器（TV）。正常運行條件下，線路三相對地容抗非常接近，系統(tǒng)的中性點電壓近似為零，零序電壓測量值小于動作電壓，不至于引起保護(hù)裝置動作。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某些擾動時，如空載母線投切、線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磁電感出現(xiàn)不同程度的飽和，造成系統(tǒng)中性點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)的安全運行［1-4］。因此，加強(qiáng)對鐵磁諧振的機(jī)理以及抑制措施的研究意義重大。

結(jié)合 TV 典型勵磁的非線性特性，Peterson［5］研究了產(chǎn)生各種諧波的條件，給出的諧波區(qū)域曲線如圖1所示。其中，Ex為鐵磁諧振激發(fā)電壓；Ux為TV工作線電壓；XC0為系統(tǒng)每相對地容抗；Xm為TV高壓繞組在額定線電壓下的勵磁感抗。曲線1，2，3包絡(luò)范圍分別對應(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，即分頻諧振的條件最容易滿足。

理論上講，由TV飽和導(dǎo)致的高頻諧振過電壓幅值能達(dá)到額定相電壓的4～5倍，然而現(xiàn)實中的過電壓幾乎不超過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，近似于單相接地，易引起保護(hù)裝置誤動作。分頻諧振的過電壓幅值通常小于2倍相電壓，然而較低的頻率使得TV勵磁電抗變小，勵磁電流陡增，電流幅值可能達(dá)到額定勵滋電流的上百倍，造成高壓熔絲熔斷甚至是TV爆炸［6］。由此可知，分頻鐵磁諧振過電壓對配電網(wǎng)系統(tǒng)的危害最大。

針對配電網(wǎng)中頻繁發(fā)生的鐵磁諧振現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的諧振抑制措施，例如采用勵磁特性更好的TV、在TV高壓側(cè)中性點接單相TV、在TV一次側(cè)中性點加裝消諧器、系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地；二次側(cè)開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，亦具有各自的局限性，針對某一具體系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實際接線方式和運行方式對上述消諧措施進(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。

上合組織青島峰會重大保電期間，山東省某變電站A 10 kV系統(tǒng)所帶出線較少，系統(tǒng)對地電容電流較小，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地等擾動時，容易引發(fā)系統(tǒng)鐵磁諧振，對電網(wǎng)和設(shè)備安全運行造成不良影響。利用電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP對該變電站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)了仿真計算，研究結(jié)果可為電力部門治理鐵磁諧振提供參考。

1 仿真模型的建立

1.1 變電站仿真模型

對變電站A的10 kV配電網(wǎng)建立仿真模型，在上合組織青島峰會期間，該變電站10 kV側(cè)僅保留2回電纜出線（電纜參數(shù)見表1），10 kV母線以及其中1回電纜出線—線路A的末端接有TV（TV參數(shù)見表2），系統(tǒng)一次接線如圖2所示。

圖2 10 kV配電網(wǎng)接線簡化圖

表1 出線電纜參數(shù)

表2 TV參數(shù)

單相TV在線電壓的勵磁電抗Xm=397.4 kΩ，電容約為 0.573 9 μF，經(jīng)計算 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)鐵磁諧振最常見的一種情況是單相接地故障清除，本文以此作為計算條件。

1.2 諧振波形

假設(shè)系統(tǒng)在0.1 s時發(fā)生單相金屬接地，0.158 s時接地故障解除，單相接地故障消失瞬間產(chǎn)生了分頻諧振，不同運行工況下10 kV母線三相電壓、母線TV一次側(cè)勵磁電流的仿真結(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)色曲線表示。

1）10 kV母線TV中性點直接接地，帶線路A和線路B，仿真結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 10 kV母線一次電壓波形

圖4 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

2）10 kV母線TV中性點直接接地，不帶線路A，仿真結(jié)果如圖5～6所示。

3）10 kV母線TV中性點直接接地，不帶線路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，造成母線三相電壓同時升高，過電壓幅值可達(dá)2.2 pu，并伴隨有低頻擺動。10 kV母線TV一次側(cè)的勵磁電流急劇上升，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母線一次電壓波形

圖6 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

圖7 10 kV母線一次電壓波形

圖8 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

2 鐵磁諧振抑制措施

2.1 10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器

在TV一次側(cè)中性點串接消諧器（非線性電阻），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，有效抑制過電流、過電壓，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勵磁特性。非線性電阻的特性由式（1）決定［11］。

式中：k取 10.669 kV／A；α 取 0.56。

在10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器，不同運行工況下10 kV母線三相電壓、母線TV一次側(cè)勵磁電流的仿真結(jié)果如圖9～14所示。

1）10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器，帶線路A和線路B，仿真結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 10 kV母線一次電壓波形

圖10 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

2）10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器，不帶線路A，仿真結(jié)果如圖11～12所示。

3）10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器，不帶線路B，仿真結(jié)果如圖13～14所示。

可以看出，在TV一次側(cè)中性點串接消諧器能夠有效地抑制TV飽和引起的諧振過電壓、過電流，系統(tǒng)的分頻諧振在1 s內(nèi)得到有效抑制。

圖11 10 kV母線一次電壓波形

圖12 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

圖13 10 kV母線一次電壓波形

圖14 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

2.2 系統(tǒng)中性點接入消弧線圈

在10 kV系統(tǒng)中性點接入消弧線圈 （第1檔：15.1 A），可以看作在TV高壓側(cè)勵磁電感上并聯(lián)了一個電感，因為消弧線圈的感抗遠(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)消弧線圈流入大地，從而抑制TV的鐵磁諧振。采用系統(tǒng)中性點接入消弧線圈的方式進(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母線一次電壓波形

圖16 10 kV母線TV一次側(cè)勵磁電流波形

可以看出，在投入消弧線圈后，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。

3 應(yīng)用情況

將研究結(jié)果應(yīng)用于其他變電站，經(jīng)過1個月的運行，未發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，效果良好。

表3 應(yīng)用情況

4 結(jié)語

上合組織青島峰會重大保電期間，因部分變電站10 kV系統(tǒng)所帶出線較少，系統(tǒng)對地電容電流較小，在系統(tǒng)單相接地故障消除時，易造成TV的分頻諧振。通過在10 kV母線TV一次側(cè)中性點串接消諧器或采用系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地均可以有效抑制系統(tǒng)分頻諧振。