中低壓配電網(wǎng)鐵磁諧振過電壓抑制措施研究進展

國網(wǎng)新疆電力有限公司 趙普志 國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司 何 龍 王清彬 朱詠明

安徽正廣電電力技術有限公司 劉 俊

我國35kV 及以下中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點不接地運行方式，為了測量母線電壓，也會在母線處安裝電磁式電壓互感器（PT），電磁式電壓互感器一次側中性點采取直接接地的方式，當系統(tǒng)發(fā)生擾動而導致系統(tǒng)三相不對稱時，中性點則成為系統(tǒng)中唯一對地放電通道，造成流過PT 繞組的電流超過期耐受極限，導致其鐵芯飽和，并最終在擾動結束后激發(fā)PT 發(fā)生鐵磁諧振。鐵磁諧振時，會在PT 兩端激發(fā)起持續(xù)的、較高幅值的過電壓和過電流，從而導致PT 高壓保險熔絲熔斷、PT 燒毀等事故。

為了抑制和避免PT 鐵磁諧振過電壓帶來的危害，國內外研究者提出了多種治理措施，根據(jù)安裝位置可大致分為三類：一類是安裝在在系統(tǒng)中性點的消諧線圈，第二類安裝在PT 一次側中點處的一次消諧裝置，第三類則是安裝在PT 二次側開口三角處的二次消諧裝置。

1 鐵磁諧振故障機理分析

PT 勵磁阻抗正常時非常大，流過的電流很小，單相接地故障時過電流流過繞組造成勵磁阻抗減小并與系統(tǒng)電容參數(shù)發(fā)生不利配合而造成鐵磁諧振，從而出現(xiàn)分頻、基頻和高頻諧振過電壓。通過對單相接地故障前和單相接地故障后PT 上流過的故障電流分析得：影響故障電流的主要因素有電壓互感器自身參數(shù)、系統(tǒng)電壓大小和故障發(fā)生時刻。單相接地故障消失時刻不同，對應電壓大小不同，系統(tǒng)電壓越高、飽和電流越大，PT 進入飽和程度越深越容易與系統(tǒng)形成不利配合產生鐵磁諧振，而如果能夠在飽和電流回路中串入電阻，將流過PT 繞組中的電流減小使其達不到飽和程度，則可有效避免諧振的發(fā)生。

2 鐵磁諧振過電壓抑制措施

2.1 系統(tǒng)中性點消諧

在我國的10kV 電力系統(tǒng)中，規(guī)定當接地電流大于20A 時，采用中性點經消弧線圈接地方式運行，通過中性點經消弧線圈接地方法相當于將電感與PT的每一相勵磁電感上并聯(lián)連接，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，消弧線圈和勵磁電感一起并聯(lián)接入零序回路中。諧振時接入的消弧線圈電感值比PT 勵磁電感值要小很多，從而破壞了諧振條件，抑制鐵磁諧振的發(fā)生。

經消弧線圈接地的中性點電壓波形、PT 一次側中性點電流波形顯示，系統(tǒng)經消弧線圈接地消諧效果都十分明顯。一般來說消弧線圈接地時系統(tǒng)一般都采用過補償方式，不發(fā)生串聯(lián)諧振過電壓的問題。當系統(tǒng)中性點串接小電阻時大地與系統(tǒng)中性點有了電氣連接，可以限制接地故障電流大小和故障后過電壓水平。本節(jié)中仿真選擇的系統(tǒng)中性點接地電阻為30Ω，以MATLAB、ATP-EMTP 仿真結果中PT 三相電壓波形、中性點電壓波形、A 相PT 一次側電流波形為例（圖1）。

圖1 系統(tǒng)經小電阻接地波形圖

2.2 互感器中性點消諧

一次消諧器安裝在PT 中性點，主要可分為阻尼電阻、非線性電阻和零序互感器，其中，非線性電阻又分為壓敏電阻和流敏電阻。改變線性電阻R0的取值，仿真得到的系統(tǒng)A 相電壓幅值、中性點電壓幅值和流過A 相PT 一次繞組電流幅值(表1)。

表1 R0不同取值時消諧情況

從表1中可見，隨著中性點電阻R0的增大，諧振過電壓和PT 一次側過電流都逐漸減小，諧振衰減的速度加快，但隨著PT 一次側中性點接入的電阻R0逐漸增大，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，電阻R0承擔了絕大部分的系統(tǒng)零序電壓，導致PT 開口三角側測量到的零序電壓值偏小，影響電力系統(tǒng)繼電保護裝置的正確動作。取壓敏電阻伏安特性如表2所示，則非線性電阻接入后中性點電壓波形、PT一次側中性點電流波形、非線性電阻吸收功率變化波形如圖2。可見，PT 一次側中性點經非線性電阻抑制鐵磁諧振效果非常明顯，非線性電阻隨著電流增大，電阻值迅速變大，對比經線性電阻接地，熱容量更大，通過相同能量的情況下溫度變化更小，電阻吸收功率值明顯減小。

圖2 非線性電阻消諧效果

表2 非線性電阻伏安特性參數(shù)

中性點串接單相互感器也叫4PT 法，就是在三相PT 中行點與大地之間再接入一個單相電壓互感器，也叫零序PT，設其零序電抗為XT0，零序PT可以在發(fā)生接地故障時分壓，有效減小主PT 一次側電壓，避免主PT 飽和，同時增大實際等效勵磁電抗，使每相PT 勵磁電感的伏安特性曲線的飽和點抬高，從而減小了主PT 對整個系統(tǒng)電感的影響，抑制鐵磁諧振，本質上就是提高PT 飽和點。諧振故障發(fā)生時，零序回路中的大部分電壓都由單相PT承擔，有效避免了三相PT 飽和，消諧效果如圖3。

圖3 零序互感器消諧效果

由圖可見，零序互感器對鐵磁諧振過電壓、過電流都能有一定的抑制效果，但是相對來講消諧時間較長。相對采用開口三角短路接法，開口三角開路接法更能夠有效抑制諧振過電壓和過電流；但從波形圖顯示出的消諧效果來說，后者的仿真電壓波形內諧波含量較高，消諧效果較差，此外如果主PT 開口三角短接，也會造成三角繞組環(huán)流較大，短時間內不能消除諧振還會造成PT 內部過熱，出現(xiàn)熱擊穿等現(xiàn)象。

2.3 互感器開口三角消諧

在PT 開口開口三角接入電阻消諧在諧振故障時會投入進行消諧。消諧效果如圖4。在開口三角側接入電阻對抑制高頻鐵磁諧振十分顯著，對消除高頻鐵磁諧振有很好的治理效果，不過需對投入的電阻進行合適的選值。

圖4 PT 開口三角電阻消諧效果

可見，PT 一次側接電阻能夠有效地抑制鐵磁諧振現(xiàn)象，隨著接入電阻的增大，鐵磁諧振過電壓和過電流都逐漸減小，諧振衰減的速度加快；采用系統(tǒng)經消弧線圈接地可以抵消線路中的對地電容電流，有效抑制鐵磁諧振過電壓、過電流，但是在電網(wǎng)中需要滿足規(guī)定脫諧度；采用4PT 接線方式能夠有效抑制鐵磁諧振現(xiàn)象，但如果系統(tǒng)采用三角繞組短路的方式接線，抑制鐵磁諧振過電壓和過電流的效果較好，卻會造成閉口環(huán)流過大的問題，而采用開口三角開路的接線方式可以避免環(huán)流過大，但是對諧波的消除效果不是很好。

采用開口三角接電阻方式對單相接地故障引起的高頻鐵磁諧振有較好的效果，只是由于中性點不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后仍可繼續(xù)運行一段時間、易造成電阻過熱，這種方法的理想情況，是在系統(tǒng)發(fā)生諧振時瞬時動作接入電阻、直至諧振消失，可是實際上很難真的準確投入，就很難達到理想中的效果。