35 kV 不接地系統諧振事故及抑制措施仿真分析

劉 可，岑寶儀，車克杉，劉禹彤，趙金朝，閆 涵，王 軒，王 昕，徐國祥

（1.國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧 810000；2.深圳市中電電力技術股份有限公司，廣東 深圳 518040）

電力系統包含許多電感和電容元件，電感元件有電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈及線路導線等，電容元件有線路導線對地電容、相間電容、補償用的串聯和并聯電容器及各種高壓設備的寄生電容等。在系統進行開關操作或發生故障時，這些電容、電感元件的組合就可能構成一系列不同自振頻率的振蕩回路，與外加電源一起產生諧振現象，導致系統中某些元件出現嚴重的諧振過電壓。在電力系統的振蕩回路中，PT是鐵芯電感元件，如果有某種大擾動或操作，PT 的非線性鐵芯就可能飽和，從而與線路和設備的對地電容形成特殊的單相或三相共振回路，激發起持續的、較高幅值的過電壓，這就是鐵磁諧振過電壓。運行經驗表明，在35 kV 及以下的中性點不接地系統中，鐵磁諧振是1 種常見的故障，經常引起運行中PT 燒毀及1 次高壓熔絲頻繁燒斷、一相或兩相限流電阻爆炸等事故，嚴重威脅電網運行安全。

1 故障情況

本文以青海某330 kV 變電站的一起35 kV 母線諧振事故為例進行分析。該變電站屬于樞紐變電站，主要承擔著該地區工農業生產供電任務。其低壓側運行方式如下：35 kVⅠ母線及母線PT、1#所用變運行，1#、2#電容器AVC 自動投切；35 kVⅡ母線及母線PT、2#所用變運行，3#、4#電容器AVC 自動投切；35 kVⅢ母線及母線PT變運行，5#電容器AVC 自動投切。

變電站1#主變在AVC 自動投切過程中，35 kV I母線電壓發生諧振，造成電壓互感器接地故障，引起1#主變跳閘。其故障過程主要分為三個階段，具體如下。

（1）1#電容器組退出運行，35 kV I 母線三相電壓發生畸變，出現鐵磁諧振，2#電容器組投入運行，但系統電壓未有振蕩衰減現象。

（2）PT 斷線，35 kV 母線C 相發生單相金屬性接地故障。

（3）35 kV 母線發生A、C 相相間接地短路故障，基于PSCAD 仿真的故障分析。

該變電站負責將330 kV 側的電能通過三繞組主變壓器輸送至110 kV 和35 kV 側。其#1 主變的連接方式為Y/Y/△型，聯結組標號為YNa0d11，主變型號為OSFPSZ-360000/330GYW，額定容量為360/360/110 MVA。其35 kV I 母線含有2 組補償容量為30 MVar 的靜止無功補償器。其低壓側主接線圖如圖1 所示，其中，主要設備的電路參數見表1。

圖1 1#主變低壓側主接線圖

表1 主要設備的電路參數

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1.1 仿真模型搭建

用戴維南等效電路模擬1#主變低壓側不接地系統所連接的交流電網，等效電路如圖2 所示，電源參數見表2。

圖2 電源等效圖

表2 交流系統等值參數

為真實模擬變電站的實際運行狀況，低壓側需設置1 個等效負荷。由于變電站35 kV 母線負荷未知，本文使用PSCAD 靜止元件庫中的有功功率元件模擬，并設置有功功率為15 MW。

同時為分析35 kV PT 的磁飽和特性，本文對該PT 設備各繞組的勵磁特性進行了測試，得到相應勵磁特性曲線，并使用PSCAD 的UMEC 變壓器模型來模擬PT 的飽和特性，UMEC 變壓器采用逐點取樣法及V-I 曲線。UMEC 變壓器計及繞組相間的相互作用，且考慮到鐵芯的幾何外形和相間的相互耦合因素。

在PSCAD 中建立的低壓側模型仿真模型如圖3所示。

圖3 PSCAD 等效模型

1.2 故障分析

根據1#主變故障過程，對各階段工況進行仿真分析，仿真步長設為10 us。

1.2.1 階段一前期：1#電容器組退出運行

考慮1#電容器組正常退出、斷路器不同期分閘、斷路器單相重燃3 種情況下，分析電容器分閘產生的電壓畸變。

（1）1#電容器組正常退出運行

模擬電容器斷路器在0.2 s 同期動作，仿真結果如圖4 所示。

圖4 斷路器同期分閘時PT 電壓、電流圖

從圖4 可以看出35 kV 系統電壓波形未產生明顯變動，即電壓未發生畸變，證明正常切除1#電容器組不會導致變電站產生諧振。

（2）1#電容器組斷路器不同期分閘

模擬斷路器在0.2 s、0.202 s、0.204 s 不同期動作，仿真結果如圖5 所示。因為電容器組中性點不接地，斷路器不同期分閘亦未產生明顯過電壓，電壓未發生畸變，證明電容器組斷路器不同期分閘不會導致諧振產生。

圖5 斷路器不同期分閘時PT 電壓、電流圖

（3）1#電容器組斷路器單相重燃

在電力系統中，因電容器重燃的隨機性以及重燃過程的復雜性，僅靠模型難以準確模擬重燃實際情況。且由于缺乏重燃的發展過程數據，只能將電容器一相用1 個較大的雜散電容接地來近似模擬重燃過電壓，仿真得出的過電壓幅值約為2p.u.，與現場故障錄波電壓幅值56 kV（1.92p.u.）較為接近，如圖6 所示。從圖7可以看出在0.23 s 電容器重燃結束后，PT 電流出現明顯飽和，PT 與線路對地電容形成諧振回路，激發起鐵磁諧振過電壓。通過時域圖分析，系統發生了二分之一分頻諧振，諧振波形的周期約為40 ms。

圖6 斷路器單相重燃時PT 電壓圖及A、B、C 三相圖

圖7 斷路器單相重燃時PT 電流圖

1.2.2 階段一后期：2#電容器組投入

系統發生鐵磁諧振時，在0.3 s 使用PSCAD 輸入輸出設備庫中的switch 元件實時投入2#電容器組，由于2#電容器組中性點不接地，2#電容器組投入后，鐵磁諧振產生的零序分量并未能通過2#電容器組進行消耗衰減，鐵磁諧振狀態仍然維持，如圖8 所示。

圖8 投入#2 電容器組后PT 電壓、電流圖

利用快速傅里葉（FFT）模塊，對鐵磁諧振電壓波形進行頻譜分析。從圖9 可以看出，鐵磁諧振過電壓諧波頻譜分布特征明顯，在頻率25 Hz、50 Hz 上含有大量頻譜。與時域分析電容器單相重燃激發二分之一分頻諧振結果一致。

圖9 諧振電壓的頻譜分析

在諧振期間，電壓諧波含有率、諧波總畸變率會有較大變動。根據國標，35 kV 標稱電壓的電網總諧波畸變率、電壓奇次諧波含有率、電壓偶次諧波含有率的限值分別為3.0%、2.1%和1.2%。對鐵磁諧振波形進行諧波分析，由圖10 可以看出諧波含量明顯超標且伴有大量偶次諧波產生。在三相對稱系統中，由于系統基本對稱，偶次諧波含量較少，對電力系統危害較小。偶次諧波一般由非線性負載UPS、開關電源、整流器等設備產生，當系統鐵磁諧振時也會產生偶次諧波。在非線性負載較小的配電網中，可通過識別偶次諧波的數值，判斷系統是否處于諧振狀態。

圖10 諧振電壓的諧波含量分析

1.2.3 階段二：系統單相接地

諧振的自保持特性使PT 長時間承受過電壓、過電流，最終導致PT 單相斷線發展為單相接地。在金屬性接地期間，非接地相相電壓提升1.73 倍，接地相相電壓降至0，如圖11 所示。

圖11 單相接地故障時PT 電壓、電流圖

1.2.4 階段三：系統兩相接地

由于該變電站低壓側無接地中性點，單相接地后，對地電流不能形成穩定回路，系統電流變化幅值不大。發生單相接地后，故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，但線電壓卻依然對稱，對用戶的連續供電無明顯影響，系統可運行1～2 h。但發生單相接地故障后，電網長期運行可能發展成為相間接地短路，使事故擴大，影響用戶的正常用電。還可能使PT 鐵芯嚴重飽和，導致PT 嚴重過負荷而燒毀。同時弧光接地還會引起全系統過電壓，進而損壞設備，破壞系統安全運行。從圖12 可以看出，由于35 kV PT 的A、C 相相鄰，C 相接地最終發展成A、C 兩相接地。兩相接地形成電流對地回路，系統側電流急劇增加，最終導致1#主變啟動繼電保護，進而脫網。

圖12 兩相接地故障時PT 電壓、電流圖

2 諧振抑制措施分析

2.1 二次側加阻尼電阻

隨著系統對地電容的增大，PT 磁飽和后將依次發生高頻、基頻和分頻諧振。PT 的開口三角繞組上，用于消除分頻諧振的阻尼電阻r值最小。只要按此來選擇電阻就可同時消除另外2 種諧振。式中：xL為互感器在線電壓下的每相勵磁感抗為高壓繞組與開口三角繞組的匝數比。在PT 的開口三角形繞組投入1 個10 Ω 的阻尼電阻R，吸收鐵磁諧振產生的能量，R的電阻值越小，流過R的電流就越大，消諧時間就越短。

由圖13 仿真結果可以看出（仿真模型如圖14 所示），系統在0.23 s 發生諧振，諧振在0.45 s 基本得到抑制，PT 也未產生明顯過電流。但當系統發生間歇性的弧光接地故障時，系統時而接地，時而又諧振，阻尼繞組長期處于間歇性消諧狀態，電壓互感器可能因過熱而燒毀，出于熱容量考慮，阻尼電阻不能一直投入。

圖13 PT 開口三角形加阻尼電阻時電壓、電流圖

圖14 PSCAD 等值電路圖

2.2 4PT 法

4PT 法即在原PT 的中性點加裝一個PT，且將PT的開口三角短接。4PT 法一方面可以用于增大PT 等值零序電感，提升電壓互感器鐵芯的伏安特性，使得參數條件Xco/Xm＜＜0.01 更容易滿足，防止諧振的產生。另一方面當系統發生單相接地、短路等故障時，可以改變PT電壓的分布，降低每臺PT 的電壓，使其鐵芯不易飽和，從而達到抑制鐵磁諧振的目的。零序電壓互感器的勵磁電抗很大，又具有普通電壓互感器的絕緣水平，所以可看作PT 一次側中性點經高阻抗接地，等值電路中每相PT 勵磁電感不再和線路對地電容串聯。當外激發使中性點發生位移時，中性點位移電壓由零序PT 承擔，三相PT 繞組仍承受原先的對稱電壓，不會有飽和問題，從根本上破壞了諧振產生的條件。

由圖15 仿真結果可以看出（仿真模型如圖16 所示），在諧振發生0.2 s 后，諧振基本得到抑制，且過電流幅值很小。

圖15 4PT 法電壓、電流圖

圖16 PSCAD 等值電路圖

2.3 建議措施

該變電站在斷路器重燃后，產生了1.92p.u.的幅值過電壓，使PT 鐵芯飽和，從而與線路和設備的對地電容形成了共振回路，產生鐵磁諧振。中性點絕緣系統中PT 鐵磁諧振發生的根本原因是PT 鐵芯在某些激發條件下飽和而使其感抗變小，與線路對地電容的容抗相等。如果PT 一次繞組中性點不接地或經高阻抗接地，則各相繞組跨接在電源的相間電壓上，不在與接地電容相并聯，PT 不會發生中性點位移，也就不產生諧振。當中性點經高阻抗接地時，R過大會導致PT 開口三角零序電壓偏低，影響接地故障判斷的靈敏度，R過小又起不到消除鐵磁諧振的作用。因此該變電站采用PT 中點經單相電壓互感器接地的接線方式（即4PT 法）來抑制諧振效果更佳。

3 結束語

本文基于PSCAD 平臺對變電站電容器組的不同工況進行模擬，參考實際故障電壓、電流波形，分析變電站事故的起因。判斷本次事故是由斷路器重燃導致的，當電網發生沖擊擾動時，可能導致PT 勵磁電流突然增大，進而使鐵芯達到飽和，導致勵磁電感L值迅速減小，當與對地電容參數所匹配，系統發生諧振。

針對這次諧振事故，還仿真驗證了2 種消諧措施的效果：一是在PT 的開口三角形加阻尼電阻，二是4PT 法。根據仿真波形，2 種方法均取到了良好的消諧效果，達到預期的目標。雖然二次側消諧技術趨于成熟，但是電網的復雜性以及阻尼繞組的熱容量限制使得難以選用合適大小的阻尼電阻。綜合考慮，應優先選用4PT 消諧措施。