中性點不接地系統鐵磁諧振影響因素與抑制措施研究

陳洪翔

（江蘇嘉宏新材料有限公司，江蘇 連云港 222000）

受設備制造和運行成本等的限制，目前35kV 無接地配電網多以變電站（三相對地電壓）監測為主。在電網中，母線閉合、暫態單相接地等綜合因素的影響會導致PT 感抗呈下降趨勢。PT 勵磁電感與其對地電容相匹配并構成非線性共振環時，會出現鐵磁共振、過電壓現象[1]。由于鐵磁諧振與電網組織結構、配網運行方式、供電設備特性等具有較直接的關系，因此在運行中一旦電網某個因素出現異常，便會引起整個系統的高頻、低頻諧振。在長時間的影響下，諧振會導致PT 出現熔絲熔斷等安全事故。

鐵磁諧振回路結構復雜、諧振形式多樣、隨機性強且具有混沌等特點，使其在不同系統中的表現形式各不相同。截至目前，鐵磁諧振問題一直未得到較好解決，其原因既為其自身的不足并受分析手段所限。鑒于鐵磁共振現象頻發，為保障電網安全穩定運行，對過電壓的產生、發展機理及控制方法進行深入研究、加深對鐵磁共振的理解并尋求更有效的抑制方法具有較現實的意義[2]。為落實該方面工作，該文將以某化工企業35kV 變電所10kV 系統為例，進行如下研究。

1 建立35kV 中性點不接地系統模型

1.1 模型結構設計

該文以某變電站中典型的35kV 電力系統為例，進行中性點不接地系統模型的構建研究。從電磁角度對系統中各裝置的物理性質進行精確模擬，并對其進行合理計算，將其作為系統模型構建的前提條件[3]。根據建模中所需設備實際特性參數，建立如圖1 所示的仿真模型。

1.2 模型中的主變壓器與母線出線參數設計

根據建模需求，系統中的主變壓器均為三相繞組變壓器，主變壓器參數見表1。

表1 主變壓器參數

在此基礎上，根據上述圖1 可以看出，此變電所中母線共有5 條出線，出線參數見表2。

表2 變電所中5 條母線出線參數

1.3 電壓互感器（PT）空載伏安接線設計

35kV中性點不接地系統接線上的所有PT均被稱之為母線PT，在深入研究中發現，造成系統在運行中發生鐵磁諧振的主要原因是PT 的非線性，因此，要確保構建模型符合規范，就需要掌握PT 在空載條件下運行的勵磁特性[4]。在高壓側進行PT 空載運行測試，測試中的接線示意圖如圖2所示。在該基礎上構建單相PT 的仿真模型，如圖3 所示。

圖2 高壓側PT 空載運行測試接線

圖3 單相PT 的仿真模型

通過上述方式，可以將PT 在運行過程中產生的伏安特性數據轉變為電流磁鏈數據，然后采用逐點遞推法得到PT的伏安運行特性曲線，以此為依據即可掌握PT 在運行中的勵磁特性。再根據測試得到的PT 勵磁特性設計系統模型中的PT 參數，以此構建35kV 中性點不接地系統模型[5]。

2 中性點不接地系統鐵磁諧振影響因素分析

2.1 系統運行方式對鐵磁諧振的影響

為探究35kV 中性點不接地系統運行方式是否會對鐵磁諧振產生影響，該文進行了如下研究。通常情況下，35kV中性點不接地系統采用單母線帶分段母線的運行方式。在正常運行情況下，每臺主變都有一條母線，2 條母線通過35kV備用電源的自動切換裝置互為備份母線[6]。當一條母線出現故障或進行例行檢查、檢修時，可采用母聯接式斷路器將其他母線斷開，從而恢復正常工作。該文在分析配線方式特點的基礎上，總結出5 種可能的配線方式，分別如下：第一種，#1 主變帶35kV I 段母線上傳遞負載。第二種，#2 主變帶35kV II 段母線上傳遞負載。第三種，#1 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負載。第四種，#2 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負載。第五種，#1 和#2 主變帶35kV I 段和II 段母線全部傳遞負載[7]。針對上述5 種方式分別記錄系統諧振過電壓，記錄結果見表3。

表3 系統不同運行方式下的鐵磁諧振過電壓記錄表

表3 中35kV 母線電壓的單位為p.u.，是指35kV 系統最高運行電壓基準值為1p.u.。1p.u.的轉換公式如公式（1）所示。

將諧振頻率小于工頻1/3 的諧振稱為頻率較低分頻諧振，結合表3 中的數據可以看出，單相接地消失以后，系統的三相對地與中性點均出現了諧振過電壓現象。比較不同的運行方式，其諧振過電壓的數值和頻率較接近。該文在研究過程中設置的外界激發方式相同，系統在上述5 種運行方式下對地的電容值均接近，PT 等值勵磁電感值也較接近，即XCO/Xm的比值相近，對應的諧振范圍相似。其中XCO代表系統每相對地容抗，Xm代表PT 高壓側勵磁電抗。在5 種運行方式下，系統均能夠正常運行。

2.2 單相接地故障時故障點對鐵磁諧振的影響

由于35kV 中性點不接地系統不同的單相接地原因會造成不同的接地電阻阻值，因此需要進一步分析接地電阻阻值對鐵磁諧振的影響[8]。假設系統單線運行時，其首端A 相會在0.02s 出現單相接地故障，于0.06s 接地時，改變單相接地時故障點的阻值，將接地電阻的變化范圍設置為0.5Ω～5.0Ω，通過仿真方式模擬并記錄諧振產生時的電壓電流值，見表4。

表4 不同接地電阻值下鐵磁諧振的變化記錄表

無論故障發生在線路首端還是末端，當單相接地故障消失進而激發鐵磁諧振過電壓時，35kV 中性點不接地系統的母線電壓和中性點電壓沒有隨故障點接地電阻值的變化而發生明顯變化，因此諧振時頻率受接地電阻值變化的影響并不明顯。

3 鐵磁諧振抑制措施

為抑制中性點不接地系統鐵磁諧振，將系統的中性點通過消弧線圈接地。對系統在單相接地時的接地容性電流進行估算。單相接地電容電流主要有2 種，一種是線路對地容電流，另一種是電力裝置對地容電流。因為與線路相比，電力裝置的容性電流很小，所以在實際計算中可以忽略不計。以架空輸電線路為例，其單相接地時電容電流的計算分為2 種情況，一種為架空線路有地線，另一種為架空線路無地線。第一種情況的電容電流的計算如公式（2）所示。

式中：IC代表架空線路有地線時的單相接地電容電流；UN代表線路的額定電壓；l代表線路的長度。

第二種情況的電容電流的計算如公式（3）所示。

式中：代表架空線路無地線時的電箱接地電容電流。

當消弧線圈工作處于過補償狀態時，可以有效抑制系統鐵磁諧振。過電壓幅值會隨時間的推移而逐步衰減，0.5s 后，系統電壓已降至1.12p.u.；1.5s 后，電壓已接近正常；大約為1.02p.u.時，其頻率已經接近工頻。隨著時間的推移，中點處的偏置電壓也逐漸降低，直至變為0。結果表明，在經過消弧線圈的情況下，由PT 飽和所引起的分頻磁場較弱，因此可以得到較好的抑制。其根本原因是消弧線圈的電感值通常小于PT 的勵磁電感，中性點經過消弧線圈時會出現零序電流。此時，如果在PT 的勵磁電感的兩端并聯一個遠小于勵磁電感的電感，將會打破原有的參數匹配關系，使PT 難以進行飽和運行，進而可降低出現諧振的概率，有效抑制諧振。

4 工況分析與中性點不接地系統鐵磁諧振抑制效果

某化工企業35kV 變電所10kV 母線投用后出現了母線電壓不平衡現象，母線電壓分別為A 相6.075kV，B 相5.662kV，C 相5.966kV，用數字萬用表測得二次電壓為A 相61V，B 相57V，C 相60V，開口三角電壓為7.5V。三相線電壓基本平衡，相電壓不平衡，最大為0.5kV。

停電檢修后對電壓互感器進行外觀檢查及試驗，檢查后發現，電壓互感器外觀表面正常，無灼燒、裂紋等情況。對其進行測試，得到的相關數據見表5。

表5 電壓互感器停電檢修測試數據

上述試驗數據說明，三相電壓互感器的參數滿足出廠要求，彼此的伏安特性相差不大，不是導致電壓不平衡的根本原因。

將一次消諧器與電壓互感器中性點拆開后直接接地并將其重新帶電后，一次電壓A 相為5.94kV，B 相為5.93kV，C 相為5.93kV，開口三角電壓為0V。此時母線電壓已平衡，恢復一次消諧器接線后，不平衡情況已然存在。采用顯示頻率的數字式頻率表測量開口三角兩端的電壓，接近150Hz，表明電壓互感器勵磁電流中的三次諧波電流造成中性點經一次消諧器產生位移電壓，進而導致開口三角電壓升高、母線電壓不平衡。為解決上述問題，在與變電所運營管理單位綜合商議后，決定使用該文設計的方法抑制鐵磁諧振。抑制效果如圖4 所示。

圖4 中性點不接地系統鐵磁諧振抑制效果

5 結語

含鐵芯的電磁變壓器在35kV 無接地中性點配網中具有廣泛應用，當系統發生短路、運行和缺相等故障時，鐵芯與系統電容將產生高強度、長時間的諧振過電壓，并對電網可持續、安全運行造成嚴重威脅。為解決該問題，該文以某化工企業35kV 變電所10kV 系統為例進行研究，為證明并檢驗所提鐵磁諧振抑制方法的應用效果，對存在母線電壓不平衡的系統鐵磁諧振進行抑制。根據圖4 結果可以看出，該文設計的鐵磁諧振抑制方法可以有效抑制系統運行中的諧振，即與抑制前相比，抑制后的系統鐵磁諧振頻率顯著降低。