电力系统铁磁谐振数字仿真及防范措施

2012-03-25司红代徐蕴锋

东北电力技术 2012年4期

张强，司红代，徐蕴锋

(1．东北电力科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110006;2．沈阳工程学院，辽宁沈阳 110136;3．大连市热电集团有限公司，辽宁大连 116021)

1 中性点不接地系统铁磁谐振的发生原因及条件

1.1 发生原因

中性点不接地电网中，电磁式电压互感器TV的高压侧中性点通常是接地的，同时存在母线、电缆、线路、变压器等设备的对地电容，这样就构成了电容、电感的并联回路。系统正常运行时，电压互感器铁心未达到饱和，互感器电感远大于线路对地电容，工频条件下，未满足谐振条件，因此不会发生谐振。当系统故障时，例如系统单相接地，此时故障相电压为零，接地相电感、电容被短接，非故障相电压升高为原来的倍，同时因非故障相电压升高可能使得电压互感器铁心饱和而使电感下降，当下降后的等效电感与系统等效电容参数配合在整数或分数倍系统频率时满足谐振条件，这就有可能引起铁磁谐振，谐振电流有可能比正常时大几十倍甚至上百倍。如果高压侧电流不能达到使熔断器熔断且超过允许值时，就可能使电压互感器烧毁，对系统影响较大［1］。图1为中性点不接地系统的示意图，图2为中性点不接地系统一次侧系统电气等效图。

1.2 发生的条件

发生铁磁谐振需具备5个条件，如图3所示。

2 铁磁谐振TV仿真模型的建立

TV铁心易饱和特性是构成铁磁谐振的重要条件，而TV的V－I特性曲线集中反映其铁心饱和特性［3］。在以往的仿真中，往往采用非线性电感(具有TV的V－I特性)串联电阻来模拟TV高压侧绕组，其结果忽略了TV本身的铁损和漏抗，使仿真误差较大。

本文以电磁仿真软件PSCAD中可以自定义V－I特性曲线的单相三卷变压器UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)模块为基础，由3个UMEC构成TV，其接线方式如图4所示。其中:(Ua、Ub、Uc)模拟TV一次高压侧三相端，TV一次侧中性点接地， (ua、ub、uc)模拟TV二次低压侧三相端，(N，L)模拟TV的开口三角形侧。仿真过程中的零序电压从模型中的开口三角形(N，L)处测量，这样会更有效、更准确地模拟母线TV的运行特点。图5为某变电站TV的V－I特性曲线图，由图5可知，TV的感抗具有明显的非线性特点。

a．低损。铁磁谐振一般发生于轻、空载运行方式下 (谐振回路中的损耗值小于某临界值)。

b．电容。存在线路、电缆、母线、变压器等设备的对地电容。

c．非线性电感。电磁式电压互感器铁心易饱和的特性。

d．参数配合范围。

根据国内外学者的理论研究及实验结果可知，随着Xco/Xm比值不同，可能激发不同类型的谐振。

①当Xco/Xm=0.01～0.07时，发生分频谐振。

②当Xco/Xm=0.07～0.55时，发生基波谐振。

③当Xco/Xm=0.55～2.8时，发生高频谐振(主要是3次谐波)。

④当Xco/Xm≤0.01或 Xco/Xm≥2.8时，系统一般不会发生铁磁谐振。

e．激发事件

投/切变压器、电压互感器、空载线路、母线等设备;线路发生单相金属、瞬间弧光接地及接地故障的消失 (易激发分频谐振);变压器和TV一相或两相高压保险丝熔断;线路断线，断路器非同期合闸 (易激发基频谐振)等［2］。

3 避免和防止铁磁谐振的方法

铁磁谐振对电力系统危害较大，需要采取相应的措施加以防范和避免。而避免和防止铁磁谐振的方法主要有2大类:一是破坏铁磁谐振发生条件;二是消耗振荡能量。

3.1 破坏铁磁谐振发生条件

3.1.1 改变正常操作顺序

改变正常操作顺序，可避免铁磁谐振。例如:在可能的情况下，可优先考虑合上空载母线上的空载变压器或无源线路，改变电感参数，消除谐振。恢复供电时，先对空载母线充电后再投入变压器。

优点:对可能产生谐振的操作程序加以调整，采用合适的操作方法，避免电感、电容串联，这样可以避开产生谐振的条件。这是我国当前普遍采用的一项消谐措施。

缺点:该方法违反了正常的操作顺序，可能引发不良后果，当系统故障导致空母线运行时，有引发谐振的可能。对于无人值守的变电站，后果是严重的。

3.1.2 采用励磁特性好的TV

TV励磁特性［4］有2个方面:一是励磁特性量值，即对饱和点的要求。二是励磁特性的一致性，即各相互感器励磁电抗的差异。

对励磁特性的控制措施主要也是2个方面:一是改变互感器铁心的分布，使其不易出现饱和;二是出厂前对互感器按3台进行配组，提高其一致性。

励磁特性好的TV，在一般的电压水平下不会进入深度饱和区，不易形成谐振的匹配参数。若三相TV励磁特性的一致性不好，会使铁磁谐振的几率增大。一般要求三相TV励磁电流最大和最小值之比不超过130%。

优点:采用励磁特性越好的TV产生谐振的电容参数范围就越小，可以降低谐振发生的概率，采用励磁特性好的TV通常认为是解决谐振的一个基本措施。TV系统零序电压迅速降至零，使系统三相电压对称运行。

缺点:一旦激发至饱和状态，可能产生更大的过电压、过电流。

3.1.3 增加对地电容

增加对地电容可以使系统等效容抗与感抗远离铁磁谐振参数范围。从而避免铁磁谐振。

优点:让母线带上一段空线路或电容器，增加对地电容，可使回路参数超出谐振的范围，可以避免谐振，操作简单易行。

缺点:有可能产生一个很大的冲击电流通过TV绕组，对互感器不利。而且电容器十分昂贵，若系统中有多台中性点接地，则需增装的电容器数量很大。

3.1.4 采用电容式电压互感器CTV

图6 CTV结构原理图

电容式电压互感器内部结构如图6所示，由电容分压器和1个较低电压等级的中间电磁式电压互感器组成。

优点:改用电容式电压互感器从根本上消除了产生谐振的条件，基本能防止谐振。而且现在的电容式电压互感器运行维护容易，目前在工业发达国家，72.5 kV及以上电压等级的电力系统，电压互感器均采用CTV。近些年在我国CTV也得到了长足发展。

缺点:带负载能力差，容易出现自谐振现象，二次侧仍要采用消谐措施，其价格稍高、测量精度低、事故率高、暂态特性不如电磁式电压互感器等，只能用于精度要求不高的场合。

3.1.5 4TV接线方式

4TV的接线如图7所示，在电压互感器TV的高压中性点与地之间串接单相电压互感器TV0，TV0与TV同型号，接地信号电压可从TV0二次侧取得。原TV的辅助开口三角形绕组两端a'c'要短接或接上小电阻以消除3次谐波的影响。为正确反映电压变化，TV0的变比和原TV的变比要一致;接地继电器KV的整定值应比原来接在辅助三角形绕组开口端的整定值小一些，以保证可靠发出接地信号。

优点:零序电压大部分加在零序TV0上，外部激发不能使TV进入饱和区，起到抑制过电压、过电流的作用;TV0高压绕组的直流电阻约为10 kΩ，对谐振有强烈的阻尼作用，这一措施适合于各种配电网。

图7 4TV接线图

缺点:4TV接线常有闭口三角环流过大烧毁TV的情况发生。

3.2 消耗谐振能量

3.2.1 TV二次开口三角接入阻尼电阻R

在TV二次开口三角绕组接入电阻 (如图8所示)，电压互感器开口三角绕组为零序电压绕组，此接法的优点:相当于在互感器高压侧Y0接线绕组上并联电阻，而此电阻只有在电网有零序电压时才出现，正常运行时是不存在的，即零序电压绕组所接的R在正常运行时不会消耗能量，而谐振发生时在R上消耗谐振能量，消除谐振。其电阻值越小，效果越好，R=0时相当于系统中性点直接接地。通常，用于消谐的开口三角的电阻R应满足≤0.4XMf，其中XMf为励磁电感感抗换算到 TV开口三角绕组两端值。