变配电所异常过电压情况研究

2017-02-17神华包神铁路有限责任公司李文勇

电子世界 2017年2期

神华包神铁路有限责任公司李文勇

变配电所异常过电压情况研究

神华包神铁路有限责任公司李文勇

变配电所过电压是导致供电线路停运的重要原因之一，为了保证电网运行的安全性和稳定性，需要减少甚至避免变配电所过电压现象的出现。本文首先给出了变配电所过电压的类型以及判定方法；其次对变配电所常见的谐振过电压现象进行了分析，给出了建模方法和机理分析；最后给出了变配电过谐振过电压的预防和治理方法。通过对谐振过电压现象的预防可以大幅减少过电压现象的发生，进而保证了电网运行的安全与稳定。

变配电所；过电压；谐振；谐波

随着电网的不断发展，对电网可靠性的要求也越来越高。变配电所过电压由于其破坏性强以及不可预知性，给电网的安全运行造成很大的影响。文献[1]介绍了由于雷击等自然因素的影响，系统内部产生过电压，从而对供电线路造成了破坏；文献[2]以某变电站35KV系统为模型，研究了单相接地和断线故障时系统出现谐振过电压的情况。从以上文献不难看出，无论哪种形式的过电压都会对电网系统造成极大的影响。本文对变配电所异常过电压情况进行研究，所得结论对如何避免变配电所过电压情况的发生具有重要的意义。

1 变配电所过电压的类型及判别方法

过电压通俗上可以理解为电压超出正常值，从原理上解释主要是由于电磁场的变化从而导致电压发生变化。过电压现象在电力系统中非常常见，并且会导致电力系统损坏等不利情况的出现，所以分析过电压的类型并找出过电压的判别方法十分重要。

过电压按其产生的机理进行分类，可以大致分为两种类型。第一种为大气过电压，属于外部因素导致的电压升高现象。形成大气过电压的因素主要是雷电，雷电产生时伴随着巨大的电流，短暂的电流变化会造成电磁效应，进而影响雷电周围的电气设备。大气过电压主要分为两种形式，即直击雷过电压和感应雷过电压；第二种情况为内部过电压，属于系统内部自身原因导致的电压升高现象。内部过电压主要有三种形式，第一种形式为工频过电压，线路空载时，由于电容效应的影响，电压会逐步升高，到达线路末端时，电压达到最大值，当远距离输电线路超过300km时，空载线路造成的工频电压升高现象就不能忽略了。不对称接地是造成工频过电压的另一种原因，其中单相接地的影响最为严重。造成工频过电压的最后一个原因是线路甩负荷；第二种内部过电压的形式是操作过电压，操作过电压主要是指电力系统中的储能原件在其工作状态发生变化时，内部磁场发生变化，进而导致电压升高的现象；最后一种情况为谐振过电压，谐振过电压是外部频率与系统内部某一频率发生谐振的现象，是本文重点研究的内容。

过电压的判断主要是根据过电压的产生原理进行判断。通过判断过电压发生时电气设备周围是否有雷电现象的发生，来判别大气过电压；通过输电线路的长度来判断是否为电容效应过电压；通过是否有故障接地现象，判断是否为非故障接地情况。

2 变配电所谐振过电压情况研究

2.1 谐振过电压的形式

谐振过电压是系统内部过电压的主要形式，也是电气系统中常见的一种过电压现象。谐振过电压与产生谐振的条件有关，当谐振条件不消除时，过电压现象会一直存在，所以其危害程度较大。

根据电感特性的不同，可以将谐振过电压分为三类：

（1）线性谐振过电压：谐振回路由不带铁芯的电感元件(如输电线路的电感,变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件(如消弧线圈)和系统中的电容元件所组成。

（2）非线性谐振过电压(铁磁谐振过电压):谐振回路由带铁芯的电感元件(如空载变压器、电压互感器)和系统的电容元件组成。因铁芯电感元件的饱和现象,使回路的电感参数是非线性的,这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时,会产生铁磁谐振。

（3）周期谐振过电压：由电感参数作周期性变化的电感元件(如凸极发电机的同步电抗在Xd～Xq间周期变化)和系统电容元件(如空载线路)组成回路,当参数配合时,通过电感的周期性变化,不断向谐振系统输送能量,造成参数谐振过电压。

其中非线性谐振过电压是最常见的。非线性谐振需要一定的激发条件，使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态，如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等。当激发因素消失后，谐振过电压仍然可以继续长期存在。还有非线性谐振过电压一般不会非常高，过电压幅值主要取决于铁心电感的饱和程度。非线性谐振过电压又可以分为以下三种类型：

2．1．1 断线性非线性谐振

当电力系统中线路出现故障时，可能造成中性点不接地的现象，在该情况下会出现复杂的非线性串联谐振回路，从而造成断线性非线性谐振过电压的出现。断线性非线性谐振目前没有可以使用的算式，一般通过对其运行情况进行分析，将三相电路通过转化得到LC回路，通过对LC回路进行求解计算，继而得到三相电路上的过电压情况。

2．1．2 传递性非线性谐振

产生传递性非线性谐振的主要原因是线路中的零序电压和电流分量的作用。当零序电压或电流通过铁芯电感元件时，就会在回路中产生传递性非线性谐振过电压。

2．1．3 互感器铁芯饱和引起非线性谐振

互感器铁芯饱和引起的非线性谐振与互感器的结构有直接的关系，电压互感器低压侧和高压侧的负载容量相差很大，当回路中电流突然变化时会引起互感器铁芯的饱和，这样就会造成回路中非线性谐振现象的出现。

2.2 谐振过电压的产生机理

为了对谐振过电压机理进行研究，需要对整体变配电所建立谐波电流源模型，通过对不同类型谐波进行分析得出谐振过电压的产生机理。

[3]，谐波电流的大小要严格遵循国家规范中公用电网谐波的允许值，公用电网谐波的限值见表2-1。

表2-1 谐波电压限值

谐波电流的类型有一相谐波电流、两相谐波电流和三相谐波电流三种形式，所以在对建立的模型进行分析时，要分别考虑上述三种不同的情况。初始电流值的确定需要根据系统电流值得上限和下限确定。通过分析系统随着频率的变化，等效阻抗呈现出怎样的变化趋势可以找到系统的谐振点。根据文献[4]可得在仿真模型中，A相、B相和C相中任意一相都会造成系统过电压情况的发生，并且根据变化趋势可以判断谐振是线性的还是非线性的。

3 变配电所谐振过电压的治理方法

对于变配电所常见的谐振过电压的处理，目前常用的方法主要有两种：

对电路中的谐波电流进行限制。电路中谐振的发生主要是谐波电流的影响，因此为了消除谐振现象的发生，可以从谐波电流的源头处进行限制。在谐波波源处安装交流滤波器可以较好的消除谐波电流，还可以在谐波波源处安装有源电力滤波器，可以达到同样的效果。

改变系统自身参数。通过上文的研究我们知道，谐振现象的产生机理是系统内部频率与外部频率数相同从而导致谐振现象的发生。所以当谐波波源无法被控制时，可以通过改变系统内部震动参数，从而避开谐振区域。改变系统参数最常用的方式是通过系统增加电容或者电感，从而改变系统内部参数。

加装微机消谐装置消除非线性谐振。其工作原理是通过微机系统循环采集并检测TV开口三角绕组电压的变化来判断是否有谐振，通常的实现办法是在开口三角绕组中并一个电阻。理论上，对于谐振频率越低的非线性谐振，应选取阻值越小的电阻，但阻值过小的电阻并接在TV开口三角绕组上会影响TV的正常运行，严重时甚至会造成TV烧毁。同时由于铁磁谐振频率往往不是单一的，所以这种方法也难以消除所有谐振。

为了防止过电压情况的发生，需要对系统的过电压情况进行监控，以便能在较短的时间内进行处理。对变配电所异常过电压情况的监控，需要对变配电三相线的电压情况进行实时的监控，当出现某一相或者几相电压超标的情况时，要及时切断超标的电压。为此可以在变配电所内增设对对电压进行实时监控，如果出现过电压情况则发出警报并且具有自动切断所做操作功能的设备，从而达到对配电所异常过电压情况监控的目的。

4 结论

本文主要对变配电所中常见的谐振过电压现象进行了分析，并且给出了预防和治理方法：通过对电路中谐波电流进行控制，以及改变系统自身的参数可以有效的预防和治理谐振过电压现象的发生。通过安装具有实时监控、报警以及自动切断操作功能的设备，来达到最过电压监控的目的。

参考文献

[1]李长益,魏旭,张劲松．上河变电所500KV隔离开关操作中感应过电压事故分析[J]．电力自动化设备,2003．

[2]牛晓民,王晓彤,施围．超高压串联补偿输电线路的潜供电流和恢复电压[J]．电网技术, 1998,22(9):9-12,15．

[3]中华人民共和国行业标准,TBS10008-2006．铁路电力设计规范．中华人民共和国铁道部．2007-03-03．44-50．

[4]焦剑阳．电气化铁路无功补偿装置的过电压分析与保护[D]．北京交通大学图书馆,2007:16-26．

[5]周泽存,沈其工,方瑜,王大忠．高电压技术[M]．北京:中国电力出版社, 2007:297-321．

反模糊化采用加权平均法，即：

2.5 模糊结果输入PID控制器

做模糊处理的目的是为了使小车在不同的赛道上拥有不同的PID参数，得到PID输出结果后将其输入PID控制器。本文所采用的是较为简单的处理方式，将模糊处理的结果作为PID参数的系数，即：

假定模糊处理输出结果是µout，则从PID控制器中输出的PID参数即为：

Kpout = Kp* µout，Kiout = Ki*µout，Kdout = Kd*µout

3 实验现象和结果分析

在未采用模糊处理时，由于各赛道元素上小车运行轨迹的变化规律不同（见图4），采用单一的PID参数，适应性较差，容易出现响应迟缓。加入模糊之后，根据所处的赛道对PID参数进行相应的调整，一旦检测到偏差，系统就能更快地恢复到平衡状态，小车行进的路径更加合理，避免了紧急制动的可能性，使车速曲线更加平滑。此外运行路程也有所减少，从侧面提高了小车的运行速度。