10 kV配电网铁磁谐振及其抑制措施仿真研究及应用

2019-04-11刘洪正姚金霞周生奇

山东电力技术 2019年3期

刘洪正，师伟，姚金霞，周生奇

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003；2.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛 266002）

0 引言

10kV配电网中为监测变电站母线对地电压，需在其配电母线上接一次绕组为星形连接、中性点接地的电磁式电压互感器（TV）。正常运行条件下，线路三相对地容抗非常接近，系统的中性点电压近似为零，零序电压测量值小于动作电压，不至于引起保护装置动作。当系统中发生某些扰动时，如空载母线投切、线路瞬间单相接地故障清除等，可能导致电压互感器三相励磁电感出现不同程度的饱和，造成系统中性点的工频位移电压较大，若系统零序回路参数达到特定条件，则可能激发谐振过电压，引起TV高压熔丝熔断甚至TV烧毁，严重制约系统的安全运行［1-4］。因此，加强对铁磁谐振的机理以及抑制措施的研究意义重大。

结合 TV 典型励磁的非线性特性，Peterson［5］研究了产生各种谐波的条件，给出的谐波区域曲线如图1所示。其中，Ex为铁磁谐振激发电压；Ux为TV工作线电压；XC0为系统每相对地容抗；Xm为TV高压绕组在额定线电压下的励磁感抗。曲线1，2，3包络范围分别对应分频谐振、基频谐振和高频谐振。

图1 谐振区域图

Peterson提出TV铁磁谐振的频率与XC0／Xm的比值密切相关，存在如下对应关系：

1）XC0／Xm=0.01～0.07，分频谐振;

2）XC0／Xm=0.07～0.55，基频谐振;

3）XC0／Xm=0.55～2.80，高频谐振;

4）XC0／Xm＜0.01 或 XC0／Xm＞2.80，系统不会出现铁磁谐振。

另外，由图1也可以看出，激发谐振所需的电压从分频谐振到高频谐振呈现递增趋势，即分频谐振的条件最容易满足。

理论上讲，由TV饱和导致的高频谐振过电压幅值能达到额定相电压的4～5倍，然而现实中的过电压几乎不超过3倍，故35 kV及以下系统中由高频谐振引起设备受损的概率较低。基频谐振可能造成系统一相或两相电压升高，其过电压幅值并不高，当呈现两相电压升高、一相电压下降时，近似于单相接地，易引起保护装置误动作。分频谐振的过电压幅值通常小于2倍相电压，然而较低的频率使得TV励磁电抗变小，励磁电流陡增，电流幅值可能达到额定励滋电流的上百倍，造成高压熔丝熔断甚至是TV爆炸［6］。由此可知，分频铁磁谐振过电压对配电网系统的危害最大。

针对配电网中频繁发生的铁磁谐振现象，国内外学者提出了一系列的谐振抑制措施，例如采用励磁特性更好的TV、在TV高压侧中性点接单相TV、在TV一次侧中性点加装消谐器、系统中性点经消弧线圈接地；二次侧开口三角安装阻尼电阻等［7-10］。目前虽然电网中应用的各种消除铁磁谐振的措施在实际中取得了一定成效，各种消谐措施因作用机理不同而各有所长，亦具有各自的局限性，针对某一具体系统，应根据系统实际接线方式和运行方式对上述消谐措施进行分析和优化配置，因地制宜地采取相应的消谐方案。

上合组织青岛峰会重大保电期间，山东省某变电站A 10 kV系统所带出线较少，系统对地电容电流较小，在系统发生单相接地等扰动时，容易引发系统铁磁谐振，对电网和设备安全运行造成不良影响。利用电磁暂态仿真程序ATP-EMTP对该变电站10 kV系统的铁磁谐振情况及两种抑制谐振措施进行相应了仿真计算，研究结果可为电力部门治理铁磁谐振提供参考。

1 仿真模型的建立

1.1 变电站仿真模型

对变电站A的10 kV配电网建立仿真模型，在上合组织青岛峰会期间，该变电站10 kV侧仅保留2回电缆出线（电缆参数见表1），10 kV母线以及其中1回电缆出线—线路A的末端接有TV（TV参数见表2），系统一次接线如图2所示。

图2 10 kV配电网接线简化图

表1 出线电缆参数

表2 TV参数

单相TV在线电压的励磁电抗Xm=397.4 kΩ，电容约为 0.573 9 μF，经计算 XC0／Xm=0.014 8，该参数恰好落在Peterson分频谐振区域，即在外界条件激励下，易引起系统分频谐振。配电网中激发铁磁谐振最常见的一种情况是单相接地故障清除，本文以此作为计算条件。

1.2 谐振波形

假设系统在0.1 s时发生单相金属接地，0.158 s时接地故障解除，单相接地故障消失瞬间产生了分频谐振，不同运行工况下10 kV母线三相电压、母线TV一次侧励磁电流的仿真结果如图3～8所示。其中，A相、B相、C相的电压或电流分别用红色、绿色、蓝色曲线表示。

1）10 kV母线TV中性点直接接地，带线路A和线路B，仿真结果如图3～4所示。

图3 10 kV母线一次电压波形

图4 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

2）10 kV母线TV中性点直接接地，不带线路A，仿真结果如图5～6所示。

3）10 kV母线TV中性点直接接地，不带线路B，仿真结果如图7～8所示。

可以看出，单相接地故障消失引起分频谐振，造成母线三相电压同时升高，过电压幅值可达2.2 pu，并伴随有低频摆动。10 kV母线TV一次侧的励磁电流急剧上升，幅值可达 0.14 A，远超TV正常工作电流，容易造成TV烧毁。

图5 10 kV母线一次电压波形

图6 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

图7 10 kV母线一次电压波形

图8 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

2 铁磁谐振抑制措施

2.1 10 kV母线TV一次侧中性点串接消谐器

在TV一次侧中性点串接消谐器（非线性电阻），是目前抑制铁磁谐振最常用的方法，它能够较大程度上消耗能量，有效抑制过电流、过电压，降低饱和程度，抑制谐振发生。消谐电阻能够限制TV涌流，尤其是由断续弧光接地引起的过电流，并能分担TV单向绕组电压，使绕组的铁芯饱和程度下降，从而改善TV励磁特性。非线性电阻的特性由式（1）决定［11］。

式中：k取 10.669 kV／A；α 取 0.56。

在10 kV母线TV一次侧中性点串接消谐器，不同运行工况下10 kV母线三相电压、母线TV一次侧励磁电流的仿真结果如图9～14所示。

1）10 kV母线TV一次侧中性点串接消谐器，带线路A和线路B，仿真结果如图9～10所示。

图9 10 kV母线一次电压波形

图10 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

2）10 kV母线TV一次侧中性点串接消谐器，不带线路A，仿真结果如图11～12所示。

3）10 kV母线TV一次侧中性点串接消谐器，不带线路B，仿真结果如图13～14所示。

可以看出，在TV一次侧中性点串接消谐器能够有效地抑制TV饱和引起的谐振过电压、过电流，系统的分频谐振在1 s内得到有效抑制。

图11 10 kV母线一次电压波形

图12 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

图13 10 kV母线一次电压波形

图14 10 kV母线TV一次侧励磁电流波形

2.2 系统中性点接入消弧线圈

在10 kV系统中性点接入消弧线圈（第1档：15.1 A），可以看作在TV高压侧励磁电感上并联了一个电感，因为消弧线圈的感抗远远小于TV的感抗，若系统中出现零序电流，零序电流主要经消弧线圈流入大地，从而抑制TV的铁磁谐振。采用系统中性点接入消弧线圈的方式进行消谐，仿真得到的电压、电流波形如图15～16所示。