110kV良田站谐波问题研究与治理建议

2022-03-11胡燕春杜敏智

自动化技术与应用 2022年2期

胡燕春,杨帆,杜敏智

(1．广东电网有限责任公司广州供电局，广东广州 510000；2．广东电网有限责任公司云浮供电局，广东云浮 527300)

1 引言

随着电网规模的快速发展，用电量需求的不断增加，人们对电能质量提出了更高的要求。由于非线性负荷的大量增加，各种整流技术、变频技术被广泛应用在工业企业和运输等部门，配电网的谐波污染越来越严重，谐波给无功补偿装置造成一定影响，引起电容器、电抗器出现过电流和过电压，增加电容器损耗、缩短电容器寿命，危害设备安全运行，给供电企业带来安全隐患和经济损失[1]。因此，如何抑制配电网中谐波污染，配置无功补偿装置、提高供电质量已成为供电单位需要迫切解决的问题。

本文针对某电局110kV 良田站10kV 母线出现较为严重的谐波问题，无功补偿装置过载损坏的情况，详细地分析了谐波电流对无功补偿装置的影响，结合理论与具体运行方式，提出相应谐波治理措施，得到综合治理方案[2]。所提方案已经应用到良田站运行中，经实际工程验证，可有效抑制无功补偿装置的谐波电流，实现无功就地补偿，提高主变功率因数，降低变压器额外无功损耗，达到了预期效果，证明该方案具有良好的经济性和可行性[3]。

2 110kV良田站谐波问题及运行方式

2019年2月21日，良田站10kV#1 电容561 开关过流保护动作跳闸，巡维到现场检查发现10kV#1 电容A相串抗主要部件烧毁，系统记录故障当天最大运行电流361A，远超额定电流263A。查看以往运行记录得知，10kV#1 电容运行电流在280A-310A 之间变化，均处于过流状态。根据运维部门分析，直接原因是设备长时间过载运行，处于高温状态导致绝缘下降，最终引起电抗器匝间短路着火。

良田站配网地区陶瓷厂居多，变频器等电力电子装置产生大量谐波注入到配电网中，根据电能质量监测及运行数据分析，根本原因是良田站10kV母线负荷谐波超标，导致电容过流。依据有二：一是2019年3月25日，电科院对良田站10kV#1 母线进行谐波监测，报告显示母线的5次谐波、7次谐波含有率分别为10．08%和5．6%，均超出国家标准值3．2%，特别是5次谐波超标严重，母线电压畸变率达11．6%，10kV#1母线电压波形和频谱仿真如图2所示；二是良田站无功补偿电容器中的电抗器的电抗率为5%，该电抗率能够有效吸收5 次谐波电流[4]，大量的谐波电流进入电容器，造成设备过载。

图2 良田站10kV#1母线电压波形和频谱

由于10kV#1母线谐波含量较大，#1组、#2组电容单独投入运行时过载明显，一般会超过293A，按巡维要求现已把#1、#2电容转冷备用。另一方面，为确保良田站无功就地平衡，避免过多无功通过110kV线路输送，运行时投入#5或#6电容(有时需两台同时投入)。运行方式见图1，该运行方式具有下列问题：

图1 当前110KV良田站运行方式

(1)电压调控困难：10kV#1母线电压只能依靠主变档位调节，有载调压开关动作次数大幅增加；

(2)主变损耗增加：当前运行方式下，由于10kV#1母线不能投入无功补偿，造成#1主变下送11Mvar无功，#3主变倒送10Mvar无功，占用了主变容量，造成额外的电能损耗，经估算，两台主变每月产生额外的电能损耗约3．5万度电[6]。

(3)绝缘加速老化：10kV#1 母线谐波全部通过#1主变送入电网，影响#1主变绝缘寿命[10]。

3 系统等值电路及谐波电流计算

3.1 良田站系统原理图及N次谐波等值电路

故障发时时运行方式是#1主变供#1母线、投入#1组电容器，系统原理如图3所示。

图3 系统原理图

n——谐波次数，n=1，2，3，．．．．．．

Xs、Xc、XL、Xl——工频下系统阻抗、电容器容抗、串联电抗器感抗、线路阻抗

In、Is、Ic——n次谐波下谐波源电流有效值、系统支路、电容器支路电流有效值

Un——n次谐波分量电压有效值

图4 N次谐波等值电路

电容器支路n次谐波的支路阻抗[13]：

电容器支路n次谐波电流：

系统阻抗可通过线路阻抗与变压器阻抗得到：

3.2 计算5次、7次谐波电流

谐波电压测试时断开无功补偿电容器，等值电路如图5所示，计算得到5次谐波电流和7次谐波电流有效值，其中U5、U7分别是谐波测试的5次谐波电压有效值和7次谐波电压有效值。

图5 谐波电压测量时5次谐波和7次谐波等值电路

3.3 电容器支路电流

3.4 计算实际电容器电流

设备主要参数如表1，运行方式：#1主变供1M，投入1组电容器。

表1 设备铭牌主要参数

电容器支路电流计算步骤如下：

1)由公式1 计算得到电容器支路5、7 次谐波阻抗分别为：

Z5=1．44；Z7=5．23

2)由公式3得出系统阻抗为：

XS=0．55+0．12=0．67

3)根据谐波测试报告，得出5次谐波电压和7次谐波电压有效值：

U5=10500×10%/1．732=606V

U7=10500×5%/1．732=303V

4)公式(4)、公式(5)计算10kV#1母线谐波电流：

I5=180A；I7=72A

5)公式(3)计算电容器支路5次、7次谐波电流：

IC5=126A；IC7=34A

6)由公式(6)计算电容器总电流：

同理计算#1主变供#1、#2母线并投入1组电容器时，电容器电流达到318A，与实际测量数据一致。

通过以上计算验证了电抗器是由于10kV 母线负荷谐波超标，导致电抗器、电容器长时间过载运行[14]，处于高温状态导致绝缘下降，最终引起电抗器匝间短路着火。

4 改善措施和治理建议

结合实际情况及运行经验，现提出4 项治理措施建议，包括调整运行方式、用户管理、技术改造、加装滤波装置等。

4.1 调整运行方式

由公式1-6，计算得出各种运行方式下投入1组、2组电容器时无功补偿装置电流值数据如表2。

表2 各种运行方式下投入1组、2组电容器时的电流值

调整后的系统运行方式参照图6，将良田站#1、#2主变并列运行供#1、#2 母线，减少系统阻抗，避免过多谐波电流注入电容[15]，同时可以灵活投退4组电容分流谐波，实际运行中投入电容器组数目在2-4 台，投入2 组时流过每个电容器电流最大，投4 组时最小，以投入2 组电容器为例，计算电容器电流：

图6 改善后110KV良田站运行方式

1)电容器支路5、7次谐波阻抗Z5=1．44；Z7=5．23

2)#1、#2主变并列运行，系统基波阻抗

3)系统5，7次谐波阻抗ZT5=1．83；ZT7=2．56

4)#1母线，#2母线谐波总电流：I5=250A；I7=102A

5)电容器支路5 次、7 次谐波电流：IC5=89．64A；IC7=25．21A

7)由公式6计算得到电容器支路总电流

改变运行方式后，良田站#1母线电压波形及频谱仿真波形见图7，良田站#1 母线的5 次谐波、7 次谐波含有率大大减少，符合国际标准要求。实际运行中监测电容器电流在280A 安全电流运行范围以内，证明此措施可以有效降低电容器谐波电流，解决过载问题，同时实现本地无功补偿，减少变压器无功损耗[16]，不需添加成本，具有较好的经济性和灵活性。各种运行方式下电容电流如表2所示。

图7 改善后良田站10kV#1母线电压波形和频谱

4.2 更换电容串抗

将无功补偿装置中串联电抗器由电抗率5%配置为12%，加大了电容支路阻抗，数据对比如表3所示，避免过多谐波电流注入电容。更换前后投入一组电容器时电容器电流数据对比如表4所示，更换串联电抗器后，电容器支路电流有了明显的降低，在安全运行范围内。12%电抗器可以有效地减少无功补偿装置谐波电流，并且不会引起谐振，可以实现就地无功补偿，降低变压器额外无功损耗，10kV 母线可通过无功补偿和变压器调档调压，调压方式更为灵活。

表3 电容器支路谐波阻抗对比

表4 电容器支路电流对比

4.3 用户侧治理

督促专线用户方加装滤波设备，使用户端谐波源的谐波电流分量在允许范围内，避免向系统送入大量谐波电流，从源头上有效抑制谐波[17]。缺点是涉及多个用户加装设备，协调难度高，进度不可控，施行难度大。

4.4 加装滤波设备

同无源滤波器相比，有源滤波器具有快速响应和高度可控等优势，可以通过检测谐波电流大小，自动跟踪谐波的变化，同时不受系统阻抗影响，不会与系统阻抗发生谐振。新一代的高压动态无功补偿装置ZG-dSVG 具有功率密度大，调节速度快，补偿能力强，兼具谐波治理和分相补偿能力，可以大大提高供电质量[18]。

根据谐波电流计算数据以及良田站无功负荷，采用集中补偿在10kV#1 母线加装有源滤波装置，选取型号ZG-dSVG-12H10000/10，图8是ZG-dSVG装置在10kV配电网中拓扑结构图，ZG-dSVG 装置配有上层控制系统，可以接入变电站监控系统和区域AVC 系统，将开关电流、电压采样数据，开关柜断路器监控数据等传入控制系统进行处理，上层控制器根据本地控制策略或远方调度指令实时计算SVG 的输出容量，通过光纤将指令下发给SVG去完成上层控制器的指令，快速动态响应，自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，消除10kV 母线谐波电流[19-20]，实现无功就地补偿，减少变压器损耗。

图8 ZG-dSVG装置拓扑结构

表5 ZG-dSVG装置产品型号

同时ZG-dSVG 无功补偿装置具有以下缺点和要注意的事项：

1、成本高，需投入较多资金；

2、需勘察变电站现场是否有安装位置，安装难度高；

3、良田站多为单辐射用户，不具备转供电功能，安装过程中要停母线运行，事先要协调用户做好停电准备。

5 谐波综合治理方案

几种方法优缺点对比如表6，目前已实施措施一，通过调整运行方式使#1、#2主变并列运行，令#1、#2、#3、#4电容同时投入其中的三组，初步解决了该站因谐波电流过大导致电容无法投入问题，既避免了谐波返送系统又实现无功就地平衡，电容器的运行电流控制在280A安全电流运行范围以内。下一步结合实际工程情况，开展加装滤波设备的可行性研究，若不具备则立项更换电容串抗。