35 kV 不接地系统谐振事故及抑制措施仿真分析

刘 可，岑宝仪，车克杉，刘禹彤，赵金朝，闫 涵，王 轩，王 昕，徐国祥

（1.国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁 810000；2.深圳市中电电力技术股份有限公司，广东 深圳 518040）

电力系统包含许多电感和电容元件，电感元件有电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈及线路导线等，电容元件有线路导线对地电容、相间电容、补偿用的串联和并联电容器及各种高压设备的寄生电容等。在系统进行开关操作或发生故障时，这些电容、电感元件的组合就可能构成一系列不同自振频率的振荡回路，与外加电源一起产生谐振现象，导致系统中某些元件出现严重的谐振过电压。在电力系统的振荡回路中，PT是铁芯电感元件，如果有某种大扰动或操作，PT 的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发起持续的、较高幅值的过电压，这就是铁磁谐振过电压。运行经验表明，在35 kV 及以下的中性点不接地系统中，铁磁谐振是1 种常见的故障，经常引起运行中PT 烧毁及1 次高压熔丝频繁烧断、一相或两相限流电阻爆炸等事故，严重威胁电网运行安全。

1 故障情况

本文以青海某330 kV 变电站的一起35 kV 母线谐振事故为例进行分析。该变电站属于枢纽变电站，主要承担着该地区工农业生产供电任务。其低压侧运行方式如下：35 kVⅠ母线及母线PT、1#所用变运行，1#、2#电容器AVC 自动投切；35 kVⅡ母线及母线PT、2#所用变运行，3#、4#电容器AVC 自动投切；35 kVⅢ母线及母线PT变运行，5#电容器AVC 自动投切。

变电站1#主变在AVC 自动投切过程中，35 kV I母线电压发生谐振，造成电压互感器接地故障，引起1#主变跳闸。其故障过程主要分为三个阶段，具体如下。

（1）1#电容器组退出运行，35 kV I 母线三相电压发生畸变，出现铁磁谐振，2#电容器组投入运行，但系统电压未有振荡衰减现象。

（2）PT 断线，35 kV 母线C 相发生单相金属性接地故障。

（3）35 kV 母线发生A、C 相相间接地短路故障，基于PSCAD 仿真的故障分析。

该变电站负责将330 kV 侧的电能通过三绕组主变压器输送至110 kV 和35 kV 侧。其#1 主变的连接方式为Y/Y/△型，联结组标号为YNa0d11，主变型号为OSFPSZ-360000/330GYW，额定容量为360/360/110 MVA。其35 kV I 母线含有2 组补偿容量为30 MVar 的静止无功补偿器。其低压侧主接线图如图1 所示，其中，主要设备的电路参数见表1。

图1 1#主变低压侧主接线图

表1 主要设备的电路参数

�

1.1 仿真模型搭建

用戴维南等效电路模拟1#主变低压侧不接地系统所连接的交流电网，等效电路如图2 所示，电源参数见表2。

图2 电源等效图

表2 交流系统等值参数

为真实模拟变电站的实际运行状况，低压侧需设置1 个等效负荷。由于变电站35 kV 母线负荷未知，本文使用PSCAD 静止元件库中的有功功率元件模拟，并设置有功功率为15 MW。

同时为分析35 kV PT 的磁饱和特性，本文对该PT 设备各绕组的励磁特性进行了测试，得到相应励磁特性曲线，并使用PSCAD 的UMEC 变压器模型来模拟PT 的饱和特性，UMEC 变压器采用逐点取样法及V-I 曲线。UMEC 变压器计及绕组相间的相互作用，且考虑到铁芯的几何外形和相间的相互耦合因素。

在PSCAD 中建立的低压侧模型仿真模型如图3所示。

图3 PSCAD 等效模型

1.2 故障分析

根据1#主变故障过程，对各阶段工况进行仿真分析，仿真步长设为10 us。

1.2.1 阶段一前期：1#电容器组退出运行

考虑1#电容器组正常退出、断路器不同期分闸、断路器单相重燃3 种情况下，分析电容器分闸产生的电压畸变。

（1）1#电容器组正常退出运行

模拟电容器断路器在0.2 s 同期动作，仿真结果如图4 所示。

图4 断路器同期分闸时PT 电压、电流图

从图4 可以看出35 kV 系统电压波形未产生明显变动，即电压未发生畸变，证明正常切除1#电容器组不会导致变电站产生谐振。

（2）1#电容器组断路器不同期分闸

模拟断路器在0.2 s、0.202 s、0.204 s 不同期动作，仿真结果如图5 所示。因为电容器组中性点不接地，断路器不同期分闸亦未产生明显过电压，电压未发生畸变，证明电容器组断路器不同期分闸不会导致谐振产生。

图5 断路器不同期分闸时PT 电压、电流图

（3）1#电容器组断路器单相重燃

在电力系统中，因电容器重燃的随机性以及重燃过程的复杂性，仅靠模型难以准确模拟重燃实际情况。且由于缺乏重燃的发展过程数据，只能将电容器一相用1 个较大的杂散电容接地来近似模拟重燃过电压，仿真得出的过电压幅值约为2p.u.，与现场故障录波电压幅值56 kV（1.92p.u.）较为接近，如图6 所示。从图7可以看出在0.23 s 电容器重燃结束后，PT 电流出现明显饱和，PT 与线路对地电容形成谐振回路，激发起铁磁谐振过电压。通过时域图分析，系统发生了二分之一分频谐振，谐振波形的周期约为40 ms。

图6 断路器单相重燃时PT 电压图及A、B、C 三相图

图7 断路器单相重燃时PT 电流图

1.2.2 阶段一后期：2#电容器组投入

系统发生铁磁谐振时，在0.3 s 使用PSCAD 输入输出设备库中的switch 元件实时投入2#电容器组，由于2#电容器组中性点不接地，2#电容器组投入后，铁磁谐振产生的零序分量并未能通过2#电容器组进行消耗衰减，铁磁谐振状态仍然维持，如图8 所示。

图8 投入#2 电容器组后PT 电压、电流图

利用快速傅里叶（FFT）模块，对铁磁谐振电压波形进行频谱分析。从图9 可以看出，铁磁谐振过电压谐波频谱分布特征明显，在频率25 Hz、50 Hz 上含有大量频谱。与时域分析电容器单相重燃激发二分之一分频谐振结果一致。

图9 谐振电压的频谱分析

在谐振期间，电压谐波含有率、谐波总畸变率会有较大变动。根据国标，35 kV 标称电压的电网总谐波畸变率、电压奇次谐波含有率、电压偶次谐波含有率的限值分别为3.0%、2.1%和1.2%。对铁磁谐振波形进行谐波分析，由图10 可以看出谐波含量明显超标且伴有大量偶次谐波产生。在三相对称系统中，由于系统基本对称，偶次谐波含量较少，对电力系统危害较小。偶次谐波一般由非线性负载UPS、开关电源、整流器等设备产生，当系统铁磁谐振时也会产生偶次谐波。在非线性负载较小的配电网中，可通过识别偶次谐波的数值，判断系统是否处于谐振状态。

图10 谐振电压的谐波含量分析

1.2.3 阶段二：系统单相接地

谐振的自保持特性使PT 长时间承受过电压、过电流，最终导致PT 单相断线发展为单相接地。在金属性接地期间，非接地相相电压提升1.73 倍，接地相相电压降至0，如图11 所示。

图11 单相接地故障时PT 电压、电流图

1.2.4 阶段三：系统两相接地

由于该变电站低压侧无接地中性点，单相接地后，对地电流不能形成稳定回路，系统电流变化幅值不大。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，对用户的连续供电无明显影响，系统可运行1～2 h。但发生单相接地故障后，电网长期运行可能发展成为相间接地短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。还可能使PT 铁芯严重饱和，导致PT 严重过负荷而烧毁。同时弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。从图12 可以看出，由于35 kV PT 的A、C 相相邻，C 相接地最终发展成A、C 两相接地。两相接地形成电流对地回路，系统侧电流急剧增加，最终导致1#主变启动继电保护，进而脱网。

图12 两相接地故障时PT 电压、电流图

2 谐振抑制措施分析

2.1 二次侧加阻尼电阻

随着系统对地电容的增大，PT 磁饱和后将依次发生高频、基频和分频谐振。PT 的开口三角绕组上，用于消除分频谐振的阻尼电阻r值最小。只要按此来选择电阻就可同时消除另外2 种谐振。式中：xL为互感器在线电压下的每相励磁感抗为高压绕组与开口三角绕组的匝数比。在PT 的开口三角形绕组投入1 个10 Ω 的阻尼电阻R，吸收铁磁谐振产生的能量，R的电阻值越小，流过R的电流就越大，消谐时间就越短。

由图13 仿真结果可以看出（仿真模型如图14 所示），系统在0.23 s 发生谐振，谐振在0.45 s 基本得到抑制，PT 也未产生明显过电流。但当系统发生间歇性的弧光接地故障时，系统时而接地，时而又谐振，阻尼绕组长期处于间歇性消谐状态，电压互感器可能因过热而烧毁，出于热容量考虑，阻尼电阻不能一直投入。

图13 PT 开口三角形加阻尼电阻时电压、电流图

图14 PSCAD 等值电路图

2.2 4PT 法

4PT 法即在原PT 的中性点加装一个PT，且将PT的开口三角短接。4PT 法一方面可以用于增大PT 等值零序电感，提升电压互感器铁芯的伏安特性，使得参数条件Xco/Xm＜＜0.01 更容易满足，防止谐振的产生。另一方面当系统发生单相接地、短路等故障时，可以改变PT电压的分布，降低每台PT 的电压，使其铁芯不易饱和，从而达到抑制铁磁谐振的目的。零序电压互感器的励磁电抗很大，又具有普通电压互感器的绝缘水平，所以可看作PT 一次侧中性点经高阻抗接地，等值电路中每相PT 励磁电感不再和线路对地电容串联。当外激发使中性点发生位移时，中性点位移电压由零序PT 承担，三相PT 绕组仍承受原先的对称电压，不会有饱和问题，从根本上破坏了谐振产生的条件。

由图15 仿真结果可以看出（仿真模型如图16 所示），在谐振发生0.2 s 后，谐振基本得到抑制，且过电流幅值很小。

图15 4PT 法电压、电流图

图16 PSCAD 等值电路图

2.3 建议措施

该变电站在断路器重燃后，产生了1.92p.u.的幅值过电压，使PT 铁芯饱和，从而与线路和设备的对地电容形成了共振回路，产生铁磁谐振。中性点绝缘系统中PT 铁磁谐振发生的根本原因是PT 铁芯在某些激发条件下饱和而使其感抗变小，与线路对地电容的容抗相等。如果PT 一次绕组中性点不接地或经高阻抗接地，则各相绕组跨接在电源的相间电压上，不在与接地电容相并联，PT 不会发生中性点位移，也就不产生谐振。当中性点经高阻抗接地时，R过大会导致PT 开口三角零序电压偏低，影响接地故障判断的灵敏度，R过小又起不到消除铁磁谐振的作用。因此该变电站采用PT 中点经单相电压互感器接地的接线方式（即4PT 法）来抑制谐振效果更佳。

3 结束语

本文基于PSCAD 平台对变电站电容器组的不同工况进行模拟，参考实际故障电压、电流波形，分析变电站事故的起因。判断本次事故是由断路器重燃导致的，当电网发生冲击扰动时，可能导致PT 励磁电流突然增大，进而使铁芯达到饱和，导致励磁电感L值迅速减小，当与对地电容参数所匹配，系统发生谐振。

针对这次谐振事故，还仿真验证了2 种消谐措施的效果：一是在PT 的开口三角形加阻尼电阻，二是4PT 法。根据仿真波形，2 种方法均取到了良好的消谐效果，达到预期的目标。虽然二次侧消谐技术趋于成熟，但是电网的复杂性以及阻尼绕组的热容量限制使得难以选用合适大小的阻尼电阻。综合考虑，应优先选用4PT 消谐措施。