配電網(wǎng)中由于電磁式電壓互感器(TV)飽和引起的鐵磁諧振過電壓時(shí)有發(fā)生?近年來,電網(wǎng)中應(yīng)用了多種新型消諧裝置,這些裝置因作用機(jī)理不同而各有所長,也各有局限性,因此對這些新型消諧裝置進(jìn)行分析和優(yōu)化配置,即采取綜合消諧措施以便達(dá)到最佳保護(hù)效果十分必要?

一、常用消諧裝置的特點(diǎn)

1.1微機(jī)消諧裝置

微機(jī)消諧裝置也稱二次消諧器,被安裝在TV的開口三角繞組上?正常運(yùn)行或者發(fā)生單相接地故障時(shí)裝置不動(dòng)作,而一旦判斷電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí),便會(huì)使正反并聯(lián)在開口三角兩端的2只晶閘管交替過零觸發(fā)導(dǎo)通以限制和阻尼鐵磁諧振,當(dāng)諧振消除后晶閘管自行截止,必要時(shí)可以重復(fù)動(dòng)作?裝置起動(dòng)消諧期間,晶閘管全導(dǎo)通,呈低阻態(tài),電阻為幾mΩ至幾十mΩ?如此小的電阻值足以阻尼高頻?基頻及分頻3種諧振,而且對整個(gè)電網(wǎng)有效,即一個(gè)系統(tǒng)中只需選擇1臺互感器安裝消諧裝置即可?

微機(jī)消諧裝置的主要缺點(diǎn)是難以正確區(qū)分基波諧振和單相接地?目前,對基波諧振和單相接地故障判據(jù)的主要區(qū)別在于零序電壓U0的高低?通常,基頻諧振定為當(dāng)U0≥150V時(shí);當(dāng)30V≤U0<145V時(shí)定為單相接地故障?為了防止在單相接地時(shí)由于裝置誤動(dòng)使TV長時(shí)間過負(fù)荷而燒毀的情況發(fā)生,通常將該裝置基頻諧振的判據(jù)電壓定得比較高?這樣,在工頻位移電壓不是很高的情況下(如空母線合閘)裝置將無法動(dòng)作,就可能使某些勵(lì)磁特性欠佳?鐵心易飽和TV的熔絲熔斷?而且這種裝置當(dāng)電網(wǎng)對地電容較大時(shí),它對防止間歇性接地或接地消失瞬間互感器因瞬時(shí)飽和涌流而造成熔絲熔斷的事故無能為力?此外,在持續(xù)時(shí)間較長的間歇電弧過電壓激發(fā)下,流過TV高壓繞組的電流將顯著增大,仍可能會(huì)燒壞TV?

由于基頻諧振中的頻率實(shí)際上并不是十分嚴(yán)格的基頻,不是完全沒有頻率突變[1],因此,能否在信號處理方法中采用對時(shí)頻局部化方面極具優(yōu)勢的小波來檢測,值得探討?

1.2一次消諧阻尼器

一次消諧阻尼器,如LXQ型阻尼器,實(shí)際上是將一個(gè)非線性消諧電阻R0串接于電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間,它采用中性點(diǎn)阻尼電阻消除諧振,見圖1?電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),消諧器上電壓<500V,R0呈高電阻值(可達(dá)幾百kΩ),阻尼作用大,使諧振在起始階段不易發(fā)展;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí),消諧器上電壓較高(10kV電網(wǎng)中其值約1.7~1.8kV),R0呈低值(幾十kΩ),可滿足TV開口三角電壓不小于80V的絕緣監(jiān)測要求,而且仍可阻尼諧振;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生弧光接地時(shí),R0仍能保持一定的阻值,限制互感器涌流?

該裝置具有消除TV飽和諧振和限制涌流2種功能,但在應(yīng)用中存在局限性:①中性點(diǎn)為半絕緣結(jié)構(gòu),只能直接接地安裝的TV無法使用;②只能限制本TV不發(fā)生諧振,對電網(wǎng)中的其他TV無效(僅一對一有效);③當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),TV零序電壓U0的測量值有誤差,因此不適宜使用在對U0幅值和角度精度要求較高的場合(如微機(jī)接地選線裝置);④裝置自身的熱容量有限,即使選用熱容量相對較大的LXQ型一次消諧阻尼器,在持續(xù)時(shí)間較長的間歇電弧接地過電壓激發(fā)下,仍可損壞裝置?一次消諧阻尼器較適用于JDZJ等型號中性點(diǎn)全絕緣TV的消諧改造?

1.3消諧型電壓互感器

1.3.1加裝零序電壓互感器型

加裝零序電壓互感器[2]的消諧型電壓互感器由三相主電壓互感器TV1和串接在中性點(diǎn)的零序電壓互感器TV0二部分組成,采用零序電壓互感器消除諧振,見圖2?該消諧裝置要求TV1的開口三角繞組閉合,零序電壓U0從TV0的二次側(cè)取得?當(dāng)單相接地時(shí),TV每相勵(lì)磁感抗為Xm=XTV1+3XTV0(XTV1為TV1的漏抗;XTV0為TV0勵(lì)磁感抗)?

由于XTV1很小,可略,故Xm≈3XTV0,即零序電壓絕大部分降落在TV0上,一般的外激發(fā)不能使TV1進(jìn)入飽和區(qū),從而使諧振難以產(chǎn)生?此外,TV0高壓繞組的直流電阻約為10kΩ,對諧振有強(qiáng)烈的阻尼作用,對涌流有限制作用?此種消諧型TV的消諧作用也僅對自身有效,熱容量也有限?

1.3.2呈容抗諧振型

呈容抗諧振的消諧型電壓互感器的主要特點(diǎn)有:①互感器內(nèi)部的分布電容和雜散電容較大,正常時(shí),在接有0~100%負(fù)荷下整體呈容性(結(jié)構(gòu)上合理確定一次繞組徑向與軸向的尺寸比例;采用介電系數(shù)大的絕緣材料作為層間絕緣;一次繞組采用階梯式排線方式等),不易構(gòu)成鐵磁諧振回路?②在較高的電壓作用下,鐵心不易飽和(采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片,以降低工作磁密)?③能承受更高的過電壓(增加了一次繞組匝數(shù);加強(qiáng)一次繞組的端部絕緣和層間絕緣)?

然而,由于這種TV的質(zhì)量和體積相對較大,因此在實(shí)際應(yīng)用中往往有一定困難?

二、現(xiàn)場應(yīng)用的消諧方法分析

2.1TV開口三角繞組配置25Ω消諧電阻

隨著系統(tǒng)對地電容的增大,電壓互感器磁飽和后將依次發(fā)生高頻?基頻和分頻諧振?TV的開口三角繞組上,用于消除分頻諧振的阻尼電阻r值最小,r≤0.4(n2/n1)2XL,只要按此來選擇電阻就可同時(shí)消除另外2種諧振?消除基頻諧振的電阻值為r′≤3(n2/n1)2XL[3]?式中,XL為互感器在線電壓下的每相勵(lì)磁感抗,n1/n2為高壓繞組與開口三角繞組的匝數(shù)比?

可見,對于在開口三角繞組配置了25Ω消諧電阻的TV,當(dāng)系統(tǒng)中中性點(diǎn)直接接地的普通電磁式TV不超過2臺時(shí)還可以消除基頻諧振,但若要消除分頻諧振則阻值偏大,失去消諧作用?為此,應(yīng)加裝微機(jī)消諧裝置,同時(shí)宜保留原消諧電阻,以利于限制空母線合閘時(shí)工頻位移電壓?

2.2在同一TV上同時(shí)裝設(shè)一次消諧阻尼器和微機(jī)消諧裝置

在開口三角繞組兩端接上電阻r的做法,實(shí)際上相當(dāng)于在TV高壓側(cè)Y0接線各相繞組上并聯(lián)一電阻(只有在電網(wǎng)有零序電壓時(shí)才出現(xiàn)),即在電網(wǎng)中每相對地并聯(lián)合適的電阻在理論上同樣可以起到消諧作用[4]?據(jù)分析推導(dǎo),為消除分頻諧振,在TV高壓側(cè)每相繞組并聯(lián)的電阻應(yīng)滿足:R1≤0.4XL/3?若單臺10kV互感器的每相勵(lì)磁感抗XL=500kΩ,則R1≤66.7kΩ?

如果在TV一次側(cè)中性點(diǎn)裝設(shè)了阻尼電阻R0,那么該TV基本上不會(huì)參與諧振?當(dāng)系統(tǒng)中其他中性點(diǎn)直接接地的TV發(fā)生諧振時(shí),由于此時(shí)零序電壓U0的測量值偏小,即使該TV的二次側(cè)裝了微機(jī)消諧裝置,往往也不會(huì)及時(shí)動(dòng)作?

電纜使用較多的10kV配電網(wǎng),大多發(fā)生分頻諧振?微機(jī)消諧器分頻諧振的判據(jù)為15Hz≤f≤18Hz或23Hz≤f≤27Hz,35V≥U0≥25V?當(dāng)開口三角繞組電壓為30V時(shí),一次系統(tǒng)零序電壓的估算值已達(dá)(30/100×0.8)×(10/3)=2.2kV?此時(shí),微機(jī)消諧器動(dòng)作,開口三角繞組基本上處于被短接狀態(tài),TV高壓繞組反映的是數(shù)值很小的漏抗,即零序電壓絕大部分降落在阻尼電阻R0上?這時(shí),電網(wǎng)每相對地的等值并聯(lián)電阻為3R0,如果呈低電阻值的R0為25~35kΩ,則3R0為75~105kΩ,已超出消除系統(tǒng)中單臺中性點(diǎn)直接接地TV諧振所需的阻值(約66.7kΩ)?若有多臺TV參與了諧振,則更是無助于消諧作用,而且還可能因作用在R0上的過電壓得不到及時(shí)消除,且時(shí)間較長時(shí)而被損壞,從而進(jìn)一步損害TV?

可見,以上做法已超出微機(jī)消諧器和一次消諧器研制的初衷,二者單獨(dú)存在時(shí)的消諧機(jī)理已不再適用,這種做法不但無助于消諧反而有害?因此,這2種消諧裝置應(yīng)分開安裝在不同的TV上為宜?

2.3在加裝零序電壓互感器消諧型TV的二次側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置

對于加裝零序電壓互感器的消諧型TV,原理上要求其主電壓互感器TV1的開口三角繞組始終是閉合的,所以不可能在其二次側(cè)加裝消諧器,否則將破壞原先的消諧機(jī)理,難以起到消諧作用?若是將微機(jī)消諧器裝在其零序電壓互感器TV0的二次側(cè),當(dāng)系統(tǒng)中其他互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí),消諧器將在零序電壓作用下動(dòng)作,TV0二次側(cè)幾乎被短接,TV0及TV1高壓繞組反映的均為漏抗,互感器的零序阻抗變?yōu)閿?shù)值很小的漏抗,相當(dāng)于電網(wǎng)中性點(diǎn)臨時(shí)直接接地,因而諧振也就隨之消失?可見,在此消諧型TV的TV0二次側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置有助于整個(gè)電網(wǎng)的消諧?

三、消諧措施的綜合應(yīng)用

(1)普通型電磁式電壓互感器應(yīng)選用勵(lì)磁特性良好?鐵心不易飽和的型號及生產(chǎn)廠家?變電站10kV母線TV一次額定電壓UN為10/3kV,有的TV在1.9UN電壓作用下鐵心就可能進(jìn)入飽和區(qū),而母線實(shí)際運(yùn)行電壓為10~10.7kV?當(dāng)電網(wǎng)單相接地時(shí),作用在TV上的工頻穩(wěn)態(tài)電壓可能高達(dá)1.85UN,加上電網(wǎng)電壓的波動(dòng),TV極易飽和?在基波諧振過電壓不很高的情況下,即使裝設(shè)了二次微機(jī)消諧裝置也照樣可能使熔絲熔斷?尤其對中性點(diǎn)半絕緣結(jié)構(gòu)TV(如REL10型等),難以進(jìn)行消諧改造,更應(yīng)慎重選型?為了防止空母線合閘時(shí)TV熔絲熔斷,還可以采取事先投入某些線路或站用變壓器等臨時(shí)措施,但不宜投入電容器組,這可防止電壓有較大波動(dòng)時(shí)空載變壓器與電容器構(gòu)成振蕩回路產(chǎn)生振蕩過電壓?

(2)變電站各段母線TV開口三角繞組處應(yīng)裝設(shè)微機(jī)消諧裝置,使之對整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生消諧效果?由于對母線送電的瞬間交流電壓極不穩(wěn)定,電網(wǎng)發(fā)生接地?諧振等故障時(shí)瞬間交流系統(tǒng)的暫態(tài)干擾,均會(huì)影響裝置的正常工作,因此,消諧裝置工作電源宜選用直流220V?以往從TV二次側(cè)取得交流100V電源或者從站用電系統(tǒng)取得交流220V電源的做法不可取?變電站母線選用消諧型TV,同時(shí)加裝微機(jī)消諧裝置,即一?二次消諧措施并用,是較為可取的推薦方案,這樣既可以保證TV自身不參與諧振,同時(shí)對整個(gè)電網(wǎng)也具有消諧作用?

(3)對應(yīng)的,開閉所母線宜盡可能選用消諧型TV,但無需另裝二次消諧裝置?考慮到這種系統(tǒng)往往對地電容較大,因此限制涌流是一個(gè)不可忽視的問題,選用加裝零序電壓互感器消諧型TV是較合理的選擇?

(4)高壓用戶配電所一般無需絕緣監(jiān)測及接地選線,因此,母線TV一次側(cè)中性點(diǎn)應(yīng)盡可能不接地或選用消諧型設(shè)備以改善同一系統(tǒng)中TV并聯(lián)后總體等效伏安特性?

(5)同一配電網(wǎng)中,在盡可能采用一次消諧和二次消諧措施的同時(shí),采取限制弧光接地過電壓的措施仍是十分必要的?由于普通型或消諧型TV?一次消諧器等現(xiàn)有消諧設(shè)備的熱容量都很有限,在長時(shí)間間歇電弧過電壓的作用下仍有被燒壞的可能?近年來在配電網(wǎng)中投運(yùn)了一種新型過電壓防護(hù)設(shè)備——XHG型消弧及過電壓保護(hù)裝置?其作用的基本原理是:當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生不穩(wěn)定的間歇性弧光接地時(shí),安裝在變電站母線上的XHG裝置通過可分相控制的高壓真空接觸器JZ將故障相接地,系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的金屬性直接接地,故障點(diǎn)弧光消失?經(jīng)過5s之后,JZ斷開一次,若已無弧光接地故障現(xiàn)象,說明故障是暫時(shí)性的,系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行;若再次出現(xiàn)弧光接地故障時(shí),則認(rèn)定故障是永久性的,JZ再次閉合,同時(shí)通過與之成套的接地選線裝置報(bào)出故障線路?這種裝置既能在一定程度上起消弧作用,也能有效地限制弧光接地過電壓,同時(shí)又無需改變系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式,結(jié)構(gòu)簡單,投資相對也較少?

(6)配電網(wǎng)中性點(diǎn)諧振接地或經(jīng)電阻接地可根本解決TV飽和過電壓問題?因消弧線圈感抗XQ或接地電阻與互感器的勵(lì)磁感抗XL相比要小得多,在零序回路中XL幾乎被XQ短接,因而XL因飽和引起的三相不平衡也就不會(huì)產(chǎn)生過電壓了?但因此項(xiàng)措施投資較大,顯然不宜專為消諧而設(shè)置?

四、結(jié)語

為了對配電網(wǎng)采取消諧措施,同一配電網(wǎng)中在選用微機(jī)消諧等二次消諧裝置,以及中性點(diǎn)消諧阻尼電阻?消諧型電壓互感器等一次消諧裝置時(shí),應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的具體情況而定,最好是能將一次消諧裝置與二次消諧裝置二者相互配合使用,進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)?為確保設(shè)備安全,在采取消諧措施的同時(shí)還應(yīng)采取限制間歇性弧光接地過電壓等措施?

五、參考文獻(xiàn)

[1]楊秋霞等.基于小波分析的鐵磁諧振檢測.電網(wǎng)技術(shù),2001(11):55~57.

[2]方瑜.配電網(wǎng)過電壓.北京:水利電力出版社,1994.

[3]陳維賢.電網(wǎng)過電壓教程.北京:中國電力出版社,1999.

[4]解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓.北京:水利電力出版社,1985.