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配电网综合消谐措施的探讨

配电网中由于电磁式电压互感器(TV)饱和引起的铁磁谐振过电压时有发生?近年来,电网中应用了多种新型消谐装置,这些装置因作用机理不同而各有所长,也各有局限性,因此对这些新型消谐装置进行分析和优化配置,即采取综合消谐措施以便达到最佳保护效果十分必要?

一、常用消谐装置的特点

1.1微机消谐装置

微机消谐装置也称二次消谐器,被安装在TV的开口三角绕组上?正常运行或者发生单相接地故障时装置不动作,而一旦判断电网发生铁磁谐振时,便会使正反并联在开口三角两端的2只晶闸管交替过零触发导通以限制和阻尼铁磁谐振,当谐振消除后晶闸管自行截止,必要时可以重复动作?装置起动消谐期间,晶闸管全导通,呈低阻态,电阻为几mΩ至几十mΩ?如此小的电阻值足以阻尼高频?基频及分频3种谐振,而且对整个电网有效,即一个系统中只需选择1台互感器安装消谐装置即可?

微机消谐装置的主要缺点是难以正确区分基波谐振和单相接地?目前,对基波谐振和单相接地故障判据的主要区别在于零序电压U0的高低?通常,基频谐振定为当U0≥150V时;当30V≤U0<145V时定为单相接地故障?为了防止在单相接地时由于装置误动使TV长时间过负荷而烧毁的情况发生,通常将该装置基频谐振的判据电压定得比较高?这样,在工频位移电压不是很高的情况下(如空母线合闸)装置将无法动作,就可能使某些励磁特性欠佳?铁心易饱和TV的熔丝熔断?而且这种装置当电网对地电容较大时,它对防止间歇性接地或接地消失瞬间互感器因瞬时饱和涌流而造成熔丝熔断的事故无能为力?此外,在持续时间较长的间歇电弧过电压激发下,流过TV高压绕组的电流将显著增大,仍可能会烧坏TV?

由于基频谐振中的频率实际上并不是十分严格的基频,不是完全没有频率突变[1],因此,能否在信号处理方法中采用对时频局部化方面极具优势的小波来检测,值得探讨?

1.2一次消谐阻尼器

一次消谐阻尼器,如LXQ型阻尼器,实际上是将一个非线性消谐电阻R0串接于电压互感器一次侧中性点与地之间,它采用中性点阻尼电阻消除谐振,见图1?电网正常运行时,消谐器上电压<500V,R0呈高电阻值(可达几百kΩ),阻尼作用大,使谐振在起始阶段不易发展;当电网发生单相接地时,消谐器上电压较高(10kV电网中其值约1.7~1.8kV),R0呈低值(几十kΩ),可满足TV开口三角电压不小于80V的绝缘监测要求,而且仍可阻尼谐振;当电网发生弧光接地时,R0仍能保持一定的阻值,限制互感器涌流?

该装置具有消除TV饱和谐振和限制涌流2种功能,但在应用中存在局限性:①中性点为半绝缘结构,只能直接接地安装的TV无法使用;②只能限制本TV不发生谐振,对电网中的其他TV无效(仅一对一有效);③当发生单相接地故障时,TV零序电压U0的测量值有误差,因此不适宜使用在对U0幅值和角度精度要求较高的场合(如微机接地选线装置);④装置自身的热容量有限,即使选用热容量相对较大的LXQ型一次消谐阻尼器,在持续时间较长的间歇电弧接地过电压激发下,仍可损坏装置?一次消谐阻尼器较适用于JDZJ等型号中性点全绝缘TV的消谐改造?

1.3消谐型电压互感器

1.3.1加装零序电压互感器型

加装零序电压互感器[2]的消谐型电压互感器由三相主电压互感器TV1和串接在中性点的零序电压互感器TV0二部分组成,采用零序电压互感器消除谐振,见图2?该消谐装置要求TV1的开口三角绕组闭合,零序电压U0从TV0的二次侧取得?当单相接地时,TV每相励磁感抗为Xm=XTV1+3XTV0(XTV1为TV1的漏抗;XTV0为TV0励磁感抗)?

由于XTV1很小,可略,故Xm≈3XTV0,即零序电压绝大部分降落在TV0上,一般的外激发不能使TV1进入饱和区,从而使谐振难以产生?此外,TV0高压绕组的直流电阻约为10kΩ,对谐振有强烈的阻尼作用,对涌流有限制作用?此种消谐型TV的消谐作用也仅对自身有效,热容量也有限?

1.3.2呈容抗谐振型

呈容抗谐振的消谐型电压互感器的主要特点有:①互感器内部的分布电容和杂散电容较大,正常时,在接有0~100%负荷下整体呈容性(结构上合理确定一次绕组径向与轴向的尺寸比例;采用介电系数大的绝缘材料作为层间绝缘;一次绕组采用阶梯式排线方式等),不易构成铁磁谐振回路?②在较高的电压作用下,铁心不易饱和(采用优质硅钢片,以降低工作磁密)?③能承受更高的过电压(增加了一次绕组匝数;加强一次绕组的端部绝缘和层间绝缘)?

然而,由于这种TV的质量和体积相对较大,因此在实际应用中往往有一定困难?

二、现场应用的消谐方法分析

2.1TV开口三角绕组配置25Ω消谐电阻

随着系统对地电容的增大,电压互感器磁饱和后将依次发生高频?基频和分频谐振?TV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,r≤0.4(n2/n1)2XL,只要按此来选择电阻就可同时消除另外2种谐振?消除基频谐振的电阻值为r′≤3(n2/n1)2XL[3]?式中,XL为互感器在线电压下的每相励磁感抗,n1/n2为高压绕组与开口三角绕组的匝数比?

可见,对于在开口三角绕组配置了25Ω消谐电阻的TV,当系统中中性点直接接地的普通电磁式TV不超过2台时还可以消除基频谐振,但若要消除分频谐振则阻值偏大,失去消谐作用?为此,应加装微机消谐装置,同时宜保留原消谐电阻,以利于限制空母线合闸时工频位移电压?

2.2在同一TV上同时装设一次消谐阻尼器和微机消谐装置

在开口三角绕组两端接上电阻r的做法,实际上相当于在TV高压侧Y0接线各相绕组上并联一电阻(只有在电网有零序电压时才出现),即在电网中每相对地并联合适的电阻在理论上同样可以起到消谐作用[4]?据分析推导,为消除分频谐振,在TV高压侧每相绕组并联的电阻应满足:R1≤0.4XL/3?若单台10kV互感器的每相励磁感抗XL=500kΩ,则R1≤66.7kΩ?

如果在TV一次侧中性点装设了阻尼电阻R0,那么该TV基本上不会参与谐振?当系统中其他中性点直接接地的TV发生谐振时,由于此时零序电压U0的测量值偏小,即使该TV的二次侧装了微机消谐装置,往往也不会及时动作?

电缆使用较多的10kV配电网,大多发生分频谐振?微机消谐器分频谐振的判据为15Hz≤f≤18Hz或23Hz≤f≤27Hz,35V≥U0≥25V?当开口三角绕组电压为30V时,一次系统零序电压的估算值已达(30/100×0.8)×(10/3)=2.2kV?此时,微机消谐器动作,开口三角绕组基本上处于被短接状态,TV高压绕组反映的是数值很小的漏抗,即零序电压绝大部分降落在阻尼电阻R0上?这时,电网每相对地的等值并联电阻为3R0,如果呈低电阻值的R0为25~35kΩ,则3R0为75~105kΩ,已超出消除系统中单台中性点直接接地TV谐振所需的阻值(约66.7kΩ)?若有多台TV参与了谐振,则更是无助于消谐作用,而且还可能因作用在R0上的过电压得不到及时消除,且时间较长时而被损坏,从而进一步损害TV?

可见,以上做法已超出微机消谐器和一次消谐器研制的初衷,二者单独存在时的消谐机理已不再适用,这种做法不但无助于消谐反而有害?因此,这2种消谐装置应分开安装在不同的TV上为宜?

2.3在加装零序电压互感器消谐型TV的二次侧加装微机消谐装置

对于加装零序电压互感器的消谐型TV,原理上要求其主电压互感器TV1的开口三角绕组始终是闭合的,所以不可能在其二次侧加装消谐器,否则将破坏原先的消谐机理,难以起到消谐作用?若是将微机消谐器装在其零序电压互感器TV0的二次侧,当系统中其他互感器发生铁磁谐振时,消谐器将在零序电压作用下动作,TV0二次侧几乎被短接,TV0及TV1高压绕组反映的均为漏抗,互感器的零序阻抗变为数值很小的漏抗,相当于电网中性点临时直接接地,因而谐振也就随之消失?可见,在此消谐型TV的TV0二次侧加装微机消谐装置有助于整个电网的消谐?

三、消谐措施的综合应用

(1)普通型电磁式电压互感器应选用励磁特性良好?铁心不易饱和的型号及生产厂家?变电站10kV母线TV一次额定电压UN为10/3kV,有的TV在1.9UN电压作用下铁心就可能进入饱和区,而母线实际运行电压为10~10.7kV?当电网单相接地时,作用在TV上的工频稳态电压可能高达1.85UN,加上电网电压的波动,TV极易饱和?在基波谐振过电压不很高的情况下,即使装设了二次微机消谐装置也照样可能使熔丝熔断?尤其对中性点半绝缘结构TV(如REL10型等),难以进行消谐改造,更应慎重选型?为了防止空母线合闸时TV熔丝熔断,还可以采取事先投入某些线路或站用变压器等临时措施,但不宜投入电容器组,这可防止电压有较大波动时空载变压器与电容器构成振荡回路产生振荡过电压?

(2)变电站各段母线TV开口三角绕组处应装设微机消谐装置,使之对整个电网产生消谐效果?由于对母线送电的瞬间交流电压极不稳定,电网发生接地?谐振等故障时瞬间交流系统的暂态干扰,均会影响装置的正常工作,因此,消谐装置工作电源宜选用直流220V?以往从TV二次侧取得交流100V电源或者从站用电系统取得交流220V电源的做法不可取?变电站母线选用消谐型TV,同时加装微机消谐装置,即一?二次消谐措施并用,是较为可取的推荐方案,这样既可以保证TV自身不参与谐振,同时对整个电网也具有消谐作用?

(3)对应的,开闭所母线宜尽可能选用消谐型TV,但无需另装二次消谐装置?考虑到这种系统往往对地电容较大,因此限制涌流是一个不可忽视的问题,选用加装零序电压互感器消谐型TV是较合理的选择?

(4)高压用户配电所一般无需绝缘监测及接地选线,因此,母线TV一次侧中性点应尽可能不接地或选用消谐型设备以改善同一系统中TV并联后总体等效伏安特性?

(5)同一配电网中,在尽可能采用一次消谐和二次消谐措施的同时,采取限制弧光接地过电压的措施仍是十分必要的?由于普通型或消谐型TV?一次消谐器等现有消谐设备的热容量都很有限,在长时间间歇电弧过电压的作用下仍有被烧坏的可能?近年来在配电网中投运了一种新型过电压防护设备——XHG型消弧及过电压保护装置?其作用的基本原理是:当电网中发生不稳定的间歇性弧光接地时,安装在变电站母线上的XHG装置通过可分相控制的高压真空接触器JZ将故障相接地,系统转变成稳定的金属性直接接地,故障点弧光消失?经过5s之后,JZ断开一次,若已无弧光接地故障现象,说明故障是暂时性的,系统恢复正常运行;若再次出现弧光接地故障时,则认定故障是永久性的,JZ再次闭合,同时通过与之成套的接地选线装置报出故障线路?这种装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过电压,同时又无需改变系统中性点接地方式,结构简单,投资相对也较少?

(6)配电网中性点谐振接地或经电阻接地可根本解决TV饱和过电压问题?因消弧线圈感抗XQ或接地电阻与互感器的励磁感抗XL相比要小得多,在零序回路中XL几乎被XQ短接,因而XL因饱和引起的三相不平衡也就不会产生过电压了?但因此项措施投资较大,显然不宜专为消谐而设置?

四、结语

为了对配电网采取消谐措施,同一配电网中在选用微机消谐等二次消谐装置,以及中性点消谐阻尼电阻?消谐型电压互感器等一次消谐装置时,应根据电网的具体情况而定,最好是能将一次消谐装置与二次消谐装置二者相互配合使用,进行优势互补?为确保设备安全,在采取消谐措施的同时还应采取限制间歇性弧光接地过电压等措施?

五、参考文献

[1]杨秋霞等.基于小波分析的铁磁谐振检测.电网技术,2001(11):55~57.

[2]方瑜.配电网过电压.北京:水利电力出版社,1994.

[3]陈维贤.电网过电压教程.北京:中国电力出版社,1999.

[4]解广润.电力系统过电压.北京:水利电力出版社,1985.

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