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配電網綜合消諧措施的探討

配電網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有發生?近年來,電網中應用了多種新型消諧裝置,這些裝置因作用機理不同而各有所長,也各有局限性,因此對這些新型消諧裝置進行分析和優化配置,即采取綜合消諧措施以便達到最佳保護效果十分必要?

一、常用消諧裝置的特點

1.1微機消諧裝置

微機消諧裝置也稱二次消諧器,被安裝在TV的開口三角繞組上?正常運行或者發生單相接地故障時裝置不動作,而一旦判斷電網發生鐵磁諧振時,便會使正反并聯在開口三角兩端的2只晶閘管交替過零觸發導通以限制和阻尼鐵磁諧振,當諧振消除后晶閘管自行截止,必要時可以重復動作?裝置起動消諧期間,晶閘管全導通,呈低阻態,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,而且對整個電網有效,即一個系統中只需選擇1臺互感器安裝消諧裝置即可?

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

由于基頻諧振中的頻率實際上并不是十分嚴格的基頻,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頻局部化方面極具優勢的小波來檢測,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,實際上是將一個非線性消諧電阻R0串接于電壓互感器一次側中性點與地之間,它采用中性點阻尼電阻消除諧振,見圖1?電網正常運行時,消諧器上電壓<500V,R0呈高電阻值(可達幾百kΩ),阻尼作用大,使諧振在起始階段不易發展;當電網發生單相接地時,消諧器上電壓較高(10kV電網中其值約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的絕緣監測要求,而且仍可阻尼諧振;當電網發生弧光接地時,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,但在應用中存在局限性:①中性點為半絕緣結構,只能直接接地安裝的TV無法使用;②只能限制本TV不發生諧振,對電網中的其他TV無效(僅一對一有效);③當發生單相接地故障時,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,在持續時間較長的間歇電弧接地過電壓激發下,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的二次側取得?當單相接地時,TV每相勵磁感抗為Xm=XTV1+3XTV0(XTV1為TV1的漏抗;XTV0為TV0勵磁感抗)?

由于XTV1很小,可略,故Xm≈3XTV0,即零序電壓絕大部分降落在TV0上,一般的外激發不能使TV1進入飽和區,從而使諧振難以產生?此外,TV0高壓繞組的直流電阻約為10kΩ,對諧振有強烈的阻尼作用,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有:①互感器內部的分布電容和雜散電容較大,正常時,在接有0~100%負荷下整體呈容性(結構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(采用優質硅鋼片,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;加強一次繞組的端部絕緣和層間絕緣)?

然而,由于這種TV的質量和體積相對較大,因此在實際應用中往往有一定困難?

二、現場應用的消諧方法分析

2.1TV開口三角繞組配置25Ω消諧電阻

隨著系統對地電容的增大,電壓互感器磁飽和后將依次發生高頻?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磁感抗,n1/n2為高壓繞組與開口三角繞組的匝數比?

可見,對于在開口三角繞組配置了25Ω消諧電阻的TV,當系統中中性點直接接地的普通電磁式TV不超過2臺時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,應加裝微機消諧裝置,同時宜保留原消諧電阻,以利于限制空母線合閘時工頻位移電壓?

2.2在同一TV上同時裝設一次消諧阻尼器和微機消諧裝置

在開口三角繞組兩端接上電阻r的做法,實際上相當于在TV高壓側Y0接線各相繞組上并聯一電阻(只有在電網有零序電壓時才出現),即在電網中每相對地并聯合適的電阻在理論上同樣可以起到消諧作用[4]?據分析推導,為消除分頻諧振,在TV高壓側每相繞組并聯的電阻應滿足:R1≤0.4XL/3?若單臺10kV互感器的每相勵磁感抗XL=500kΩ,則R1≤66.7kΩ?

如果在TV一次側中性點裝設了阻尼電阻R0,那么該TV基本上不會參與諧振?當系統中其他中性點直接接地的TV發生諧振時,由于此時零序電壓U0的測量值偏小,即使該TV的二次側裝了微機消諧裝置,往往也不會及時動作?

電纜使用較多的10kV配電網,大多發生分頻諧振?微機消諧器分頻諧振的判據為15Hz≤f≤18Hz或23Hz≤f≤27Hz,35V≥U0≥25V?當開口三角繞組電壓為30V時,一次系統零序電壓的估算值已達(30/100×0.8)×(10/3)=2.2kV?此時,微機消諧器動作,開口三角繞組基本上處于被短接狀態,TV高壓繞組反映的是數值很小的漏抗,即零序電壓絕大部分降落在阻尼電阻R0上?這時,電網每相對地的等值并聯電阻為3R0,如果呈低電阻值的R0為25~35kΩ,則3R0為75~105kΩ,已超出消除系統中單臺中性點直接接地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消除,且時間較長時而被損壞,從而進一步損害TV?

可見,以上做法已超出微機消諧器和一次消諧器研制的初衷,二者單獨存在時的消諧機理已不再適用,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的二次側加裝微機消諧裝置

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加裝消諧器,否則將破壞原先的消諧機理,難以起到消諧作用?若是將微機消諧器裝在其零序電壓互感器TV0的二次側,當系統中其他互感器發生鐵磁諧振時,消諧器將在零序電壓作用下動作,TV0二次側幾乎被短接,TV0及TV1高壓繞組反映的均為漏抗,互感器的零序阻抗變為數值很小的漏抗,相當于電網中性點臨時直接接地,因而諧振也就隨之消失?可見,在此消諧型TV的TV0二次側加裝微機消諧裝置有助于整個電網的消諧?

三、消諧措施的綜合應用

(1)普通型電磁式電壓互感器應選用勵磁特性良好?鐵心不易飽和的型號及生產廠家?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入飽和區,而母線實際運行電壓為10~10.7kV?當電網單相接地時,作用在TV上的工頻穩態電壓可能高達1.85UN,加上電網電壓的波動,TV極易飽和?在基波諧振過電壓不很高的情況下,即使裝設了二次微機消諧裝置也照樣可能使熔絲熔斷?尤其對中性點半絕緣結構TV(如REL10型等),難以進行消諧改造,更應慎重選型?為了防止空母線合閘時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措施,但不宜投入電容器組,這可防止電壓有較大波動時空載變壓器與電容器構成振蕩回路產生振蕩過電壓?

(2)變電站各段母線TV開口三角繞組處應裝設微機消諧裝置,使之對整個電網產生消諧效果?由于對母線送電的瞬間交流電壓極不穩定,電網發生接地?諧振等故障時瞬間交流系統的暫態干擾,均會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二次側取得交流100V電源或者從站用電系統取得交流220V電源的做法不可取?變電站母線選用消諧型TV,同時加裝微機消諧裝置,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,同時對整個電網也具有消諧作用?

(3)對應的,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?考慮到這種系統往往對地電容較大,因此限制涌流是一個不可忽視的問題,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測及接地選線,因此,母線TV一次側中性點應盡可能不接地或選用消諧型設備以改善同一系統中TV并聯后總體等效伏安特性?

(5)同一配電網中,在盡可能采用一次消諧和二次消諧措施的同時,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?一次消諧器等現有消諧設備的熱容量都很有限,在長時間間歇電弧過電壓的作用下仍有被燒壞的可能?近年來在配電網中投運了一種新型過電壓防護設備——XHG型消弧及過電壓保護裝置?其作用的基本原理是:當電網中發生不穩定的間歇性弧光接地時,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,系統轉變成穩定的金屬性直接接地,故障點弧光消失?經過5s之后,JZ斷開一次,若已無弧光接地故障現象,說明故障是暫時性的,系統恢復正常運行;若再次出現弧光接地故障時,則認定故障是永久性的,JZ再次閉合,同時通過與之成套的接地選線裝置報出故障線路?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,同時又無需改變系統中性點接地方式,結構簡單,投資相對也較少?

(6)配電網中性點諧振接地或經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產生過電壓了?但因此項措施投資較大,顯然不宜專為消諧而設置?

四、結語

為了對配電網采取消諧措施,同一配電網中在選用微機消諧等二次消諧裝置,以及中性點消諧阻尼電阻?消諧型電壓互感器等一次消諧裝置時,應根據電網的具體情況而定,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,進行優勢互補?為確保設備安全,在采取消諧措施的同時還應采取限制間歇性弧光接地過電壓等措施?

五、參考文獻

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

[2]方瑜.配電網過電壓.北京:水利電力出版社,1994.

[3]陳維賢.電網過電壓教程.北京:中國電力出版社,1999.

[4]解廣潤.電力系統過電壓.北京:水利電力出版社,1985.

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