非對稱性負荷對繼電保護及消諧裝置的影響

宋 強，王儒科

（國網河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454150）

非對稱性負荷對繼電保護及消諧裝置的影響

宋 強，王儒科

（國網河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454150）

分析了電力系統非對稱性負荷(電鐵負荷、鋼廠負荷)對繼電保護及消諧裝置的影響，并提出通過調整出線低周整定方案和增加區分接地與諧振判據等解決方法，合理優化改進，保障了電網的安全運行。

非對稱性負荷；繼電保護；消諧裝置

0 引言

某變電站110?kV側采用單母線分段運行，110?kV 進 線 互 為 自 投，110?kV?II段 修 東 線 帶110?kV 電鐵牽引變，負荷為 20?kW。10?kV 側采用單母線分段運行，工業負荷占總負荷的70?%，且負荷中諧波分量較大，特別是10?kV軋鋼西線、軋鋼東線、鋼廠線。電鐵負荷、鋼廠負荷波動經常導致10?kV出線低周保護誤跳閘。

1 非對稱性負荷對繼電保護的影響

電壓、頻率、波形是衡量電能質量的3個指標。電鐵負荷、鋼廠負荷既是沖擊性負荷，又是非對稱性負荷，其所產生的諧波、負序會造成電網的電壓、波形發生畸變，使電能質量下降；同時造成保護誤跳閘，影響用戶正常用電，并對電力系統的安全、穩定運行造成危害。

鋼鐵行業是高耗能行業。鋼鐵廠內部一般分為煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠、制氧廠、燒結廠，用電設備眾多，含有大量冷卻水泵和除塵風機，且大部分采用閥門調節。

繼電保護頻率元件可分為6段，由E81控制1～6段分別投入。

投運時整定值為：

NFREQ=50?Hz(正常系統頻率為 50?Hz)；

E81≥1(投入頻率元件1段保護)；

81D1P=48.25?Hz(頻率元件1段保護動作值)。

這6個頻率元件都由相同的低電壓元件(繼電器定值27B81)控制。如果任一電壓(UA，UB，UC)低于電壓動作值27B81P，繼電器字位27B81置位為邏輯1，并且閉鎖頻率元件動作。這是為了防止在故障狀態下頻率元件的誤動作，特別是電鐵負荷和鋼廠負荷波動較大，易導致保護誤動，所以必須采取措施加以避免。

若低電壓動作整定值27B81P?可用在其他控制方案中，那么繼電器定位27B81在用于頻率元件的同時也可用于其他邏輯。若頻率元件沒有使用，那么繼電器定位27B81仍舊可用于其他邏輯，并在具有要求的電壓整定值27B81中放置。若投入頻率元件(整定值E81≥1)，且設置整定值27B81P，則使用繼電保護邏輯控制方程，將繼電器定位27B81應用于要求的邏輯方案中。

新的10?kV出線低周整定方案為：

具體的保護動作邏輯如圖1所示。

由于電鐵負荷和鋼廠負荷波動大、頻率易突變，所以引入27B81P作為OUT104的一個條件。81D1D 動作時間整定為 0.15?s(7.5×20/1?000)，使用OUT104動作出口，通過更改SEL邏輯即可有效防止電鐵負荷、鋼廠負荷波動，避免10?kV出線低周保護頻繁誤跳閘。

圖1 低周保護動作邏輯

2 非對稱性負荷對消諧裝置的影響

電力系統中存在大量的儲能元件，如電壓互感器、變壓器、電抗器等電感元件，電容器、線路對地電容、斷路器的斷口電容等電容元件。這些元件組成了許多串聯或并聯的振蕩回路，在穩定狀態下運行時，不會產生嚴重的振蕩；但當系統發生故障或由于某種原因電網參數發生變化時，就可能產生諧振。

在中性點非直接接地系統中，若一相斷線接地，受到變壓器和相間電容、電壓互感器和線路對地電容、空載變壓器和空載長架空線電容的影響，很容易形成振蕩回路，就可能產生諧振。

諧振常常會引起長時間的過電壓。在正常工作電壓下，電壓互感器這類電壓元件的鐵芯磁通密度不高，鐵芯并不飽和。在過電壓狀態下，鐵芯飽和，電感迅速降低，從而與電容發生諧振，即鐵磁諧振。鐵磁諧振不僅可在基波下發生，也可在高頻或低頻下發生。

正常運行時，電壓互感器開口三角形的電壓（3?Uo）理論值為 0，實際值一般不超過 10?V。當系統發生單相接地故障時，3?Uo迅速提高至30?V，甚至高達120?V，形成過電壓。當系統上電時，由于三相不同期等原因(存在有瞬時接地故障等現象)，會在電壓互感器中產生很大的諧振電流，造成互感器內部鐵芯飽和，導致二次側波形發生畸變；當畸變足夠大時，即形成鐵磁諧振。

諧波電壓中的 17?Hz，25?Hz，150?Hz 諧波分量疊加至50?Hz基波上，會使基波波形發生嚴重畸變。電鐵負荷、鋼廠負荷電壓具有不穩定、不對稱、非線性特征，在消諧元件出口消諧時，如不能正確區分電鐵負荷、鋼廠負荷特征，很容易造成誤報信號和PT(電壓互感器)運行的不安全，并且出口在諧波的過零點時就沒有意義。同時必須區分接地與諧振，判據如下。

(1)?接地判斷：基波電壓不小于40?V；用于抵消電鐵負荷、鋼廠負荷波動引起的瞬時過電壓，防止誤報接地信號。

(2)? 諧振判斷：17?Hz 諧波電壓 23?V，?25?Hz諧波電壓 33?V，150?Hz諧波電壓 43?V；用于抵消電鐵負荷、鋼廠負荷波動引起的瞬時過電壓，防止誤判斷。

因此，根據最優決策理論，應尋找基波過零點與諧波峰值之間的黃金分割點進行消除，這樣既可消諧，又可保證基波不受或少受影響。

可利用壓敏元件的電抗破壞PT鐵磁諧振的產生條件進行在線消除。若壓敏元件仍未完全消除PT產生的鐵磁諧振，則瞬間啟動大功率消諧元件予以消除。

3 結束語

針對局域電網的電鐵負荷、鋼廠負荷的非對稱性特點，結合微機保護及自動裝置的特性，合理改進，優化設計，以保障電網的安全運行。

1?張??博，魯鐵成，杜曉磊．電力系統基頻鐵磁諧振諧波平衡分析[J]．高電壓技術，2006(1).

2?國家電力調度通信中心．電力系統繼電保護規定匯編[M].北京：中國電力出版社，2000.

3?國家電力調度通信中心．電力系統繼電保護典型故障分??析[M]．北京：中國電力出版社，2001.

4?翟義德．電力系統諧波問題及基于混合并聯結構的治理方案[J]．電力安全技術，2013(11)．

2014-02-20。

宋??強(1977-)，男，工程師，主要從事電力系統分析與控制，繼電保護及自動裝置的動作分析等工作，email：wwdhthk@sina.com。

王儒科(1991-)，男，助理工程師，主要從事電力系統分析與控制，繼電保護及自動裝置的動作分析等。