10kV廠用電系統諧振及限制新措施

2015-07-28 02:42:29陳玉東新疆水利水電勘測設計研究院新疆烏魯木齊830000

水電站機電技術 2015年3期

陳玉東（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000）

10kV廠用電系統諧振及限制新措施

陳玉東
（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000）

摘要：主要論述10kV廠用電系統鐵磁諧振產生的主要原因及其危害，同時，對傳統消諧措施的利弊進行簡單分析，提出采用氧化鋅壓敏電阻并聯于電壓互感器兩端快速消除諧振的方法。并在仿真軟件EMTP中建立了簡化仿真模型，仿真結果證明了該方法消除諧振過電壓的有效性。

關鍵詞：鐵磁諧振；中性點不接地系統；壓敏電阻；過電壓；電容；電感

1　引言

近年來由于水電廠10kV廠用電系統出線回路數增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，對地電容電流亦大幅度增加，以前少有發生的鐵磁諧振現象，現在時有發生，由于諧振時會產生較高的過電壓，給廠用電安全造成了極大的威脅，如不采取有效的消除措施，可能會造成設備損壞、甚至還會誘發產生更為嚴重的電力系統事故。目前，消諧的方法及設備很多，但都存在一定的局限性，特別是對諧振過電壓的危害，無法根除，下面就系統中的鐵磁諧振產生的原因、危害進行簡單的闡述，同時，對常見的傳統消諧措施也進行了羅列，并就其利弊進行簡單分析比較，提出一種采用氧化鋅壓敏電阻并聯于電壓互感器兩端進行消諧的新措施。

2　諧振產生的機理及危害

在10kV廠用電系統中（中性點不接地系統），為了監視三相對地電壓，母線常接有Yo接線的電磁式電壓互感器，電氣接線見圖1。

圖1中性點不接地系統鐵磁諧振原理圖

正常運行時PT的勵磁阻抗很大，網絡對地阻抗呈容性，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小，但在某些擾動下，如單相接地的發生和消失，這些都會使PT中暫態勵磁電流急劇增大，電感值下降，因三相電感值有所不同，使中性點出現零序電壓。

（1）基波諧振：一相對地電壓降低，另兩相對地電壓升高并超過線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過線電壓、有接地信號發出（虛幻接地現象）。

（2）分次諧波：三相對地電壓同時升高（過電壓倍數較低，一般不超過2.5倍）、低頻周期性變動。當發生分頻諧振時，由于互感器感抗顯著下降，勵磁電流急劇增大，可達到額定值的數十倍，造成互感器的燒毀或保險絲熔斷。

（3）高次諧波：三相對地電壓同時升高超過線電壓。這時的過電壓倍數較高，造成系統中絕緣薄弱點的擊穿和避雷器的爆炸。

鐵磁諧振產生的主要原因為：

（1）線路接地、斷線、斷路器非同期合閘等引起的系統沖擊。

（2）切、合空母線或系統擾動激發諧振。

（3）系統在某種特殊運行方式下，參數匹配，達到了諧振條件。

（4）由于雷擊或其他原因，線路中發生瞬間單相弧光接地，使得其他兩相瞬間升至線電壓，而故障相在接地消失后又瞬間恢復至相電壓，造成暫態勵磁電流的急劇增大和鐵芯的飽和。

電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去，如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。在我國6～35kV配電網內，發生互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，尤其是雷雨季節，熔斷電壓互感器保險的情況頻繁發生。

3　抑制諧振過電壓的措施

根據諧振發生的機理，抑制和消除諧振的基本方法有：降低電壓、吸收和泄放諧振能量、改變零序回路諧振參數。

目前最常見的消諧措施有：

（1）采用勵磁特性較好的電壓互感器

勵磁特性較好的電壓互感器在一般的過電壓下還不會進入飽和區，從而不易因構成參數匹配而出現諧振。從某種意義上來說，這是治本的措施。電壓互感器的勵磁特性越好，產生電壓互感器諧振的電容參數范圍就越小。雖可降低諧振發生的概率，但一旦發生，過電壓、過電流將更大。

（2）在母線上裝設中性點接地的三相星形電容器組，增加對地電容

這種方法可避免電壓互感器諧振。但是增大對地電容后，單相接地電流增加，有可能引起弧光接地過電壓，且電容0折算至電壓互感器開口三角繞組兩端的電容很大，容抗很小，當發生單相接地時，將引起過流而燒壞電壓互感器。

（3）電壓互感器高壓側中性點經電阻接地

（4）電壓互感器一次側中性點經零序電壓互感器接地

該方式能消除PT飽和引起的諧振過電壓，使電壓穩定。但可能會出現閉口三角環流過大，導致一次繞組燒毀和剩余繞組過熱的現象，甚至燒毀PT，尤其在線路電容電流較大時，情況更加嚴重。

（5）電壓互感器二次側開三角繞組接阻尼電阻

直接串接電阻（如白熾燈）穩定性差，已被接入阻尼電阻或分頻消諧裝置替代，該方法因判斷和投入時間較長，同時增加PT負荷，會造成高壓熔斷器熔斷或PT燒毀等事故。

4　新型氧化鋅壓敏電阻并聯于PT的消諧原理

綜合上述，各種消諧措施，都具有一定的效果，但也存在一定的局限性，現提出一種采用氧化鋅壓敏電阻并聯于PT兩端的新型消諧措施，該方法不僅消諧速度快，而且具有良好的過電壓限制功能，同時可以很好的保護電壓互感器和高壓熔斷器，適用范圍廣。氧化鋅壓敏電阻的伏安特性曲線如圖2所示。

圖2氧化鋅壓敏電阻的伏安特性曲線

氧化鋅壓敏電阻具有非常優異的壓敏特性，其電氣性能是在其兩端施加的電壓低于動作值時，呈高阻狀態，流過其中的電流非常小，隨著施加電壓值的增大，其電阻值迅速減小，當電壓到達一定值時，電壓微小的增大，電流將增加幾個數量級，電阻值快速下降，將電壓限制在一定的水平，因此，氧化鋅壓敏電阻是一種很好的過電壓保護元件。另外，氧化鋅壓敏電阻具有較大的能容量，可以有效吸收過電壓能量，限制過電壓進一步發展。

采用氧化鋅壓敏電阻作為消諧措施的等值電路如圖3所示。

圖3采用氧化鋅壓敏電阻消諧等值電路

該措施的工作原理如下：

系統正常運行時，高壓開關K處于開斷狀態，由控制裝置對系統零序電壓的幅值和相位進行檢測，判斷是否發生諧振，當系統發生非線性諧振時，立即將氧化鋅壓敏電阻FR短時接入到母線對地之間，與電壓互感器一次繞組并聯。只要氧化鋅壓敏電阻的動作值選取的比諧振過電壓低，FR就會立即開通，處于低阻狀態，吸收和泄放諧振能量，這時將產生如下效果：

（1）降低并限制諧振過電壓的發展

由于氧化鋅壓敏電阻具有良好的過電壓限制性能，使諧振產生的過電壓被限制在較低的水平，較低的電壓使電壓互感器自然退出飽和區域，恢復高阻抗狀態，這時，零序回路的振蕩將大大減弱，諧振會迅速衰減直至消失。因諧振過電壓被限制，對系統中的電氣設備絕緣起到良好的保護作用，極大地降低了設備事故率。

（2）吸收和泄放諧振能量

氧化鋅壓敏電阻是純電阻特性材料，無論其兩端的電壓高低、阻值大小，基本物理特性不會發生變化，當其中有電流通過時，就會消耗能量。因此，氧化鋅壓敏電阻FR在限壓的同時會吸收大量的電能，它是工作在零序回路中，消耗的能量主要是非線性諧振所產生的過電壓能量，能量的衰減使諧振烈度減弱，諧振過電壓也會隨之減弱。這將對系統中的用電設備絕緣起到很好的保護作用，延長了系統安全運行周期。

（3）轉移諧振產生的零序電流

由于氧化鋅壓敏電阻在工作時是與電壓互感器并聯的，而壓敏電阻FR工作時的阻值要比電壓互感器的電抗小許多，所以，由諧振產生的零序電流就由電壓互感器一次側的中性點轉移到氧化鋅壓敏電阻中，大大減輕了PT的負擔，有效避免了電壓互感器和高壓熔斷器的損壞，提高了系統安全運行水平。

（4）改變諧振參數

氧化鋅壓敏電阻具有很好的非線性，其阻值隨著電壓的變化而變化，使整個零序回路的振蕩參數無法穩定在某一頻率。另外，由于氧化鋅壓敏電阻FR的投入，使電壓降低，PT感抗增加，整個零序回路的諧振參數被徹底破壞，諧振根本無法維持。

5　仿真分析

本文的仿真軟件采用EMTP。氧化鋅電阻的非線性U-I特性是它在作為限壓元件的實際應用中最為重要的性能。U-I特性曲線中有一個明顯的轉折點，即拐點。當作用在電阻片上的電壓低于拐點電壓時，流過閥片的電流密度很小，一般小于1μA/cm2，電壓與電流接近線性關系；當電壓高于拐點電壓時，電流隨電壓的增加而急劇增大，電壓與電流呈強非線性關系，這時，雖電壓增加較小，但電流可以增加幾個數量級。

根據以上分析，建立氧化鋅壓敏電阻的模型如圖4所示。