發(fā)布日期： 2014-08-02
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。
1 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≥150 V時(shí)；當(dāng)30 V≤U０＜145 V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，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＜500 V，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（10 kV電網(wǎng)中其值約1.7～1.8 kV），R０呈低值（幾十kΩ），可滿足TV開口三角電壓不小于80 V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10 kΩ，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。
2 現(xiàn)場應(yīng)用的消諧方法分析
2.1 TV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２５ Ω 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１０ kV互感器的每相勵(lì)磁感抗ＸＬ=５００ kΩ，則Ｒ１≤６６.７ kΩ。
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１０ kV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１５ Hz≤ｆ≤１８ Ｈz或２３ Hz≤ｆ≤２７ Ｈz，３5 V≥U0≥25 Ｖ。當(dāng)開口三角繞組電壓為３０ Ｖ時(shí)，一次系統(tǒng)零序電壓的估算值已達(dá)（３０/１００×０.８）×（１０/3）=２.２ kV。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２５～３５ kΩ，則３Ｒ０為７５～１０５ kΩ，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６６.７ kΩ）。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?？梢?，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。
3 消諧措施的綜合應(yīng)用
?。?） 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10 kV母線TV一次額定電壓UN為10／3 kV，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10～10.7 kV。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。
?。?）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220 V。以往從TV二次側(cè)取得交流100 V電源或者從站用電系統(tǒng)取得交流220 V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。
?。?） 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。
?。?） 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5 s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。
?。?） 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。
4 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。
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