陳玉東（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

10kV廠用電系統(tǒng)諧振及限制新措施

陳玉東
（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

摘要：主要論述10kV廠用電系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的主要原因及其危害，同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)消諧措施的利弊進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，提出采用氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)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(jiǎn)化仿真模型，仿真結(jié)果證明了該方法消除諧振過(guò)電壓的有效性。

關(guān)鍵詞：鐵磁諧振；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；壓敏電阻；過(guò)電壓；電容；電感

1　引言

近年來(lái)由于水電廠10kV廠用電系統(tǒng)出線回路數(shù)增多、線路增長(zhǎng)，電纜線路的逐漸增多，對(duì)地電容電流亦大幅度增加，以前少有發(fā)生的鐵磁諧振現(xiàn)象，現(xiàn)在時(shí)有發(fā)生，由于諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)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(huì)造成設(shè)備損壞、甚至還會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電力系統(tǒng)事故。目前，消諧的方法及設(shè)備很多，但都存在一定的局限性，特別是對(duì)諧振過(guò)電壓的危害，無(wú)法根除，下面就系統(tǒng)中的鐵磁諧振產(chǎn)生的原因、危害進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，同時(shí)，對(duì)常見(jiàn)的傳統(tǒng)消諧措施也進(jìn)行了羅列，并就其利弊進(jìn)行簡(jiǎn)單分析比較，提出一種采用氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)于電壓互感器兩端進(jìn)行消諧的新措施。

2　諧振產(chǎn)生的機(jī)理及危害

在10kV廠用電系統(tǒng)中（中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)），為了監(jiān)視三相對(duì)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(jiàn)圖1。

圖1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振原理圖

正常運(yùn)行時(shí)PT的勵(lì)磁阻抗很大，網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗呈容性，三相基本平衡，中性點(diǎn)的位移電壓很小，但在某些擾動(dòng)下，如單相接地的發(fā)生和消失，這些都會(huì)使PT中暫態(tài)勵(lì)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(diǎn)出現(xiàn)零序電壓。

（1）基波諧振：一相對(duì)地電壓降低，另兩相對(duì)地電壓升高并超過(guò)線電壓；或兩相電壓降低、一相電壓升高超過(guò)線電壓、有接地信號(hào)發(fā)出（虛幻接地現(xiàn)象）。

（2）分次諧波：三相對(duì)地電壓同時(shí)升高（過(guò)電壓倍數(shù)較低，一般不超過(guò)2.5倍）、低頻周期性變動(dòng)。當(dāng)發(fā)生分頻諧振時(shí)，由于互感器感抗顯著下降，勵(lì)磁電流急劇增大，可達(dá)到額定值的數(shù)十倍，造成互感器的燒毀或保險(xiǎn)絲熔斷。

（3）高次諧波：三相對(duì)地電壓同時(shí)升高超過(guò)線電壓。這時(shí)的過(guò)電壓倍數(shù)較高，造成系統(tǒng)中絕緣薄弱點(diǎn)的擊穿和避雷器的爆炸。

鐵磁諧振產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）線路接地、斷線、斷路器非同期合閘等引起的系統(tǒng)沖擊。

（2）切、合空母線或系統(tǒng)擾動(dòng)激發(fā)諧振。

（3）系統(tǒng)在某種特殊運(yùn)行方式下，參數(shù)匹配，達(dá)到了諧振條件。

（4）由于雷擊或其他原因，線路中發(fā)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(fù)至相電壓，造成暫態(tài)勵(lì)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(guó)6～35kV配電網(wǎng)內(nèi)，發(fā)生互感器引起的諧振過(guò)電壓情況甚為頻繁，尤其是雷雨季節(jié)，熔斷電壓互感器保險(xiǎn)的情況頻繁發(fā)生。

3　抑制諧振過(guò)電壓的措施

根據(jù)諧振發(fā)生的機(jī)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(shù)。

目前最常見(jiàn)的消諧措施有：

（1）采用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器

勵(lì)磁特性較好的電壓互感器在一般的過(guò)電壓下還不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，從而不易因構(gòu)成參數(shù)匹配而出現(xiàn)諧振。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是治本的措施。電壓互感器的勵(lì)磁特性越好，產(chǎn)生電壓互感器諧振的電容參數(shù)范圍就越小。雖可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生，過(guò)電壓、過(guò)電流將更大。

（2）在母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組，增加對(duì)地電容

這種方法可避免電壓互感器諧振。但是增大對(duì)地電容后，單相接地電流增加，有可能引起弧光接地過(guò)電壓，且電容0折算至電壓互感器開(kāi)口三角繞組兩端的電容很大，容抗很小，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，將引起過(guò)流而燒壞電壓互感器。

（3）電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

（4）電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地

該方式能消除PT飽和引起的諧振過(guò)電壓，使電壓穩(wěn)定。但可能會(huì)出現(xiàn)閉口三角環(huán)流過(guò)大，導(dǎo)致一次繞組燒毀和剩余繞組過(guò)熱的現(xiàn)象，甚至燒毀PT，尤其在線路電容電流較大時(shí)，情況更加嚴(yán)重。

（5）電壓互感器二次側(cè)開(kāi)三角繞組接阻尼電阻

直接串接電阻（如白熾燈）穩(wěn)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(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)增加PT負(fù)荷，會(huì)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(lián)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(xiàn)提出一種采用氧化鋅壓敏電阻并聯(lián)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(guò)電壓限制功能，同時(shí)可以很好的保護(hù)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(yōu)異的壓敏特性，其電氣性能是在其兩端施加的電壓低于動(dòng)作值時(shí)，呈高阻狀態(tài)，流過(guò)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(dāng)電壓到達(dá)一定值時(shí)，電壓微小的增大，電流將增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(guò)電壓保護(hù)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(guò)電壓能量，限制過(guò)電壓進(jìn)一步發(fā)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(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)K處于開(kāi)斷狀態(tài)，由控制裝置對(duì)系統(tǒng)零序電壓的幅值和相位進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否發(fā)生諧振，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生非線性諧振時(shí)，立即將氧化鋅壓敏電阻FR短時(shí)接入到母線對(duì)地之間，與電壓互感器一次繞組并聯(lián)。只要氧化鋅壓敏電阻的動(dòng)作值選取的比諧振過(guò)電壓低，F(xiàn)R就會(huì)立即開(kāi)通，處于低阻狀態(tài)，吸收和泄放諧振能量，這時(shí)將產(chǎn)生如下效果：

（1）降低并限制諧振過(guò)電壓的發(fā)展

由于氧化鋅壓敏電阻具有良好的過(guò)電壓限制性能，使諧振產(chǎn)生的過(guò)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(qū)域，恢復(fù)高阻抗?fàn)顟B(tài)，這時(shí)，零序回路的振蕩將大大減弱，諧振會(huì)迅速衰減直至消失。因諧振過(guò)電壓被限制，對(duì)系統(tǒng)中的電氣設(shè)備絕緣起到良好的保護(hù)作用，極大地降低了設(shè)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(wú)論其兩端的電壓高低、阻值大小，基本物理特性不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)其中有電流通過(guò)時(shí)，就會(huì)消耗能量。因此，氧化鋅壓敏電阻FR在限壓的同時(shí)會(huì)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(chǎn)生的過(guò)電壓能量，能量的衰減使諧振烈度減弱，諧振過(guò)電壓也會(huì)隨之減弱。這將對(duì)系統(tǒng)中的用電設(shè)備絕緣起到很好的保護(hù)作用，延長(zhǎng)了系統(tǒng)安全運(yùn)行周期。

（3）轉(zhuǎn)移諧振產(chǎn)生的零序電流

由于氧化鋅壓敏電阻在工作時(shí)是與電壓互感器并聯(lián)的，而壓敏電阻FR工作時(shí)的阻值要比電壓互感器的電抗小許多，所以，由諧振產(chǎn)生的零序電流就由電壓互感器一次側(cè)的中性點(diǎn)轉(zhuǎn)移到氧化鋅壓敏電阻中，大大減輕了PT的負(fù)擔(dān)，有效避免了電壓互感器和高壓熔斷器的損壞，提高了系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

（4）改變諧振參數(shù)

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(gè)零序回路的振蕩參數(shù)無(wú)法穩(wěn)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(gè)零序回路的諧振參數(shù)被徹底破壞，諧振根本無(wú)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(shí)際應(yīng)用中最為重要的性能。U-I特性曲線中有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即拐點(diǎn)。當(dāng)作用在電阻片上的電壓低于拐點(diǎn)電壓時(shí)，流過(guò)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(guān)系；當(dāng)電壓高于拐點(diǎn)電壓時(shí)，電流隨電壓的增加而急劇增大，電壓與電流呈強(qiáng)非線性關(guān)系，這時(shí)，雖電壓增加較小，但電流可以增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)以上分析，建立氧化鋅壓敏電阻的模型如圖4所示。

圖4氧化鋅壓敏電阻簡(jiǎn)化模型

設(shè)想理想壓敏電阻的伏安特性如下所示。

鐵磁諧振的仿真模型仿真波形如圖5～圖8。

根據(jù)仿真得出如下結(jié)論：

（1）電壓互感器并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻后可有效地限制諧振過(guò)電壓，穩(wěn)定了中性點(diǎn)電位，諧振能量快速損耗，使諧振回路因阻尼過(guò)大而無(wú)法產(chǎn)生諧振。采用氧化鋅并聯(lián)于電壓互感器的消諧措施具有能有效地降低過(guò)電壓水平，故障消除快，對(duì)系統(tǒng)無(wú)暫態(tài)危害，供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是較理想的消諧措施。

圖5 1/2分頻諧振三相電壓波形

圖6基波諧振三相電壓波形

圖7 1/2分頻諧振中性點(diǎn)電壓波形

圖8氧化鋅壓敏電阻中的電流波形

（2）由圖8可以看出，通過(guò)氧化鋅壓敏電阻的電流較小，元件的選取較為簡(jiǎn)單。通常只要能夠滿足1/2分頻諧振即可滿足其他諧振的能量要求。

（3）非線性電阻中允許通過(guò)大電流，且非線性電阻的阻值變化是無(wú)時(shí)延的，不會(huì)發(fā)生因阻值滯后變化而引發(fā)高幅值的位移電壓，限制了電網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程和過(guò)電壓的發(fā)展。

（4）氧化鋅壓敏電阻在過(guò)電壓下電阻很小，殘壓很低，相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)于中性點(diǎn)經(jīng)一小電阻或者是直接接地；一旦諧振故障消除，高壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電網(wǎng)恢復(fù)正常，電網(wǎng)的供電得以維持，由此可見(jiàn)，利用非線性電阻并聯(lián)于電壓互感器兩端的消諧措施，具有傳統(tǒng)消諧措施無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

中圖分類號(hào)：TM864

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0025-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.007

收稿日期：2014-12-23

作者簡(jiǎn)介：陳玉東（1976-），男，高級(jí)工程師，從事水電站電氣設(shè)計(jì)工作。