（电气工程专业论文）110kv及以下变电站铁磁谐振过电压仿真研究及应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 1 1 0 k v 变电站是城网结构中最重要的供电环节。目前，1 1 0 k v 变电站中特别是 1 0 k v 、3 5 k v 系统常发生铁磁谐振过电压，造成供电设备烧损和供电负荷的损失。 本论文旨在对1 1 0 k v 变电站1 0 k v 、3 5 k v 系统产生的铁磁谐振过电压进行仿真分析 并提出防治措施。文中首先建立1 1 0 k v 变电站标准仿真模型；讨论并设置了标准电 路模型的计算参数；然后基于a t p e m t p 仿真软件进行了铁磁谐振过电压的仿真计 算；在此基础之上，研究了几种常用的铁磁谐振过电压防治措施，并通过仿真计算 进行了深入的研究。仿真结果表明，本文研究所确定的防治措施均能较好的防止铁 磁谐振过电压的产生。 关键词：1 1 0 k v 变电站，铁磁谐振过电压，a t p e m t p 仿真，防治措施 a bs t r a c t t h e1 10 k vs u b s t a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tl i n ki nt h eu r b a np o w e rm e t w o r k f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c eo v e r v o l t a g eo f t e no c c u r si nt h elo k va n d3 5 k vp a r to ft h e 110 k vs u b s t a t i o n t h ee q u i p m e n to fe l e c t r i cs u p p l yi sd e s t r o y e d ，a n di tl e a d st og r e a t l o s so fp o w e rs u p p l y f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c eo v e r v o l t a g eo ft h e1o k va n d3 5 k vp a r t o ft h e110 k vs u b s t a t i o ni ss i m u l a t e da n da n a l y s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h es t a n d a r d s i m u l a t i o nm o d e li sf o r m e d ，a n dt h ec o m p u t i n gp a r a m e t e ri sa n a l y s e da n ds e tu p t h e n s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no ff e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c eo v e r v o l t a g ei sc a r d e do u tb y e m p l o y i n ga t p - e m t ps i m u l a t i o ns o f t w a r e s o m ep r e v e t i o nm e a s u r e st of e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c eo v e r v o l t a g ei ss t u d i e di nad e e p g o i n gw a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h em e a s u r e sp r o p o s e di n t h i sp a p e ri se f f e c t i v et op r o t e c tf r o mg e n e r a t i o no f f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c eo v e r v o l t a g e m aw e n l e i ( p o w e rs y s t e mo v e r v o l t a g ea n di t sp r e v e n t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：l l o k v s u b s t a t i o n ，f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c eo v e r v o l t a g e ，a t p - e m t p s i m u l a t i o n ，p r e v e n t i o nm e a s u r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文l l o k v 及以下变电站铁磁谐振过 电压仿真研究及应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：醯 日 期：翅螋 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：墨芝童鱼 日期：丝旦呈垒兰旦三 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1论文研究背景 第一章引言 铁磁谐振过电压是1 0 k v 3 5 k v 电网引发事故的首要原因，众所周知铁磁谐振 过电压是电力系统中的一种非线性共振现象。在发生共振时，系统电压升高可达额 定电压的2 3 5 倍，使熔丝熔断、母线绝缘子闪络、避雷器爆炸并击毁电气设备； 它往往伴随着大面积停电，乃至人员伤亡，造成巨大的经济损失。运行经验表明在 1 0 5 0 0 k v 电力系统中3 5 k v 以下电力系统铁磁谐振过电压事故率较高，电网中频 繁出现的铁磁谐振过电压( 包括分频铁磁谐振过电压、基频铁磁谐振过电压和高频 铁磁谐振过电压) 是引发各种事故的首要原因。 长期以来，当变电站( 电网) 系统发生电气设备损害的情况时，都是通过分析 运行情况、运行环境、设备损坏情况等现象来判断事故产生的原因，这种情况下需 要有非常丰富经验的人才能较为准确的找到事故原因，而且就算是有丰富经验的工 作人员进行分析也可能出现判断错误、判断不准确的情况。就目前来看我们对事故 的分析判断是不全面、不准确的。特别是铁磁谐振过电压造成的设备损害事故，由 于铁磁谐振过电压的种类较多，因此就更难准确的进行判断。 对于铁磁谐振过电压，其包括分频铁磁谐振过电压、基频铁磁谐振过电压和高 频铁磁谐振过电压，当变电站( 电网) 系统发生铁磁谐振过电压后不能很好的判断 其类型，而针对不同类型的铁磁谐振过电压又有不同的防治措施，就目前来看我们 的防治措施，往往会造成防治不彻底、防治不准确或者防治浪费。 随着计算机技术的不断提高，现阶段所使用的计算机基本能够进行大量的数值 计算，能满足仿真计算的要求。针对电力系统使用的暂态仿真软件有很多种，包括： 电磁暂态程序( e m t p ) 、直流电磁暂态程序( p s c a d e m t d c ) 电力系统综合分析 程序( p s a s p ) 等，这些仿真软件都有叫强大的仿真计算能力，能满足仿真计算的 要求。计算机和仿真软件的发展为我们开展1 l o k v 及以下变电站( 电网) 铁磁谐振 进行研究提供了有利的条件。 1 2铁磁谐振过电压国内外研究现状 国内外对铁磁谐振的机理已有详尽的研究，其主要原因是当电压升高时，( 接 地、不同期合闸，持续性故障的切除等，均可引起) ，p t 的铁芯饱和，其感抗x m 下降，而与线路对地电容或断路器均压电容等电容型设备的容抗接近时，即可激发 起某一频率下的谐振。在电力系统中，判断在任何情况下会发生铁磁谐振将对预防 和分析起到十分重要的作用，我们目前一般是按照美国人h a p e t e r s o n 所做的试验 l 华北电力大学工程硕士学位论文 结果，给出的判据来判断不同类型铁磁谐振的发生区域，见图1 1 。 钐笏殄辽蕊季荔乙 ，p 一 皂彩钐嘎蕊芝 = 0 ) c u r ( i ) - - - n u m e r i c ( r e ( i ) ) ； c u r1 ( i ) = n u m e r i c ( r e ( 2 ) ) ； e l s e c u r ( i ) = n u m e r i c ( r e ( 2 ) ) ； 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 c u r l ( i ) = n u m e r i c ( r e ( 1 ) ) ； e n d i fn o t ( i s r e a l ( c u r ( i ) ) ) c u r ( i ) = ( r e a l ( c u r ( i ) ) 2 + i m a g ( c u r ( i ) ) 2 ) 0 5 ； e n d a = 0 ； t = t ； e n d a s s i g n i n ( b a s e ，c u r , c u r n ) ； a s s i g n i n ( b a s e l 9 1 q ，t 木n ) 3 3本章小结 本章首先对我所选用的典型分布性参数模块进行了介绍，然后对需要进行参 数计算的变压器模块、线路模块和电压互感器模块的计算进行了必要的说明，从而 完成了模型仿真的所有准备工作。 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章铁磁谐振过电压模型仿真一 本章在建立的1 1 0 k v 标准变电站铁磁谐振过电压仿真模型的基础上，更改各种 激励进行仿真，确定在各种情况下是否会诱发铁磁谐振过电压。 4 1变电站10 k v 系统出线线路单相接地故障仿真 选择任意一条1 0 k v 出线发生线路a 相单相接地，接地时间设置在t = o 0 2 时， 在0 0 5 时刻接地故障消失。故障部份接线图如下图4 - 1 所示。 图4 1 l1 0 k v 出线发生线路a 相单相接地故障部份接线图 i f i l e 1 8 2 0 0 0 0 0 0 州x w ，t lv t a t a vt t bvt a t c 图4 - 21 0 k v 单相接地母线三相电压变化情况 2 0 图4 31 0 k v 单相接地母线a 相电压变化 华北电力大学工程硕士学位论文 l f k 4 1 8 2 0 0 0 0 g 0 p 心x v i a l ic ：x 0 0 1 7 - 图4 410 k v 单相接地故障接地点电流变化 图4 51 0 k v 单相接地母线p t 电流变化情况( a 相) 由于1 0 k v 侧出线众多，所带负荷较大，通常系统在大负荷工作情况下很难引 起母线电压的较大突变，而且接地点离母线还有一段距离，所以故障引起的母线电 压变化不是很大，在正常工作情况下单相电压幅值u m = 8 1 5 k v ，接地时劾，接地相 电压a 相电压迅速下降，b 、c 相电压飙升，c 相电压升高最多，达到1 6 5 k v ，2 0 2 p u ， b 相电压也达到了1 4 5 k v 。随着在t = 0 0 5 s 时故障的消失，母线电压逐步恢复了 正常，恢复时间不到o 2 s 。故障时刻p t 电流变化较小，比较母线电压和p t 电流波 形可以看出p t 始终工作在线性区，电压电流波形基本一致，没有饱和的趋势。 ( f k 正常演示电缆p 1 4 ；x - v 薯t ) v ：3 5 a 图4 - 610 k v 单相接地故障3 5 k v 母线电压变化情况 1 0 k y 单相接地故障基本上对3 5 k v 侧供电没有影响，只是在接地时刻电压波形 有轻微的毛刺。同样1 1 0 k v 电压也几乎没有变化。 4 2变电站3 5 k v 系统重合闸 重合闸位置选择龙洞堡变电站l # 变压器3 5 k v 出口处，断路器开断时间t = 0 0 4 s ，重合闸时间为t = 0 0 6 5 s 。重合闸部份接线如下图4 7 所示。 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 图4 73 5 k v 系统重合闸部份接线图 图4 83 5 k v 系统重合闸母线电压波动情况 对比接地故障母线电压变化情况，由于母线上有三个电源点供电，一个电源的 发生重合闸时另外两个电源始终接在母线上，对母线电压有一定的钳制作用，所以 波动很小，只是在动作时刻有微小的振荡现象。 i f h 1 8p i ：x v u t ) c ，t a s a x 0 2 8 蚺e t a s b 加它8 昭c t a s c - 瑚2 8 躬 图4 - 9l 变压器电流变化图4 1 02 群变压器电流变化 华北电力大学工程硕士学位论文 从图4 9 中可以看出，随着断路器的拉闸，线路电流迅速减小，当减小到截断 电流值以下后，电流立刻突变为0 ，重合闸时刻，电流有一定的跳跃，电流比正常 时刻有定的升高，在经过不到一个周波时间电流就恢复了正常值，进入正常工作 状态。图4 一l o 看到在断路器断开期间，l # 变压器的电流减小的同时，2 # 变压器的 电流相应的增大了，从而保证了3 5 k v 电源对系统的供电。 4 3变电站10 k v 出线遭受雷击 图4 1 1 雷击线路故障模型 从上图4 - 1 1 可以看出雷击事故发生在变电站1 0 k v 电压系统。雷击故障发生点 在于i 回出线负载侧，雷电流峰值i m = 1 2 0 0 0 0 a ，波头时间t f = 4 e - 6 s ，波尾时间 t a u = 5 e - 5 s ，雷击时刻为t = 0 0 2 s 。为了完整反映雷电侵入波对上级变电站工况的 影响，在仿真过程中移除了1 0 k v 母线出线避雷器。 i f h 1 8 2 咖州：x - v m r qcx j a 5 7 5 x x 0 4 4 6 图4 1 2 雷击点流过雷电流波形 ( f 1 8 2 p h ：x v 甜t jv v 1 0 m d a f lv ：1 0 m j a c 图4 1 3 雷击时1 0 k v 母线电压 华北电力大学工程硕士学位论文 5 乏魃 0 0 00吃0040 0 60 0 8 ( f h 4 1 8 2 - 州：x - v w t v a t a v ：t a bv t a t c 【f i e 4 1 e z p ：x - v - t iv t s s ay t 8 v t b s c 图4 1 4 雷击时变压器1 0 k v 出线端口电压情况图4 1 5 雷击时3 5 k v 母线电压 图4 1 6 雷击时1 1 0 k v 母线电压 、- ，、 、 01 545 7 5 呻s 1 9 0 ( f i l m 1 5 2 事* ：x - v f qc ：i o m u b a - x 0 0 e d ac 1 侧u b ) 嘞撼c ：t 弭u i 。湘0 5 3 c 图4 1 7 雷击时1 0 k v 母线p t 电流 由图可见雷击对侵入波对整个变电站都造成了影响，系统部分离雷击点越近的 受影响越大。其中在雷击时刻1 0 k v 母线a 相电压幅值达到2 8 0 k v ( 图4 一1 3 ) ，侵入 波传到变压器1 0 k v 出线端时，电压波形如图c ，电压幅值已经降到1 9 0 k v ，3 5 k v 和 1 1 0 k v 母线电压变化情况如图e 、f 所示。图f 为雷击产生1 0 k v 母线p t 电流变化情 况，电流只是在雷击时刻有一个较大的突变，从毫安级跳变到0 1 5 a 左右，但随即 恢复正常情况。 4 4变电站10 k v 系统单相断线 单相断线故障发生在2 # 变压器1 0 k v 出线端与1 0 k v 母线间的断路器上，断线相 为a 相，断线时间为t = 0 1 s 。该故障的产生只需要更改变电站模型中断路器模型 的参数即可以实现，无需增加额外的设备，因此在此即不再给出仿真模型。 2 4 华北电力大学工程硕士学位论文 i n l 41 8 肼x - v a t i ) c t b t a - x 1 4 5 3 ac ：舳- x 1 4 5 3 8c 呵c - x 1 4 5 3 c 图4 1 8 断线故障时三相电流 ( 他4 1 8 玳x - r t ) v ：t a t , v ：t a r bv ：w c 图4 - 2 0l 萍变压器1 0 k v 出线端电压 i l i b 4 1 8 州：x v w t ) c t b t b - x 1 4 5 3 b 图4 1 9 断线故障时b 相电流 t 融1 0 事i ：l i e u 奄c t x o q 0 9 ac 矾傅- x o 蚺c 1 c - x 0 0 c 图4 2 1 1 撑变压器1 0 k v 出线电流 发生单相断线后，断线相电流迅速下降到零，其余两相电流也有部分减小。2 # 变压器，1 0 k v 出线发生断线时刻，l # 变压器，1 0 k v 出线电压出线跳跃，峰值( a 相) 为1 9 8 k v ，2 4 p u ，但由于变压器的钳制作用，电压随后很快就恢复正常电压只是 伴随有一些很小的振荡。断线故障( a 相) 发生后由于2 # 变压器的处于缺相供电状 态，l # 变压器进线电流幅值都有定升高，尤其与2 # 变压器断线相对应的a 相电流 升高最多，补充1 0 k v 母线出线侧输电容量。 4 5变电站1 0 k v 出线两相短路接地 两相短路故障发生地点在1 0 k v 出线i i 回，短路点在线路末端负荷侧短路时间t = 0 0 2 s ，在t = 0 1 s 短路故障消失。该仿真模型即为两相同时接地，将其接地时 间设置为相同即满足了两相同时短路接地的要求，故障图如下图4 2 2 。 华北电力大学工程硕士学位论文 图4 - 2 21 0 k v 出线两相短路接地 ( t i m , 1 8 p h x , 4 t l r qc ： f l b t a - x 1 2 q ：m ct 哪x 1 2 a 辩c ： t g t c - x 1 2 啦$ c i f 4 1 8p h ：x w qvt a r a vt a r 8 v ：t a t c 图4 - 2 31 撑变压器1 0 k v 出线电流图4 2 4 变电站1 0 k v 母线电压 由于1 0 k v 母线出线线路较多，一回出线的两相短路对系统电压影响很小，只 是在短路期间，母线的供电线路中两短路相的电流有所增大，这主要是由于在短路 的两相间构成了短路回路，增大母线上两相的电流。 4 6变电站3 5 k v 进线发生单相接地 根据该变电站以往运行经验表明当其3 5 k v 进行发生单相接地故障时曾发生国 铁磁谐振过电压，相通过计算和仿真来进行详细的验证。 ( 1 ) 理论计算 3 5 k v 进线部分电容包括两部分，母线对地电容为0 0 0 1 8 u f 和架空线的对地电 容为0 0 6 1 u f ，对应容抗为x c o = c = 5 0 6 8 6 ，3 5 k v 母线p t 稳态电感 三= 等= 淼= 4 8 3 3 3 ，x m 3 w l = 15 1 8 4 3 6 4q ，母线上两个p t 并联x m = 2 6 华北电力大学工程硕士学位论文 0 5 * 1 5 1 8 4 3 6 4 = 7 5 9 2 1 8 2q ，所以有k ：生：o 0 0 6 7 与h a p e t e r s o n 的试验得出的经 x 。 验公式比较：当x c o x m o 0 1 或x c o x m 2 8 时，系统不会发生铁磁谐振。 理论计算结论为不会发生铁磁谐振过电压。 ( 2 ) 模型仿真 图4 2 5 谐振模型图( 为3 5 k v 部分) 单相接地动作时间设置为t - o 0 4 s ，t = 0 0 8 s 接地故障消失，此时会产生谐振过 电压，当接地故障消失时间设置为o 0 9 5 s 时不会产生谐振过电压。下面是将故障消 失时间设置为t - - o 0 8 s 时的谐振情况。 i f 41 8 3 觯：，v ，4v ：3 鲥i j a v ：3 5 m j bv ：骑m u c 图4 2 6 母线三相电压波形 图4 2 7 母线a 相电压波形 华北电力人学工程硕士学位论文 l f k 1 8 童p 咄x - ：g l l l f nv ：3 5 u t 6 图4 2 8 母线b 相电压波形 图4 2 9 母线p t 三相电流波形 船4 l o 4 p 1 4 ；x - v i g c h - ，一 u 口t h 图4 3 0 母线p t a 相电流波形 在接地时刻系统三相电压中除接地相外，开始剧烈振荡，振荡过程中电压幅值 最高相( c 相) 得到了2 4 5 倍相电压，经过剧烈的振荡后两相电压稳定在线电压位 置。在时间t = 0 0 8 s 时接地故障瞬间消失，电压波形出现了五分之一次谐振，电压 幅值略高于线电压幅值，见图4 2 9 ，p t 电流剧增，三相幅值中c 相最大，达到0 1 6 7 a ， b 相为0 1 2 2 a ，a 相为0 1 1 3 a 。p t 正常工作电流为0 1 4 m a 左右。从图中可以看出 谐振周期为0 1 s , 5 倍工频周期。 在以上谐振故障仿真模型中，将单相接地故障消失时间设置为t = 0 0 9 5 时，其 它设置保持不变，此时不再有谐振产生，在接地故障消失瞬间，母线电压只有微小 的波动情况。工况如下： f 4 6 2 0 1 4 ；x - * d j i t t ) v 拈驵盟3 5 _ q j 0v 鹞c l 舢4 1 8 2 尸：i v i i l 9 03 5 m 一 图4 - 3 1 母线三相电压变化情况图4 3 2 母线a 相电压变化情况 华北电力大学工程硕士学位论文 当把故障消失时间设置为t = 0 0 9 5 s 时，除了在单相接地期间有过电压产生外， 故障消失后电压只有轻微的波动，没有谐振的趋势。单相接地后瞬间消失被认为是 中性点绝缘系统中最容易激发谐振的故障类型，原因在于：在接地期间故障点会流 过电容电流，未接地相的电压升高至线电压，线路、母线充上与线电压相应的电荷， 接地故障瞬间消失后，线路对地电压将突变回原来的相电压需要将多于的电荷释放 掉，而中性绝缘系统中只有通过p t 的中性点才能构成释放回路，大量电荷短时间 要通过p t 中性点释放，因而引起了p t 的饱和，饱和后的p t 励磁电感若和系统电 容满足匹配关系就可能激发谐振。将a 相接地故障消失时间设置为t - - 0 0 8 s 时，此 时b 、c 两相的对地电压( b 、c 相对a 相的线电压) 远远大于正常情况下的系统 相电压( 故障消失后的相电压) 所以在故障消失时刻b 、c 两相存储的电荷较多， 故障消失后有大量电荷需要通过p t 中性点释放，因而能激发谐振。而将a 相接地 故障消失时间设置为t = 0 0 9 5 s 时，此时故障消失时刻，b 、c 两相对地电压基本上 没有太大变化，需要释放的电荷很少，所以没有激发谐振。 ( 3 ) 结论 通过模型仿真与理论计算比较有一定的出入，其中理论计算不会发生铁磁谐振 过电压而模型仿真结果在特定的时间条件下会产生铁磁谐振过电压，通过分析本人 认为由于理论计算由于未考虑分布参数的问题，因此理论计算值并不特别准确，而 仿真结果较准确的反应了真实情况，与现场调查情况相符。 4 7本章小结 本章针对11 0 k v 变电站仿真模型在多种激励下进行仿真，针对该模型其在3 5 k v 发生单相接地故障的情况及特定的时间条件下产生了铁磁谐振过电压。需要通过对 抑制措施的研究来解决此问题。 2 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第五章铁磁谐振过电压抑制方法研究 针对上述产生铁磁谐振过电压的变电站3 5 k v 系统采用模拟的方法验证消谐措 施，该系统3 5 k v 进线侧为中性点不接地系统，对于中性点不接地系统的常用的消 谐措施主要有： 在p t 一次绕组中性点接对地电阻 在p t 开口三角短时接入电阻 将系统中性点经大电阻接地 系统经消弧线圈接地 5 1在p t 一次绕组中性点接大电阻 p t 中性点接地电阻r = 1 0 0 0 0 q 时，电压波形如下： ( r h 4 1 8 附：x m r t v3 9 氟n v3 5 j u bv ：3 , c 猁e ( 蚋 0 觯：x - v k 母v | 。5 且 图4 3 3 中性点接大电阻( 1 0 0 0 q ) 三相电压波形图4 - 3 4 中性点接大电n ( 1 0 0 0 n ) a 相电压波形 p t 中性点串接电阻过小，虽然起到了一定的阻尼作用，谐振过电压有消弱趋势， 但阻尼强度不够大，消谐过程过长，这样图示持续几百个微妙的过电流还是会烧毁 p t 。 中性点接地电阻r = 5 0 0 0 0 f 2 时，电压波形如下： f 1 8 p h ：x - v j 竹v v3 5 矗v - 3 5 露 图4 - 3 5 中性点接大电1 j f l ( 5 0 0 0 ) 三相电压波形 f 4 t l l p h i - v m qv3 5 u a 图4 3 6 中性点接大电阻( 5 0 0 0 q ) a 相电压波形 3 0 华北电力大学工程硕士学位论文 当将p t 中性点接地电阻增加到5 0 0 0 q 后，增大了系统零序回路的阻尼，对谐振 的抑制效果很明显，在t - - o 3 s 后系统基本上就恢复了正常工作状况。将中性点电阻 再次增大到1 0 0 0 0 0 q 后，基本上完全抑制了谐振，如下图。 图4 - 3 7 中性点接大电阻( 1 0 0 0 0 0 q ) 三相电压波形图4 - 3 8 中性点接大电阻( 1 0 0 0 0 0 q ) a 相电压波形 5 2在p t 开口三角短接电阻 通常用于消谐的开1 ：3 三角的电阻值应满足r o 4 x ：，其中x 二为励磁电感感抗换 剿p t 开1 2 1 三角绕组两端值。经换私- - - x m * ( 罴) 2 = 4 1 3 2 q , r - 16 5f l , 图4 3 9 开口三角短接电阻( 1 0 q ) 三相电压波形图4 - 4 0 开 i - - - 角短接电阻( 1 0 q ) a 相电压波形 ( 舶0 ：i i , v k qv3 s 啵nv ：a e x t , v ：3 s t u g 图4 4 1 开i 二i - z 角短接电阻( 3 q ) 三相电压波形图4 - 4 2 开口三角短接电阻( 3 q ) a 相电压波形 华北电力大学工程硕士学位论文 图4 4 3 开口三角短接电阻( 1 q ) 三相电压波形 ( 舶1 8 2 觯：x - v i i qv ：3 & w 1 3 a 图4 4 4 开口三角短接电阻( 1q ) a 相电压波形 比较以上六图当r = 1 0q 时，谐振在t = 0 3 s 基本消失，r = 3q 和r = 1q 时， 谐振基本上没有被激发起来，只有故障消失时刻产生的三相电压的小型波动。 关于开口三角短接电阻的投入时间还需说明一点，如是将短路电阻一直短接在 开口三角，在系统发生单相接地时候，p t 就会因为开口三角流过特大的过电流烧毁， 下图是阻尼电阻r = 1q 长时间接入开口三角，系统发生单相接地时流过开口三角的 电流波形： 图4 4 5 阻尼电阻一直投入时开口三角电流波形 接地故障产生时刻为t = o 0 4 s ，故障消失时刻t - - 0 0 8 s ，在故障期间，开口三角 流过幅值达8 0 a 的电流，足以将p t 烧毁。 所以，近年来研制的在开口三角投入阻尼电阻的装置都要求在正常情况下，不 投入阻尼电阻，在出现分频谐振时瞬时投入阻尼电阻，谐振消失后，切除阻尼电阻， 恢复正常接线。 5 3 系统中性点经大电阻接地( 变压器3 5 k v 侧中性点) 系统中性点经大电阻接地后，由于中性点于大地间有了电气连接对母线电压有 一定的钳制作用，同时还增大了系统零序回路的阻尼，有利于谐振的抑制。 图4 4 6 系统中性点电阻( 1 0 0 0 0 0 0 q ) 时母线电压波形 图4 4 7 系统中性点电阻( 5 0 0 0 0 0) 时母线电压波形 图4 4 8 系统中性点电阻( 1 0 0 0 0 0f f 2 ) 时母线电压波形 在r = 1 0 0 0 0 0 0q 和r = 5 0 0 0 0 0q 时系统电压在故障消失后还出现了一定的谐振 现象，当r = 1 0 0 0 0 0 q 后基本上完全抑制了谐振，故障消失后不久系统电压就恢复 了正常的工作状态。 3 3 华北电力大学 程硕士学位论文 54 系统中性点接消弧线圈 系统中性点接消弧线圈相当于在p t 每相励磁电感上并联一个电感，由于消 弧线圈的电感值比p t 励磁电感小得多，相当于将p t 等效零序电感短路，打破了参 数匹配关系，使谐振不易产生。中性点接消弧线圈时通常采用过补偿方式，但由于 系统的进线部分线路较短该侧的系统电容电流较小，粗略计算只有07 a 左右，按 规程是不需要安装消弧线圈的。通常对于电容电流较小系统如按照规程取消弧线圈 的脱谐度不超过1 0 的话，消弧线圈电感量特别大，在制作工艺上很难满足，而且 过大的电感也可能给系统带来其它的问题，下面取消弧线圈电感量1 h 的情况以用 以说明消谐情况： ( “o 闰4 4 9 按消弧线圈时三相母线电压变化情况 4 * h o 日v * 圈4 5 0 接消弧线圈时接地相a 相母线电压变化情况 1 一j 图4 - 5 1 接消弧线圈时c 相母线电压变化情况 消弧线圈能有效的抑制谐振，但持续时间较长，而且在消谐过程中，系统电压 振荡较剧烈。通常消弧线圈对犬电容电流系统谐振情况消谐效果比较明显，在系统 电容电流不是很大的情况下( 在1 0 a 以下) 可优先考虑选用的中性点接非线性电阻 消谐。 综合比较几种消谐措施虽然都能在一定程度上消除谐振发生或抑制了谐振持 续进行，但不论从消谐效果和副作用来看，丌口三角和系统中性点经大电阻接地两 3 4 华北电力大学工程硕士学位论文 种措施都具有较大的优越性。 5 5其它消谐方式说明 ( 1 ) 、母线上装设中性点接地的三相电容器组 p p e t e r s o n 等人对谐振区域的研究指出，当兽 o 0 1 时，可防止谐振，但是从查 五朋 阅的文献资料看当系统满足上述条件时候，仿真和现场运行情况都说明还是可能产 生谐振。当兽的值下降时，谐振的概率是可以下降，但同时可能在单相接地故障 五胁 消失候产生过大的低频饱和电流，产生严重的过电流。所以此种消谐方式很难确定 x = 譬的值来保证系统不发生事故，不是很好的消谐方式。 z ，托 ( 2 ) 、采用励磁特性好的p t 这是一个基本的措施，产生铁磁谐振的根本原因在于p t 的励磁特性不好，零 序磁阻小，在过电压作用下，电感值下降零序电流急剧增加。但是伏安特性好的p t 在多台p t 并联的时候励磁特性也会变差，并不能保证所有情况下都不产生谐振。 ( 3 ) 、三、采用电容式电压互感器 电容式电压互感器( c v t ) 由电容分压器和电磁单元构成，这种方法对抑制谐 振比较有效，但在系统中采用c v t 会带来许多问题： 在配电网的电压等级范围内，c v t 的生产成本通常大于电磁式p t 。 c v t 的瞬变相应特性较普通的电磁式p t ，其测量精度不如后者。 目前由于设计技术和制造水平的限制，c v t 的运行事故率远高于p t 。 在中性点不接地系统中，c v t 容易发生自谐振，造成设备损坏。 5 6本章小结 在本章主要针对上一章中产生铁磁谐振过电压的情况对目前普遍应用的消除 铁磁谐振过电压的方法进行了研究，对多种消除方式进行研究后发几种消谐措施， 虽然都能在一定程度上消除谐振发生或抑制了谐振持续进行，但不论从消谐效果和 副作用来看，开口三角和系统中性点经大电阻接地两种措施都具有较大的优越性。 华北电力大学工程硕士学位论文 6 1实例分析 第六章实例分析与应用推广 实例分析一： 贵阳供电局1 l o k v 龙洞堡变电站，其3 5 k v 系统于2 0 0 6 年发生一起由于单相短路而 引起的3 5 k v 电压互感器烧损事故，事故发生后经过多方面调查均未查找到事故的具体 原因，事故经过抢修从新更换电压互感器后系统投入运行，但恢复运行后又多次发生电 压互感器或电压互感器保险烧损的事故。 至本论文开始研究以后，建立了实例模型通过仿真计算为上述发生的事故进行了必 要的定性，事故原因是3 5 k v 进线发生单相接地激发铁磁谐振过电压所致，利用前文中 所作的研究，确定在电压互感器开口三角短接1q 电阻，从仿真结果来看该方法对铁磁 谐振过电压的抑制效果最佳，且使用该方法投入非常低。从2 0 0 7 年8 月在电压互感器 开口三角短接lq 电阻至今该变电站3 5 k v 系统未再次发生电压互感器或电压互感器保 险烧损的事故。 实例分析二： 现阶段随着城网改造的不断深入，将广泛的使用电力电缆，随着电缆用量的不断增 加将使得变电站电容电流升高很多，然而电容电流的增加必然将提高铁磁谐振过电压产 生的几率，以1 l o k v 龙洞堡变电站为例，其l o k v 系统电容电流逐渐增加直至产生铁磁 谐振过电压，在此基础上进行仿真。通过仿真计算发现，当电容电流为4 5 a 时l o k v 出 线发生单相接地故障时即会激发l o k v 系统的铁磁谐振过电压。通过分析认为该过电压 必然对l o k v 绝缘造成破坏。 图6 - i 使用励磁特性好的电压互感器后仿真电压波形 预防该事故发生的措施有以下三种：1 、降低l o k v 系统电容电流，该方法投入较大， 3 6 华北电力大学工程硕士学位论文 需要安装单独的消弧线圈，在目前电容电流增长不是很大的情况下不可取。2 、利用外 加装置的方法抑制铁磁谐振过电压，如上文中介绍的方法，通过外加电阻等抑制铁磁谐 振过电压；使用此方法虽然投入少、效果好，但由于目前还不能肯定电容电流的大小盲 目的加装装置不适合。3 、使用励磁特性好的电压互感器，即目前有厂家生产的抗谐振 电压互感器，该方法就针对所假设的情况非常合适。 综合以上分析可知，第三种措施最为合适。 将励磁特性好的l o k v 电压互感器的各项参数录入仿真系统中进行仿真计算，确实 起到了抑制铁磁谐振过电压的作用，在0 6 秒以后电压基本恢复正常。电压图形如图6 - 1 所示。鉴于以上的分析贵阳供电局已将l o k v 电压互感器更换为抗谐振电压互感器，目 前运行正常，未出现任何异常情况，相信随着电容电流的增大其将发挥其励磁特性好的 优势，确保铁磁谐振过电压不会产生。 6 2应用推广 ( 1 ) 变电站初期设计方面：变电站的初期设计一般都按照设计标准、以往的 经验等进行设计，虽然这样能保证变电站的设计满足运行的要求，但还是有一定的 不足，往往在各个电气设备的参数配合和型号选择上由于按经验进行，没有通过验 证从而在变电站运行后引起铁磁谐振过电压。该项目完成后，我们在变电站初期的 设计工作中就可以利用仿真软件建立新变电站模型，并将所选设备的参数录入仿真 模型中进行计算，从而确定该变电站是否会产生铁磁谐振过电压；并及时进行修改， 保证设计的准确性和变电站运行的稳定性。 ( 2 ) 变电站运行维护方面：变电站的运行维护对于供电系统的生产部门来说 是一个非常重要的项目，目前从运行和维护上来看基本上处于还不能很好的作到提 前预控，往往都是在运行中遇到了问题以后，再来进行维护或解决问题，对问题的 防止有一定的滞后性。该项目的完成，使我们已经建立的各个变电站的模型档案， 并对该变电站现在的运行情况有了初步的了解，如果有问题的话我们可以尽快进行 解决弥补以前工作中的不足点，当以后该变电站的出线、进线方式、电容器运行方 式、设备更换等变电站结构参数发生改变时，我们可以提前使用仿真软件将该变电 站的模型调出进行相应的修改，改为将运行的模式，此时进行仿真计算，我们就可 以提前预知这些方式的改变是否会引发改变电站产生铁磁谐振过电压，从而可以提 前进行改进或增加相应的措施，避免在运行后产生铁磁谐振过电压的事故。 ( 3 ) 变电站事故分析方面：每一个变电站不可避免的都会发生各种事故，对 于3 5 k v 及以下供电系统铁磁谐振过电压引发的事故属于主要事故，占发生事故的 大多数；目前对事故的分析不全面、不彻底，很难具体解释清楚发生的事故到底是 什么原因引发的，到底属于什么事故，要运用什么方式进行防止。该项目的完成我 3 7 华北电力火学工程硕士学位论文 们可以通过仿真模型，将发生事故时的各种参数录入其中，仿真计算后就可以很好 的了解是不是因为铁磁谐振过电压的原因引发了此次事故，并通过仿真找出防止的 措施。 本论文的研究成果在生产及设计部门都有非常广泛的应用价值，值得在生产现 场进行推广，使得变电站从设计开始就一直处于一个规范、安全、稳定的运行状态， 从而保证正常的供电工作，和电网的安全稳定运行。另外，目前正在利用文中的方 法逐步建立贵阳供电局变电站铁磁谐振过电压仿真专家库，准备建立全局1 2 4 座变 电站的仿真模型，并将研究范围扩展到5 0 0 k v 及以下所有电压等级及所有过电压范 畴，现阶段正在完成过程中。 3 8 华北电力大学工程硕士学位论文 第七章结论 本文基对1 1 0 k v 变电站铁磁谐振过电压及其防治措施进行了仿真研究与实例分 析，主要结论如下： l 、基于a t p - e m t p 仿真软件建立了1 1 0 k v 变电站铁磁谐振过电压仿真的分布参 数模型，设置了仿真模型中各个电气设备的具体参数，尤其对互感器模型进行了深 入研究，为1 l o k v 变电站铁磁谐振过电压得仿真分析研究奠定良好基础。 2 、基于所建立的l l o k v 变电站铁磁谐振过电压仿真分布参数模型，采用各种 激励进行仿真，对可能产生谐振过电压的各种情况进行了仿真分析。仿真结果表明 铁磁谐振过电压的产生有一定的概率，只有当各方面条件都达到的情况下才产生铁 磁谐振过电压，但一旦发生铁磁谐振过电压其后果是相当严重的。 3 、研究确定了几种适合于贵阳地区的1 l o k v 变电站铁磁谐振过电压防治措施， 并应用仿真模型对各种防治措施进行了仿真研究。仿真结果表明文中所提出的防治 措施均能在起到一定的效果。 4 、结合贵阳地区某变压站谐振过电压，进行了实例分析，验证了本文研究方 法确实可行有效，能够解决了现场实际生产工作中的难题。 3 9 华北电力大学工程硕士学位论文 【l 】周泽存 【2 】要焕年 【3 】陈维贤 【4 】聂春燕 参考文献 高电压技术，北京：中国电力出版社，1 9 8 8 ，6 ，2 5 8 2 7 4 曹梅月，电力系统谐振接地，北京：中国电力出版社，2 0 0 0 ，7 ，2 3 0 内部过电压基础，北京：电子工业出版社，1 9 8 1 ，1 2 ，2 一1 3 张丽英，于存江，基于铁磁共振的混沌现象讨论，长春大学学报，2 0 0 0 ， 1 0 ( 2 ) ：1 1 - 1 3 【5 】唐巍，李殿璞，陈学允，混沌理论及其应用研究，电力系统自动化，2 0 0 0 ，2 4 ( 7 ) ： 6 7 7 0 【6 】李艳，电力系统三相铁磁谐振的数字仿真，硕士学位论文，武汉，武汉水利水电大 学，1 9 9 9 【7 】俎云霄，电力系统铁磁谐振的数字仿真及微机监控的实现，硕士学位论文，保定， 华北电力学院，1 9 8 8 【8 】陈维贤，邬雄，郑盛琼等，r 1 0 2 2 0 k v 变电所中的互感器谐振和稳压消谐，高电 压技术，1 9 8 7 ：2 7 , - - 3 3 9 】杨秋霞，电力系统铁磁谐振的数字仿真及小波分析，硕士学位论文，北京，华北电 力大学，2 0 0 1 【10 】a b e n t a l ，d s h e i n , s z i s s u , s t u d y i n gf e r r o r e s o n a n c ei n a c t u a l p o w e rs y s t e m sb y b i f u r c a t i o nd i a g r a m ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sr e s e a r c h4 9 ，19 9 9 ：l7 5 18 3 1 2 】 1 3 】 1 4 】 【1 5 】 r a w a l l i n g ，k d b a r k e r , t m c o m p t o n ， f e r r o r e s o n a n t o v e r v o l t a g e s i n g r o u n d e d w y e w y ep a d m o u n tt r a n s f o r m e r s 诵t l ll o w - l o s ss i l i c o n s t e e lc o r e s ，i e e et r a n s a c t i o n so n p o w e rd e l i v e r y , 19 9 3 ，v 0 1 8 ，