（高电压与绝缘技术专业论文）配电网pt低频非线性振荡分析与抑制措施研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着城市配电网的发展，架空线路的不断加长，出线多以电缆为主，使系统 的对地电容显著增大。在中性点不接地的电网中，经常激发由电磁式电压互感 器( p t ) 和对地电容引起的铁磁谐振和低频非线性振荡过电压过电流，出现p t 高压保险频繁熔断甚至p t 烧毁现象，对电力系统安全运行造成极大威胁。 现有的各种消谐方式对铁磁谐振已有较好的抑制效果，但是对于系统线路较 长时，p t 电感与对地电容的参数匹配已超出了发生铁磁谐振区域，进入低频非 线性振荡区域，会在p t 中产生很大的过电流和过电压。 本文通过e m t p a t p 电磁暂态计算程序，对6 k v 系统仿真计算了由单相接地故障 消失激发的各种铁磁谐振和非线性振荡，给出了系统参数与过电压过电流的关系曲 线和典型的过电压与过电流波形；讨论了现有主要消谐措施对铁磁谐振和低频非线 性振荡的抑制效果，提出了一种新的能有效抑制各种过电压和过电流的措施，对防 止p t 高压保险频繁熔断甚至p t 烧毁，确保配网安全、可靠运行，具有重要的指 导意义。 关键词：电磁式电压互感器，电磁暂态计算程序，铁磁谐振，低频非线性振荡 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，g r o u n d e dc a p a c i t a n c e o f p o w e rs y s t e ml a r g e ra so v e r h e a d l i n e s l e n g t h e n a n dc a b l e se n l a r g e f e r r o r e s o n a n c ea n dl o wf r e q u e n c yn o n l i n e ro s c i l l a t i o nc a u s e db y p o t e n t i a l t r a n s f o r m e ra n d g r o u n d e dc a p a c i t a n c ea l w a y s o c c u ri nt h e s y s t e m n e u t r a l u n g r o u n d e d a p p e a r sh i g hp r e s s u r ei n s u r a n c eo fp tf r e q u e n tf u s ee v e nt ob u r nd o w n p h e n o m e n o n ，i ti se n o r m o u st h r e a tt ot h es a f e t yo fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m t h ee x i s t i n ge a c hk i n de l i m i n a t i o nw a yh a v et h eg o o ds u p p r e s s i o ne f f e c tt o f e r r o r e s o n a n c e ，b u tf o rl o n g e rs y s t e ml i n e ，t h ep a r a m e t e rr a t i oo fp ti n d u c t a n c ea n d g r o u n d e dc a p a c i t a n c eh a ss u r p a s s e dt h ef e r r o r e s o n a n c er e g i o n ，i t e n t e r sl o w f r e q u e n c yn o n l i n e r o s c i l l a t i o nr e g i o n ，i tc a np r o d u c e l a r g eo v e r v o l t a g ea n d o v e r c u r r e n ti np t i nt h i sp a p e r , a s y s t e m i cs i m u l a t i o n su s i n ge l e c t r o - m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m i sp r e s e n t e d i ti ss i m u l a t i o na b o u ta l lk i n do ff e r r o r e s o n a n c ea n dl o wf r e q u e n c y 1 华北电力大学硕士学位论文 n o n 1 i n e ro s c i l l a t i o nc a u s e db ys i n g l e p h a s ee a r t hf a u l td i s a p p e a r e di n6 k vi s o l a t e d n e u t r a ls y s t e m i tp r e s e n t ss o m ec o r r e l a t i o nc u r v e sc o n n e c t e ds y s t e mp a r a m e t e r s w i t ho v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n t ，a n ds o m er e p r e s e n t a t i v ew a v ef o r m sd i a g r a m s a b o u to v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n t i td i s c u s s e ds u p p r e s s i o ne f f e c to ft h ee x i s t i n g e a c h k i n do fe l i m i n a t i o nw a yt of e r r o r e s o n a c ea n dl o wf r e q u e n c yn o n l i n e r o s c i l l a t i o n an e we l i m i n a t i o nr e s o l v eo v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n tc a u s e db y f e r r o r e s o n a n c ea n dl o wf r e q u e n c yn o n - l i n e ro s c i l l a t i o n ，a n di tc a n sg u a r a n t e et h e s a f e t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m l ij i n g y i ( p o w e rs y s t e mf a u l td i a g n o s i sa n da n a l y s i s ) d i r e c t e db yp r o f q u a ny u s h e n g k e yw o r d s ：p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r , e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ， f e r r o r e s o n a n c e ，l o wf r e q u e n c yn o n - l i n e ro s c i l l a t i o n 2 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网町低频非线性振荡分析与抑 制措施研究，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己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缢二 日期：丝! ：! ：兰? 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：导师签名 日期：芝2 ：芝：矽日期：趔z ：坌。即 华北电力大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及选题意义 第一章绪论 引起电网过电压的原因很多，主要分为内部过电压和外部过电压，外部过电压 是指雷击过电压，内部过电压分为操作过电压、暂时过电压( 工频过电压) 和谐振 过电压，操作过电压是在故障或操作时瞬间产生的过渡过程过电压，其持续时间一 般在几十毫秒，是由断路器及隔离开关操作引起的暂态过渡过程，既包括断路器的 正常操作，例如线路和变压器、电抗器等的合闸过电压和故障后线路的重合闸过电 压等，也包括各种分闸过程引起的过电压；暂时过电压是指暂态过渡过程结束以后， 出现持续时间大于0 1 秒至数秒甚至数小时的持续性过电压，暂时过电压为工频， 所以又成为工频过电压，工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效应、不对 称接地故障引起的正常相电压升高、甩负荷电压升高等，它与系统结构、容量、参 数及运行方式有关；谐振过电压指系统中出现串、并联谐振现象，导致系统中某些 部分出现过电压，其不仅会在系统操作或发生故障的过程中产生，而且可能在过渡 过程结束后的较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐振条件受到破坏为止。 在中性点不接地的配电网中，最常见的内部过电压是由系统对地电容与线路电 磁式电压互感器( 以下简称p t ) 的铁芯电感所引起的基频谐振过电压、高频谐振过 电压和分频谐振过电压，其中分频谐振次数最多，最容易激发，且谐振区域大。由 于过电流和过电压，往往会造成避雷器爆炸、烧毁变压器、互感器等设备的严重事 故，甚至造成人身伤亡。因此早有不少学者对其进行研究，实际运行经验表明，现 有的各种消除铁磁谐振措施，已能有效的抑制由p t 铁芯饱和而引起的谐振过电压， 通过近年的理论分析和试验研究及仿真计算表明，铁磁谐振是有一定的发生区间 的，当系统对地电容进一步增大，超出谐振参数范围，就可避免铁磁谐振的发生i l j 。 但是近年来，随着配电网的发展，架空线路的不断加长，特别是城市配电网出 线多以电缆为主，使得系统的对地电容显著增大。电感和电容参数已超出发生铁磁 谐振的区域范围，很少发生铁磁谐振，但是实际运行中，仍常出现p t 高压熔丝频 繁熔断甚至p t 烧毁现象，对电力系统安全运行造成极大威胁5 】【6 】【7 】【8 】【9 】【1 们。 现有的铁磁谐振理论已无法分析p t 高压熔丝频繁熔断或烧毁原因，并且原有的 铁磁谐振消谐措施不知是否对低频非线性振荡故障有效，因此对此种p t 发生故障 的原因进行分析研究是很有实际意义的。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 在中性点不接地系统中，为了监视绝缘，发电厂、变电站的母线上常接有y 0 接线的p t 。正常运行时，p t 的励磁阻抗很大，而且三相基本平衡，中性点的位移 电压很小。但在某些切换操作后或在接地故障消失之后，p t 三相饱和程度差别很 大，它与导线电容或其他设备的杂散电容间形成谐振回路，可能激发起各种谐波的 铁磁谐振过电压。p t 铁芯饱和引起的过电压是中性点不接地系统中最常见和造成 事故最多的一种内部过电压。 数十年来，对于电力系统中由p t 饱和而引起的铁磁谐振现象，国内外的专家学 者进行了大量的研究，包括理论分析、各种试验以及利用计算机进行数值仿真计算 等，从各个不同角度解释了铁磁谐振的现象及其变化规律，产生谐振的必要条件， 并提出了一系列抑制铁磁谐振的措旄，研制了相应的装置，在系统运行中取得了一 定的效果。 四十年代h a p e t e r s o n 等对铁磁谐振进行了较全面的模拟实验研究，绘制了谐 振区域图，讨论了各种谐振条件对谐振区域的影响【2 】。国内学者也多次做模拟实验 对铁磁谐振的发展过程和谐振条件进行了深入研究，更多地揭示了铁磁谐振的内在 规律，有助于全面认识铁磁谐振的特点，并在此基础上研制了几种消谐装置。 在系统出线很短的情况下，电网对地电容c 0 值很小，p t 绕组与电网对地电容形 成的回路自振角频率很高，系统就有可能发生高频谐振；随着出线的增长，对地 电容c n 的增大，系统有可能激发基频或分频谐振。随系统的扩展和电缆线路的广泛 使用，系统对地电容也越来越大，这时电压互感器与系统对地电容的等值参数已超 出了谐振区域，但当系统在单相接地自动消失时，仍会在电压互感器中形成严重的 过电流。谐振会造成系统过电压和p t 过电流，使系统中弱绝缘设备发生对地闪络 和p t 高压保险熔丝熔断、甚至烧毁p r 。运行经验表明，p t 谐振与低频振荡是配电 网中最为频繁出现和造成事故最多的一种内部过电压i 儿l 。 关于铁磁谐振的理论分析和计算主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在早期的理论分析中，分析铁磁谐振常用的方法有图解法，相平面法，多 在对铁磁谐振发生机理进行定性的分析，这些方法简捷、直观，是对模拟实验方法 的一个很好的补充。但是，它们的研究对象仅限于单相r l c 串联的非线性谐振电 路f 甜。 ( 2 ) 6 0 年代后，开始使用各种非线性系统的分析法对谐振电路非线性二 阶电路进行分析。例如，幅频法、描述函数法、平均法、谐波平衡法等。这些方法 都属于一种近似的解析法，只能对稳态情况进行分析。随着计算方法和计算技术的 发展，人们将数字仿真引入到铁磁谐振的研究中来对其暂态特性进行了研究。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 8 0 年代后期以来，国外学者又把铁磁谐振与非线性动态系统和混沌分析 结合起来，将分叉理论、奇异和非奇异吸引子的概念引入铁磁谐振的研究领域，利 用功率谱密度和魇加莱映射的方法和数字仿真技术对其进行动态分析。将铁磁谐振 电路的响应分为三类：周期响应、拟周期响应和混沌响应。并证实在一定的初始条 件下，电力系统也会出现混沌现象【1 2 l i l 3 1 。 ( 4 ) 用数字仿真方法对铁磁谐振进行稳态和暂态计算l l ”。 现有的抑制中性点绝缘系统中p t 引起的铁磁谐振的措施装置主要分为两大类： 一类是改变回路参数方法，使谐振回路储能元件电感、电容值远离谐振的匹配条件， 从而破坏谐振条件，增加激发谐振难度，避免谐振从而达到消除谐振的目的。如： 电源变压器中性点i 临时接地；中性点投入消弧线圈接地；中性点改为经电阻 接地的运行方式：投入事先规定的某些线路或设备：将互感器的中性点从接地 点断开或者干脆切除互感器，但是要注意到再投入时，可能重新出现过电压；临 时将p t 开口三角形绕组瞬时间内进行短接( 短接时间在2 秒钟以内) ；另一类为消 耗谐振能量方法，通过接入耗能元件，消耗谐振能量，从而抑制铁磁谐振的产生。 如：p t 高压侧中性点经小电阻接地；p t 二次侧开口三角绕组接小电阻；系 统中性点经电阻接地等。 到目前为止，国内对于p t 谐振的数值计算研究可分为两大类：一是在一定的数 学模型基础上，用一些拟定的参数进行计算得出有关p t 谐振的规律；另一类则是 采用国外的电力系统电磁暂态计算程序( 酬t p ) 对实际系统进行仿真计算。这种配 网系统p t 饱和产生的过电压与过电流现象是在三相回路中统一产生的，一般不能 简化为单相电路处理。因而，用数学分析的方法，求解三相系统p t 饱和产生的过 电压与过电流有极大的难度。于是采用e m t p 软件对低频非线性振荡进行仿真是较 好的方法。 1 3a t p - - e m t p 程序介绍 本文所做仿真研究工作，均采用通用的电磁暂态计算程序a t p e m t p 模拟，其 具有参数改变灵活、计算准确度较高等优点，能为电力系统的研究、设计和安全运 行提供可靠的依据。 a t p 程序( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是目前世界上电磁暂态分析 程序( e m t p ) 最广泛使用的一个版本，a t p - e m t p 程序几乎可为世界上的每一个人所免 费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。 e m t p 程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某 个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时间变化的规律；将e m t p 的稳态 3 华北电力大学硕士学位论文 分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。另外，e m t p 程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。 目前。a t p - e m t p 的数学模型包括如下几种： 集总参数电阻r 、电感l 和电容c ； 多相丌等值电路； 多相分布参数输电线路： 非线性电阻，这里h f 特性曲线是单值的； 非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞； 时变电阻； 开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管和晶闸管 也包括在内； 电压源和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可用f o r t r a n 或t a c s 来定义波形； 动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二相和 三相感应电机和直流电机。它与t a c s 控制系统模型相联接，从而可模拟电压调节 器和调速器等的动态特性。 控制系统可以用t a c s ( t r a n s i e n ta n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m s ) 来实现， 允许不同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和输出可以和e m t p 的电网络 相接口。 a t p - e m t p 还配备有比t a c s 更灵活、功能更强的通用描述语言m o d e l s 。m o d e l s 在a t p - e m t p 中的作用主要可归纳为如下几个方面： 提供一种用来开发电路和控制元件模型的工具，这种电路和控制元件模型难 以用a t p 和t a c s 中现有元件模型来实现； 具有完整程序语言的灵活性而不需要在编程级( p r o g r a m m i n gl e v e l ) 上与a t p 程序相互作用； 不但可以描述元件是如何运行的，而且可以描述元件的初始状态是如何建立 的； 在模拟级( m o d e l i n gl e v e l ) 上，通过电压、电流和控制信号建立与a t p 的标 准程序接口，而不需要在编程级上通过变量、公用数据区和子程序与a t p 相接口， 这使得将a t p 与外部程序相连接时不必知道a t p 内部是如何运行的，也不必改变a t p 的源程序 a t p - e m t p 还配备有图形输入程序a t p d r a w t m ，可以在w i n d o w s 9 5 n t 下运行。 a t p d r a w 作为a t p e m t p 的一个前处理程序，最终生成一个格式正确的a t p e m t p 的 数据输入文件。目前a t pd r a w 支持7 0 个标准元件和2 8 个t a c s 模块，同时也支持 m o d e l s ，用户可以根据自己的需要创建所需要的电路模块。 4 华北电力大学硕士学位论文 目前p c 机上最流行的a t p 版本有两种。一种是s a l f o r da t p e m t p ，另一种是 w a t c o ma t p - e m t p 。两种版本的特点如下：s a l f o r da t p e m t p 可以在 m s d o s ，w i n d o w s 3 x 和w i n 9 5 下运行，但需要一个叫做d b o s 的d o s 扩展器，该d o s 扩展器被包含在程序盘中。s a l f o r d t p e m t p 在w i n 9 5 下运行时不是很平稳的，特 别是当数据量非常大时，因为该程序执行时占用了计算机的所有资源。该版本的一 个优点是可以使用t p p l o t ( 也需要d b o s ) 作为图形输出工具( 用来看图、画图和存 图) w a t c o ma t p e m t p 是一个真正的3 2 位w i n d o w s 应用程序，可以在w i n 9 5 n t 下 运行，不能在w i n d o w s 3 x 下运行。它的图形输出工具是p c p l c r r 和p l c r r x y 。p c p l 0 r r 在w i n 9 5 n t 下运行，它是由e e u g 开发的，并被包含在w a t c o ma t p - e m t p 的程序盘中 1 1 5 1 1 1 6 1 。 1 4 本文所做工作 在中性点不接地电网中，单相接地故障是发生频率最高的一种故障，是铁磁谐 振最常见的一种激发方式。因此，本文选用单相接地故障消失来激发铁磁谐振，采 用a t p - - e m t p 仿真计算程序，对高频谐振、基频谐振、分频谐振和主要消谐措施进 行系统的数值仿真计算。 i 仿真研究3 5 k v 以下配网单相接地故障消失激发的低频非线性振荡； 2 研究低频非线性振荡有可能会造成p t 高压侧保险熔断器熔断甚至p t 烧 毁的机理，重点考虑工程实际中随着架空线路长度的增加、特别是城市 配网电缆出线迅速增加，系统对地电容显著增大的影响； 3 采用相图分析技术研究铁磁谐振和低频非线性振荡； 4 在大量仿真计算和分析对比的基础上，提出有效抑制铁磁谐振和低频非 线性振荡的方法。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章仿真计算模型 本文以6 k v 系统为例，对于中性点不接地系统中，在采取了有效消谐措施后， 仍出现p t 保险频繁熔断原因进行分析。本章着重介绍系统参数的选择以及所使用 的仿真计算模型的确立。 2 1 网络线路图和基本参数 6 k v 系统设备和线路接线图如图2 1 所示。 图2 - 16 k v 系统 对于系统解为周期解时，包括分频、基频和高频分量在内，是否考虑线路的电 阻、电感以及各参数的分布性基本上对解没有影响，因此对于线路只需根据线路的 长度考虑其对地电容的大小，并且三相对地电容不平衡相对来说很小，可以忽略三 相对地电容不平衡，认为三相对地电容相等，架空线路对地电容取为0 0 2 6 u f t o n ， 电缆线路电容值取为1 1 4 f l a n 1 7 】【1 8 l 【1 们。 6 k v 中性点不接地系统，选用变压器参数： 接线方式：y n d l l 。 额定电压：1 1 0 k v 6 3 k v 额定容量：1 2 5 m v a 阻抗电压百分数：9 5 8 6 华北电力大学硕士学位论文 短路损耗：7 0 k w 空载电流：1 3 空载损耗：2 1 k w 6 k v 中性点不接地系统，选用电磁式电压互感器参数： 型号：j d z j - 6 型 额定容量：2 0 0 v a 最大容量：4 0 0 v a 电压比：f f 5 0 0 0 3 ) ( 1 0 0 拈) ( m o 3 ) 相电压下p t 高压侧励磁感抗：工，- 2 5 1 眦q 线电压下p t 高压侧励磁感抗：荔6 4 9 七q 高压绕组直流电阻：r1 0 0 0 0 缸，- 1 9 4 7 q 用文献【2 0 】所提供方法，实现u - i 有效值关系曲线向妒一f 的瞬时值特性曲线的 转换，再采用反正切函数妒一a i + 肋r e ( o ) 拟合方法，本文所选参数得到的妒一i 磁 化曲线表达式为：妒一1 0 6 5 6 4 5 2 7 + 1 3 7 5 2 4 0 8 0 4 a r e t a n ( 4 4 2 5 7 9 9 2 0 9 0 。 通过m a t l a b 程序求得妒一f 磁化曲线，所得磁化曲线如图2 2 所示，为a t p 仿 真计算程序中p t 模型提供所需参数。额定线电压下励磁电流峰值，- 0 0 0 7 3 3 a ，磁 链峰值妒。1 7 5 2 7 5 w b 。高压熔断器熔断电流为o 5 a1 2 0 1 2 1 】【2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 。 黪唠鸳蛰黔张2 婊勰警蝴躲辩墙* ；声。然缈戳哮攀粼黪删瓣8 2 2 仿真计算等值模型 图2 - 2p t 磁化特性曲线 仿真软件采用国际通用的电磁暂态分析计算程序( a t p e m t p ) ，u 、u 。、u 。为电 源，t 为电源变压器，l 为电源变压器二次侧等值电感，r 为电源变压器二次侧等值 串联电阻，c 。为导线对地电容，为p t 一次侧等值串联电阻，l 町为p t 一次侧非线 7 华北电力大学硕士学位论文 性电感，r ，。为发生单相接地故障的过渡电阻，r 为p t 开口三角绕组所接电阻。 2 2 1 正常等值电路 系统正常运行时a t 卜e m t p 仿真等值电路如图2 - 3 所示。 2 2 2 故障等值电路 h n 图2 3 正常等值电路 运行经验表明，电力系统各种短路故障中，单相短路占大多数，约为总短路故 障数的6 5 。因此，本文采用瞬间单相接地故障，激发分频谐振、基频谐振、高频 谐振和低频非线性振荡。发生单相接地故障电路如图2 - 4 所示。 图2 - 4 发生单相接地故障时的系统电路图 8 e e e 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 采用消谐方式电路 预防铁磁谐振的技术措施，主要通过改变回路参数或增加阻尼来破坏谐振条件。 中性点经消弧线圈接地方式和4 p t 接线方式均属于改变回路参数方式，如图2 5 和 图2 - 6 所示。 图2 - 5 中性点经消弧线圈接地消谐电路 图2 - 64 f 吓消谐电路 9 e 巴 华北电力大学硕士学位论文 p t 高压侧经电阻接地方式和p t 开口三角接电阻方式属于增加阻尼来破坏谐振 条件，电路如图2 7 和图2 8 所示。 hk i , r 图2 - 7f r r 高压侧经电阻接地消谐电路 图2 - 8p t 开口三角绕组端接电阻消谐电路 1 0 e e e 囝 华北电力大学硕士学位论文 第三章p t 高压侧熔断器熔断原因分析 电力系统中，电压互感器是一、二次系统的联络元件，它能正确地反映电气设 备的正常运行和故障情况。由理论分析可知，产生p r 谐振的条件是：电源中性点 绝缘、电压互感器高压绕组中性点接地；额定电压下p t 的感抗z 要大于线路和设 备的对地容抗墨。系统某些故障时，p t 与对地电容或其它设备的杂散电容间形成 特殊的三相或单相谐振电路，由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频 铁磁谐振过电压、工频铁磁谐振过电压、高频铁磁谐振过电压，以及低频非线性振 荡过电压。通常，构成p t 谐振的激发条件为：包括互感器在内的空载母线或送电 线路的突然合闸，这使互感器内的某一相或两相绕组内产生巨大涌流和磁饱和现 象；由于雷击或其他原因，线路中发生瞬间单相弧光接地，使其他两相瞬间升至线 电压，而故障相在接地消失后又瞬间恢复至相电压，以至造成暂态励磁电流的急剧 增大和铁芯的磁饱和；磁饱和的产生也可能由于从另一绕组瞬问传递过来的过电压 所引起，例如另一绕组侧发生瞬间单相接地或不同期合闸；本文均采用瞬间单相接 地故障消失激发各种铁磁谐振和低频非线性振荡。 经过国内外学者专家的研究，前三种过电压现已能采取有效的抑制措施抑制， 使通过p t 高压侧保险电流值小于0 5 a ，当通过电流额定值的1 0 0 倍时，其溶化时 间将减小到0 1 s 以下甚至降为几个毫秒。但是在采取了有效措施后，仍会出现p t 高压侧保险熔断现象，并且电感和电容参数已超出谐振区域，即由低频非线性振荡 而造成的p t 过电压现象。 3 1 单相接地过渡电阻对过电流的影晌 发生单相接地故障时，过渡电阻取值不同对过电压和过电流大小也有很大影响， 见附录一所示过渡电阻在发生单相接地故障时的计算数据，单相接地过渡电阻选择 o - 3 0 0 0 q 范围变化【2 5 1 ，并且由于过渡电阻的取值不同会使得谐振区间发生改变。可 通过仿真计算求不同的谐振区间，以及各个不同谐振或振荡时的典型波形图。 3 1 1 不同过渡电阻对过电流的影响 单项接地电弧得弧道电阻仅为几欧姆；若是架空线路绝缘子串闪络，接地线路 对地电阻还要计及线路杆塔为接地电阻( 几十欧姆) ；若是通过树枝接地，则接地 线路为高阻接地( 几千欧姆) 。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 以a 相发生故障为例，接地过渡电阻取值范围选择在0 q 3 0 0 0 q ，单相接地 过渡电阻对p t 高压侧a 相电流的影响曲线，如图3 - 1 所示，纵轴，为单相接地消 失后，流过三相p t 高压侧a 相的电流最大值，c 0 为接地电容值。当单相接地消失 后，过渡电阻越小a 相电流最大值会随接地电容的增大而呈现单调递增趋势，并且 迅速超过p t 高压保险熔断电流0 5 a ，随过渡电阻的不断增大，a 相电流最大值逐渐 减小，当过渡电阻大于一定值后，无论接地电容如何增大都不会超过熔断电流0 5 a ， 这是由于过渡电阻的增大会限制系统单相接地电流，也使得加在p t 一次绕组上的 零序电压得到限制，这样就抑制了p t 的过电压和过电流。并且，对于接地电容值 比较小的情况，相当于是处于高频谐振区域，过电流值变化曲线基本重合。 从图中可见，当接地过渡电阻为0 q 时，流过p t 高压侧电流值最大，呈递增趋 图3 一l 过渡电阻对p t 高压侧a 相电流影响曲线 势随接地电容的增大而不断增大，即单相接地过渡电阻为0 q 时，p t 高压侧过电流 情况是最严重的，会远远大于熔断电流0 5 a ，因此本文均以a 相直接接地故障过渡 电阻为0 q 时，故障消失来激发各种铁磁谐振和低频非线性振荡。 3 1 2 过渡电阻为0 q 时的典型电压电流波形 对于本文所构成的仿真电路，求取各个不同的谐振区域时发现，其发生高频谐 振、基频谐振和分频谐振的区间范围与p e c e r s o n 曲线所给结果相比较有较大差异， 这是由于线路参数和结构不同以及p t 特性不同而造成的。 从a t p e m t p 的仿真计算过程中，我们发现分频谐振是最容易发生的，而高频谐 振是最不易激发产生的，这与彼得生( h a p e t e r s o n ) 试验曲线所得结论是一致的， 即在实际运行条件下，只要满足一定的参数范围，分频谐振所需电源电压最低，最 华北电力大学硕士学位论文 易发生；高频谐振所需电源电压最高【2 l 。 激发高频谐振时，对地电容大小为0 0 0 0 3 m f ，此时位于高频谐振区，经a 相单 相接地故障消失激发，产生高频谐振，谐振过电压、过电流典型波形如图3 2 所示。 a 相电压波形 b 相电压波形 ”_ * _ q ”啤： 一一、一 c 相电压波形 a 相电流波形 b 相电流波形 c 相电流波形 # m 口 p t 开口绕组三角电压波形 图3 - 2 典型高频谐振波形图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 激发基频谐振时，对地电容大小为0 0 2 1 9 m f ，此时位于基频谐振区，经a 相单 相接地故障消失激发，产生基频谐振，谐振过电压、过电流典型波形如图3 3 所示。 a 相电压波形 b 相电压波形 c 相电压波形 a 相电流波形 b 相电流波形 p - # 一q w f r r 开口绕组三角电压波形 图3 - 3 典型基频谐振波形图 1 4 c 相电流波形 华北电力大学硕士学位论文 激发分频谐振时，对地电容大小为0 1 5 m f ，此时位于分频谐振区，经a 相单相 接地故障消失激发，产生分频谐振，谐振过电压、过电流典型波形如图3 4 所示。 a 相电压波形 b 相电压波形 c 相电压波形 a 相电流波形 b 相电流波形 p t 开口绕组三角电压波形 图3 - 4 典型分频谐振波形图 1 5 c 相电流波形 华北电力大学硕士学位论文 激发低频非线性振荡时，对地电容大小为5 p f ，此时位于非线性振荡区域，a 相单相接地故障消失激发非线性振荡，过电压、过电流典型波形如图3 - 5 所示。 a 相电压波形 b 相电压波形 c 相电压波形 a 相电流波形 b 相电流波形 c 相电流波形 p r 开口绕组三角电压波形 图3 - 5 典型低频非线性振荡波形图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 分频谐振： 由波形图可以看出，发生分频谐振时，三相电压同时升高。这是由于电源中不 存在谐波分量，因此分频电流不经过电源，只在p t 电感和各相电容所构成的零序 回路中产生，要么同时产生，要么同时消失；分频谐振时，流经p t 的电流最大， 这是由于分频谐振时的频率等于工频的一半，励磁阻抗相应降低一半，使励磁电流 急剧上升。 基频谐振： 基频谐振的电压波形出现两相电压升高，一相电压降低的特点；不能从图3 3 所示基波谐振波形中得到。但是，我们可以从另一基波谐振算例波形如图3 - 6 中明 显看出这一特点。 图3 - 6 基频谐振典型波形 高频谐振： 高频谐振和分频谐振一样具有零序性质，因而出现三相电压同时升高的现象； 同时，因为激发高频谐振所需的能量最高，所以它所产生的过电压幅值最高； 低频非线性振荡： 已超出谐振区域范围，不属于铁磁谐振范围，形成了电容与p t 非线性电感的能 量振荡过程，出现三相电压同时升高现象，电流值己远远超出p t 高压侧保险熔断 器熔断电流0 5 a 。 高频谐振和分频谐振一样具有零序性质，因而出现三相电压同时升高的现象； 同时，因为激发高频谐振所需的能量最高，所以它所产生的过电压幅值最高。发生 p t 谐振时，伴随产生的涌流现象会使p t 高压侧熔断器熔断。一般来说，电网在运 1 7 华北电力大学硕士学位论文 行中出现空母线或带很短出线的概率很小，因此电网的谐振以分频谐振和基频谐振 为主。但是，近年来由于城市电网改造，电缆线路的不断增加，架空线路多为瞬时 性故障，电缆线路多为永久性故障，非线性低频振荡所造成的过电流现象使p t 高 压侧熔断器熔断。 3 2 接地时刻对过电流的影响 通过仿真验算，单相故障接地时间和故障消失时间，以及故障持续时间的长短， 对过电流产生的影响不大。单相接地故障消失时电源相角的不同对过电流大小稍有 影响，但影响不大。本文仿真单相接地故障时刻为0 0 1 s ，故障消失时刻为0 0 3 s ， 故障持续时间为0 0 2 s 3 3 非线性振荡分析 根据本文仿真用到的系统和参数，当发生单相接地故障消失情况，由不同的参 数配合系统可能激发铁磁谐振和低频非线性振荡。通过仿真得到发生不同谐振的参 数划分区间如表3 - 1 所示。 高频谐振基频谐振分频谐振非线性低频振荡 墨。邑 大于1 6 3 5 70 2 2 4 1 o 2 9 7 40 0 2 4 5 o 0 3 9 2小于0 0 0 9 8 表3 - 1 谐振区间划分 a 三相电压最大值随对地电容变化曲线b 三相电流最大值随对地电容变化曲线 图3 7 单相接地故障消失激发p r r 一次侧电压电流最大值随对地电容变化曲线 1 8 华北电力大学硕士学位论文 p t 一次侧电压和电流值在进入分频区域后，会随着墨。互值的不断减小而逐 渐增大，即p t 一次侧电压和电流此时随对地电容的不断增大而增大，电压值在大 于一定值后，呈缓慢增长趋势，电流值则一直呈单调递增趋势，并且三相电流值大 小基本相等，在非线性低频振荡区域，电流值远远大于p t 一次侧熔断器的额定电 流o 5 a ，如图3 - 7 所示 在工频下测出p t 一次侧伏安特性曲线和不同电容伏安特性曲线如图3 8 所示， 通过伏安特性曲线分析谐振与振荡，如电容u c ：伏安特性曲线与电感u ：伏安特性曲 线有一个交点，则属于谐振范围内，当发生故障时有可能激发铁磁谐振，通常容抗 冬愈接近于初始感抗l ，相应的交点愈小，激发铁磁谐振所需的要求愈弱，产生 州 谐振的概率也就愈大；对于电容伏安特性曲线以，此时电容值比较小，与电感的 伏安特性曲线交点处于线性区域或没有交点，不能激发铁磁谐振；对于电容伏安特 性以，电容值比较大，同样也没有在谐振区域内，此时交点愈往后移，产生共振 所需的激发电流愈大，概率也就愈低，当电容值增大到一定程度，以至最终电网中 实际上不可能发生足够强烈的激发过程，从而消除了产生铁磁谐振的实际可能性。 图3 - 8 电感电容伏安特性曲线 那么对于电容值比较大，超出了产生铁磁谐振的区域范围，当发生故障时无法 激发铁磁谐振，但是仍会有对地电容积蓄的电荷通过p t 一次侧绕组放电的情况， 此时，就出现了低频非线性振荡现象，其产生的电压和电流值都将会比谐振时大， 因此，如果采用的消谐措施不合适，仍然会出现p t 一次侧保险熔断或p t 烧毁的可 1 9 华北电力大学硕士学位论文 能性，如前面通过仿真计算所得到的电压电流曲线所示。 一 3 r 一 3 在中性点不接地电网中，发生单相接地故障，健全相对地电容储存的电荷重新 分配，即充上了和线电压相适应的电荷，故障持续，在线电压作用下，电荷以接地 点为通路在导线和大地之间往复循环，形成电容电流。当接地故障消失时，相当于 把导线电荷通过大地的这个通路被切断，此时各线对地电压力图恢复到正常运行状 态下，于是形成了非故障相对地电容上的自由电荷通过中性点接地p t 一次绕组泄 放通路，所构成的零序振荡回路的频率在对地电容较大时就很低，对应的低频磁链 使p t 瞬时饱和，形成低频饱和过电流，从而使p t 保险熔断或严重时造成p t 烧毁。 电路如图3 9 所示。实际上就是二阶非线性自治电路，电容通过非线性电感放电的 过程，其状态方程可写为： f 一3 0 4 0 4 x 1 0 。9 砂5 + 2 4 3 4 5 x l o - z 3 妒4 + 5 0 8 5 9 x 1 0 - 7 【f r 3 1 4 0 3 9 x l o - 2 + 2 4 1 2 6 x i 0 4 曲一1 5 4 6 6 1 0 - 1 8 ；+ 墨堕+ 土f 。o 3d t 3 c 0 一咄 rd 1 i 。 3d t 3 c o 其中，电感励磁特性曲线采用多项式拟合。通过a t p 仿真计算可得单相接地故 障消失后发生的低频非线性振荡的a 相相图如图3 一1 0 所示，为电容值为c o - 2 0 胪 时，仿真时长为1 s 所得相图，逐渐趋于零点，电压电流值呈递减趋势。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 0p t 一次侧a 相的相图 华北电力大学硕士学位论文 第四章主要消谐方式仿真计算和分析 中性点不接地系统中，现有预防铁磁谐振的技术措施主要是通过改变回路参数 或消耗谐振能量两方面来破坏谐振条件。对于改变回路参数的方法，选取合适的谐 振回路储能元件电感、电容的参数，从而破坏谐振条件，增加激发谐振难度，避免 谐振从而达到消除谐振的目的。选用励磁特性较好的p t ，或选用电容式电压互感器。 所选用p t 励磁特性越好，产生p t 谐振的电容参数范围就越小，在电网运行中，应 将供绝缘监视用的p t 台数减少到最低限度。但是如果此情况下一旦发生过电压， 会使过电流更大。增大对地电容，网络中对地容抗置与p t 高压侧在线电压下每相 ， 激磁感抗邑之比，满足条件争t o 0 1 ，则网络不会出现压变饱和过电压。常采用 a l 改变回路参数的方法有电源中性点经消弧线圈接地方式和零序p t 接线方式。对于 消耗能量的方法，就是通过接入耗能元件，消耗谐振能量，从而抑制铁磁谐振产生。 常采用的消耗能量的方法有p t 高压侧经电阻接地的消谐措施和p t 开口三角绕组端 接电阻的消谐措施。 或者也可以在发生谐振故障时采取临时措施，改变电网中的对地电容。在判定 产生饱和过电压时采取临时措施，目的是为了改变所在电网中的对地电容，从而改 y 变誓之比值，以躲过谐振的危险区，临时改变系统运行方式达到消谐目的，有以下 五l 方法： ( 1 ) 电源变压器中性点临时接地； ( 2 ) 临时中性点投入消弧线圈； ( 3 ) 中性点改为经电阻接地的运行方式； ( 4 ) 也可按事先方案投入规定的某些线路或设备，以改变电路参数； ( 5 ) 将互感器的中性点从接地点断开或者干脆切除互感器，但是要注意到再投 入时，可能重新出现过电压； ( 6 ) 临时将p t 开1 3 - - - 角形绕组瞬时间进行短接( 短接时间在2 秒钟以内) 1 2 1 。 4 1 电源中性点经消弧线圈接地 中性点经消弧线圈接地，保留了中性点不接地方式的全部优点。由于消弧线圈 的电感电流补偿了电网接地电容电流，使得接地点残流减少到5 a 及以下，降低了 2 2 华北电力大学硕士学位论文 故障相接地电弧恢复电压的上升速度，易于熄弧或防止重燃方面的有利作用，使过 电压持续时问大为缩短，以致电弧能够自行熄灭，降低了高幅值过电压出现的概率， 从而提高供电可靠性经过消弧线圈接地系统的过电压幅值不超过3 2 玑，弧光过 电压一般不超过2 5 u ，能基本上消除单相接地激发的p t 铁磁谐振。 图4 1 消弧线圈补偿电网 如图4 - l 所示，发生单相接地故障，此时流过消弧线圈的电流l 皂与短路电 容电流，c - 3 w c o u , 方向相反，起到了抵消原来弧道中电流的作用，电感电流，工与电 容电流，c 相互抵消后剩下的电流称为残流。 当毛一，c 时，残流为零，为全补偿方式时，脱谐度v - 生云生，笔= 3 w c o u ， 一- 了亏兰一一，电网的自振频率被调谐到电源频率；当l l 时，为欠补偿 ”础3