10kV配電網兩種消諧措施的分析比較
發布時間：2011-09-30 共1頁
(摘 要) 針對10 kV不接地系統中電壓互感器鐵芯飽和引起的工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓，根據現場運行經驗，分析討論在實際應用中采用開口三角形繞組兩端接消諧器進行消諧的優越性和局限性，提出利用電壓互感器高壓側中性點接消諧器可以彌補其不足，最終解決電壓互感器高壓熔絲經常熔斷的問題。
(關鍵詞) 鐵磁諧振 消諧器 低頻飽和電流
在10kV中性點不接地系統中，往往由于電磁式電壓互感器(簡稱壓變)鐵芯飽和而引起工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓(通稱為壓變飽和過電壓)，造成壓變高壓熔絲熔斷，甚至使壓變燒損。限制這種過電壓的措施是多種多樣的，較普遍的是采用在壓變二次側開口三角形繞組兩端接消諧器的方法，以及近年來采用的在壓變一次側中性點對地接消諧電阻的方法，這兩種消諧措施各具特點，應因地制宜，合理選用。
1 壓變開口三角形繞組兩端接消諧器的消諧方法
1.1 原理
對這種壓變飽和過電壓，通常是在壓變二次側開口三角形繞組兩端接入阻尼電阻Ro，相當于在壓變高壓側Yo結線繞組上并聯一個電阻，而這一電阻只有在電網有零序電壓時才出現，正常運行時，零序電壓繞組所接的Ro不會消耗能量。Ro值越小，在壓變勵磁電感L上并聯電阻就越小，當Ro小于一定值時，網絡三相對地參數基本上由等值電阻決定，這時由壓變飽和而引起電感的減小不會明顯引起電源中性點位移電壓。當Ro=0，即將開口三角形繞組短接，則壓變三相電感值就變成漏感，三相相等，壓變飽和過電壓也就不存在了。但當電網內發生單相接地時，壓變開口三角形繞組兩端會出現100 V的工頻零序電壓，這樣阻尼電阻的容量就要求足夠大，當阻尼電阻太小，一方面電阻本身可能因過熱而燒壞，另一方面，壓變也可能因電流過大而燒損，所以現在變電站一般采用微電腦多功能消諧裝置。當判斷為存在工頻位移過電壓或鐵磁諧振過電壓后，單片機就進行消諧程序，發出高頻脈沖群，使反并在開口三角形繞組兩端的兩只晶閘管交替過零觸發導通，將開口三角形繞組短接(若系統發生單相接地，則不起動消諧裝置)，使壓變飽和過電壓迅速消除。由于短接時間極短，故不會給壓變帶來負擔。
1.2 優點
采用微電腦多功能消諧裝置，來消除壓變飽和過電壓效果良好，且一個系統通常只要接一臺消諧器即可起到消諧作用。如晉江市110 kV青陽變電站和晉源電廠網控站每段10 kV母線各裝設了一套WNX-Ⅲ-10型微電腦多功能消諧裝置，電網運行正常，基本上消除了由于壓變飽和過電壓引起壓變高壓熔絲熔斷現象。
1.3 局限性
隨著青陽變電站10 kV配電網的不斷擴大，尤其是新建了4座10 kV開閉所，電力電纜比例顯著增大，新建開閉所在投運初期，當線路發生接地故障時，有的開閉所壓變的高壓熔絲仍經常發生熔斷，如有一次線路單相接地，曾井和青華兩座開閉所壓變高壓熔絲熔斷5根。 晉源電廠由于機組擴建，新增兩臺1 500 kW汽輪發電機組，并分別用電纜接到網控站主變負荷側10kVⅢ、Ⅳ母線上，因是直配電機，每臺發電機出口對地各并聯一組BWF10.5-12-1W型防雷電容器。兩臺發電機組運行小時數加起來不足5000 h，然而其出口壓變高壓熔絲熔斷就有10根。
在中性點不接地電網中，電磁式壓變高壓熔絲熔斷，并不一定都是由于壓變飽和過電壓引起的。當電網對 地電容3Co較大，而電網間歇接地或接地消失時，健全相Co中貯存的電荷將重新分配，它將通過中性點接地的壓變Lp形成放電回路，構成低頻振蕩電壓分量，促使壓變飽和，形成低頻飽和電流。它在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內出現，電流幅值可遠大于分頻諧振電流(分頻諧振電流約為額定勵磁電流的百倍以上)，頻率約2～5Hz。由于低頻飽和電流具有幅值高、作用時間短的特點，在單相接地消失后的半個周波即可熔斷熔絲。
2 壓變中性點接消諧電阻的消諧方法
采用壓變中性點裝設電阻Ro既能抑制低頻飽和電流，同時也能起到消除壓變飽和過電壓的作用。青陽配電網幾座10 kV開閉所采用壓變高壓線圈中性點接LXQ-10型消諧器后效果良好。1999年夏天14號強臺風造成線路頻繁接地，而這幾座開閉所的壓變高壓熔絲卻安然無恙。晉源電廠汽輪發電機出口壓變高壓側中性點在裝設了同型號的消諧器后，至今壓變高壓熔絲只熔斷過一次。 圖1 電網單相接地時電流的分布
2.1 原理
電網單相接地時電流的分布如圖1所示。當系統發生單相接地時，故障點會流過電容電流，未接地相(A、B)的電壓升高到線電壓，其對地電容Co上充以與線電壓相應的電荷。在接地故障期間，此電荷產生的電容電流，以接地點為通路，在電源-導線-大地間流通。由于壓變的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小。一旦接地故障消失，這時電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復到正常相電壓水平。（考試大注冊安全工程師）
但是，由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經充電至線電壓下的電荷，就只有通過壓變高壓繞組，經其原來接地的中性點進入大地。在這一瞬變過程中，壓變高壓繞組中將會流過一個幅值很高的低頻飽和電流，使壓變鐵芯嚴重飽和。實際上，由于接地電弧熄滅的時刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相電壓達最大值這一嚴重情況下發生。因此，不一定每次單相接地故障消失時，都會在壓變高壓繞組中產生大的涌流。而且低頻飽和電流的大小，還與壓變伏安特性有很大關系，壓變鐵芯越容易飽和，該飽和電流就越大，高壓熔絲就越易熔斷。如青陽配電網早期建設的公園10 kV開閉所在類似上述接地故障情況下，其壓變高壓熔絲一直就沒有熔斷過。
在上述情況下，若在壓變高壓繞組中性點接入一個足夠大的接地電阻，在單相故障消失時，低頻飽和各電流經過電阻Ro后進入大地，由于大部分壓降加在電阻上，從而大大抑制了低頻飽和電流，使壓變高壓熔絲不易熔斷；同時由于在零序電壓回路串聯的這個電阻Ro，使壓變飽和過電壓的大部分電壓降落在電阻Ro上，從而避免了鐵芯飽和，限制了壓變飽和過電壓的發生。
2.2 Ro阻值的選擇
Ro的數值若選用太小，相當于沒有增加零序電阻，限制壓變飽和過電壓的作用不大。從阻尼的角度來看電阻值愈大愈好，若Ro→∞，即壓變高壓側繞組中性點變為絕緣了，壓變的電感量不參與零序回路，也就不存在壓變飽和過電壓。但Ro太大，當網絡出現單相接地時，大部分零序電壓降在Ro上，會使開口三角形電壓太低(電網對地電壓在壓變勵磁電感Lp與Ro間分壓)，影響接地指示靈敏度和保護裝置正常動作。從大量的試驗中得出：6～10 kV電網，Ro可取30～50kV變電所接地報警啟動電壓一般整定為15～30V，按開口三角形電壓不小于80 V來考慮，根據有關專家實驗得知當Ro為30～50 kVXQ型消諧器的電阻元件是用SIC為基料經高溫氫氣爐焙燒而成，消諧器由多個電阻元件并、串聯組成。其電阻值是非線性的，在電網正常運行時，消諧器上電壓不高，呈高阻值(約為0.5 M?,使諧振在起始階段不易發生；當電網單相接地時，消諧器上電壓較高(10 kV電網，消諧器上電壓為1.7～1.8 kV)，電阻呈低值(10 kV電網的消諧電阻降到數萬歐姆)，可滿足壓變開口三角形電壓不小于80 V的要。LXQ型消諧器在大電流(數百毫安)通過時，電阻發熱，因其沒有瓷套，熱量迅速擴散，基本能夠滿足弧光接地對Ro熱容量的要求。
2.3 局限性
由于電網的復雜性，各配網電容電流大小、線路故障性質、壓變伏安特性以及消諧器的運行環境等情況有所不同，難以保證在壓變中性點裝設消諧器后設備萬無一失，尤其是當間歇電弧接地持續時間較長時，個別消諧電阻將因過熱而損壞，從而引起高壓熔絲熔斷，甚至壓變燒損。所以消諧電阻的熱容量有待進一步提高。
在壓變開口三角形繞組兩端接微電腦消諧器能夠抑制壓變飽和過電壓，且一個系統一般只要接一臺就可以，但它有一定 局限性，無法抑制低頻飽和電流，適用于電網較小、對地電容不大的場合。而在壓變高壓繞組中性點接消諧電阻既能消除壓變飽和過電壓和抑制低頻飽和電流，防止高壓熔絲熔斷，同時只要阻值選擇適當，就不影響壓變的正常運行，但每一臺壓變都必須裝設(尤其是較易發生鐵芯飽和的壓變)，適用于電網較大、對地電容較大的場合。所以在實際應用中，應根據電網實際情況，合理選用一種或各種消諧裝置配合使用，如有必要還應配合其它方法，以達到最佳消諧效果，保證設備的正常運行。 參考文獻： 1 岳健民. 6～35kV壓變中性點用消諧器的性能分析.全國過電壓學術討論會論文集.1997 2 陳化鋼.電力設備異常運行及事故處理.中國水利水電出版社.1998 3 解廣潤.電力系統過電壓.水利電力出版社 4 重慶大學、南京工學院合編.高電壓技術.電力工業出版社
(關鍵詞) 鐵磁諧振 消諧器 低頻飽和電流
在10kV中性點不接地系統中，往往由于電磁式電壓互感器(簡稱壓變)鐵芯飽和而引起工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓(通稱為壓變飽和過電壓)，造成壓變高壓熔絲熔斷，甚至使壓變燒損。限制這種過電壓的措施是多種多樣的，較普遍的是采用在壓變二次側開口三角形繞組兩端接消諧器的方法，以及近年來采用的在壓變一次側中性點對地接消諧電阻的方法，這兩種消諧措施各具特點，應因地制宜，合理選用。
1 壓變開口三角形繞組兩端接消諧器的消諧方法
1.1 原理
對這種壓變飽和過電壓，通常是在壓變二次側開口三角形繞組兩端接入阻尼電阻Ro，相當于在壓變高壓側Yo結線繞組上并聯一個電阻，而這一電阻只有在電網有零序電壓時才出現，正常運行時，零序電壓繞組所接的Ro不會消耗能量。Ro值越小，在壓變勵磁電感L上并聯電阻就越小，當Ro小于一定值時，網絡三相對地參數基本上由等值電阻決定，這時由壓變飽和而引起電感的減小不會明顯引起電源中性點位移電壓。當Ro=0，即將開口三角形繞組短接，則壓變三相電感值就變成漏感，三相相等，壓變飽和過電壓也就不存在了。但當電網內發生單相接地時，壓變開口三角形繞組兩端會出現100 V的工頻零序電壓，這樣阻尼電阻的容量就要求足夠大，當阻尼電阻太小，一方面電阻本身可能因過熱而燒壞，另一方面，壓變也可能因電流過大而燒損，所以現在變電站一般采用微電腦多功能消諧裝置。當判斷為存在工頻位移過電壓或鐵磁諧振過電壓后，單片機就進行消諧程序，發出高頻脈沖群，使反并在開口三角形繞組兩端的兩只晶閘管交替過零觸發導通，將開口三角形繞組短接(若系統發生單相接地，則不起動消諧裝置)，使壓變飽和過電壓迅速消除。由于短接時間極短，故不會給壓變帶來負擔。
1.2 優點
采用微電腦多功能消諧裝置，來消除壓變飽和過電壓效果良好，且一個系統通常只要接一臺消諧器即可起到消諧作用。如晉江市110 kV青陽變電站和晉源電廠網控站每段10 kV母線各裝設了一套WNX-Ⅲ-10型微電腦多功能消諧裝置，電網運行正常，基本上消除了由于壓變飽和過電壓引起壓變高壓熔絲熔斷現象。
1.3 局限性
隨著青陽變電站10 kV配電網的不斷擴大，尤其是新建了4座10 kV開閉所，電力電纜比例顯著增大，新建開閉所在投運初期，當線路發生接地故障時，有的開閉所壓變的高壓熔絲仍經常發生熔斷，如有一次線路單相接地，曾井和青華兩座開閉所壓變高壓熔絲熔斷5根。 晉源電廠由于機組擴建，新增兩臺1 500 kW汽輪發電機組，并分別用電纜接到網控站主變負荷側10kVⅢ、Ⅳ母線上，因是直配電機，每臺發電機出口對地各并聯一組BWF10.5-12-1W型防雷電容器。兩臺發電機組運行小時數加起來不足5000 h，然而其出口壓變高壓熔絲熔斷就有10根。
在中性點不接地電網中，電磁式壓變高壓熔絲熔斷，并不一定都是由于壓變飽和過電壓引起的。當電網對 地電容3Co較大，而電網間歇接地或接地消失時，健全相Co中貯存的電荷將重新分配，它將通過中性點接地的壓變Lp形成放電回路，構成低頻振蕩電壓分量，促使壓變飽和，形成低頻飽和電流。它在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內出現，電流幅值可遠大于分頻諧振電流(分頻諧振電流約為額定勵磁電流的百倍以上)，頻率約2～5Hz。由于低頻飽和電流具有幅值高、作用時間短的特點，在單相接地消失后的半個周波即可熔斷熔絲。
2 壓變中性點接消諧電阻的消諧方法
采用壓變中性點裝設電阻Ro既能抑制低頻飽和電流，同時也能起到消除壓變飽和過電壓的作用。青陽配電網幾座10 kV開閉所采用壓變高壓線圈中性點接LXQ-10型消諧器后效果良好。1999年夏天14號強臺風造成線路頻繁接地，而這幾座開閉所的壓變高壓熔絲卻安然無恙。晉源電廠汽輪發電機出口壓變高壓側中性點在裝設了同型號的消諧器后，至今壓變高壓熔絲只熔斷過一次。 圖1 電網單相接地時電流的分布
2.1 原理
電網單相接地時電流的分布如圖1所示。當系統發生單相接地時，故障點會流過電容電流，未接地相(A、B)的電壓升高到線電壓，其對地電容Co上充以與線電壓相應的電荷。在接地故障期間，此電荷產生的電容電流，以接地點為通路，在電源-導線-大地間流通。由于壓變的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小。一旦接地故障消失，這時電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復到正常相電壓水平。（考試大注冊安全工程師）
但是，由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經充電至線電壓下的電荷，就只有通過壓變高壓繞組，經其原來接地的中性點進入大地。在這一瞬變過程中，壓變高壓繞組中將會流過一個幅值很高的低頻飽和電流，使壓變鐵芯嚴重飽和。實際上，由于接地電弧熄滅的時刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相電壓達最大值這一嚴重情況下發生。因此，不一定每次單相接地故障消失時，都會在壓變高壓繞組中產生大的涌流。而且低頻飽和電流的大小，還與壓變伏安特性有很大關系，壓變鐵芯越容易飽和，該飽和電流就越大，高壓熔絲就越易熔斷。如青陽配電網早期建設的公園10 kV開閉所在類似上述接地故障情況下，其壓變高壓熔絲一直就沒有熔斷過。
在上述情況下，若在壓變高壓繞組中性點接入一個足夠大的接地電阻，在單相故障消失時，低頻飽和各電流經過電阻Ro后進入大地，由于大部分壓降加在電阻上，從而大大抑制了低頻飽和電流，使壓變高壓熔絲不易熔斷；同時由于在零序電壓回路串聯的這個電阻Ro，使壓變飽和過電壓的大部分電壓降落在電阻Ro上，從而避免了鐵芯飽和，限制了壓變飽和過電壓的發生。
2.2 Ro阻值的選擇
Ro的數值若選用太小，相當于沒有增加零序電阻，限制壓變飽和過電壓的作用不大。從阻尼的角度來看電阻值愈大愈好，若Ro→∞，即壓變高壓側繞組中性點變為絕緣了，壓變的電感量不參與零序回路，也就不存在壓變飽和過電壓。但Ro太大，當網絡出現單相接地時，大部分零序電壓降在Ro上，會使開口三角形電壓太低(電網對地電壓在壓變勵磁電感Lp與Ro間分壓)，影響接地指示靈敏度和保護裝置正常動作。從大量的試驗中得出：6～10 kV電網，Ro可取30～50kV變電所接地報警啟動電壓一般整定為15～30V，按開口三角形電壓不小于80 V來考慮，根據有關專家實驗得知當Ro為30～50 kVXQ型消諧器的電阻元件是用SIC為基料經高溫氫氣爐焙燒而成，消諧器由多個電阻元件并、串聯組成。其電阻值是非線性的，在電網正常運行時，消諧器上電壓不高，呈高阻值(約為0.5 M?,使諧振在起始階段不易發生；當電網單相接地時，消諧器上電壓較高(10 kV電網，消諧器上電壓為1.7～1.8 kV)，電阻呈低值(10 kV電網的消諧電阻降到數萬歐姆)，可滿足壓變開口三角形電壓不小于80 V的要。LXQ型消諧器在大電流(數百毫安)通過時，電阻發熱，因其沒有瓷套，熱量迅速擴散，基本能夠滿足弧光接地對Ro熱容量的要求。
2.3 局限性
由于電網的復雜性，各配網電容電流大小、線路故障性質、壓變伏安特性以及消諧器的運行環境等情況有所不同，難以保證在壓變中性點裝設消諧器后設備萬無一失，尤其是當間歇電弧接地持續時間較長時，個別消諧電阻將因過熱而損壞，從而引起高壓熔絲熔斷，甚至壓變燒損。所以消諧電阻的熱容量有待進一步提高。
在壓變開口三角形繞組兩端接微電腦消諧器能夠抑制壓變飽和過電壓，且一個系統一般只要接一臺就可以，但它有一定 局限性，無法抑制低頻飽和電流，適用于電網較小、對地電容不大的場合。而在壓變高壓繞組中性點接消諧電阻既能消除壓變飽和過電壓和抑制低頻飽和電流，防止高壓熔絲熔斷，同時只要阻值選擇適當，就不影響壓變的正常運行，但每一臺壓變都必須裝設(尤其是較易發生鐵芯飽和的壓變)，適用于電網較大、對地電容較大的場合。所以在實際應用中，應根據電網實際情況，合理選用一種或各種消諧裝置配合使用，如有必要還應配合其它方法，以達到最佳消諧效果，保證設備的正常運行。 參考文獻： 1 岳健民. 6～35kV壓變中性點用消諧器的性能分析.全國過電壓學術討論會論文集.1997 2 陳化鋼.電力設備異常運行及事故處理.中國水利水電出版社.1998 3 解廣潤.電力系統過電壓.水利電力出版社 4 重慶大學、南京工學院合編.高電壓技術.電力工業出版社
