消谐装置引起三相电压不平衡

电压互感器一次侧加装消谐器后三相电压不平衡原因分析摘要:针对变电站电压互感器一次侧加装消谐器后出现明显的二次侧三相电压不平衡现象,以110kV马街站实测数据为例并结合消谐器原理进行了分析,找出了主要原因,提出了此现象发生时具体的查找方法和解决对策。实际应用证明,一次侧中性点加装消谐器是目前解决铁磁谐振比较好的方法。关键词:电压互感器;消谐器;不平衡;谐波0引言在我国电力系统(特别是35kV及以下配电网)中运行着大量的电磁式电压互感器(PT),这些器件具有非线性电磁特性,它们与系统内的容性元件在参数匹配时就会发生铁磁谐振,产生极高的谐振过电压。当这种过电压发生时,由于互感器的铁心饱和,导致其绕组的励磁电流大大增加,严重时可达其额定励磁电流的百倍以上,从而引起互感器高压熔断器熔断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸,严重威胁电网的安全运行[1-3]。目前,常用的消除PT铁磁谐振的方法主要从两方面着手,即改变电感电容参数和消耗谐振能量,如在PT二次侧开口三角形侧接入电阻、在PT一次中性点接入消谐电阻器或零序PT等。其中近年来某供电局大量采用的是在3只单相PT一次绕组Y0接线中性点与地之间的加装高容量非线性电阻器(即消谐器),见图1。实际应用证明此法比较好地抑制了电压互感器铁磁谐振。但在运行中发现,有几个变电站在PT一次侧装了消谐器后,PT的二次侧三相电压出现较明显的不平衡现象;而拆除消谐器后,二次电压不平衡现象基本消失。针对这个问题,下面以某局110kV马街站实际测量的数据为例分析出现此种现象的原因。1110kV马街站实例2006年1月17日,修试人员更换完110kV马街变电站35kVI段母线(见图2),B、C相因雷击烧损的PT(JDZX9-35型)后,恢复35kVI段母线运行(消谐器投入),运行后后台机显示的35kV母线相电压、线电压及用万用表测得的二次电压小母线电压数据见表1。测得PT二次侧开口三角电压U△=6V,用万用表测频档测量开口三角两端的电压,测得频率是50Hz。此时后台机显示的110kV及10kV母线电压见表2,对比表1和表2的数据可以看出:35kVI段母线三相相电压出现了较明显的不平衡现象,而线电压却基本平衡。鉴于以往的经验,首先考虑是消谐器造成的影响。在申请35kVI段母线停电后,将PT一次侧的消谐器拆除,使3只单相PT按图3接线方式运行,然后重新使35kVI段母线带电。后台机显示35kVI段母线电压数值见表3。此时PT二次侧开口三角电压变U△=1.6V,可见此时35kVI母三相电压已基本平衡。根据两种接线方式下测得的数据作出如图4所示的向量图。从图4可知,3只单相PT一次绕组中性点通过消谐器接地时,其中性点O′明显偏移了原直接接地时的中性点O,即存在着中性点位移电压Uoo′。2马街站中性点位移电压分析2.1消谐器原理简介消谐器是安装在PT一次绕组Y0接线中性点与地之间的高容量非线性电阻器,起阻尼与限流的作用。我国6～35kV电网通常中性点不接地,母线上Y0接线的PT一次绕组将成为该电网对地唯一金属性通道。当单相接地或消失时,电网对地电容通过PT一次绕组有一个充放电的过渡过程。此时常有最高幅值达数安培的工频半波涌流通过PT,可能将PT高压熔丝熔断。而安装了消谐器后,这种涌流得到了有效抑制。因此,从抑制涌流的角度考虑,消谐器的阻值越大越好。2.2电磁式PT励磁电流特性电磁式PT是由带有铁心的绕组构成。由于铁心伏安特性具有非线性特征,当一次绕组接入电压所产生的磁通超过饱和点时,绕组中励磁电流Im呈尖顶波状。若将尖顶波进行分析,除基波分量外,包含有各奇次谐波,其中以3次谐波幅值最大[4],见图5。2.3安装消谐器后PT中性点电压理论分析当Y0接线的PT接入三相对称电压UA、UB、UC时,设流过三相PT一次绕组Y0接线的励磁电流为IAm、IBm、ICm,流过中性点O的电流为I0。励磁电流可分解成基波和3次谐波,若基波的模I1m相同,设I1Am=I1m∠0°,I1Bm=I1m∠-120°,I1Cm=I1m∠120°。则流过中性点的基波电流为I1m=I1Am+I1Bm+I1Cm(见图6(a))。而三相电路中3次谐波的角差为零度,即I3Am=I3m∠3×0°=I3m∠0°;I3Am=I3m∠3×(-120°)=I3m∠-360°=I3m∠0°;I3Am=I3m∠3×120°=I3m∠360°=I3m∠0°。流过中性点的三次谐波电流I30=I3m∠0°+I3m∠0°+I3m∠0°=3×I3m∠0°,见图6(b)。由以上分析可简单得出如下结论:(1)若3只单相PT伏安特性完全相同,I1m=I1Am+I1Bm+I1Cm=0,但I30=3×I3m∠0°≠0,因此仍有一定的3次谐波电流通过消谐电阻,此时中性点位移电压为消谐电阻上产生3次谐波电压;(2)若3只单相PT伏安特性相差很大,那么三相励磁基波电流I1m=I1Am+I1Bm+I1Cm≠0,3次谐波电流I30=3×I3m∠0°≠0,因此在消谐器上将产生较大的基波和3次谐波的叠加电压,此时中性点位移电压等于此叠加电压;(3)在通过相等的励磁电流时,消谐器的电阻值越大,中性点电压偏移越严重,二次侧三相电压越不平衡,但从消谐角度考虑,此阻值却越大越好。综上所述,一般情况下,以下3个因素决定了中性点位移电压的大小:!PT励磁特性的好坏(主要是励磁电流的大小及3次谐波的含量);#3只单相PT伏安特性的一致性;$消谐器电阻值大小。2.4马街站实例分析针对可能引起中性点电压偏移的几个原因,对马街站35kVI段母线PT二次三相电压不平衡现象进行了如下分析。2.4.1PT伏安特性试验35kVI段母线PT安装前所做的PT二次侧伏安特性试验原始数据见表4。根据表4数据作出如图7所示的伏安特性曲线。从表4数据和图7的曲线可以看出:(1)相PT伏安特性有较明显的不同,特别是A相与B相。这可能是由于新更换的B、C两相PT与未更换A相PT不为同一批产品,故伏安特性存在着一定差别。(2)额定电压下(二次侧57V),三相励磁电流都不大,折算到一次侧分别是0.614、0.486、0.586mA,均小于1mA,可以认为PT励磁特性很好。2.4.2消谐器伏安特性试验消谐器的伏安特性试验数据见表5。据表5数据作出如图8所示的伏安特性曲线。将表5数据和图8曲线与消谐器出厂伏安特性试验值相对比,结果显示消谐器的伏安特性很正常。综上原因分析,可以判断出导致此次110kV马街站35kVI母电压二次侧三相不平衡的主要原因为新更换的BC两相PT与未更换A相PT不为同一批产品,伏安特性存在着较大差别导致的。3一次侧加装消谐器后二次电压不平衡原因查找方法及解决对策从某局3只单相PT一次侧中性点加装消谐器后的运行维护经验看,在二次侧发生三相电压不平衡现象时,通常用以下方法查找判断:(1)用万用表测量PT二次侧开口三角两端的电压(若此电压大于5V,则用万用表测频档测量开口三角两端的电压):若此电压频率是50Hz,则是由于三相PT伏安特性差别过大造成的;#若电压频率为150Hz,则是由于PT励磁电流中的三次谐波电流过大造成的。(2)做消谐器的伏安特性试验,特别是应用中的老式的消谐器。由于老式消谐器通流容量只有250mA,而PT高压熔断器一般为0.5A,这样可能导致大电流流过时消谐器先于PT而烧毁,而烧断时可能导致PT中性点不接地及其他事故。当PT二次侧发生较明显的三相不平衡时,常用的解决对策有:1.如果此变电站铁磁谐振现象极少发生,可优先考虑拆除消谐器,采用3只单相PT中性点直接接地方式,此次马街站在处理过程中就拆除了安装在35kVI母的消谐器;3.尽量采用励磁电流小于1mA(一次绕组)的PT;2.尽量采用3只伏安特性基本一致的PT组成一组;4.在PT开口三角两端安装与消谐器配套的二次侧产品“三次谐波限制器”,以限制消除励磁电流中的三次谐波的影响;5.采用新型的消谐器,使其允许的通流容量满足实际要求,建议在计划检修时增加老式消谐器伏安特性试验。4结语笔者通过对110kV马街站35kVI段母线PT二次侧三相电压不平衡现象的分析,找出了主要原因,并根据某局近年来消谐器应用的运行维护经验,总结了3只单相PT一次侧中性点加装消谐器后二次电压不平衡时的常用查找判断方法和解决对策。实际应用证明,一次侧中性点加装消谐器是目前解决铁磁谐振比较好的方法。355215030255215