CN111725783A - 一种配网电压互感器中性点加装间隙与电阻串联组合的配电网消谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种新型的在配网电压互感器(PT)一次侧中性点加装间隙与阻尼电阻串联组合的配电网的消谐方法。通过对谐振时PT一次侧中性点电流电压特征的分析,提出了间隙和电阻的选型原则和方法,以10kV电压等级为例,间隙选择选择耐高温的316不锈钢材料,直径为10mm的棒电极,间隙距离设置为1.5mm;电阻选型应能满足相关的耐压和热稳定要求。以10kV配电线路为应用对象,利用ATP‑EMTP软件搭建了中性点绝缘的10kV配电网由于单相接地故障引发铁磁谐振的集中参数模型,对间隙串接电阻的新型消谐装置的参数取值进行了对比验算。确定了电阻的阻值为2000Ω。通过本发明提出的方法与传统的消谐方法进行全面的综合比较,验证了间隙串接电阻的消谐方法可以有效解决传统消谐方法所伴随的PT末端电压过高、影响PT测量精度等问题,减少消谐所用时间,提高了电磁式电压互感器的运行可靠性。

Description

一种配网电压互感器中性点加装间隙与电阻串联组合的配电 网消谐方法
技术领域
本发明属于配电网过电压防护技术,设计一种在配电网的电压互感器(PT)一次侧中性点加装间隙与电阻串联组合的消谐方法。
背景技术
由于配电网系统为了监视系统绝缘情况,其母线上通常接有三相五柱式或三个单相式按YN,yn0,d11接线的电磁式电压互感器(PT)。正常运行时,三相基本平衡,中性点位移电压基本为零,但在单相接地故障消失或某些切换操作后,电磁式电压互感器的非线性电感就可能与系统电容形成谐振回路,激发铁磁谐振过电压。谐振引发的异常过电压和过电流可能会使高压保险烧毁、PT爆炸,引发停电事故。
为了减少铁磁谐振事故的发生,近几十年来国内外的专家学者通过大量的仿真和试验提出了很多的消谐方法,主要分成两类:第一类是改变系统参数,使系统参数不匹配从而避免发生铁磁谐振的情况,如增大系统对地电容等,但是由于系统差异性大、外界影响因素复杂,抑制方法不具备普适性,应用效果不佳。第二类是消耗掉谐振的能量,即将阻尼电阻加入谐振电路以抑制谐振过电压,最具代表性的就是PT一次侧中性点接大电阻、PT一次侧中性点接非线性电阻以及开口三角接电阻等。
然而,PT一次侧中性点接大电阻的消谐方法可能会导致PT末端的电压升高,对PT的绝缘有很高的要求,并且会影响PT的测量精度。PT一次侧接非线性电阻可能会导致开口三角零序电压过低,从而影响接地保护继电器或接地故障信号回路的正确动作,并且若非线性电阻的伏安特性不合适,消谐过程仍需要大量时间。PT开口三角形绕组接小电阻时,容易引起三角形绕组的环流问题,同时影响二次系统的测量精度。
PT一次侧中性点加装间隙的方法可以有效解决上述问题。而仅加装间隙,会导致间隙击穿时中性点电流过大超过额定电流值,还需串联电阻加以保护。
综上,为保障10kV配电网的安全稳定运行,采取合适的消谐措施来限制谐振引发的异常过电压和过电流,显得尤其重要。
发明内容
本发明提出一种新的在PT一次侧中性点加装间隙串接电阻的消谐设计方案,用以解决现有的PT一次侧中性点接大电阻的消谐方法可能会导致PT末端的电压升高,对PT的绝缘有很高的要求,影响PT的测量精度。PT一次侧接非线性电阻可能会导致开口三角零序电压过低,从而影响接地保护继电器或接地故障信号回路的正确动作,并且若非线性电阻的伏安特性不合适,消谐过程仍需要大量时间。PT开口三角形绕组接小电阻时,容易引起三角形绕组的环流问题,同时影响二次系统的测量精度技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种PT一次侧中性点加装间隙与电阻串联组合的配电网消谐设计,包括:PT高压侧中性点处安装阻尼电阻和间隙串联的结构。参见图1,本发明所提出的新型消谐装置的结构简图,经电压互感器高压侧中性点安装间隙和电阻和串联组合,再接地。消谐装置主要包括间隙和电阻的串联组合。
(1)间隙放电电压值的设置原则
由于PT一次侧中性点的绝缘有一定的耐受电压值,间隙的放电电压应小于该耐受电压值。
(2)间隙放电电压值的型式设计
由于在配电网发生单相接地故障期间以及接地故障消失后的一段时间内,PT一次侧中性点的电位都会发生偏移,造成间隙的放电时间可能较长。因而,该间隙放电的特点与一般线路的并联间隙有明显不同,即:放电电压值小且放电持续时间长。
针对这个特点,设计的间隙应采用耐烧蚀的电极材料,减少放电电弧对电极材料表面的破坏。材料选择耐高温的316不锈钢材料以减少电弧对电极的烧蚀而对电场的均匀度造成的不利影响。
同时,由于放电电压值较小,故采用棒-棒间隙,以适当提高间隙距离,便于调控。棒电极直径设计为10mm,电极头部加工成半球形,表面进行抛光处理。该间隙的距离由对应的放电电压值经试验确定。
(3)电阻阻值的设计原则和方法
1)与间隙串联放电后,中性点的电压小于PT中性点耐受电压值;
2)能够起到快速消谐的效果。
通过在ATP软件中搭建电磁式电压互感器谐振模型,通过设置不同的阻值,按阻值设计原则比较确定。
(4)电阻的型式设计
由于电阻要通过较长时间的工频过电流和过电压,对电阻热容量的要求是2小时通过PT中性点额定电流值的电流后电阻无明显损坏;绝缘要求应能在2小时内耐受PT中性点耐受电压值。
本发明具有以下有益效果:
本发明在10kV配电网PT高压侧中性点加装阻尼电阻和间隙串联的消谐装置,验证了间隙串接电阻的消谐方法可以有效解决传统消谐方法所伴随的PT末端电压过高、影响PT测量精度等问题,减少消谐所用时间,提高了电磁式电压互感器的运行可靠性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明所提出的新型消谐装置的结构简图;
图2是本发明优选实施例的10kV配电线路仿真整体模型图;
图3是本发明所提出的PT励磁特性曲线图;
图4是本发明优选实施例的不同阻值的阻尼电阻消谐效果比较图;
图5是本发明优选实施例的不同阻值的阻尼电阻PT末端电压水平图;
图6是本发明优选实施例的三种消谐方法消谐效果对比图;
图7是本发明优选实施例的三种消谐方法电压互感器末端电压水平对比图;
图8是本发明优选实施例的三种消谐方法开口三角电压幅值对比图;
图9是本发明优选实施例的三种消谐方法流经接地点的电容电流幅值大小对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
1、间隙和电阻的选型原则和方法
(1)间隙放电电压值的设置原则
由于PT一次侧中性点的绝缘有一定的耐受电压值,间隙的放电电压应小于该耐受电压值。以10kV配电线路PT为例,该耐受电压一般为3000V,因而,间隙的放电电压值应小于3000V。考虑串接电阻的因素会使中性点电位抬升,本发明设置10kV消谐装置的间隙放电电压为2500V。
(2)间隙放电电压值的型式设计
由于在配电网发生单相接地故障期间以及接地故障消失后的一段时间内,PT一次侧中性点的电位都会发生偏移,造成间隙的放电时间可能较长。因而,该间隙放电的特点与一般线路的并联间隙有明显不同,即:放电电压值小且放电持续时间长。
针对这个特点,设计的间隙应采用耐烧蚀的电极材料,减少放电电弧对电极材料表面的破坏。材料选择耐高温的316不锈钢材料以减少电弧对电极的烧蚀而对电场的均匀度造成的不利影响。
同时,由于放电电压值较小,故采用棒-棒间隙,以适当提高间隙距离,便于调控。棒电极直径设计为10mm,电极头部加工成半球形,表面进行抛光处理。经试验,该间隙的放电电压为2500V时,对应的间隙距离应为1.5mm。
(3)电阻阻值的设计原则
1)与间隙串联放电后,中性点的电压小于PT中性点耐受电压值;
2)能够起到快速消谐的效果。
(4)电阻的型式设计
由于电阻要通过较长时间的工频过电流和过电压,对电阻热容量的要求是2小时通过PT中性点额定电流值的电流后电阻无明显损坏;绝缘要求应能在2小时内耐受PT中性点耐受电压值。以10kV配电线路PT为例,应满足:
1)2小时通过PT中性点250mA的电流后,电阻无损坏;
2)2小时内耐受3000V电压值,电阻无损坏。
针对这些要求电阻应选用ZG11线绕管型被釉电阻,功率为200W。
电阻的具体取值需要通过仿真计算。
2、采用仿真对本发明的电阻阻值进行确定,并对结构的效果进行验证
(1)仿真模型搭建
在ATP-EMPT中搭建了中性点绝缘的10kV配电网系统由于单相接地故障引起铁磁谐振的集中参数模型,如图2所示。其中,选用JDX6-10型号的10kV电磁式电压互感器为仿真原型,单相接地故障发生时间设置为0.065s,单相接地故障消失时间设置为0.275s。单相接地故障施加在A相,B、C两相为非故障相。
在图2中,用理想变压器模型的高压侧模拟电压互感器的一次侧,将所得PT的磁链-电流关系输入非线性电感的数据中。
用非线性电感模型模拟PT铁心,在ATP-EMTP的仿真中,对非线性电感使用的是磁链电流的瞬时值特性,因而必须先将电压电流有效值特性转换为磁链电流瞬时值特性。在本文的仿真计算中,选用的是JDX6-10型号的电压互感器,通过逐点递推法所得到的PT的
Figure BDA0002312088130000042
特性如
表1所示。励磁特性曲线如图3所示。表1 PT的
Figure BDA0002312088130000043
特性
Figure BDA0002312088130000041
Figure BDA0002312088130000051
图2中,将理想变压器的低压侧等效为电压互感器的二次侧和开口三角接口。其中,由于ATP中理想变压器模块不允许变压器一端在没有参考电位(没有地电位)情况下开路运行,在理想变压器输出端短接1E-10μF的电容以满足软件要求,经过仿真验证所加电容对模型精度没有影响。
图2中,用高阻值的集中参数电阻模块(取值为1000Ω)模拟PT开口三角,由于电阻模块阻值足够大,对模型的精度基本没有影响。
图2中,用压控开关模型模拟间隙,用线性电阻模型模拟阻尼电阻,间隙与阻尼电阻的串联组合加装在PT一次侧中性点处,其中压控开关为常开状态,设置其闭合动作电压触发电压为2500V。
2、消谐装置电阻阻值的确定
以1中提出的电阻选取原则,分别选用1000Ω、2000Ω、3000Ω的阻尼电阻来与放电电压为2500V的间隙配合,通过仿真计算,比较其消谐时间和PT末端电压变化水平。消谐时间对比如图4所示。
选取三相电压从谐振过电压恢复到正常相电压的时刻作为谐振消失时刻tr。该时刻的大小可以反映消谐所用时间。由图4可知,阻尼电阻阻值分别设置为1000Ω、2000Ω和3000Ω时,谐振消失时刻tr分别为0.522s、0.391s和0.332s。可见,电阻阻值选取越大,吸收能量越多,消谐效果越好。
阻尼电阻阻值分别设置为1000Ω、2000Ω和3000Ω时,谐振过程中,PT一次侧末端电位变化规律如图5所示。图5可知,选用1000Ω的阻尼电阻时PT末端电压峰值约为2585V;2000Ω时为2654V;3000Ω时为3239V。电阻阻值越大,PT末端最高电位越大。
因而,结合消谐时间和PT末端电压水平2方面的因素考虑,与间隙相配合的阻尼电阻的阻值设置在2000Ω时效果最佳。
3、消谐效果对比
为了验证PT一次侧中性点接间隙串接电阻接地消谐方法的效果,与PT一次侧中性点接阻尼电阻,非线性电阻这2种典型消谐方法的消谐效果、电压互感器末端电压水平、开口三角电压幅值、流经接地点的电容电流幅值大小进行对比。
方法:在图2的仿真模型中进行计算,通过对比进行分析。
消谐方法1:PT中性点接大阻尼电阻;PT一次侧中性点串入电阻等价于每相对地串接电阻,能起到消耗能量,阻尼和抑制谐振的作用,还能限制流经PT的电流。根据试验35kV及其以下的系统,电阻值取在10~30kΩ即可达到较好的消谐效果。仿真中选择20kΩ进行比较。
消谐方法2:PT中性点接非线性电阻;PT一次侧接非线性电阻时,由于非线性电阻的热容量较大,而且其阻值随流过的电流的变化而变化,阻尼效果较好。非线性电阻特性为:
u=kiα (1)
式(1)中k为非线性电阻的某一确定值;α为非线性系数。
选择时应注意k不宜太大,α不宜太小,针对10kV电磁式电压互感器,仿真试验中α取0.5,k取10。
消谐方法3:间隙串接阻尼电阻。本发明提出的间隙串联阻尼电阻的消谐方法。其中,间隙的放电电压值为2500V,电阻阻值选取2000Ω。
(1)消谐效果对比分析:
按照上述3种消谐方法给出的参数在仿真模型中进行设置,对分频谐振发生时的消谐效果分析对比如图4所示。
由图6可知,三种消谐方法都可起到消谐作用,但消谐所用时间存在差异。(1)如图6(a)可知PT中性点接大电阻的消谐方法谐振消失时刻tr=0.421s,但在谐振效消除后非故障相的B、C两相仍有峰值为9120V左右的过电压;(2)如图6(b)可知PT中性点接非线性电阻的消谐方法谐振消失时刻为tr=0.391s,在谐振消除后各相电压回归正常;(3)如图6(c)可知PT中性点接间隙串接电阻的消谐方法谐振消失时刻为tr=0.332s,在谐振消除后各相电压回归正常。可见,在PT中性点加装间隙与电阻组合的这种消谐方法在消谐所需时间和过电压抑制上都有较好的表现。
(2)电压互感器末端电压水平对比:
电压互感器一次侧中性点都有一定的绝缘等级,10kV电磁式PT中性点绝缘等级一般在3000V左右。而中性点串接各类电阻后,均会导致中性点电位升高,严重时会损耗中性点绝缘。因而,需要对加装各类消谐装之后,谐振发生时中性点的电压水平进行计算。
仿真中3种消谐模型设置的方法同2节中提出的设置方法一致,通过在仿真中PT一次侧中性点放置节点电压探针分别测得3种消谐方法在发生分频谐振时的PT末端电压的波形。3种消谐方法PT末端电压水平如图7所示。
从图7中可以观察到,图7(a)和图7(b)所示在单相接地故障发生的时PT中性点接大电阻和非线性电阻的消谐方法会在PT末端产生一个很高的电压,电压峰值分别为7290V和5250V左右,远远超过PT末端的绝缘耐受电压3000V,存在损坏PT绝缘的风险。而如图7(c)所示采用新型的阻尼电阻串接间隙的消谐方法,由于电阻阻值较小,PT末端电压峰值仅有1200V左右,有效降低了PT末端的电压水平,避免了PT末端的绝缘损坏。
(3)开口三角电压幅值对比:
PT一次绕组经线性电阻接地,电阻越大抑制铁磁谐振的效果越好。但电阻过大会使开口三角的电压偏低,无法满足PT开口三角电压不小于80V的要求,会影响接地检测装置的灵敏性和继电装置的正确动作。
仿真中3种消谐模型设置的方法同2节中提出的设置方法一致,通过在仿真中PT一次侧中性点放置支路电压探针分别测得3种消谐方法在发生分频谐振时的PT开口三角处的电压的波形。3种消谐方法PT开口三角电压波形如图8所示。
从图8的对比,图8(a)和图8(b)所示PT中性点直接接大电阻和非线性电阻的消谐方法开口三角处的电压在单相接地故障消失后分别为55V和65V左右波动,无法满足开口三角处电压不小于80V的要求,如图8(c)可知新型阻尼电阻串接间隙的消谐方法可以在单相接地故障消失之后将开口三角处的电压稳定在150V左右,满足开口三角电压不小于80V的要求,保证了新型消谐方法消谐有效性的同时不会影响接地测试装置的灵敏性和继电装置的正确动作。
(4)流经接地点的电容电流幅值大小对比:
单相接地故障发生时刻,接地点会流经一个幅值很大的容性电流,可能会危害系统的正常运行,通常采取的抑制容性电流的方法是加装消弧线圈来过补偿单相接地故障产生的容性电流,但是若是容性电流过大则会带来其他并发问题。
仿真中3种消谐模型设置的方法同2节中提出的设置方法一致,通过在仿真中单相接地故障发生处放置支路电流探针分别测得3种消谐方法在发生分频谐振时流经接地点的容性电流大小。3种消谐方法流经接地点的容性电流波形如图7所示。
通过图9可以看到,如图9(c)所示PT中性点接电阻串联间隙时流经接地点的容性电流为0.210A,如图9(a)和图9(b)所示而PT中性点直接串接大电阻和非线性电阻的容性电流分别为0.421A和0.285A。可见,新型消谐方法的施加可以有效降低发生单相接地故障时接地点的容性电流、减少因容性电流过大发生事故的概率。
三种消谐方法的综合比较,如表2所示。
表2消谐方法综合对比
Figure BDA0002312088130000081
由表2可见,PT一次侧加装间隙与阻尼电阻的串联组合在保证消谐效果的同时对于PT末端电压水平、PT开口三角电压幅值和接地点电容电流这三个关键方面均能达到较好的效果。
综上可知,配电网系统发生单相接地故障导致PT铁芯饱和而引发的铁磁谐振问题,PT一次侧中性点加装间隙与阻尼电阻串联结构的消谐方法。可以达到最优的配电网消谐效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种配网电压互感器中性点加装间隙与电阻串联组合的消谐方法,其特征在于,包括:
在配电网中,新型消谐方法是阻尼电阻和间隙的串联结构,加装在电压互感器(PT)高压侧的中性点处。
2.根据权利要求1所述的配电网的间隙与阻尼电阻串联组合的消谐方法,其间隙的特征在于,放电电压值小且放电持续时间长。针对该特点,本发明间隙的形式为棒-棒间隙,棒电极直径设计为10mm。间隙的两个电极均为不锈钢材料的棒电极,电极头部加工成半球形。
3.根据权利要求1所述的配电网的间隙与阻尼电阻串联组合的消谐方法,其间隙的特征在于,所述配电网中,由于PT一次侧中性点的绝缘有一定的耐受电压值,间隙的放电电压应小于该耐受电压值。该间隙的距离由对应的放电电压值经试验确定。
4.根据权利要求1所述的配电网的间隙与阻尼电阻串联组合的消谐方法,其阻尼电阻的特征在于,由于电阻要通过较长时间的工频过电流和过电压,对电阻热容量的要求是2小时通过PT中性点额定电流值的电流后电阻无明显损坏;绝缘要求应能在2小时内耐受PT中性点耐受电压值。
5.根据权利要求1所述的配电网的间隙与阻尼电阻串联组合的消谐方法,其阻尼电阻的特征在于,电阻阻值的设计原则:(1)与间隙串联放电后,中性点的电压小于PT中性点耐受电压值;(2)能够起到快速消谐的效果。电阻的具体取值通过搭建ATP仿真模型,通过仿真计算,按阻值的确定原则确定。
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