TV铁磁谐振影响因素仿真分析及综合消谐策略研究_李梦娇.pdf

2023年4月|1Special Topic|特别策划TV 铁磁谐振影响因素仿真分析及综合消谐策略研究TV铁磁谐振影响因素仿真分析及综合消谐策略研究李梦娇1，黄亚峰1，周银2，王汝田1（1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网荆州供电公司，湖北 荆州 434000）摘要：在中性点不接地的配电网中，极易产生 TV 铁磁谐振过电压，严重威胁系统安全运行。铁磁谐振影响因素多种多样，常见消谐措施虽简单易行，但会因实际场景的改变导致消谐效果不理想。基于此，利用 PSCAD 对 TV 铁磁谐振与常见消谐方法进行模型搭建及仿真计算，分析总结消谐过程中的谐振影响因素及常见消谐方法的适用场景，得出的一系列结论对电力部门治理铁磁谐振具有一定的指导意义。同时提出分阶段实施的综合消谐策略，不仅降低了成本，而且将消谐措施复合，提出改进后的4TV接线法，根据不同场景及谐振类型选择各自适合的消谐方法，经仿真验证该消谐方案的有效性，其消谐效果优于仅使用单一传统消谐措施，可实现迅速消谐。关键词：TV 铁磁谐振；谐振影响因素；分阶段消谐策略；改进后 4TV 法；PSCAD/EMTDCSimulation analysis of influence factors of TV ferromagnetic resonance and research on comprehensive harmonic elimination strategyLI Mengjiao1,HUANG Yafeng1,ZHOU Yin2,WANG Rutian1(1.School of Electrical Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China;2.State Grid Jingzhou Power Supply Company,Jingzhou 434000,China)Abstract:In the distribution network with ungrounded neutral point,TV ferroresonance overvoltage is very easy to occur,which seriously threatens the safe operation of the system.There are various factors affecting ferroresonance.Although the common harmonic elimination measures are simple and easy to implement,the effect of harmonic elimination is not ideal due to the change of the actual scene.Based on this,this paper analyzes and summarizes the influence factors in the process of harmonic elimination and application scenarios of common harmonic elimination methods through the model building and simulation calculation of TV ferroresonance and common harmonic elimination methods by PSCAD,and draws a series of conclusions that can provide reference for the power sector to control ferroresonance.At the same time,a comprehensive harmonic elimination strategy implemented in stages is proposed,which not only reduces the cost,but also combines the harmonic elimination measures,and proposes the improved 4TV method to achieve the selection of appropriate harmonic elimination methods according to different scenarios and resonance types.The effectiveness of this harmonic elimination scheme is verified by simulation,and its harmonic elimination effect is better than that of using only a single traditional harmonic elimination measure,which can achieve rapid harmonic elimination.Key words:TV ferromagnetic resonance;resonance influencing factors;phased harmonic elimination strategy;the improved 4TV method;PSCAD/EMTDC国家自然科学基金资助项目（52277170）2|2023年第42卷第4期特别策划|Special Topic0 引言在中压配电网中，常采用电压互感器TV监测对地电压，当其与系统中的电容元件参数匹配时，在外界激励下极易产生铁磁谐振过电压，不仅会烧毁电气设备，还会导致绝缘击穿、继电保护装置误动作，以及母线全停、电动机逆转等现象的发生，严重危害电力系统安全运行1。近年来已有大量文献从其产生原理、识别方法及抑制措施等方面进行研究，如根据Peterson谐振分布原理提出谐振参数范围，近年来人们主要从谐振数学模型出发分析铁磁谐振产生机理。文献2利用L-C并联谐振等效电路分析不同类型铁磁谐振原理及运行范围；文献3对TV饱和过电流进行了仿真计算；文献4基于TV磁化特性深入研究铁磁谐振机理。以上方法有效改善了传统图解法与相平面法等在适用范围上的局限性。针对消谐方法的研究，常见的消谐方法虽取得一定消谐效果，但会因实际场景改变与自身局限性使消谐效果变差，如文献5从理论上对传统消谐措施做出详细介绍，但对其各自适用场景及优缺点仿真计算介绍不够详细；文献6中提出在TV三角短接处接入小电阻，虽降低了短路电流，但会出现各相电流激增振荡；文献7仿真分析了消弧线圈消谐的影响因素，虽可快速消谐，但成本较高；文献8从磁通分析入手，提出基于磁通变化规律的改进二次消谐法；文献9将柔性控制方法应用于铁磁谐振，但因编程难度大，工程上较少使用。对于铁磁谐振的准确识别，国内外学者做了大量研究，如文献10中提出根据基频谐振电流特征的检测方法，虽简单易行，但对电流的识别误差易造成谐振误判；文献11提出将小波分析与快速傅里叶变换（FFT）相结合的识别方法，虽理论上可靠，但因算法复杂影响判定时间，实际应用较少。基于此，本文首先对TV铁磁谐振与常见消谐方法进行模型搭建及仿真计算，分析总结消谐过程中的谐振影响因素及常见消谐方法的适用场景，得出一系列结论，为电力部门治理铁磁谐振提供参考。同时提出分阶段实施的综合消谐策略，不仅降低成本，而且将消谐措施复合，提出改进后的4TV法，利用4TV法中的零序电感值对铁磁谐振准确识别，根据不同场景及谐振类型选择各自适合的消谐方法，经仿真验证该消谐方案的有效性，实现迅速消谐。1 TV铁磁谐振产生原理及数学模型在中压配电网中，TV常接于发电厂或变电站母线上，在零序回路中，忽略无关因素，TV铁磁谐振等效回路如图1所示，系统中线路各相对地电容C0和TV各相非线性励磁电感LA、LB、LC并联，形成三相各自独立的振荡回路。图 1L-C 并联铁磁谐振等效电路Fig.1 L-C parallel ferromagnetic resonance equivalent circuit图1中，EA、EB、EC为系统电源电动势；iA、iB、iC为TV电感瞬时值电流；uA、uB、uC为TV电感瞬时值电压；eA、eB、eC为电源电压瞬时值；e0为中性点电压瞬时值；RA、RB、RC为系统中各相线路电阻，可得(1)(2)(3)(4)对以上微分方程组求解，将谐振前的初始值代入计算，得出各相电压电流、零序电压等瞬时值的变化状态，从而对铁磁谐振的特征进行分析。若忽略各相线路电阻R，在图1中系统正常运行时可认为三相基本平衡，TV励磁电感在线2023年4月|3Special Topic|特别策划TV 铁磁谐振影响因素仿真分析及综合消谐策略研究性范围内波动，中性点电压E0为 (5)式中，为交流系统角频率。因三相对称，所以E0=0。且铁磁谐振过电压大多数需要外部激发条件，如空母线合闸、单相接地短路消失瞬间等，故障消失瞬间，产生的过电流使TV进入饱和区，非线性励磁电感值迅速下降，三相电路不再对称，E0升高，产生铁磁谐振过电压。对于TV励磁电感值LTV，忽略铁心绕组电阻，定量计算式为(6)式中，UL为铁心电压；i为铁心绕组的瞬时值电流；Ll为漏感；N为匝数；A为导线横截面积；l为平均磁路长度。当发生分频、高频谐振时，采用有效值合成法，计算公式为 (7)可知各相均产生谐振过电压，由XC=XL，即系统对地容抗等于TV励磁电感感抗，可得 (8)L 与 C0共 同 决 定 铁 磁 谐 振 频 率。XC/XL=0.0 1 0.0 7 时 可 发 生 分 频 谐 振；XC/XL=0.0 7 0.5 5 时 可 发 生 基 频 谐 振；XC/XL=0.552.80时可发生高频谐振，即为Peterson谐振分布原理。2 配电网TV铁磁谐振的仿真2.1 仿真模型的建立在PSCAD中搭建典型10 kV配电网中的TV铁磁谐振仿真模型，如图2所示。仿真系统参数详见表1。图 2铁磁谐振仿真模型Fig.2 Ferromagnetic resonance simulation model4|2023年第42卷第4期特别策划|Special Topic表 1仿真系统参数Tab.1 TV volt-ampere characteristic参数设计值参数设计值系统电源/kV110母线10 kV 分段母线变压器 T升压 T：110 kV/11 kV,“Yn/”降压 T：10 kV/0.4 kV，“/Yn”单相接地短路故障产生 t=0.1 s消失 t=0.2 s架空线路C地 L1=9.5 nF/kmC地 L2=5 nF/km空母线非同期合闸tA=0.2 stB=0.205 stC=0.2 s电缆C地 L3=600 nF/km电压互感器 TV“10 kV/3：100 V/3：100 V/3”；Smax=300 VA；“Yn/Yn/”利用3个单相UMEC变压器搭建TV模型，并输入u-i数据体现TV非线性励磁电感特性，伏安特性见表2，TV相电流最大有效值ITV.max为(9)本模型中设定TV铁耗很小，即忽略铁耗对铁磁谐振的衰减作用。表 2TV 伏安特性Tab.2 TV volt-ampere characteristicU/kVI/mAU/kVI/mA63.812.431.585.712.849.3108.913591221.314114由Peterson谐振分布原理知，XL为TV在线电压下的励磁电抗，可得(10)因此，当5.2 nFC040.5 nF时，系统可发生基频谐振；当40.5 nFC0283 nF时，系统可发生分频谐振，线路继续增长易发生低频振荡。2.2 不同激发方式下的铁磁谐振仿真计算对空母线合闸