在東北，因經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相對落后，導(dǎo)致電力負(fù)荷波動很大，特別是在凌晨左右，電力負(fù)荷急劇減小導(dǎo)致系統(tǒng)電壓升高，局部地區(qū)電網(wǎng)220kV系統(tǒng)達(dá)到240kV甚至更高。使得電網(wǎng)中的電力變壓器運行在高電壓水平，致使變壓器產(chǎn)生過飽和，產(chǎn)生大量的高次諧波。傳統(tǒng)理論認(rèn)為變壓器過飽和主要產(chǎn)生3次諧波，但隨著電力變壓器新技術(shù)、新工藝、新材料的使用與推廣，電力變壓器產(chǎn)生高次諧波特點也產(chǎn)生變化，5次諧波已成為電力變壓器中最豐富的諧波。因其5次諧波的特殊性，對電網(wǎng)中運行的繼電保護(hù)裝置和計量裝置帶來嚴(yán)重危害和影響

 

    1基本概況

 

    長春供電公司所屬的榆樹變電站、五棵樹變電站是哈爾濱至大連電氣化鐵路的牽引變電站，正常運行方式為單臺變壓器運行。2003年4、5月份夜間22點至凌晨1點左右，兩變電站66kV母線負(fù)序電壓濾過器偶爾動作，發(fā)出電網(wǎng)負(fù)序電壓偏高的信號，而此時系統(tǒng)運行一切正常，并沒有任何事故發(fā)生。此種現(xiàn)象在2003年8月份達(dá)到了高峰，幾乎每天夜間負(fù)序電壓繼電器都發(fā)出負(fù)序電壓偏高的信號，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全運行。五棵樹變電站是2001年9月由老五棵樹一次變電站改建而成的電氣化鐵路牽引變電站，裝有2臺主變壓器，型號為SFPZ4-63000和SFPZ8-63000，接線方式為Y0,d，新增4條220kV線路，其中，榆五線與榆樹一次變電站相連;榆樹變電站為了適應(yīng)電氣化鐵路的需要也進(jìn)行了相應(yīng)的改建，裝有型號為SFPZ4-63000和SFPZ7-120000的變壓器各1臺，接線方式為Y。，d，220kV榆雙線與雙城堡變電站相連，而雙城堡變電站也是電氣化鐵路牽引變電站。長春供電公司系統(tǒng)接線圖見圖1，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得榆樹及五棵樹變電站在220kV系統(tǒng)都含有產(chǎn)生諧波的非線性電力負(fù)荷。為查找負(fù)序電壓繼電器頻繁誤動的原因，于2003年11月3-5日對榆樹及五棵樹變電站進(jìn)行諧波測試分析工作(測試時SFPZ7-120000變壓器在運行中)。

 

    2諧波測試與分析

 

    2.1試驗方法

 

    諧波測試使用的是8000-2電能質(zhì)量測試儀，其電壓取自五棵樹與榆樹變電站220kV及66kV母線電壓互感器的二次回路;電流取自五棵樹與榆樹變電站主變壓器一次、二次主電流互感器的二次側(cè)及各線路電流互感器的二次側(cè)。依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求進(jìn)行測試：①對每個諧波測點的諧波測試次數(shù)(數(shù)據(jù))不少于5次;②取5次測量的算術(shù)平均值，同時記錄測量66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓的變化。

 

    2.2測試內(nèi)容

 

    2003年11月3日17時至5日凌晨1時，在正常運行方式下測試，間隔2h記錄一次220kV母線與66kV母線電壓及諧波電壓，66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓值，主變壓器220kV側(cè)主電流互感器、66kV側(cè)主電流互感器電流及諧波電流，220kV線路及66kV線路電流及諧波電流。零時起調(diào)整有載變壓器分接頭試驗，模擬系統(tǒng)電壓升高，在變壓器有載調(diào)壓分接頭的各位置運行工況下，測試上述參數(shù)。

 

    2.3測試分析

 

    榆樹變電站在當(dāng)天的有載調(diào)壓變壓器分接頭位置在"7"，隨著時間的推移，伴隨著夜晚的來臨，電力負(fù)荷的逐漸減少及系統(tǒng)電壓的逐漸升高，其66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓值及5次諧波電壓含有率在逐漸增加。此時，盡管系統(tǒng)電壓升高了，但其三相電壓不平衡度值基本上沒有變化。以榆樹變電站為例：其220kV、66kV母線5次諧波電壓含有率在傍晚17：30分左右分別為1.4%、2.6%，至深夜23時其5次諧波電壓含有率已分別上升至1.8%、4.2%，超過國家標(biāo)準(zhǔn)1.6%及2.4%的限制值;同時66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓也由2.9V上升為4.9V，并且用頻譜示波器觀察負(fù)序電壓濾過器輸出端的電壓是5倍頻分量，而非基波負(fù)序電壓。而此時榆樹變電站主變壓器二次主TA的負(fù)荷電流由260A減少至120A;5次諧波電流由9.6A升至39A并超過10A允許值。對于榆樹變電站來講，66kV線路共有6條分別是：榆城線、榆向線、榆秀線、榆北線、榆五線和榆大線，均不含有大型的非線性電力負(fù)荷，而且在傍晚時其負(fù)荷較大，在深夜其負(fù)荷較小，如榆向線、榆五線及榆大線在深夜時其負(fù)荷很小，幾乎為零。我們知道非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波大小與其負(fù)荷有緊密的關(guān)系，往往負(fù)荷最大的時刻也是產(chǎn)生諧波電流最大的時刻，所以國標(biāo)中規(guī)定對非線性負(fù)荷應(yīng)測試其最大負(fù)荷的工況。綜合上面的測試及分析可以得出一個初步的結(jié)論，榆樹及五棵樹變電站66kV母線及220kV母線5次諧波問題不是由66kV母線所帶的電力負(fù)荷產(chǎn)生的，而是與系統(tǒng)運行的電壓水平密切相關(guān)。

 

    電力變壓器是鐵心設(shè)備，由于鐵心磁路的飽和使系統(tǒng)側(cè)提供的激磁電流產(chǎn)生畸變，其產(chǎn)生的諧波電流包含在激磁電流中，且所含的諧波分量相同。其產(chǎn)生的諧波次數(shù)主要是3、5次及7次，其諧波電流的大小與鐵心材料的飽和特性及設(shè)計時選擇的工作點有關(guān)，即與工作磁通密度有關(guān)。前者決定飽和特性，后者決定飽和程度。磁通密度高，可以節(jié)省鐵心材料，但使諧波增大。同時產(chǎn)生諧波的大小與變壓器運行時的系統(tǒng)電壓有關(guān)，系統(tǒng)運行電壓越高，運行點越深入飽和區(qū)，空載電流的波形畸變越大，諧波含量急劇上升。榆樹及五棵樹變電站220kV及66kV5次諧波含量隨著系統(tǒng)電壓的升高而升高，是由于電力變壓器因系統(tǒng)電壓的升高而使鐵心飽和造成的。為此，進(jìn)行了調(diào)整有載變壓器分接頭的諧波測試，此時負(fù)荷基本上沒有變化。以榆樹變電站為例，隨著變壓器分接頭從"7"調(diào)整至"12''''，即66kV側(cè)母線相電壓由36kV升至41.2kV。升幅3%時，66kV電壓5次諧波含有率從3.8%升至5.1%，升幅達(dá)21.4%。66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓值由4.9V升至6.6V，此過程僅1min左右，證明負(fù)荷對5次諧波是沒有影響的。繼續(xù)調(diào)整變壓器分接頭位置，從"12"調(diào)整至"3"，66kV側(cè)母線相電壓由41.2kV降至37.5kV，電壓降幅9%。66kV電壓5次諧波含有率從5.1%降至2.1%，降幅達(dá)59%。66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓值由6.6V降至3.2V。此時系統(tǒng)高低壓側(cè)三相電壓不平衡度沒有變化。由此可見，隨著系統(tǒng)運行電壓的升高，變壓器產(chǎn)生的5次諧波也隨之升高，且升高幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓的升高幅度。

 

    為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)運行電壓的升高對電力變壓器產(chǎn)生5次諧波的影響，我們對長春變壓器廠生產(chǎn)的SZ9-31500/66型變壓器進(jìn)行了空載試驗。試驗電源由主變壓器低壓側(cè)加入，在100%、105%及110%額定電壓下分別測量其3、5次及7次諧波電壓及電流。

 

    運行電壓的升高對變壓器產(chǎn)生諧波特別是5次諧波的影響是相當(dāng)顯著的。當(dāng)電壓加到110%額定電壓時，從伏安特性曲線看，此時還沒有到達(dá)拐點，變壓器并沒有到達(dá)飽和區(qū)，但變壓器已產(chǎn)生高達(dá)7.4%的5次諧波電壓含有率。所以，單純從變壓器空載特性試驗并不能全面考核變壓器運行特性中諧波的問題，其主要原因是變壓器制造廠采用新材料提高磁通密度所致。

 

    綜合以上的測試與分析，可以認(rèn)為榆樹、五棵樹變電站5次諧波電壓嚴(yán)重超標(biāo)是由于夜間系統(tǒng)負(fù)荷小，系統(tǒng)運行電壓偏高，變壓器中電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變使變壓器的諧波含量急劇上升所致，此時變壓器相當(dāng)于諧波電壓源。

 

    2.4諧波對負(fù)序電壓濾過器影響的分析

 

    從前面的測試數(shù)據(jù)及分析我們看到，榆樹及五棵樹變電站負(fù)序電壓濾過器輸出端的電壓是5次諧波電壓，且隨著66kV母線的5次諧波電壓的增加而增加。正常情況下負(fù)序電壓濾過器輸出端電壓反映的是系統(tǒng)的三相不對稱程度，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相不對稱故障時，負(fù)序電壓濾過器輸出端輸出基波負(fù)序電壓，發(fā)出信號。為進(jìn)一步證實諧波特別是5次諧波對負(fù)序電壓濾過器的影響，對榆樹變電站66kV母線安裝使用的BFY-12A負(fù)序電壓繼電器進(jìn)行諧波干擾的測試。5次諧波電壓對負(fù)序電壓濾過器的影響是很大的，其5次諧波電壓含有率對負(fù)序電壓濾過器的滲透系數(shù)在80%-89%。榆樹變電站66kV母線，負(fù)序電壓繼電器動作值整定為9V。從表4的測試數(shù)據(jù)看，當(dāng)榆樹變電站66kV母線5次諧波電壓含有率達(dá)到12%左右時，其負(fù)序電壓繼電器電壓濾過器輸出端的電壓為9.33V，超過9V的整定值，故而引發(fā)誤動作。

 

    2.5測試結(jié)論

 

    (1)66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出的端電壓隨著系統(tǒng)電壓的增大而增大。

 

    (2)系統(tǒng)的5次諧波增加，導(dǎo)致了66kV母線負(fù)序電壓濾過器輸出的端電壓增大。

 

    (3)農(nóng)網(wǎng)中由于存在部分額定電壓為60、63kV的變壓器，其在輕載高電壓下運行是產(chǎn)生5次諧波電壓的另一個原因。

 

    (4)模擬試驗證明，額定電壓為66kV主變壓器，在110%額定電壓下空載運行時可以產(chǎn)生7.4%的5次諧波電壓，37%的5次諧波電流。5次諧波電壓對BFY-12A負(fù)序電壓繼電器的滲透率高達(dá)80%-89%。對于整定動作值為9V的BFY-12A負(fù)序電壓繼電器，當(dāng)其接人點的5次諧波電壓含有率為11%左右時即可引發(fā)動作。

 

    3措施與建議

 

    (1)安裝電能質(zhì)量在線測試裝置，設(shè)置5次諧波電壓的預(yù)警信號，當(dāng)系統(tǒng)的5次諧波電壓偏高時，發(fā)出預(yù)警信號，提示運行人員注意，同時采取技術(shù)措施。

 

    (2)更換負(fù)序電壓濾過器，選擇抗諧波能力強(qiáng)的負(fù)序電壓濾過器，其帶有5次諧波濾波電路。

 

    (3)在特定的時段內(nèi)，結(jié)合電能質(zhì)量在線監(jiān)測儀及系統(tǒng)的運行電壓水平調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭，人為降低66kV系統(tǒng)運行電壓偏高的問題。

 

    (4)必要時在66kV系統(tǒng)加裝并聯(lián)電抗器，以降低系統(tǒng)運行電壓在特定的時段內(nèi)偏高的問題，此項措施需進(jìn)一步的可行性研究。

 

    (5)條件許可時，將部分農(nóng)網(wǎng)中額定電壓為60、63kV的變壓器更換為額定電壓適合系統(tǒng)運行電壓的變壓器。

 

    建議相關(guān)部門今后對接人公用電網(wǎng)的電力變壓器增加飽和倍數(shù)的諧波測試項目，對諧波偏大的變壓器禁止入網(wǎng)，在源頭上堵住電力變壓器產(chǎn)生5次諧波問題。同時也希望國家有關(guān)部門對電力變壓器產(chǎn)生諧波特別是5次諧波的問題引起重視，盡快制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

 

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