利用无源滤波器抑制励磁涌流引发谐波过电压可行性分析

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(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

随着中国电力系统的发展以及经济水平的提高，送电网络逐渐地向边远无电地区延伸。但由于这些无电地区负载较小，且往往远离负荷中心，在建设的初期，这些地区与主网之间往往仅通过一回联络线相连，而且该联络线的距离一般都较长。联络线这种轻载长线的特性，为低次谐波的传播与放大提供了极好的条件。

根据传输线理论[1,2]，对于空载长线路，当其距离与传输电波的1/4波长相等时，在线路末端谐波电压可能会被严重放大，从而造成严重的电压畸变，导致设备损毁。因此对于低次谐波而言，当输电线路距离接近300～750 km时，2～5次谐波则有在末端放大的危险。此时，如果在系统中对空载变压器进行合闸操作，其注入的励磁涌流[3,4]则可能在系统末端产生较大的过电压[5]。

2013年中国西南某藏区电网出现了因励磁涌流的注入，而在电网末端产生谐波过电压的事件。根据录波数据，此次事件中系统末端35 kV母线的电压瞬时值达到了正常情况的1.9倍，对设备以及负荷的安全带来了极大的威胁。

在抑制励磁涌流引发谐波过电压的措施方面，存在着从源头治理[6]以及改变系统网络特性[1]两种方式。下面以西南某藏区电网为算例，着重分析了通过在系统中增加无源滤波器抑制谐波过电压的思路，探讨了其可行性。

1 研究算例及其谐波过电压风险

1.1 算例系统介绍

利用西南某藏区电网作为算例系统。

图1 算例系统

该系统中，11号母线以及12号母线所处的变电站即为边远地区变电站，其与主网(9号母线以右的系统)之间的最远传输距离接近600 km，处在300～750 km的范围之内。同时11号母线与12号母线的总下网负荷仅有2 MW左右。因此，母线9～母线12的联络线具有明显的轻载长线路的特性。一旦从9号母线注入低次谐波，在12号母线的低压侧则会出现明显的电压畸变，甚至出现谐波过电压。

1.2 算例系统谐波过电压仿真分析

利用PSCAD/EMTDC软件对图1所示系统进行电磁暂态仿真分析，仿真结果验证了以上判断。以在1号母线对550 MVA空载变压器进行合闸操作为例，可以得到在枯期小方式下，12号母线35 kV侧的电压瞬时值波形如图2所示。

图2 12号母线35 kV侧的电压瞬时值波形

由图2所示，此时12号母线35 kV侧的电压瞬时值接近2.0倍，远远超过了系统允许的范围，设备损毁风险较高，需要采取措施进行抑制。

2 无源滤波器设计原则

为了抑制励磁涌流引发的谐波过电压，需要在系统中装设无源滤波器。根据规划，考虑到未来还会有部分110 kV变电站从11号母线上网，为了提高适应性，特将滤波器装设在11号母线的低压侧。以下将对滤波器的设计原则进行探讨。

2.1 滤波器谐振点选择

考虑到励磁涌流中主要含有2、3、4、5次谐波，因此滤波器的设计主要为2、3、4、5次各次的单调谐滤波器。根据常规的设计方法，滤波器的调谐频率往往会低于目标频率，如1.9、2.8次等。如此可以防止滤波器电容器使用时间较长时，其介质材料会退化，从而导致的电容值下降，谐波频率升高。

这样设计的前提是将交流电网等效为一个纯电感，但是这样的设计方式在图1所示的地区电网中可能具有较大的风险。

以3.9次频率为滤波器的调谐频率，在11号母线35 kV侧增加滤波器前后，流入母线11～母线12输电线路的4次谐波电流有效值如图3所示。

图3 4次谐波电流有效值

由图3可知，在增加滤波器后流入11～12线路的4次谐波电流反而有增大的趋势。分析其原因，主要是由于谐波频率超过了滤波器谐振频率，因此滤波器呈感性。但是，由于图1所示地区电网从11号母线往里看，11～12线与12号变电站则主要呈容性。因而出现了谐波电流的放大情况。

为了避免该情况的出现，最好能够保证滤波器能够在谐波下呈现容性阻抗，因此在弱联系电网中，滤波器的调谐频率可能需要高于目标频率。

2.2 滤波器容量选择

滤波器设计中，滤波器容量关系到电容值的选择，因此也直接关系到设备选型与滤波效果。

根据分析，滤波器容量主要跟以下两个因素有关。

首先是滤波器的品质因素Q。

图4 不同容量下2次谐波单调谐滤波器的不同频率下的阻抗

图4所示是在两个不同容量的2次谐波单调谐滤波器的不同频率下的阻抗。由图4可知，两个不同容量的滤波器在谐振频率下阻抗是相同的，但是由于滤波器设计起来有频差，因此两个滤波器的效果就会有所差异。如图可知，在相同频差的情况下，容量越小的滤波器其滤波效果就越差。

第二是电容上的压降。

由于滤波器的容量主要是通过滤波器上的电容值进行计算，因此在一定的谐波电流下，滤波器容量与电容器上的电压降落呈反比。这一点可以通过以下的推导表示。

假定滤波器母线上的电压为该电压等级的额定电压，则滤波器的容量可以通过式(1)进行计算。

(1)

当流过滤波器的谐波电流大小为Ih，谐波角频率为ωh时，电容器上的压降为

(2)

由此，可以得到

(3)

其中，n为谐波次数。

由此可见，如果滤波器容量太小，那么电容器的额定电压就需要选择很大，从而抬高造价。

3 滤波器设计与效果

对1.2节所述工况中流进11～12线路的电流进行谐波分析，得到的结果如图5所示。由此可以发现，谐波中3、4、5次明显占优，同时也存在着少量的2次谐波。因此需要对3、4、5次谐波进行单调谐滤波。

图5 11～12线路上电流谐波分布

根据每次谐波的最大值，分配滤波器各支路的容量。同时使得可以将滤波器总容量设计得接近并小于20 Mvar。

为了尽量保证每个滤波器上电容有类似的压降，设计了滤波器参数如表1所示。

表1 滤波器参数设计

当在11号母线35 kV侧采用如表1所示的滤波器，并投入20 MVA的低抗以维持稳态电压时，如发生1号母线对550 MVA空载变压器进行合闸操作，12号母线35 kV侧三相电压瞬时值如图6所示。

图6 滤波器后石渠变电站35 kV电压瞬时值

对比图2与图6可知，采用设计的滤波器后12号母线的电压有了明显的好转，过电压情况得到较好的抑制。而对滤波器电容、电感上的压降进行仿真，可以得到仿真结果如图7、图8所示。

图7 滤波器电容上的压降

图8 滤波器电感上的压降

由图7、图8可知，在该仿真工况下，电容器上达到的最大峰值电压为65 kV，电感为35 kV，在选型上必须比低容、低抗选择的额定电压要大。

4 滤波器对孤网后高周高压风险的影响

由于滤波器的加入，在基频下增加了容性无功，虽然在基频情况下增加了低抗以抵消容性无功，但是当电网孤网情况频率升高后，低抗已经无法完全补偿电容，因此对孤网系统的高周高压风险可能有恶化作用。

另一方面，由于滤波器中增加了电阻性元件，增加了有功性负荷，故对高周高压风险也有抑制作用。

图9所示是在母线8～母线9线路N-2后，有无滤波器两种情况下11号母线220 kV侧的电压有效值。

由图9可知，在增加如表1所示滤波器后，由于增加了容性元件，恶化了孤网系统的高周高压风险，系统电压在故障过程中有较为明显的增加，从而引发过电压保护。

为了抑制滤波器对自励磁的影响，需要考虑在高周以及基波高压时切除容性滤波装置。因此可以考虑以下两种途径。

方法1：高周切滤波器，整定方式与发电机相同。即在频率高于51.5 Hz时，延时0.5 s切除滤波器。

图9 增加滤波器前后母线8～母线9线路N-2故障中11号母线35 kV电压有效值

方法2：高压切滤波器。即在滤波器上配置灵敏度较高的基波过电压保护，如可设置为1.2 p.u.，延时0.5 s切除变压器。

以上两种措施的效果如图10所示。

由图10可知，采用高周、高压两种策略均可以较好地抑制滤波器对自励磁的恶化影响。同时可以发现高周策略由于启动时间较早，因此效果更为明显。

图10 抑制措施效果图

5 结 论

以西部某藏区电网为例，探讨了利用无源滤波器抑制励磁涌流引发谐波过电压风险的可行性，可以有以下几点结论。

1)仿真结果表明，在弱联系电网中通过增加无源滤波器确实可以对励磁涌流引发谐波过电压风险进行有效的抑制。

2)滤波器设计时滤波器的容量以及谐振频率十分关键。滤波器的容量决定了滤波器在有频差时的滤波效果同时也会影响一定谐波电流下电容器上的压降。滤波器容量越大，在相同频差下滤波效果越好，而在相同电流下电容的压降也越小。

3)滤波器的谐振频率决定了滤波器在谐波下的无功特性，由于弱联系电网呈现容性状态，为了防止谐波放大，最好能够保证滤波器在谐波下也呈现容性阻抗，因此在弱联系地区中滤波器的调谐频率可能需要高于目标频率。

4)滤波器对弱联系电网孤网运行后的高周高压风险的影响方面，一方面滤波器提供了容性功率恶化了电网孤网运行后的高周高压风险，另一方面滤波器上的电阻也增加了有功负荷有利于抑制该风险。但仿真结果表明，在装设无源滤波器后，当系统因故障孤网时，过电压的幅值往往会高于装设之前。

5)采用高周、高压两种策略均可以较好地抑制滤波器对电网孤网运行后的高周高压风险的恶化影

响。同时可以发现高周策略由于启动时间较早，因此效果更为明显。

[1] 周佩朋, 项祖涛, 杜宁, 等. 西北750 kV电网合空变导致青藏直流闭锁故障分析[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(10):129-133.

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[4] BRUNKE J H, FROHLICH K J. Elimination of Transformer Inrush Current by Controlled Switching —— Part 2： Application and Performance Considerations [J]. IEEE Trans on Power Delivery，2001,16(2):281-286.

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[6] 谢达伟,洪乃刚,傅鹏. 一种变压器空载合闸励磁涌流抑制技术的研究[J].电气应用,2007,26(3):34-38.