非对称性负荷对继电保护及消谐装置的影响

宋 强，王儒科

（国网河南省电力公司焦作供电公司，河南 焦作 454150）

非对称性负荷对继电保护及消谐装置的影响

宋 强，王儒科

（国网河南省电力公司焦作供电公司，河南 焦作 454150）

分析了电力系统非对称性负荷(电铁负荷、钢厂负荷)对继电保护及消谐装置的影响，并提出通过调整出线低周整定方案和增加区分接地与谐振判据等解决方法，合理优化改进，保障了电网的安全运行。

非对称性负荷；继电保护；消谐装置

0 引言

某变电站110 kV侧采用单母线分段运行，110 kV 进 线 互 为 自 投，110 kV II段 修 东 线 带110 kV 电铁牵引变，负荷为 20 kW。10 kV 侧采用单母线分段运行，工业负荷占总负荷的70 %，且负荷中谐波分量较大，特别是10 kV轧钢西线、轧钢东线、钢厂线。电铁负荷、钢厂负荷波动经常导致10 kV出线低周保护误跳闸。

1 非对称性负荷对继电保护的影响

电压、频率、波形是衡量电能质量的3个指标。电铁负荷、钢厂负荷既是冲击性负荷，又是非对称性负荷，其所产生的谐波、负序会造成电网的电压、波形发生畸变，使电能质量下降；同时造成保护误跳闸，影响用户正常用电，并对电力系统的安全、稳定运行造成危害。

钢铁行业是高耗能行业。钢铁厂内部一般分为炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂、制氧厂、烧结厂，用电设备众多，含有大量冷却水泵和除尘风机，且大部分采用阀门调节。

继电保护频率元件可分为6段，由E81控制1～6段分别投入。

投运时整定值为：

NFREQ=50 Hz(正常系统频率为 50 Hz)；

E81≥1(投入频率元件1段保护)；

81D1P=48.25 Hz(频率元件1段保护动作值)。

这6个频率元件都由相同的低电压元件(继电器定值27B81)控制。如果任一电压(UA，UB，UC)低于电压动作值27B81P，继电器字位27B81置位为逻辑1，并且闭锁频率元件动作。这是为了防止在故障状态下频率元件的误动作，特别是电铁负荷和钢厂负荷波动较大，易导致保护误动，所以必须采取措施加以避免。

若低电压动作整定值27B81P 可用在其他控制方案中，那么继电器定位27B81在用于频率元件的同时也可用于其他逻辑。若频率元件没有使用，那么继电器定位27B81仍旧可用于其他逻辑，并在具有要求的电压整定值27B81中放置。若投入频率元件(整定值E81≥1)，且设置整定值27B81P，则使用继电保护逻辑控制方程，将继电器定位27B81应用于要求的逻辑方案中。

新的10 kV出线低周整定方案为：

具体的保护动作逻辑如图1所示。

由于电铁负荷和钢厂负荷波动大、频率易突变，所以引入27B81P作为OUT104的一个条件。81D1D 动作时间整定为 0.15 s(7.5×20/1 000)，使用OUT104动作出口，通过更改SEL逻辑即可有效防止电铁负荷、钢厂负荷波动，避免10 kV出线低周保护频繁误跳闸。

图1 低周保护动作逻辑

2 非对称性负荷对消谐装置的影响

电力系统中存在大量的储能元件，如电压互感器、变压器、电抗器等电感元件，电容器、线路对地电容、断路器的断口电容等电容元件。这些元件组成了许多串联或并联的振荡回路，在稳定状态下运行时，不会产生严重的振荡；但当系统发生故障或由于某种原因电网参数发生变化时，就可能产生谐振。

在中性点非直接接地系统中，若一相断线接地，受到变压器和相间电容、电压互感器和线路对地电容、空载变压器和空载长架空线电容的影响，很容易形成振荡回路，就可能产生谐振。

谐振常常会引起长时间的过电压。在正常工作电压下，电压互感器这类电压元件的铁芯磁通密度不高，铁芯并不饱和。在过电压状态下，铁芯饱和，电感迅速降低，从而与电容发生谐振，即铁磁谐振。铁磁谐振不仅可在基波下发生，也可在高频或低频下发生。

正常运行时，电压互感器开口三角形的电压（3 Uo）理论值为 0，实际值一般不超过 10 V。当系统发生单相接地故障时，3 Uo迅速提高至30 V，甚至高达120 V，形成过电压。当系统上电时，由于三相不同期等原因(存在有瞬时接地故障等现象)，会在电压互感器中产生很大的谐振电流，造成互感器内部铁芯饱和，导致二次侧波形发生畸变；当畸变足够大时，即形成铁磁谐振。

谐波电压中的 17 Hz，25 Hz，150 Hz 谐波分量叠加至50 Hz基波上，会使基波波形发生严重畸变。电铁负荷、钢厂负荷电压具有不稳定、不对称、非线性特征，在消谐元件出口消谐时，如不能正确区分电铁负荷、钢厂负荷特征，很容易造成误报信号和PT(电压互感器)运行的不安全，并且出口在谐波的过零点时就没有意义。同时必须区分接地与谐振，判据如下。

(1) 接地判断：基波电压不小于40 V；用于抵消电铁负荷、钢厂负荷波动引起的瞬时过电压，防止误报接地信号。

(2)  谐振判断：17 Hz 谐波电压 23 V， 25 Hz谐波电压 33 V，150 Hz谐波电压 43 V；用于抵消电铁负荷、钢厂负荷波动引起的瞬时过电压，防止误判断。

因此，根据最优决策理论，应寻找基波过零点与谐波峰值之间的黄金分割点进行消除，这样既可消谐，又可保证基波不受或少受影响。

可利用压敏元件的电抗破坏PT铁磁谐振的产生条件进行在线消除。若压敏元件仍未完全消除PT产生的铁磁谐振，则瞬间启动大功率消谐元件予以消除。

3 结束语

针对局域电网的电铁负荷、钢厂负荷的非对称性特点，结合微机保护及自动装置的特性，合理改进，优化设计，以保障电网的安全运行。

1 张  博，鲁铁成，杜晓磊．电力系统基频铁磁谐振谐波平衡分析[J]．高电压技术，2006(1).

2 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护规定汇编[M].北京：中国电力出版社，2000.

3 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护典型故障分  析[M]．北京：中国电力出版社，2001.

4 翟义德．电力系统谐波问题及基于混合并联结构的治理方案[J]．电力安全技术，2013(11)．

2014-02-20。

宋  强(1977-)，男，工程师，主要从事电力系统分析与控制，继电保护及自动装置的动作分析等工作，email：wwdhthk@sina.com。

王儒科(1991-)，男，助理工程师，主要从事电力系统分析与控制，继电保护及自动装置的动作分析等。