10kV系統(tǒng)的電壓諧波分析

1、10kV系統(tǒng)的電壓諧波分析南京供電公司計(jì)量中心 曹根發(fā)摘要： 本文對(duì)10kV小電流接地系統(tǒng)的電壓諧波，由于10kV電壓互感器中性點(diǎn)的消諧電阻，及接地變一側(cè)的滅弧線圈等原因，而造成的錯(cuò)誤測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了分析，并針對(duì)這種現(xiàn)象提出改進(jìn)的測(cè)試方法。1. 前言 由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和國(guó)家電力總公司及江蘇省公司的要求，我市公司對(duì)所轄范圍內(nèi)的電網(wǎng)，配網(wǎng)電能質(zhì)量，（電壓諧波占有率）進(jìn)行了一次普測(cè)、普查。由于10kV配網(wǎng)系統(tǒng)采用了小電流接地的運(yùn)行方式，10KV配網(wǎng)的電壓互感器接線方式如圖1所示。在PT的一次側(cè)中性點(diǎn)到地串接一只電阻，稱消諧電阻。此電阻一般由氧化鋅閥片構(gòu)成，在正常運(yùn)行方式下，無電流通過此電阻。一次側(cè)

2、中心點(diǎn)與地等電位。近似與Y/Y型接法。而主變接線方式則是Y/ 型接法。所以在10kV母線上并一只接地變，采用Y/Y型接法。在變一側(cè)中心點(diǎn)串一只電抗器，俗稱滅弧線圈。在10kV系統(tǒng)形成中心點(diǎn)接地的運(yùn)行方式。 國(guó)標(biāo)規(guī)定電壓失諧率是相電壓的諧波百分比含量做為判別限值的標(biāo)準(zhǔn)。從而規(guī)范了測(cè)試信號(hào)是相電壓，與之相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備的接線方式是“Y”型接法。若取線電壓為取樣信號(hào)。測(cè)試設(shè)備需按“ ”接法，結(jié)果將造成取樣信號(hào)中的3n次諧波被抵消，抵消量大小，與3n次諧波電壓與同相的基波電壓相位及相電壓的不平衡度有關(guān)。在普查進(jìn)程中，我們發(fā)現(xiàn)有6座110kV變電站中的9條10kV母線嚴(yán)重超標(biāo)。共同特征是3次電壓畸變率是造

3、成超標(biāo)的最主要因素。其余各次諧波含量不大。且占比例極低。同時(shí)所有電壓諧波超標(biāo)的10kV母線，電壓三相不平衡度也接近或超過國(guó)標(biāo)值。（國(guó)標(biāo)u <2%）切除變電站10kV側(cè)的補(bǔ)償電容器組，僅五次諧波有所下降，三次諧波下降量不大總畸變率仍居高不下。在10kV電源側(cè)110KV測(cè)得，3次電壓諧波僅有1%左右。而在這9條母線供電范圍內(nèi)，并無大型工礦企業(yè)，和大型非線性生產(chǎn)用戶?；矩?fù)荷是大型商場(chǎng)、高層寫字樓及居民小區(qū)。僅照明、家用電器、電梯，難以形成如此高的僅以三次諧波為主要因素的電壓畸變特征?，F(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試設(shè)備，經(jīng)校驗(yàn)完全符合國(guó)標(biāo)規(guī)定要求，同時(shí)也達(dá)到制造廠的技術(shù)規(guī)定。為搞清這9條10kV母線電壓諧波嚴(yán)重

4、超標(biāo)的真正原應(yīng)所在，我們運(yùn)用了理論分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試二種方法。2. 理論分析2.1諧波電流換算諧波電壓法非線性負(fù)載向電網(wǎng)注入的諧波電流，通過供電節(jié)點(diǎn)阻抗，折算成諧波電壓，疊加在基波上，造成電壓波形的畸變，近似的工程估算可按下式計(jì)算：當(dāng)有n個(gè)諧波源（母線電壓的各條出線）。且相位不確定時(shí)： In= In1+In2+Kn In1 In2（1）In'= In+In3+Kn In In3（2） 最后得到一個(gè)母線電壓上總In' 諧波電流。K值一般可按表1取值：表 1N35711139|>13|偶次Kn1.621.280.720.180.080注：n為諧波次數(shù) 3*Un*n*InHRVn=

5、_ （3） 10*Sk式中：1.In1、In2、In3為諧波源的同次諧波電流值、單位：安培(A).In為母線電壓上n次 諧波的總電流值，單位：安培（A）3.Un：母線電壓標(biāo)稱值 單位千伏（kV）4.Sk公共連接點(diǎn)的三相小方式短路容量，單位兆伏安（MVA）5.n：第n次諧波。由于超標(biāo)特征集中在3次諧波上，計(jì)算頗為簡(jiǎn)單。以虎踞變?yōu)槔?0kV母線上的三次諧波總電流（I3）僅有9-11安左右。經(jīng)計(jì)算后，10kV側(cè)的三次諧波含量HRV3僅有0.08-0.097%。與背景諧波相疊加后的電壓總畸變率也只有1.2%-1.5%。遠(yuǎn)小于測(cè)量數(shù)據(jù)6.1%-8.1%的范圍。2.2 諧波電壓滲透法：當(dāng)已知系統(tǒng)中某點(diǎn)諧

6、波電壓，要推算相鄰對(duì)應(yīng)的諧波電壓值時(shí)，可引入“諧波電壓滲透系數(shù)”的概念去推算相鄰點(diǎn)的某等級(jí)諧波電壓畸變率。由如圖2所示降壓變壓器，由變壓器T1供給負(fù)荷F。功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘MC0上串聯(lián)，a%電抗器L0。該系統(tǒng)的等值電路如圖3所示。圖中RTn、XTn為變壓器的第n次諧波的等值電抗和電阻。XFn、RFn為負(fù)荷的第n次諧波等值電抗和電阻。XLn、XCn為電抗器和補(bǔ)償電容的第n次諧波等值電抗。電源側(cè)A的第n次諧波電壓UAn（%）,利用等值電路與負(fù)荷側(cè)B的諧波電壓UBn（%）關(guān)系為：UBn = Kun * UAn式中：Kun為諧波電壓滲透系數(shù) ZcnZfnKun = | | ZcnZfn+ZTn式中：

7、Zcn = j ( Xln - Xcn );ZTn = RTn+jXTn式中符號(hào)為并聯(lián)符號(hào)。為使問題討論簡(jiǎn)單化，同時(shí)避開補(bǔ)償電容器組對(duì)第n 次諧波的放大作用，作4點(diǎn)假設(shè)。1. 切除補(bǔ)償電容器組2. 不計(jì)變壓器損耗。3. 系統(tǒng)滿足RfnXfn。4. 負(fù)荷側(cè)無大型沖擊性負(fù)載。在這些條件均滿足情況下，（實(shí)際上除第2點(diǎn)外，其余3點(diǎn)在實(shí)際測(cè)試中都具備或能做到）我們獲得Kun。驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)如下，當(dāng)n<7次，從高壓電源側(cè)到低壓負(fù)荷側(cè)的諧波電壓滲透率：可取1.05%-1.17%，從低壓負(fù)荷側(cè)到高壓電源側(cè)的諧波電壓滲透率可取0.83%-0.95%，取值與供電節(jié)點(diǎn)的短路容量，諧波次數(shù)及變壓器制造工藝有關(guān)?；沮?/p>

8、勢(shì)是，供電節(jié)點(diǎn)短路容量越大，(與國(guó)標(biāo)諧波電流限數(shù)所確定的短路容量MVA值相比)從高壓向低壓滲透率，愈向1趨近。諧波次數(shù)>7，也趨近向1趨近。仍以虎踞變?yōu)槔?，莫?#(796),莫虎1#（798）兩條110kV進(jìn)線。電壓總失諧率為0.91-1.2%，根據(jù)電壓滲透原理，10kV的電壓總畸變率應(yīng)為：0.91%-1.2%*（1.05%-1.17%）=0.96%-1.4%的范圍之內(nèi)，也遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的6.1%-8.1%范圍。 3.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量： 由諧波電流換算諧波電壓法和諧波電壓滲透法的理論分析，這6座110kV變電站10kV母線側(cè)，PT上取樣的相電壓測(cè)試數(shù)據(jù)是一個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論。而電磁式電壓互感器頻率響應(yīng)

9、在50HZ-1500HZ范圍內(nèi)，基本上是一個(gè)線性電壓傳遞器件。問題的焦點(diǎn)就集中到消諧電阻上，由氧化鋅閥片構(gòu)成的消諧電阻，其伏安特性是類似于穩(wěn)壓管的非線性特征。短接電壓互感器一次側(cè)的消諧電阻，將10kVPT的中心點(diǎn)直接接地，此種工況下，應(yīng)是10KV母線電壓的真實(shí)電壓諧波值。測(cè)試結(jié)果如表2所示。工況電壓測(cè)試表2消諧電阻短接(THDv%)消諧電阻接入系統(tǒng) ( THDv% ) 投入補(bǔ)償電容器組切除補(bǔ)償電容器組投入補(bǔ)償電容器組切除補(bǔ)償電容器組UaUbUcUaUbUcUaUbUcUaUbUc10kV段%1.61.81.30.91.00.78.26.17.67.45.77.110kV段%2.52.41.71

10、.11.30.96.45.06.66.35.05.6注：表中是相電壓的總失諧率數(shù)值 由表2可以看出，母線電壓的畸變率是由消諧電阻等器件引起，運(yùn)用電流、電壓換算法，電壓滲透法估算出的電壓總含諧量和切除電容器組的測(cè)量結(jié)果較接近。由電能質(zhì)量分析儀（PS-3），分析軟件程序，打印出的3次諧波電壓日變化曲線（圖4所示）。雖經(jīng)供電系統(tǒng)的峰，谷，平三個(gè)時(shí)段，但畸變率基本上是一條直線。證明了是一個(gè)穩(wěn)定的畸變因素。與用戶負(fù)荷無關(guān)。10kV母線卻是一個(gè)在0-7%之間的穩(wěn)定電壓。PT中心點(diǎn)流過消諧電阻的電流，形成的電壓，與滅弧線圈，是造成三次諧波被放大很多的最重要的原因。 圖44 改進(jìn)測(cè)試方法： 如圖5所示，為滿足

11、國(guó)標(biāo)取相電壓要求，測(cè)試設(shè)備仍按“Y”型接法，但N點(diǎn)不接地。Uo對(duì)地有一電壓，電壓是由三相另序和諧波電壓（主要是3次造成）。Uo是一次側(cè)的中心點(diǎn)，對(duì)地也有電壓，而電壓主要由三相不平衡量和諧波電壓，主要也是3次所致。因此Uo 與Uo是一個(gè)方向相同的電壓偏差，對(duì)測(cè)試設(shè)備而言。就相對(duì)消弱和減小了因消諧電阻之故所造成的測(cè)量誤差。 按此設(shè)想，仍在虎踞變，將消諧電阻短接后，投切補(bǔ)償電容器組，測(cè)得的一組數(shù)據(jù)，與將消諧電阻接入電網(wǎng)系統(tǒng)，測(cè)試設(shè)備中心點(diǎn)懸浮，投、切補(bǔ)償電容器組，所得的數(shù)據(jù)列入表3所示。 表3消諧電阻短接測(cè)得設(shè)備中心點(diǎn)接地消諧電阻接入系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備中心點(diǎn)懸浮投入補(bǔ)償電容器組切除補(bǔ)償電容器組投入補(bǔ)償電容

12、器組切除補(bǔ)償電容器組UaUbUcUaUbUcUaUbUcUaUbUc10kV段%1.892.261.610.871.170.731.571.941.270.91.270.7510kV段%2.092.471.630.991.490.92.241.981.631.001.511.03注：表中是相電壓的總失諧畸變率從表3可明顯看出，消諧電阻接入系統(tǒng)后，采用測(cè)試設(shè)備中心點(diǎn)懸浮方法所測(cè)得的數(shù)據(jù)，較為貼近實(shí)際情況，尤其在切除功率因素補(bǔ)償電容器組的的工況下，這種測(cè)試方法，所得測(cè)試結(jié)果更為貼近實(shí)際。但要特別指出的是，這種測(cè)試方法，要求測(cè)試設(shè)備電壓信號(hào)通道必須隔離并且相互獨(dú)立，無內(nèi)在電氣連接點(diǎn)。經(jīng)9條母線的驗(yàn)證，這種接線方式測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確性。3次諧波很高，是否是虛假值的論證方法有三種。方法一可把變電站所用變，（部分變電站也有將接地變當(dāng)所用變供電）作為PT來取相電壓。因?yàn)樗米冐?fù)荷率一般不足15%，測(cè)試時(shí)最好再停用照明設(shè)備、空調(diào)直流浮充等負(fù)荷，用所用變測(cè)的電壓諧波結(jié)果會(huì)略高于PT二次側(cè)所得測(cè)試結(jié)果，若不僅不高反而低，而且低的很多，則可認(rèn)為此變電站的3次諧波值是一個(gè)虛假數(shù)據(jù)。方法二是分析3次諧波電壓的日變化曲線，經(jīng)峰、谷、平時(shí)間段，而畸變率基本上是直線，上下變化很小。方法三是將被測(cè)對(duì)象的三次諧波電流值。應(yīng)用諧波電流換算諧波電壓法，由