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(yùn)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(diǎn)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(yùn)行的繼電保護(hù)裝置和計(jì)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(yùn)行方式為單臺變壓器運(yùn)行。2003年4、5月份夜間22點(diǎn)至凌晨1點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行中)。

 

    2諧波測試與分析

 

    2.1試驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)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(yàn)，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(yùn)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(yùn)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(jì)時選擇的工作點(diǎn)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(yùn)行時的系統(tǒng)電壓有關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行電壓越高，運(yùn)行點(diǎn)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(yùn)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(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)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(yàn)。試驗(yàn)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(yùn)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(diǎn)，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(yàn)并不能全面考核變壓器運(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)行是產(chǎn)生5次諧波電壓的另一個原因。

 

    (4)模擬試驗(yàn)證明，額定電壓為66kV主變壓器，在110%額定電壓下空載運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行電壓在特定的時段內(nèi)偏高的問題，此項(xiàng)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(yùn)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(xiàng)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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