在東北，因經濟發展的相對落后，導致電力負荷波動很大，特別是在凌晨左右，電力負荷急劇減小導致系統電壓升高，局部地區電網220kV系統達到240kV甚至更高。使得電網中的電力變壓器運行在高電壓水平，致使變壓器產生過飽和，產生大量的高次諧波。傳統理論認為變壓器過飽和主要產生3次諧波，但隨著電力變壓器新技術、新工藝、新材料的使用與推廣，電力變壓器產生高次諧波特點也產生變化，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，對電網中運行的繼電保護裝置和計量裝置帶來嚴重危害和影響

 

    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母線負序電壓濾過器偶爾動作，發出電網負序電壓偏高的信號，而此時系統運行一切正常，并沒有任何事故發生。此種現象在2003年8月份達到了高峰，幾乎每天夜間負序電壓繼電器都發出負序電壓偏高的信號，嚴重影響了系統的安全運行。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電氣化鐵路的需要也進行了相應的改建，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。長春供電公司系統接線圖見圖1，這種系統結構使得榆樹及五棵樹變電站在220kV系統都含有產生諧波的非線性電力負荷。為查找負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及各線路電流互感器的二次側。依據中華人民共和國國家標準《電能質量公用電網諧波》的要求進行測試：①對每個諧波測點的諧波測試次數(數據)不少于5次;②取5次測量的算術平均值，同時記錄測量66kV母線負序電壓濾過器輸出端電壓的變化。

 

    2.2測試內容

 

    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母線負序電壓濾過器輸出端電壓值，主變壓器220kV側主電流互感器、66kV側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。零時起調整有載變壓器分接頭試驗，模擬系統電壓升高，在變壓器有載調壓分接頭的各位置運行工況下，測試上述參數。

 

    2.3測試分析

 

    榆樹變電站在當天的有載調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，電力負荷的逐漸減少及系統電壓的逐漸升高，其66kV母線負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%，超過國家標準1.6%及2.4%的限制值;同時66kV母線負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序電壓濾過器輸出端的電壓是5倍頻分量，而非基波負序電壓。而此時榆樹變電站主變壓器二次主TA的負荷電流由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荷，而且在傍晚時其負荷較大，在深夜其負荷較小，如榆向線、榆五線及榆大線在深夜時其負荷很小，幾乎為零。我們知道非線性負荷產生的諧波大小與其負荷有緊密的關系，往往負荷最大的時刻也是產生諧波電流最大的時刻，所以國標中規定對非線性負荷應測試其最大負荷的工況。綜合上面的測試及分析可以得出一個初步的結論，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母線所帶的電力負荷產生的，而是與系統運行的電壓水平密切相關。

 

    電力變壓器是鐵心設備，由于鐵心磁路的飽和使系統側提供的激磁電流產生畸變，其產生的諧波電流包含在激磁電流中，且所含的諧波分量相同。其產生的諧波次數主要是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計時選擇的工作點有關，即與工作磁通密度有關。前者決定飽和特性，后者決定飽和程度。磁通密度高，可以節省鐵心材料，但使諧波增大。同時產生諧波的大小與變壓器運行時的系統電壓有關，系統運行電壓越高，運行點越深入飽和區，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電壓的升高而升高，是由于電力變壓器因系統電壓的升高而使鐵心飽和造成的。為此，進行了調整有載變壓器分接頭的諧波測試，此時負荷基本上沒有變化。以榆樹變電站為例，隨著變壓器分接頭從"7"調整至"12''''，即66kV側母線相電壓由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21.4%。66kV母線負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，證明負荷對5次諧波是沒有影響的。繼續調整變壓器分接頭位置，從"12"調整至"3"，66kV側母線相電壓由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59%。66kV母線負序電壓濾過器輸出端電壓值由6.6V降至3.2V。此時系統高低壓側三相電壓不平衡度沒有變化。由此可見，隨著系統運行電壓的升高，變壓器產生的5次諧波也隨之升高，且升高幅度遠遠大于電壓的升高幅度。

 

    為進一步驗證系統運行電壓的升高對電力變壓器產生5次諧波的影響，我們對長春變壓器廠生產的SZ9-31500/66型變壓器進行了空載試驗。試驗電源由主變壓器低壓側加入，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生諧波特別是5次諧波的影響是相當顯著的。當電壓加到110%額定電壓時，從伏安特性曲線看，此時還沒有到達拐點，變壓器并沒有到達飽和區，但變壓器已產生高達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，可以認為榆樹、五棵樹變電站5次諧波電壓嚴重超標是由于夜間系統負荷小，系統運行電壓偏高，變壓器中電流產生嚴重畸變使變壓器的諧波含量急劇上升所致，此時變壓器相當于諧波電壓源。

 

    2.4諧波對負序電壓濾過器影響的分析

 

    從前面的測試數據及分析我們看到，榆樹及五棵樹變電站負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。正常情況下負序電壓濾過器輸出端電壓反映的是系統的三相不對稱程度，當系統發生三相不對稱故障時，負序電壓濾過器輸出端輸出基波負序電壓，發出信號。為進一步證實諧波特別是5次諧波對負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負序電壓繼電器進行諧波干擾的測試。5次諧波電壓對負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序電壓濾過器的滲透系數在80%-89%。榆樹變電站66kV母線，負序電壓繼電器動作值整定為9V。從表4的測試數據看，當榆樹變電站66kV母線5次諧波電壓含有率達到12%左右時，其負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，故而引發誤動作。

 

    2.5測試結論

 

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

 

    (2)系統的5次諧波增加，導致了66kV母線負序電壓濾過器輸出的端電壓增大。

 

    (3)農網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負序電壓繼電器的滲透率高達80%-89%。對于整定動作值為9V的BFY-12A負序電壓繼電器，當其接人點的5次諧波電壓含有率為11%左右時即可引發動作。

 

    3措施與建議

 

    (1)安裝電能質量在線測試裝置，設置5次諧波電壓的預警信號，當系統的5次諧波電壓偏高時，發出預警信號，提示運行人員注意，同時采取技術措施。

 

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

 

    (3)在特定的時段內，結合電能質量在線監測儀及系統的運行電壓水平調節有載變壓器分接頭，人為降低66kV系統運行電壓偏高的問題。

 

    (4)必要時在66kV系統加裝并聯電抗器，以降低系統運行電壓在特定的時段內偏高的問題，此項措施需進一步的可行性研究。

 

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

 

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

 

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