林日宏
（长园深瑞继保自动化有限公司，广东深圳，518057）
摘要：川藏联网工程由于线路长、负载轻等特点，当大容量主变注入励磁涌流时，可能引发严重的电压畸变甚至出现过电压问题。对川藏联网工程的因励磁涌流引发过电压畸变特性研究，从二次继电保护方向提出可靠的防范措施，为川藏输电系统的安全稳定运行提供参考。
关键词：川藏工程 谐波过电压 二次保护 抑制措施
0引言
由于变压器铁芯的非线性，空载合闸时将产生幅值较高的励磁涌流，其中含有各次谐波，流入交流电网，在系统中产生各次谐波电压。川藏联网工程线路具有长度较长，负荷较轻的特点。根据国内专家研究，在联网系统中进行空载变压器合闸操作时，容易在长线末端出现幅值较高的谐波，引起电压严重畸变甚至出现较高过电压,尤其当线路长度接近谐波电磁波的1/4波长时，在线路末端谐波电压被严重放大的可能更大，从而造成严重的电压畸变，对设备绝缘产生危害或对直流输电等造成影响，影响电网安全可靠运行。
通过分析联网工程的谐波特性，从二次继电保护角度研究谐波过电压的抑制措施。利用谐波过电压保护作为总后备，及时解列系统，防止事故扩大。
1川藏联网工程谐波特性
通常情况变压器正常运行时，励磁电流很小。但是当空载合闸到电网的瞬间，励磁电流可能急剧增加为正常励磁电流值的几十倍，甚至上百倍。这种空载合闸时出现的过电流现象称为励磁涌流。
川藏联网工程线路长度较长，负荷较轻，其长度在谐波条件下均接近1/4波长，因此末端电压抬升风险较高。国内专家学者通过谐波阻抗的扫描，发现川藏联网工程中存在着大量的2、4、6次谐波的高阻抗点。这些高阻抗点暗示了当电网中注入谐波时，可能存在较为严重的2、4、6次谐波放大的情况，从而造成系统电压严重畸变，甚至出现谐振过电压的情况。
因此，空充变压器时，会产生大量的谐波，若有其它变压器与之并联或串联运行，谐波含量更高。依据国内专家学者对川藏联网系统做的仿真研究结果：川藏联网工程空充变压器时，因励磁涌流导致产生的谐波主要为2～7次谐波。图1为西藏某变电站空充主变时，末端的110kV芒康站35kV的电压。其中，其电压瞬时值已经接近或超过正常值的1.3倍。系统中有较为严重的谐波过电压风险。
.png)
图1 110kV芒康变电站35kV侧电压
对电压波形做频谱分析发现，在合闸操作发生2.0s后，110kV芒康变电站35kV侧的电压波形中各次谐波含量较大。谐波含量以及畸变率如表1所示。
.png)
1.1谐波过压风险分析
依据国内的仿真研究结果，川藏联网工程空充变压器时，因励磁涌流导致产生的谐波主要为2～7次谐波。励磁涌流引发的谐波电压畸变风险主要考虑在以下三个方面。
1）单次谐波畸变率超标风险
由于励磁涌流引发的谐波电流持续时间相对较短，且谐波含量处于衰减状态，因此一般可以不按照《公共电网谐波》标准对各次谐波含有率进行限制。如果系统中3、5次谐波电压含有率超过了20%，则系统中感应电动机可能在短时间内被损坏。因此，需采取措施对谐波进行快速隔离。
2）电压总畸变率超标风险
由于我国对正弦波形畸变率极限值的定义都是基于稳态值的，对于持续时间短暂的谐波都没有规定。对于谐波持续时间少于2s，间隔时间大于30s的谐波畸变率允许值可放宽至稳态值的2倍。
3）电压最大瞬时值超标风险
在励磁涌流向电网注入谐波后，还存在着因各次谐波叠加后，造成电压瞬时值偏高击穿绝缘的风险。当每次谐波的峰值均在同一时刻出现，此时电压的瞬时值达到最大。
1.2防范措施
按国内专家研究，抑制励磁涌流谐波过电压可以利用一套综合抑制策略，包括抑制励磁涌流、选择合适运行方式、利用二次保护作为总后备等策略。
1）减少励磁涌流。
由于励磁涌流是引发电压畸变甚至出现过电压的源头，如果能很好的减小励磁涌流，那么系统末端电压畸变现象将得到较为明显的抑制。现有减少励磁涌流的方法，包括增加合闸电阻、增设选相合闸装置等。但不管是合闸电阻还是选相合闸装置，对相关设备的规格参数要求较高，并且不能完全解决上述问题。
2）改变网络特性。
川藏联网工程的电力网络存在明显的谐波放大特性，极大地加剧了系统末端电压畸变。如果能改变网络特性，则可能会对该风险进行抑制。但这需要在每次操作前，针对具体电网检修、开机、负荷等工况进行计算，不能采用一个固定的操作方式。给操作以及运行带来巨大的难度。
3）利用二次保护作为总后备。
如果当之前的策略均失效的情况下，可以利用谐波保护作为总后备，及时解列系统，防止事故扩大。
前两种策略受现有技术及其它技术因素限制，对一次设备辅助设备的参数规格要求较高，并且不能完全解决系统谐波过压问题。因此,借助二次保护装置来将谐波过电压风险降至最低，作为整个谐波过电压事故的总后备保护，可行性极高。即在谐波过电压风险较高的站点装设谐波过电压保护，以防止在之前的措施失效时，能够及时的跳开线路。
2二次保护谐波过压抑制措施
2.1硬件措施
保护装置滤波回路仍沿用常见的RC滤波回路，如图2。
.png)
图2：保护交流电压通道滤波回路
硬件上，合理选择保护设备的滤波参数，使过电压保护装置硬件对交流量采集满足谐波精度要求。考虑川藏联网工程空充变压器产生的主要为2~7次谐波。硬件上电压通道按7次谐波至少保留99%的方案设计。经过硬件滤波后，保护采集到的交流电压接近原始电压，保护采集的交流量不失真，为软件逻辑提供基础。
2.1软件措施
（1）全波傅式算法
采用全波傅氏算法计算各次谐波的有效值，全波傅氏算法实部虚部计算公式分别为：
.png)
其中，n为第n次谐波。此算法优点是针对性强且较为成熟，缺点是如果要算出一段频谱内的高次谐波分量，计算量会成倍增加，且采样点少的情况下，能反映的高频次数不高。为能更精确地计算到高次谐波含量，保护装置的采样频率提高至200Hz。
（2）峰值算法
峰值算法原理是实时计算当前周波(20ms)内的电压峰值，通过峰值与门限值进行比较。若数据窗内峰值大于门限值，则判定为过电压。此算法处理简单，计算结果所需数据量小，并能反映瞬时情况下过电压情况。
（3）保护逻辑策略
针对系统谐波的三大风险，有针对性选择保护动作策略：
.png)
2）引入峰值过电压策略，实时计算每周波内（20ms）的峰值并与门限值比较，当峰值大于门限值时，认为峰值过压。
3）基波过电压、谐波过电压、峰值过电压策略共同作为谐波过电压装置的动作判据。
其中，策略1）有效降低“单次谐波畸变率超标风险”及“电压总畸变率超标风险”；策略2）有效降低“电压最大瞬时值超标风险”。三种策略相互配合、相互补偿，共同构成谐波过电压装置判据。
2.3二次保护措施优点
通过二次配置谐波过电压保护装置，最大优点是不需增加物资成本。通过合理选用保护算法，且软件有针对性设置保护逻辑策略，能有效降低谐波畸变导致的过电压对一次系统伤害的风险。
因此，谐波过电压保护可作为选相合闸和合闸电阻措施失效后的后备。当出现谐波过电压时，将出现过电压的变电站与谐波源隔离，防止事故的扩散。
3结语
川藏联网工程在进行空载变压器合闸操作时，容易在长线末端出现幅值较高的谐波，引起电压严重畸变甚至出现较高过电压。该过电压对设备绝缘产生危害或对直流输电等造成影响，影响电网安全可靠运行。目前，国内通过一次设备或改变运行方式方面限制励磁涌流的抑制方案暂未得到很好的工程应用。因而，通过二次谐波保护作为总后备，能及时解列系统，防止事故扩大，对川藏输电系统的安全稳定运行有极大的意义。
参考文献
[1]段晓波.关于谐波标准中电流限值的讨论[J].河北电力技术.2003-05．
[2]李明．高次谐波产生的原因、危害和抑制的措施[J]．甘肃电力技术，2006:12－13．
[3]刘海军．谐波对高压输电线路的影响及其解决措施[J]．城市建设理论研究，2011(10):1－2．
[4]李湾，廖晓宇，明瑞，明兴祖．500kV侧谐波过电压分析研究[J].机械与电子，2019－10．
[5] 蔡百凌，陈葛松．空载变压器谐振过电压的探讨[J]．华中电力，2006，19(3)：8-11．
[6]国家技术监督局．电能质量公用电网谐波．GB/T14549，1993:2－3．