2003年11月15日Nov.15,2003RELAY
15
电力系统非全相运行时相序电流和相序电压的关系
张芜
(中国石油宁夏石化分公司,宁夏银川750026)
摘要:对电力系统非全相运行时的相序电流和相序电压采用相量图的分析方法,简单易懂,概念清楚,计算方便;易于理解和接受,能促进运行维护及调试质量的提高;同时提出在运行中应注意的事项,有利于电力系统安全可靠的运行。
关键词:断线; 非全相; 负序电压; 负序电流; 不对称
中图分类号:TM713 文献标识码:A 文章编号:1003-4897(2003)11-0015-05
1 概述
绝大多数高压输电线路和电机电器以及三相用
电负荷设备,都是按三相对称状态下运行设计的;电力系统的不对称状态,应理解为对称性的任何破坏,如各相阻抗对称性的破坏、负荷对称性的破坏、电压对称性的破坏等情况下的工作状态。非全相运行是不对称的特殊情况,即输电线或变压器等切除一相或两相的工作状态,例如:线路单相接地短路后,故障相断路器跳闸;导线一相或两相断线;断路器在合闸过程中三相触头不同时接通等。我们知道,电力系统三相阻抗等对称性的破坏,将导致三相电流和三相电压对称性的破坏,因而会出现负序电流;当变压器的中性点接地时,还会出现零序电流。当负序电流流过发电机时,将产生负序旋转磁场,它与励磁磁场相互作用,产生以两倍频率脉动的力矩,因而发电机将出现100r/s的振动;同时以两倍同步转速与转子相割切,因而在励磁绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出两倍频率的交流电流,引起附加损失,严重时会烧伤转子,影响发电机的寿命。不对称运行时,变压器三相电流不平衡,很可能个别相绕组已经过负荷和过热,因此必须按发热条件来决定变压器的可用容量。
电力系统不对称运行,将引起系统电压的不对称,使电能质量变坏,对用户产生不良影响;例如当负序电压达5%时,电动机出力将降低10%～15%;负序电压达7%时,则出力降低达20%～25%,这将破坏其正常工作,减小出力,降低寿命。
当高压输电线一相断开或接有不对称负荷时,较大的零序电流可能在沿输电线平行架设的通信线路中产生危险的对地电压,危及通信设备和人员的安全,影响通信质量;当输电线与铁路平行时,也可能影响铁道自动闭锁装置的正常工作。
电力系统不对称运行,会对继电保护产生影响,并使系统损耗增大;同时系统潮流不能经济分配,也将影响运行的经济性。
因此,对电力系统不对称和非全相运行,要充分认识它的不良影响,必须全面分析,根据电力设备的不同特性,确定不对称运行时的容许负荷,采取适当措施,减小和限制负序电流、零序电流的不良影响。
2 变压器两侧电压、电流对称分量的相位关
系
电压、电流对称分量经变压器后,不但数值大小要发生变化,而且它们的相位也可能要发生变化。变压器两侧电压、电流的大小由变压器变比决定,而相位关系则与变压器的联接组别有关。变压器的联接组别可用钟面定则表示,以高压侧相(线)电压作分针固定在12点位置,以中压或低压侧相(线)电压作为时针旋转,每旋转30°为一个钟点累计,电力系统通常采用的变压器标准联接组别有Y/Y0-12(Y0/Y0-12)、Δ/Δ-12及Y0/Δ-11(Y/Δ-11)几种,现仅讨论对称分量经变压器Y0/Δ-11两侧电压、电流的数值大小与相位发生变化的情况,图1中的UA、UB、UC,UAB、UBC、UCA,IA、IB、IC为Y侧的相电压、线电压、线电流;Ua、Ub、Uc为Δ侧每相对地的电压,Uab、Ubc、Uca为Δ侧的线电压,Ia、Ib、Ic为Δ侧的线电流,Iα、Iβ、Iγ为Δ侧内部各相绕组中的电流。
当在Y0/Δ-11联接的变压器的Y0侧加上一组
正序(或负序)电压对称分量时可得:
Δ
Uab1
YYj30UAB1ej30°UA1e°Δ=n 或Ua1=nYY-j30UAB2e-j30°UA2e°Δ= 或Ua2=nnUΔab2
16继电器
有关B相、C相、BC相、CA相的各序分量关系式与上述的推导过程相类似。Y0/Δ-11变压器两侧电流对称分量的相位关系如图3所示。
图1 Y0/Δ-11变压器接线图
Fig.1 ConnectiondiagramofY0/Δ—11transformer
若已知Δ侧各序分量电压,求Y侧的各序分量电压时可得:
Δ-j30°Δ-j30°
UY 或UYAB1=nUab1eA1=nUa1e
Δj30°Δj30°UY 或UYAB2=nUab2eA2=nUa2e
Y0/Δ-11变压器两侧电压对称分量间的相量关系如图2所示。
图3 Y0/Δ-11变压器两侧电流对称分量的相位关系
Fig.3 PhaserelationsbetweensymmetricalcurrentcomponentsontwosidesofY0/Δ—11transformer
变压器两侧零序电流分量间的关系与变压器的
联接组别、铁芯结构及系统中性点是否接地有关。对于Y/Y-12及Δ/Δ-12联接的变压器,两侧零序电流均无通路,故零序电流均为零。对Y0/Δ-11联接的变压器,零序电流可以由Y0侧感应到Δ侧各相绕组上,在Δ侧内部形成环流,所以Δ侧引出线上的零序电流为零。
图2 Y0/Δ-11变压器两侧电压正、负序
分量的相位关系
Fig.2 Phaserelationsbetweenpositivesequencecomponentandnegativesequencecomponenton
twosidesofY0/Δ—transformer
3 Y0/Δ-11变压器Y0侧断路器非全相断开
时两侧电流的表现形式
3.1 当断路器两相未断开时
当Y0侧A、B两相未断开作两相运行时,如忽略电阻,则变压器星形侧的各序电流由理论分析得知:Ic2和Ic0对Ic1的相位差为180°,画出Y0侧各序电流和全电流的相量图如图4所示,C相电流为零,A、B两相电流IA、IB在绝对值上相等。也就是说,A、B两相的负荷相同。当变压器三角形与发电机连接时,电流的分布如图5所示,其三角形侧线路中的电流相量示于图6中。由此可见,在低压侧的线电流中,Ib和Ic的绝对值相等,而在a相线路中,由于正序电流Ia1和负序电流Ia2同相,因而全电流最大,容易引起发电机该相绕组的过负荷。
变压器作两相运行时,发电机的电动势不会受到影响。但是,由于电流的不对称,也会引起网络中电压的不对称。
假定变压器线电压之比为n,即n=UAB/Uab,
Δ
两侧绕组相电压之比为UYAX/Uax=n/3。于是Δ侧电流与Y侧电流之间的关系为:
YΔ
Ia=Iα-Iβ=n(IA-IB)/3 Iα=nIA/3当在Y0/Δ-11变压器Y0侧加入一组正序(或负序)分量电流时,两侧正序(或负序)分量电流间的关系可得:
Ia1=nIA1ej30° Ia2=nIA2e-j30°反过来,若已知Δ侧各序分量电流,要求Y0侧的各序分量电流时,即可得到:
IA1=Ia1e-j30°
/n IA2=Ia2e/nj30°
张芜 电力系统非全相运行时相序电流和相序电压的关系
17
图7 变压器A相运行时其高压侧电流相量图
图4 变压器A、B两相运行时其高压侧电流相量图Fig.4 Currentphasediagramonhigh-voltageside
whenphaseA,Boftransformeroperate
Fig.7 Currentphasediagramonhigh-voltageside
whenphaseAoftransformeroperates
图5 Y0/Δ-11接线变压器Y0侧C相
断线电流分布图
Fig.5 CurrentdistributiondiagramonY0sideofY0/Δ—11transformerwithphaseCbroken
图8 变压器A相运行时发电机低压侧电流相量图Fig.8 Currentphasediagramongeneratorlow-voltage
sidewhenphaseAoftransformeroperates
4 Y/Δ-11接线非全相运行时的电压分析本文仅对35kV及110kV辐射形线路,且在中性点非直接接地的电网中,Y/Δ-11接线的变压器
高压(Y)侧一相断线时两侧的电压分析;对于有关单(或双)电源、中性点直接接地的电网中,其它接线组别的变压器某一相或某两相断线时,两侧电压的变化情况,在此不述。Y/Δ-11接线的变压器高压侧为电源,如果一相断线不接地,断线相电流接近于0,两健全相电流相等;在电源端,电压变化不大(故障相电压略高于健全相电压),PT开口三角形处电压接近于0;负荷端接有变压器且带有负荷,但不考虑变压器绕组的电压降,由于变压器各绕组间电的传递效应,使故障相电压为反向正常相电压的1/2,健全相及健全相间电压仍为正常值,故障相与健全相间电压为1/2正常线电压。现对变压器两侧电压变化的情况分析如下:
由上述可见,在变压器高压(或Y)侧例如B相断线的各序电压分析情况如下:
2
UA=UA,UB=-αUA/2(即相当于中性点电压偏移值),UC=αUA,
图6 变压器A、B两相运行时发电侧电流相量图
Fig.6 Currentphasediagramongenerationsidewhen
phaseA、Boftransformeroperate
3.2 当断路器一相未断开时
设A相未断开,则IB=0、IC=0、IA≠0,此时变压器高低压侧电流间的关系为:Ia=nIA、Ib=0、Ic=-nIA,由此可见:比未断开相(A相)滞后一相(B相)的三角形侧电流为零,其余两相电流大小相等。这一结论对B或C相未断开同样正确,这是判断变压器高压侧断路器一相未断开的主要标志。
变压器高压侧和低压侧的各序电流和全电流的相量图如图7,图8所示。
18
UA0=UB0=UC0=U0=(UA+UB+UC)/3=
22
(1-α/2+α)UA/3=-αUA/222
UA1=(UA+αUB+αUC)/3=(1-αα/2+
继电器
αα)UA/3=UA/2
222UA2=(UA+αUB+αUC)=(1-αα/2+
2
αα)UA/3=(1-α/2+α)UA/3=
2
-αUA/2
其中:运算符号α=ej120°=cos120°+jsin120°=-1/2+j3/2。
其所对应的相量图如图9所示。显而易见:对110～220kV变压器Y/Δ-11的一相断线时,稳态中性点偏移电压(零序电压)可达到故障额定相电压的Uφ/2(或称为故障相的反向的1/2额定相电压),而母线PT开口三角侧3U0稳态电压升高到150V,暂态电压可达到3Uφ即3p.u.。特别是在双侧电源情况下,断路器非全相重合或开断于中性点不接地变压器,据理论分析可知,在严重的情况下,稳态中性点电压将达到额定相电压Uφ(或称为故障相的反向额定电压值),而母线PT开口三角侧3U0稳态电压升高到300V,暂态过电压将接近和超过2.0～3.0p.u.,甚至更高。变压器中性点过电压情况更为严峻。1996年在某电厂曾发生非全相重合与开断空载变压器造成主变中性点绝缘损坏的事故。
图10 变压器高压侧B相断线时其低压侧
的电压相量图Fig.10 Voltagephasediagramonlow-voltagesideof
transformerwithphaseBbroken
值为:
Ua=Uφ/2=3Ul/6 Ub=Uφ/2=3Ul/6Uc=Uφ=3Ul/3
Uab=0 Ubc=3Ul/2 Uca=3Ul/2根据同样的方法可以得出变压器高压侧A、C相断线时高压侧和低压侧的电压变化情况。5 运行中应注意的事项
(1)电力系统在非全相运行时,通过Y0/Δ-11(或Y/Δ-11)接线的变压器高低压侧的电流、电压并非直接对应,易引起运行人员的误判断和错误的处理。
(2)负序电流会给发电机转子带来危害,但这种情况一般是在运行操作中出现的问题,只要运行值班人员思想集中、概念清楚、判断正确,并根据现场运行规程中的具体规定操作,这类故障是可以得到及时处理的,发电机允许负序电流出现的时间t与负序电流的标幺值I2＊存在下列关系:K=I22＊t,式中K为常数,对不同的机组取不同的值,同时算出对不同的非全相运行发电机流过的负序电流值,即可得知运行人员可用于处理故障的时间t。
(3)Y侧一相断线,经Y/Δ-11组低压侧端子上的电压与高压侧(即Y侧)断线相的同名相滞后一相的对地电压等于正常时母线对地电压;而其它两相对地电压降低至不断线时低压侧母线对地电压的一半。
(4)Y侧一相断线,通过Y/Δ-11的Δ侧的正序电压降低至正常线电压的一半,所以用户将反映电压很低,电机启动不了,还可能反转。
(5)110～220kV中性点接地系统中,在运行中中性点不接地的变压器投退操作时,必须先将中性点接地刀闸接入,以防出现非全相开断单相拒动时引起的工频过电压,这种过电压对110～220kV分图9 变压器高压侧B相断线时其高压侧的电压相量图
Fig.9 Voltagephasediagramonhigh-voltageside
oftransformerwithphaseBbroken
由前述分析可见,Y/Δ-11变压器低压(三角形)侧的电压相量图如图10所示。根据理论推导可得出:
-j30°-j30°
Ua=UAe/(2n) Ub=UAe/(2n)
Uc=2UAe
j150°
/(2n)=UAe
j150°
/n
用Uφ、Ul分别表示Y/Δ-11变压器Y侧不断线时低压侧的相电压、线电压,即可得低压侧的绝对张芜 电力系统非全相运行时相序电流和相序电压的关系
19
级绝缘变压器中性点绝缘和中性点避雷器是危险的。参考文献:
[1] 王梅义,等.高压电网继电保护运行技术(第一版)
[M].北京:电力工业出版社,1981.
[2] 朱声石.高压电网继电保护原理与技术(第一版)[M].
北京:电力工业出版社,1981.
收稿日期: 2003-05-19; 修回日期:2003-06-19
作者简介:
张 芜(1967-),女,电气工程师,现从事化工企业电气管理工作。
Relationsbetweenphase-sequencecurrentandvoltageon
openphaserunninginelectricpowersystem
ZHANGWu
(NingxiaPetrochemicalBranchofPetroChinaCo.,Ltd,Yinchuan750026,China)
Abstract: Thisarticledescribesphasordiagramanalysismethodthatisusedforthephase-sequencecurrentandvoltageonopenphaserun-ninginelectricpowersystem.It'sbriefandeasytounderstandandcalculatewithclearconcepts,andeasyforfielddebuggingstaffsandopera-torstounderstandandaccepttheconceptsofopenphaserunninginelectricpowersystemoperation.Thusoperationmaintenanceanddebuggingqualitycanbeenhanced.Furthermore,theproblemswhichshouldbenoticedintheoperationareintroducedinthisarticlethatcanmakeelec-tricpowersystembereliableandstable.
Keywords: brokenline; openphase; negative-sequencevoltage; negative-sequencecurrent; unsymmetrical
(上接第14页)
[5] GreenRK.Transformedautomaticgenerationcontrol[J].
IEEETransonPowerSystems,1996,11(4):1799-1804.[6] NobileE,BoseA,TomsovicK.FeasibilityofaBilateralMar-ketforLoadFollowing[J].IEEETransonPowerSystems,
2001,16(4):782-787.
[7] ElgerdOI,FoshaC.Optimummegawatt-frequencycontrol
ofmultiareaelectricenergysystems[J].IEEETransonPow-erApparatus&Systems,1970,PAS-89(4):556-563.[8] FoshaC,ElgerdOI.Themegawatt-frequencycontrolprob-
lem:Anewapproachviaoptimalcontroltheory[J].IEEETransonPowerApparatus&Systems,1970,PAS-89(4):563-579.
收稿日期: 2003-02-27; 修回日期: 2003-05-30作者简介:
郭小红(1978-),女,硕士研究生,从事电力系统分析
与控制研究;
刘瑞叶(1963-),女,副教授,从事电力系统分析与控制研究。
Simulationandmodificationforloadfollowingauxiliaryservicemodel
GUOXiao-hong,LIURui-ye
(Dept.ofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract: Settingupadevelopedelectricitymarketisthetendencythroughouttheworld.Thepaperdiscussestherelationsoftheimbalancebetweenthesupplyandthedemandtothefrequencydeviationofthesystem.Theloadfollowing,oneoftheauxiliaryservices,letsgeneratorgetademandsignaldirectlyfromtheloadmonitors.Onthebasis,thepaperproposesaloadfollowingcontroller,consideringthemarketenvi-ronment,justtodealwiththefrequencydeviationbycontrastingtheresultsofthedynamicresponse,whichareobtainedbymodifyingtheoldone.
Keywords: loadfollowing; auxiliaryservices; electricitymarket; frequencydeviation
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容