双牌水电站110kV和10kV系统要点

双牌水电站110kV和10kV系统
产生铁磁谐振过电压的原因及防止对策
徐兴国
Cases studing of iron-magntic harmonic over-voltage of 110kV and 10kV power system of ShuangPai power Station and measures of preventing over-voltage of
iron-magntic harmoniy
Xu xing guo
（湖南省双牌水电站，湖南双牌425203）
关键词：铁磁谐振过电压防止对策110kV系统10 kV系统
摘要：铁磁谐振过电压是电力系统经常发生的一种异常现象，损坏电力设备，危害系统安全运行。

本文根据对双牌水电站110 kV系统及10kV系统铁磁谐振过电压的实际分析，找出产生铁磁谐振的原因，提出了综合防止措施。

0 前言
谐振为电路中可能发生的一种特殊现象，在工程中有广泛的应用，但有时又应当加以避免。

电力系统中存在着许多电感和电容元件，当系统进行操作或发生故障时，这些电感和电容元件可能构成各种振荡回路。

在一
定条件下会产生串联谐振现象，从而导致系统的某些部分或元件出现严重的过电压，危及电气设备的绝缘，烧毁系统中的电压互感器，影响保护装置的可靠性，扩大停电范围。

在110kV电压级中性点直接接地电网和35kV及以下电压级中性点不接地电网中，当线路电容和母线上的电磁式电压互感器参数配合不当时，易引起串联铁磁谐振，激发工频过电压或谐波谐振过电压，其大小和频率可从母线上的电压互感器开口三角绕组测量出来，这种铁磁谐振不仅引起虚幻接地，有时还会酿成事故，烧毁电气设备。

例如：双牌水电站110kV开关站双扬II线在倒闸操作时产生谐振过电压；10kV系统中曾多次发生铁磁谐振，烧毁了母线上的电压互感器。

下面分别对这种谐振过电压产生的原因进行分析，并对其综合防止措施提出解决办法。

1110kV系统双扬II线开关断口电容和电磁式电压互感器的铁磁谐振过电压问题
1．1 过电压的产生
双牌水电站至扬梓塘变电站110kV双扬II线自投产至一九九四年九月止，在倒闸操作时曾多次发生谐振过电压。

为此，我站《配电装置运行规程》第六章第38条规定：“在双扬II线停、送电操作时，应避免502号开关断口电容激发谐振过电压。

”在七十年代末曾经
有人提出采用在P.T开口三角侧加阻尼，甚至瞬间短接开口三角绕组的方法，均未能消除谐振，所以对运行操作规程进行了特殊规定。

笔者九十年代提出的解决办法使串联铁磁谐振得到了根治。

双扬II线及其配电装置接线如图一所示
图一
在停、送电倒闸操作，当5335号、500号、502号开关在断开位置，而5×34号、5021号、5023号在合闸位置时，即产生谐振过电压。

此时中控室母线三相电压表指针偏转到最大，现场发现电压互感器外部连线上有异常声。

由于保护回路没有过电压监视装置，所以没有其它声光信号。

1．2原因分析
1.2.1 等值电路
双扬II线的电压互感器为国产JCC-110型，502号开关是沈阳高压开关厂生产的SW3-110GA，每相开关有2个断口，每个断口并联着一个1820PF的均压电容。

当5335号、500号、502号在断开位置，此时由110kV 环网通过开关每相的断口电容即成为仅带1组电磁式电压互感器的空母线。

由于110kV 电网系中性点直接接地系统，而电压互感器又为3台单相，且其高压绕组接成中性点接地丫接法，这样该段母线就可以分成3个独立的单相系统来考虑。

其等值电路如图二所示：
图二 图三
图中C k 为502号开关的断口电容，C 为线路的对地电容，L 是JCC 互感器的励磁电感。

由等值发电机原理，图二的电路可以化为图三的简单振荡电路，其中E 为A 、B 两点打开后的端电压，C e 为从A 、B 两点向电源侧看去的入端电容，即
C C C U E k k
s +•=
C C C k e +=
图三电路中的L 是电压互感器的非线性励磁电感，因此L 和C e 两端的电压除有50Hz 的基波分量外，还会
带有多种谐波成份，对占主导地位的基波分量而言，可用图解法来近似求解其过电压幅值，以进一步分析这种谐振现象的性质及其产生的条件。

1.2.2 产生谐振的条件
在图四的伏安平面上绘出L 和C e 的伏安特性曲线U L 和U c 后，可得出图三回路中压降的总和为：
│ΔU │=│U L -U c │
图四中的U L 和U c 在I k 处相交，在交点I k 处：U L =U c ，ΔU=0，由此可知，它就是回路的谐振点。

在交点I k 的左侧，U L >U c ，压降ΔU 呈感性；在I k 的右侧，U c >U L ，ΔU 呈容性。

根据电势平衡原理应有：•
•∆=U E
图四
当已知E 的大小后，可在图四中划出—条与横轴平行的直线，它与ΔU 曲线相交于x 1、x 2和x 3点，它们虽
然都能满足电势平衡条件，但由于x2是不稳定工作点，因之图三的回路只能工作在x1和x3点，
在x1点，电容C e和电感L上的压降以及通过的电流均较小，它被称为电路的非谐振工作点；对于x3点,它的工作区已越过了U L和U c的交点I k，因之称为谐振工作点，此时回路电流和L、C e上的压降都很大,也即该电路发生了铁磁谐振过电压。

正常情况下，图二的回路都工作于x1点，但如回路受到冲击，使回路电流超过了图四的ΔU曲线上P点所对应的电流I p，则回路的工作点将由x1转移到x3点。

由此可知，对图三的电路，只有在外界因素冲击下(如此时断开5335号刀闸，即对地电容发生了变化)，才能激发起持续稳定的串联铁磁谐振。

1.2.3 谐振过电压的原因
由于国产JCC互感器有多种型式，其励磁特性曲线也不尽相同，且110kV变电站线路长度并不一样，其对地电容值也不一样，故对不产生谐振的C k值，在各变电站中亦不是一个定值，但断路器带断口电容，其在操作时易激发谐振过电压。

我站双扬I线也装有两台SW3-110型开关，且配电设备及线路参数完全与II线相同。

但开关没带断口电容，所以从来未发生过谐振过电压。

1.3 综合防止措施
1.3.1 从操作方法上改进，以避免发生谐振
双扬II线停、送电操作时，在5335号刀闸开、合之前，应先拉开5×34号刀闸；在5335号刀闸开、合上后，再合上5×34号刀闸，这样就破坏了谐振条件，谐振现象就可以消除。

实际上在一九九四年前就是这样进行倒闸操作的。

例如图一，双扬II线停电操作，在500号，502号断开后，先断开5×34号刀闸，再断开5335号刀闸；在送电操作时，先合上5335号刀闸，接着合上5×34号刀闸，再合上500号、502号开关，或者在合上5335号刀闸后，合上500号、502号最后合上5×34号刀闸，这样，谐振条件被破坏，即图四中使伏安平面上的U L 和U c不出现交点，就不会发生谐振了。

1.3.2 以电容式互感器取代电磁式互感器
比较简单而又实用的办法是将母线上的电磁式互感器改为电容式互感器，国产110kV电压级的电容式互感器有多种可供选用，如西安电力电容器厂生产的TYD110/3型互感器，其0.2级和0.5级精度时的额定输出分别为100VA和300V A，且其价格低于电磁式互感器，从技术和经济上都是可行的，这样可彻底消除谐振，同时互感器换成0.2级的，可提高我站电能计量水
平及准确度。

1.3.3 502号开关改造或更新
502号开关系沈阳高压开关厂1978年生产的SW3-110GA型少油断路器，若能在满足开断容量的前提下取消断口电容，则可消除谐振现象，
鉴于该断路器使用年限较久，其灭弧室未装压油活塞，分闸弹簧性能亦不好，故此开关的灭弧性能，分闸速度均达不到要求，自动重合闸时可能出现重燃现象，因此如果能更换成SW7型断路器更好，既改善开关性能，也可消除谐振过电压。

一九九四年九月结合我站开关站基础下沉处理及接地网锈蚀严重问题，已将502号开关更新成SW7-110I 型少油断路器，并彻底消除了线路操作谐振过电压。

2 10kV系统铁磁谐振过电压问题
2.1 过电压的产生
10kV发电机II段母线经一台变比为1:1的限流电抗器接入自供电系统10kV I段母线后送至自用工厂，此母线上有1组型号为JDZT-10型电磁式电压互感器，接线如图六所示（为了简便起见，图中省略了一些元件）。

图六
经计算与实测线路单相接地时的电容电流约为0.21A，相应的对地容抗为X co=33kΩ，母线电压互感器线电压下的并联励磁感抗为X e=675kΩ。

运行中线路单相接地后引起铁磁谐振，母线三相对地电压同时升高，开关柜内发出较大的异常响声。

2.2 原因分析
2.2.1等值电路
图六的10kV系统接线图，可画成图七的电路及图八的等值电路。

图七
图八
因为谐振属零序性质，因此，在分析时不考虑负荷及各种相间参数的影响，C o为系统每相对地电容，L1=L2=L3=L i为互感器每相励磁电感，显然，图八是一个串联谐振电路。

2.2.2 产生谐振的条件及现象
在正常运行时，各相励磁电感相等，故三相对地负载是平衡的，电网中性点电位为零。

当电网发生扰动，例如断路器突然合闸，或者线路发生接地故障等，都可能使一相或两相对地电压升高，导致两相电压互感器的励磁电流增大而使其铁芯饱和，其励磁电感相应减小，这样三相对地负荷就变得不平衡，电网中性点出现位移电压。

可能产生基频、分频、倍频等各种频率的铁磁谐振现象。

a.基频谐振
图8中，如果参数匹配不当，中性点位移电压急剧
上升到满足X li=X co时，就发生了基波谐振，基波谐振时，三相电压通常是一相对地降低，两相对地升高。

b.分频谐振
在35kV及以下电压级电网中，1/2次谐波谐振是比较常见的现象，其产生与各相电感、电容组成的回路有关。

分频谐波的谐波电源也是电磁式电压互感器铁芯饱和后提供的。

在扰动发生前，X li/n>nX co，n为分频次数。

如双牌水电站10kV系统，X e/2=337.5kΩ，2X co=66kΩ；当扰动发生时，使X li下降，可能使X li/2=2X co，即满足产生1/2分频谐振条件，分频谐振时，三相对地电压通常是同时升高，并伴有电压表指针轮换现象。

c.高频谐振
高频谐振的频率取决于电压互感器的饱和特性，最常见的是3倍电源频率的高频谐振，产生高频谐振时三相对地电压通常是同时升高，谐振电压最高可能达到电源相电压的6~7倍。

因此，对电网构成严重威胁，应特别引起重视。

2.2.3 谐振过电压的原因
通过前面的分析可知，产生谐振需要一定的条件，只有在操作如投切线路或变压器，亦或接地故障消失的过渡过程中，电网出现一相或两相电压升高，电磁式电压互感器铁芯足够饱和时，才有可能构成谐振回路，激
发起铁磁谐振，所以，电压互感器铁芯容易饱和以及参数匹配不当是发生铁磁谐振的主要原因。

2.3 防止措施
预防铁磁谐振的技术措施，从原理上讲主要是改变回路参数，以增加阻尼，破坏谐振条件。

目前，可供采用的措施有：
2.3.1电压互感器开口三角侧加装消谐灯泡或消谐器，一般在6~10kV系统中，可接200~500W灯泡，但消谐灯由于动作频繁，灯泡容易烧坏，需定期进行检查才能起到消谐作用；而消谐器大多由于质量问题其接点容易损坏而失去作用。

2.3.2电源中性点加装消弧线圈，通过加入串联电抗，改变回路参数，从而达到消谐目的，不足之处是投资较大。

2.3.3在一次绕组中性点经R o接地。

当R o足够大时，可限制一次绕组励磁涌流，避免互感器铁芯饱和，从而有效地防止或消除谐振，对于6~10kV互感器选用10~20kΩ，容量约为200W即可。

2.3.4选择具有较好励磁特性的电压互感器，或采用增大零序电容的方法。

2.3.5限制电网运行电压，减少电网扰动。

或者谐振发生时，投入空载线路，改变系统运行方式等都可能达到
消谐的目的。

3.结论
3.1 对于110kV及以上系统，当开关断口上并联有电容，空母线上有电磁式电压互感器，操作开关或切空母线时，容易激发铁磁谐振。

消谐方法是改变操作步骤，破坏谐振条件，或在技术改造时综合考虑。

3.2 对于35kV及以下系统，在不接地电网中电压互感器开口三角侧接入白炽灯泡，不失为消除铁磁谐振的一种简单、经济而有效的方法。

参考文献
1．邱关源，电路，人民教育出版社1978.5
2．陈贤维，内部过电压基础，电力工业出版社1981.12 3．罗厚群，中性点接地系统开关断口电容与电磁式电压互感器谐振的研究，湖南电力技术NO.4 1993 4．徐兴国，双牌110kV升压站双扬II线倒闸操作产生谐振过电压的原因及防止对策，中南水力发电NO.2，1993
5．曾玉坤，几起铁磁谐振事故分析，湖南电力增刊，1999。