浅析系统谐振过电压及抑制措施

浅析系统谐振过电压及抑制措施
关键词: 过电压铁磁谐振变电站倒闸
[摘要]高压系统谐振过电压是电力系统常见的过电压之一，是由于变电站倒闸操作引起的，其实质就是电磁式电压互感器励磁特性饱和，激发铁磁谐振。

发生铁磁谐振事件，不但对大量电力设备和系统安全运行带来危害，还严重危及人身安全，必须予以足够重视和防范。

[关键词]铁磁谐振过电压抑制措施
1.引言
高压系统铁磁谐振过电压是电力系统常见的过电压之一，是中性点不接地系统中最常见，且造成事故最多的一种内部过电压。

而在中性点有效接地的高压系统中，由于中性点电位基本固定，该类过电压发生的几率要少得多，但在一些特殊情况下，仍有可能被激发，最常见的就是在变电站倒闸操作过程中，出现的断路器断口电容器与电磁式电压互感器及空载母线构成的串联谐振回路，由于变电站倒闸操作引起的操作过电压作用，电磁式电压互感器励磁特性饱和，激发铁磁谐振。

2.故障现象
下面分析一下近期发生的由于PT饱和产生的有效接地系统的谐振过电压如：2000年5月20日18时25分，某局某站220kV #2母线电压互感器，在进行对#2母线送电操作过程中，发生爆炸事故；2001年3月13日某220kV某站，在运行方式由双母线并列运行转为Ⅱ母线单母线运行中，值班员进行停Ⅱ母线操作激发铁磁谐振；2001年3月28日220kV某站正常运行中，12时52分由于110kV乙母线单相接地，110kV母差保护动作切除乙母线的过程中，触发乙母线PT铁磁谐振过电压；2001年4月15日，某220kV某站在进行变电站送电操作过程中，发生PT铁磁谐振事件
3.故障分析
分析发生的历次投切空母线激发的PT铁磁谐振过电压的过程，主要有以下两种情况：
①投空母线开关操作前，合被投母线侧刀闸引起的谐振过电压；
②切空母线开关分断时激发的谐振过电压。

它们主要的共同特点是：
·被操作的母线是空母线，在母线上只挂有电磁式电压互感器及避雷器，断路器的断口并联有均压电容器。

·母线电压表上稳定地显示出谐振过电压的有效值，当关合充电断路器的瞬间，谐振立即消失，母线电压恢复到正常水平。

这些事件再次使我们清醒地认识到：投切空母线激发的PT铁磁谐振过电压可能对系统安全运行带来的危害，特别是某局某站220kV #2母线电压互感器由于长时间谐振，电压互感器长时间承受过电压及过负荷，导致爆炸，不但对大量电力设备和系统安全运行带来危害，还严重危及人身安全，必须予以足够重视和防范。

下面分析一下谐振过电压，进一步探讨一下高压系统铁磁谐振过电压。

有电感和电容原件向串联可以构成一个串联谐振电路，其谐振条件为感抗和容抗相等，即：X L=X C,或ωL=1/ωC.因此可求出谐振频率为f0=1/2 称为固有自振频率。

对于复杂的电路，可以组合成一系列的具有不同的自振频率的振荡回路。

在进行开关操作时，由于瞬变过程波形会引起某种变化，非正选的电源波形含有一系列的谐波。

当电路中的自振频率之一与电源谐波之一正好相等时，就出现这一频率的谐振过电压。

谐振是一种稳态现象，谐振过电压的持续时间可能很长，因此，这种过电压一旦发生，往往造成严重的后果。

3.1线性谐振过电压
线性谐振市电力系统中最简单的一种谐振形式，其特点是电感和电容都为恒定的常数，当电源中某次的谐振的频率正好与电路的自振频率相等时，如果电阻为零，则谐振时电流为无限大，电压也为无限大。

实际上电阻不可能是零，则可能出现额定电压K倍数的过电压。

如果电路的自振角频率ω0=2f0不相等，虽然也能出现串联谐振过电压，但是过电压的数值较小。

通过典型的实例计算证明，当电源谐波频率小于0.7f0或大于1.25f0时，谐振电压数值一般小于额定电压的两倍，这也是线形谐振过电压的一个特点。

3.2铁磁谐振过电压
铁磁谐振过电压的特点：在正常运行条件下，电感、电容串联回路中串联回路中一般感抗要大于容抗，由于出现某种因素电感两端电压有所升高，使电感铁芯饱和，感抗减少，出现感抗和容抗相等，甚至感抗小于容抗，形成相位反转，引起铁磁谐振，当上述谐振现象的频率等于工频时，称为基波谐振过电压。

其他还有高磁谐波谐振和分次谐波谐振，下面举例说明：设有如图1-1（a）所示之电感电容电路，图1-1（b）中曲线U L（I）表示电感L上的电压随着电流I变化的伏安特性曲线，直线U C（I）表示电容C上的电压随着电流的I变化的伏安特性曲线。

△u则表示电路中总的电压降，它等于电感和电容上的压降的代数和，根据电势平衡条件应有E=△u。

正常时，电路工作在a1点，电感上的压降U L1要大于电容上的压降U C1，电流落后于电源电压。

当电源电压E小于△u曲线部分的最高点U`时，电路是稳定的。

即使电源有某种程度的波动，仍可回到工作点a1。

但当电源电压瞬间超过U`时，电感由于铁芯和感抗下降，电感上的压降U L（I）与电容上的压降U C（I）之间的差值反而减小，即电源电压E 越来越大于电路的总电压降△u，使电流迅速增大。

直到电流达到I2，在新的工作点a2重新稳定下来，这时无论是电容上的压降U C（I）或电感上的压降U L（I）都大大超过电源电压。

全电路从原来的呈现感性变为成容性。

从上面的分析知，线形谐振时过电压趋向无穷大，而铁磁谐振时过电压有某一固定的数值，这个数值完全由电路的参数和电源电压的数值决。

上面的分析的是基波铁磁谐振。

实践证明，还可能出现其他频率的铁磁谐振现象，如果谐振频率等于工频的整数倍，则称为高磁谐波谐过电压；若谐振频率等于工频的分数倍，则称为分次谐波谐振过电压。

上述发生的高压系统铁磁谐振过电压多为分频谐振过电压，对分频谐振，其母线上谐振过电压水平将由母线PT的励磁特性决定。

经分析上述发生的高压系统铁磁谐振过电压多采用电磁式电压互感器系列产品，经过计算分析认为，JCC5-220。

而
型电磁式电压互感器系列产品，其分频谐振过电压一般不超过1.5P.u.。

JDCF-220W1型电磁式电压互感器系列产品，由于其大大改善了电磁式电压互感器的励磁饱和特性，提高了其线性范围，使其分频谐振过电压将可能超
1.5P.u.，但一般也不超过2P.u.。

对220 kV等级的电气设备最高运行相电压为146kV，2P.u.的过电压水平相当于292 kV，而220 kV等级的电气设备短时工频耐受值为360 kV（1min），所以，该类由于电磁式电压互感器饱和特性造成的分频谐振，在短时间内（1min）并不对一次电气设备构成严重危害。

但当PT在谐振期间工作在严重过负荷状态，达PT额定电流的数十倍的负荷电流，将使PT发出异常声响，该严重的过负荷现象如果持续时间过长，使电磁式电压互感器内部严重过热，内部绝缘材料因过热而严重老化，设备绝缘水平严重下降，在前面分析的铁磁谐振过电压作用下，将导致击穿，甚至设备爆炸。

因此，高压系统铁磁谐振过电压对电力系统及电气设备带来更大危害，应该尽量避免。

4.抑制措施
鉴于110kV及以上有效接地系统的PT饱和铁磁谐振过电压在各站已多次发生，其谐振过电压的激发是具有随机性的，严重时，母线PT损坏，甚至导致PT爆炸，危及二次保护设备及一次PT附近设备。

必须对类似事故有一个清醒的认识，提出反措如下：
4.1严格执行调度规程
在运行方式上和倒闸操作过程中，防止断路器断口电容器与空载母线及母线PT 构成串联谐振回路，以防止因谐振过电压损坏设备。

它包括两个方面：
①应避免用带断口电容器的断路器切带电磁式电压互感器的空载母线。

②避免用带断口电容器的回路的刀闸对带电磁式电压互感器的空载母线进行合闸操作。

具体可采用下述方式来实现：在切空母线时，先拉开电压互感器，对母线断电；在投空母线时，先断开被送电母线PT，对母线送电，再合母线电压互感器。

4.2避免操作过电压
在进行投切空母线操作时，加强母线电压监测，发生铁磁谐振时，应立即合上带断口电容器的断路器，切除回路电容，终止谐振，防止隐患发展形成事故。

4.3中性接地点
增加母线对地电容或减少系统中电压互感器压中性点接地台数，即增大母线的对地感抗，从而减少自振固有频率，避免因系统由东而发生母线铁磁谐振过电压，如：在变电站基建设计时，采用电容式电压互感器。

在进行变电站更换电压互感器时，也应尽量选取电容式电压互感器。

4.4继电保护
针对具体事故发生的情况，如在变电站母线发生单相接地，母差保护动作，母联开关跳闸后，如果主变开关先于线路开关动作，将不会引发谐振。

因此，建议将只带一条出线（线路开关动作抢在主变开关前动作的可能性较大），同时该出线为不带电源的负载线路时，母线母差保护动作次序调整为：母联开关首先开断后，先跳主变开关，再跳出线开关。

4.5人员培训
加强对变电运行人员的培训，掌握了解一些系统过电压产生的条件及特征，在系统发生异常时，及时采取正确的措施，避免系统异常发展成为事故。

综上所述，对由于电磁式电压互感器饱和特性造成的系统分频谐振，如果我们能在谐振发生的瞬间，及时地发现并采取正确的措施，破坏谐振条件，就可避免谐振发展成事故。

因此，加强对运行人员的培训，掌握了解一些系统过电压产生的条件及特征，在系统发生异常时，及时采取正确的措施，将是非常必要的。

参考文献：
《进网作业电工培训教材》中华人民共和国能源部1992
《电力系统过电压保护》董振亚
《电力系统调度规程》。