电力系统谐振过电压分析

2011-06-27敬大亮于敏

四川水力发电 2011年2期

敬大亮，于敏

(四川明珠集团有限责任公司，四川射洪629200)

1 故障现象

2010年2月27日、5月19日(图1)、5月27日，螺丝池水电厂35 kV供电系统先后三次发生谐振过电压;同年9月10日、17日(图2)，金华水电厂35 kV供电系统两次发生谐振过电压。谐振时，各厂站35 kV母线均在40～60 kV之间摆动。5月19日，螺丝池水电厂35 kV母线电压最高曾达到63.75 kV。谐振持续时间最短的为5 min，最长的为20 min(9月17日金华水电厂)。谐振发生后，值班调度员通过采取切除35 kV线路、断开母联开关等方法，改变了网络参数，消除了系统谐振，保证了电力系统和设备安全。

图1 2010年5月19日螺丝池水电厂35 kV母线电压曲线图

2 故障分析

图2 2010年9月17日金华水电厂35 kV母线电压曲线图

分析五次谐振现象，我们发现了一个共同的特点:在谐振发生前，系统都曾发生单相接地故障。如螺丝池水电厂35 kV系统三次谐振前都曾发生过系统单相接地故障(35 kV南城线电缆单相接地)，金华水电厂35 kV系统两次谐振前也分别发生了单相接地故障(9月10日35 kV母线338PTA相、9月17日35 kV金东线3518PT)，因此我们认为单相接地故障是导致系统谐振的根本原因。

为保证供电可靠性，我国规定35 kV系统中性点均采用不直接接地。在系统发生单相接地故障时，就会出现接地故障相电压降低、另外两相电压升高的现象，同时，在接地故障点还会出现较大的电弧电流。如果在不投入消弧线圈的运行方式下，单相接地时的接地电弧就不能自动熄灭，极易造成系统过电压，尤其是弧光接地过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高。在此电压作用下，极易导致电压互感器铁芯饱和而产生高次或分次谐波;当出现电力系统参数配合适当时，就会导致谐振现象的发生。

3 谐振过电压分析

谐振是正弦电路在特定条件下所产生的一种特殊物理现象，主要表现为含有电阻(R)、电感(L)、电容(C)的电路中端口电压和端口电流同相位，电路的功率因数cosΦ=1。谐振分为串联谐振和并联谐振。电力系统中的铁磁谐振一般为串联谐振，而串联谐振的条件就是在电感和电容元件相串联的电路中感抗和容抗相等，即:XL=XC，或ωL=1/ωC。

电力系统的所有元件中，入端阻抗为容抗(XC)性质的有:输电线路对地电容、耦合电容器、断路器断口的并联电容、电容式电压互感器(CVT)。入端阻抗为感抗(XL)性质的有:电磁式电压互感器(PT)、变压器、电抗器。

图3 电力系统三相示意图

在中性点不接地系统中，电源变压器中性点不接地。但是，为了监视系统绝缘，电磁式电压互感器的一次绕组中性点都直接接地。设互感器的三相励磁电感分别为LA、LB、LC，与其并联的电容Co表示该相导体和母线的对地电容(图3)。在负荷对称及系统非故障情况下，由于A、B、C三相对称，则各相励磁电感相等、各相对地电容也相等，即三相对地阻抗是相同的，中性点电位为零。正常情况下，电磁式电压互感器的励磁阻抗很大，远远大于系统对地电容，即XL＞XC，两者并联后为一等值电容，系统对地阻抗呈现容性。

当电力系统中发生冲击扰动，如线路瞬间A相接地，则健全相(B、C相)电压就会突然升高，并出现很大涌流，从而造成B、C相电压互感器磁路饱和，励磁电感LB、LC相应减小，当B、C相励磁电感小于对地电容时，B、C相对地阻抗呈现感性。这时，三相负载就出现一相(A相)对地阻抗为容性、另外两相(B、C相)对地阻抗为感性，三相对地负载就不平衡，中性点出现位移电压。当出现参数配合适当、感性阻抗和容性阻抗相等时，就产生串联谐振现象。谐振时的电流电压相位关系如图4所示。

图4 谐振电流电压相位图

4 解决措施

(1)选用电容式电压互感器;或选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器。规程要求一般选择在电压下铁芯磁通不饱和的电压互感器。在实际应用中，可按选择。

(2)减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量，除电源侧电压互感器高压绕组中性点接地外，其它电压互感器中性点尽可能不接地。

(3)安装一次消谐器。在电压互感器一次绕组中性点与地之间接入线性电阻(R≥0.06 Xm，电阻容量大于600 W，10 kΩ级的电阻)、或非线性电阻(电子型、电感型、电容型)，一般用于10 kV及以下网络。

(4)安装二次消谐器。该措施是在电压互感器的二次剩余绕组开口三角加装消谐器，称二次消谐器。消谐器可以为固定的低值电阻〔R≤0.4(Xm/K2)。式中K为互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比〕或白炽灯泡(6～10 kV可用200W;35 kV可用500 W)、或专用的消谐器(非线性电阻型:电子微机型、电感型、电容型)。

(5)四元件TV接线法。在原来星接TV的中性点和地之间加入一个特殊设计的第4 TV，即四元件TV接线法，以保证TV所承受的电压不大于相电压。这种方法造价低，可以解决大部分铁磁谐振问题，但同时需要改变二次接线，以保证保护和测量回路的要求。

(6)在系统中性点装设消弧线圈。如果在系统中性点上接入消弧线圈以破坏其谐振条件，就能够比较有效地抑制谐振过电压的发生。其原理很简单:因TV的励磁感抗比较大(千欧至兆欧级)，而消弧线圈的感抗(百欧级)比较小，从而造成谐振条件ωL=1/ωC很难满足，谐振就不会发生。另一方面，无消弧线圈时单相接地发生间歇性电弧时电容多次充放电造成TV烧毁、熔丝熔断;有了消弧线圈后，电容对小感抗放电，TV中的电流很小，就不会造成烧毁事故了。所以，在中性点接入消弧线圈后，对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的限制作用，能够彻底解决此类问题。消弧线圈可以彻底解决铁磁谐振问题，并且对其他形式的过电压都有很好的抑制作用。

5 实际工程应用

螺丝池水电厂和金华水电厂35 kV系统谐振所表现出来的现象虽然一致，但谐振产生的根源还是有一定差异。因为螺丝池水电厂35 kV供电系统在2010年曾经发生了较大改变:2010年，公司将35 kV南城线架空线更换为电缆(YJLV22－3×240，3.435 km)，从而使螺丝池水电厂35 kV供电系统电容电流超过规程规定值，最终采取的措施是在螺丝池水电厂主变35 kV侧中性点安装了消弧线圈。但是，金华水电厂35 kV供电系统运行近十年来网络一直没有变化，所以，我们认为电压互感器特性变化、磁饱和点降低是金华水电厂谐振产生的原因。为此，公司准备在金华水电厂PT二次开口三角形加装二次消谐器。