浅谈220kV 变电站变电运行过电压的防范措施

2015-04-17何耀辉

机电信息 2015年36期

何耀辉

（广东电网有限责任公司汕头供电局，广东汕头515000）

0 引言

随着电力事业的不断发展，电压等级不断提高，220kV 变电站逐渐成为城市电力传输的中枢，在坚强电网的建设中有着不可替代的地位。但变电站过电压始终是高压变电站无法回避的问题，变电站运行中出现的过电压极有可能危及变电站设备，甚至是运行人员的人身安全。因此，减少过电压的发生，减轻过电压事故带来的危害，对于高压变电站运行来说尤为重要。

1 过电压分类

过电压是一种电磁扰动现象，根据过电压产生的根源可分为外部过电压和内部过电压。本文主要研究的是变电站运行过程中产生的过电压，所以将内部过电压作为主要研究对象。内部过电压根源是电网本身，是由于能量在系统内部不合理地转化或传递引起的，根据原因不同，可以分为暂态过电压和操作过电压。

1.1 暂态过电压分类和特点

暂态过电压包括工频过电压和谐振过电压。工频过电压是指在电力系统中因为运行方式改变或系统故障而产生的大于最大运行相电压，频率与工频相同或相近的电压，其过电压倍数一般不超过2倍。对于220kV 及以下电压等级而言，变电站设计绝缘强度足以承受工频过电压，因此其对变电站运行影响较小。谐振过电压则是因为系统中的储能元件在满足特定条件时发生谐振现象而出现的过电压。谐振过电压包括线性谐振、铁磁谐振和参数谐振，通常谐振过电压持续时间长，且幅值较大，因此容易导致PT 绕组过热损坏，甚至是出现母线故障，会严重影响变电站的正常运行。

1.2 操作过电压分类和特点

操作过电压主要是由倒闸操作引起的在状态转换过程中的过渡阶段出现的过电压现象。众所周知，变电站运行会有各类操作，因此操作过电压出现几率较大，且由于其不确定性和特定情况下的高过电压倍数，对于变电站运行和人员安全都将产生不小的威胁。

2 过电压的原因分析以及防范措施

2.1 谐振过电压

变电站运行过程中出现的谐振过电压主要是线性谐振和铁磁谐振。

线性谐振是指系统中的线性或接近线性的电感元件与系统中的电容构成电路结构，发生谐振现象。当电力系统中的电源频率与系统固有频率相同或相近时，就有可能发生线性谐振，从而产生过电压，在不对称运行状态下更容易出现。线性谐振的发生有一个缓慢的发展过程，其影响过电压幅值的关键因素是损耗电阻。

与线性谐振不同，铁磁谐振是指系统中的非线性电感元件与系统中的电容构成电路结构而出现谐振。铁芯电感元件中电感非线性，当电流达到某个值后，铁芯因为趋于饱和而出现电感值趋于平稳的现象，此时如果发生电源电压短时间内升高或系统受到电流冲击等情况时，就有可能满足铁磁谐振的激发条件，使系统进入谐振状态。铁磁谐振具有自保持的特点，因此其产生的过电压持续时间较长，容易破坏设备绝缘，引起设备发热甚至爆炸，产生分频、高次谐波分量，对系统造成谐波污染等，因此铁磁谐振对变电站安全运行影响极大，也是变电站过电压防范工作的重点。与线性谐振相比，铁磁谐振是激发后突然发生的，还伴随有反倾现象（在三相系统中，可能使工频三相相序改变），其限制过电压的主要因素是电感本身的饱和程度。

通过上述关于谐振过电压原因的分析，可以根据其谐振特点来做好防范措施：（1）断路器设备选择和维护。在不对称运行中，谐振过电压更容易发生，因此应选用同期性较好、灭弧能力较强的断路器，同时在维护检修过程中要特别注意其三相同期性。此外，选择断路器断口均压电容值较小的设备，也能降低谐振发生的概率。（2）选用合适的电压互感器。在选择PT时，选择铁芯励磁特性较好的设备，可以减少铁芯饱和现象的发生。或者选用电容式电压互感器，该种互感器不存在饱和问题，所以能从根本上防止铁磁谐振的发生。（3）改变接地方式。选择在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻，或者在特殊情况下，可将系统中性点经电阻接地、经消弧线圈接地等。（4）改变谐振参数。当系统发生谐振时，如果电容或电感值发生单一变化，系统电路就不再符合谐振条件，因此改变电路参数也是一项有效措施。以串接消谐电阻为例，当系统正常运行时，消谐电阻的阻值较大，而当系统发生谐振时，消谐电阻会减小，从而起到破坏谐振参数的作用。而运行人员如果能在发生谐振过电压后迅速做出判断，选择合适的线路，立即执行拉合线路操作，改变谐振参数，破坏谐振，无疑将大大减小过电压危害。（5）正确的操作顺序和运行方式。变电站在投运后，其对应参数基本固定，此时频繁的开关操作就有可能使系统满足谐振过电压的激发条件。因此，正确的操作顺序和安全的运行方式十分重要。首先是正确的操作顺序，以母线停电为例，应先拉开母线PT 的隔离开关，再拉开母联断路器；而送电时操作顺序相反。其次是熟悉运行方式，在操作过程中必须防止断路器断口电容与电压互感器之间发生谐振。

2.2 操作过电压

变电站运行过程中，容易引起过电压的操作主要有分合空载线路和切除空载变压器这两种，因此本文主要讨论在这两种情况下的过电压防范措施。

分空载线路产生的过电压主要是由断路器重燃导致的，通过振荡将能量传递到线路或者电容器上，不断积累产生过电压；合空载线路的过电压则是因为电容、电感在系统振荡过程中产生的自由电压叠加到稳态电压上而出现的过电压现象。针对上述过电压，主要防范措施如下：（1）采用不重燃断路器，或带有并联分闸电阻的断路器，其机理都是降低恢复电压，避免重燃，在切除空载线路时，这一措施可以有效降低产生过电压的可能性。（2）加装并联电抗器和静止补偿装置，削弱电容效应，限制稳态电压，从而起到降低总电压的作用。（3）将ZnO避雷器安装在线路的首段和末端，可以限制分合闸时的过电压幅值，确保其在设备可承受范围内。切除空载变压器会产生过电压，则是因为流过电感的电流被断路器强行切断时不是过零点，导致电感中残余的磁场能量被转化为电场能量，使得电压升高，即所谓的“截流”现象。针对“截流”而出现的过电压，主要防范措施如下：（1）改善变压器铁芯。通过选择高导磁材质的铁芯，可以减小磁化电流，限制空载电流大小；同时在变压器大修中，也要做好对铁芯的检修工作。（2）选择合适的断路器。断路器灭弧能力越强，其截流产生的过电压最大值越大，因此选择合适的断路器十分必要。（3）变压器绕组采用纠结式绕组。采用纠结式绕组，可以增加变压器绕组的纵向电容，进一步增大实际相邻的匝间电位差，以达到电压在各线匝之间均匀分布的目的。（4）采用带并联电阻的开关。从原因分析可知，切除空载变压器会产生过电压与电感中的能量被强行转化为电场能量，通过并联电阻，相当于形成了能量释放回路，可以将能量释放后再完成分闸操作，这样就减少了残余能量，即减少了电场能量的产生，过电压幅值也就被限制了。