避免500 kV GIS开关站PT谐振的运行操作方法

周勇，黄华，赖见令

（长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川宜宾644612）

避免500 kV GIS开关站PT谐振的运行操作方法

周勇，黄华，赖见令

（长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川宜宾644612）

针对某电站500 kV GIS开关站进线PT及母线PT在对应设备停电过程中曾多次发生PT铁磁谐振，本文对PT铁磁谐振产生的原因进行了分析，认为根本原因是设备参数匹配不合理，同时与开关的停电操作顺序也有一定的关系，传统停电操作顺序为依次先将停电范围内开关转热备用，再依次将设备转冷备用；本文提出了一种新的开关停电操作顺序，逐一将开关由运行转冷备用。通过对两种开关操作顺序下PT铁磁谐振情况进行对比，采用新的停电操作顺序，PT谐振得到比较明显的改善，要么谐振强度减小，要么谐振时间缩短，本文提出的避免500 kV GIS开关站PT谐振的运行操作方法有较好的可实施性。

开关站；谐振；操作顺序

0 引言

PT发生铁磁谐振时，会产生持续的低频电压，该低频电压在PT上可能产生很大的励磁电流，可能造成PT损坏，危及设备及人身安全，所以在运行当中，应尽可能避免PT发生铁磁谐振。某电站500kV GIS开关站分为左岸和右岸，左、右岸自投运以来，500 kV GIS开关站进线PT及母线PT在对应设备停电过程中曾多次发生PT铁磁谐振，严重危胁设备正常运行。某电站500 kV GIS开关站自投运以来，开关停电操作顺序都是采用传统的停电操作顺序，即依次将停电范围内开关转热备用，再依次将设备转冷备用，我们接下探讨一下采用传统的开关停电操作顺序，某电站500 kV GIS开关站PT铁磁谐振情况。限于篇幅，本文仅讨论某电站左岸500 kV GIS开关站PT铁磁谐振情况。

1 某电站左岸500 kV GIS开关站PT铁磁谐振现状

1.1 某电站左岸500 kV GIS开关站进线PT铁磁谐振情况

某电站左岸4B高压侧进线开关为5031、5032两台开关。电站2013～2014年度岁修期间，4B转检修态后，500 kV GIS开关站恢复成串运行，50316进线刀闸保持拉开（如图1所示）。2014年4月15日，4B检修完毕对其送电过程中，在第一步即对4B高压侧进线短引线停电时，4B高压侧进线电压互感器J4YH发生铁磁谐振。发生铁磁谐振时其故障录波图见图2。

图1 J4YH主接线

4B高压侧进线短引线停电开关操作顺序为传统操作顺序，即依次将5032、5031由运行转热备用，再依次将5032、5031转冷备用。在5031转热备用后，B相出现1/3次谐波振荡，直到5031转冷备用后才消失。谐振期间，B相全波有效值约433 kV，基波有效值约313 kV，最大瞬时值达到690 kV，谐振电压比正常运行电压大很多。

图2 J4YH故障录波图

1.2 某电站左岸500 kV GIS开关站母线PT铁磁谐振情况

某电站左岸开关站1 M连接5011、5021、5031，3台开关（如3所示），2014年2月16日，1 M停电时，1 M母线PT发生铁磁谐振，发生铁磁谐振时其故障录波图见图4。

图3 1M主接线图

图4 1M故障录波图

1 M停电时开关操作顺序为传统操作顺序，即先依次将5011、5021、5031转热备用，再依次将5011、5021、5031转冷备用，当5031转热备用后，母线频率降至16.674 Hz，A相出现1/3次谐波振荡，直到5011转冷备用后才消失。谐振期间，A相全波有效值约244 kV，基波有效值约142 kV。

2 原因分析

电磁式电压互感器PT本质上是一个带铁心回路的非线性电感L，500 kV GIS开关站设备各元件，如母线、导线、断路器断口均压电容器等都有一定的电容量C，在某些特定场合，这种由电感、电容组成的串联LC回路会满足谐振条件，在PT上产生持续的低频电压，该低频电压在PT上可能产生很大的励磁电流，导致互感器线圈长时过热烧损或在运行操作时因电压冲击而击穿。

某电站500 kV GIS开关站进线PT和母线PT发生铁磁谐振时，其等效电路如图5所示。

图5 PT等效电路图

在图5中，Es为电源电压，CB为断路器，Cs为断路器断口均压电容，Ce为500 kV GIS母线或进线短引线部分对地电容，Re和Lcu分别表示电磁式PT一次线圈的电阻和电感。

2.1 理想过程

断路器CB刚断开时，电容Ce上的残留电荷就会对电感Lcu进行放电，考虑回路上的损耗，电磁能量将在电容Ce和电感Lcu之间往复、相互转化且逐渐消耗，因此电容Ce上的电压是一种低频振荡衰减波形（如图6所示）。

图6 衰减振荡电压

2.2 考虑PT铁心饱和

PT是一个带铁心回路的线圈，存在磁饱和现象，其磁化曲线和磁导率曲线如图7所示。

图7 铁磁材料基本磁化曲线和磁导率曲线

由图7可知，随着外磁场强度H逐渐增大，磁感应强度B将不再随之继续增大，即出现饱和，此时铁磁材料的磁导率μ将达到最大值μmax，随着H继续增大，μ将反而变小。

根据电磁学原理，线圈电感L为：

其中，N—线圈匝数，μ—磁导率，S—磁路的等效截面积，Len—等效磁路长度。

对于PT而言，N、S、Len都是常数，因此电感L与磁导率μ有单值线性关系。在铁心饱和时，磁导率μ将急剧变小，电感L也会迅速变小，PT表现为非线性电感特性。

当LC回路中出现低频电压时，将导致PT铁心出现饱和，PT等效电感L急剧下降，因此PT绕组中会产生很大的励磁电流，最大可能达正常电流的几百甚至几千倍，造成PT过热，铁心饱和时，其电流变化趋势如图8所示。

2.3 考虑感应电压影响

图9 分频谐振电压

对图5继续进行分析，在断路器CB断开后，PT上将一直承受电源Es通过Cs、Ce产生的感应电压Es·Cs/（Cs+Ce），若该感应电压足够大且与低频衰减振荡电压相叠加，如果两者的相位相近，就可能使低频电压的幅值升高且持续存在，即PT产生了铁磁谐振，发生铁磁谐振时其二次电压波形如图9所示。

2.4 谐振频次分析

发生串联谐振的条件是：在谐波源产生的nr次谐波的作用下，串联回路的感抗与容抗相等，即：

XL为基波感抗，XC为基波容抗，f1为基波频率，ω1为基波角频率。

铁磁谐振发生时，谐振频率既可能与电源频率相同（基频谐振），也可能是电源频率的整数倍（高频谐振），或者是电源频率的分数倍（分频谐振）。一般来说，电力系统中发生的铁磁谐振发生基频谐振与分频谐振的可能性更大。

500 kVGIS设备对地电容较大，则基波容抗较小。而PT线圈基波感抗比容抗大，电感在谐振回路中起主导作用，由公式（2）可得500 kV GIS PT铁磁谐振是分频谐振的可能性更大，且以1/3、1/5、1/7倍工频为主。

通过以上对PT谐振产生原因的分析，可以看出PT产生谐振的诱因是PT上一直承受电源Es通过断路器断口电容Cs、母线或进线短引线对地电容Ce产生的感应电压Es·Cs/（Cs+Ce）较大。致使感应电压较大的根本原因在于设计时500 kV GIS设备参数匹配不合理，其次，开关停电的传统操作顺序也有一定关系，依次将所有停电开关转热备用再依次转冷备用，这样使得多个开关在热备用时，多个开关断口电容相并联，使开关断口等效电容Cs变大，从而使感应电压Es·Cs/（Cs+Ce）较大。基于此分析，笔者认为可以改变一下开关停电的操作顺序，逐一将停电范围内的开关由运行转冷备用，这样就可以减少热备用开关断口电容的并联个数，从而减少感应电压，避免或削弱铁磁谐振。此方法在某电站500 kV GIS开关站开关操作当中实施，从实施效果来看，新操作方法对PT铁磁谐振的改善比较明显，相应PT未出现谐振或谐振持续时间和强度在可接受范围内。

3 新操作方法对500 kV GIS开关站PT铁磁谐振的改善

3.1 500 kV GIS开关站4B进线PT铁磁谐振改善情况

在电站2014～2015岁修期间，2015年4月18日，4B检修完毕对其送电时，第一步为对其对应短引线停电，其开关操作顺序采用新操作顺序，4B高压侧进线电压互感器J4YH虽发生铁磁谐振，但其强度较小，其故障录波图见图10。

图10 J4YH故障录波图

4B高压侧进线短引线停电时，先将5032开关由运行转冷备用，再将5031开关由运行转冷备用，由故障录波图可看出，当5031转热备用后，A、C相出现了1/3次谐波振荡，直到5031转冷备用后才消失。A相全波有效值约357kV，基波有效值约224kV，最高瞬时值539 kV；C相全波有效值约347 kV，基波有效值约219 kV，最高瞬时值506 kV。

采用新操作顺序，4B高压侧进线电压互感器J4YH虽然A、C两相发生了铁磁谐振，但其强度减小。

3.2 500 kV GIS开关站1M PT铁磁谐振改善情况

某电站左岸开关站1 M连接5011、5021、5031，3台开关，2015年3月22日，1M停电时，其开关操作顺序采用新操作顺序，1 M母线PT仅出现操作过电压，0.3 s后恢复至稳定感应电压，未发生铁磁谐振，其故障录波图见图11。

图11 1M电压故障录波图

1 M停电操作时，先将5011开关由运行转冷备用，再把5021开关由运行转冷备用，最后把开关5031由运行转冷备用，在5031转热备用后，A、C两相出现了操作过电压未发生铁磁谐振，且操作过电压持续0.3 s后恢复至稳定感应电压，约70 kV。

采用新操作顺序，1 M母线PT未发生铁磁谐振，仅出现操作过电压，且操作过电压持续时间很短，操作过电压幅值很小。

采用新操作顺序，某电站右岸4 M母线PT虽B相发生铁磁谐振，但谐振强度较小。

左右岸两种操作顺序下其PT谐振情况的对比见表1。

表1 某电站左岸500 kV开关站PT谐振情况对比表

由以上分析，可以得出如下结论：

（1）某电站左岸500 kVGIS进线短引线停电时，采用传统操作顺序和本小组提出的操作顺序，进线PT都会发生铁磁谐振，进线开关转冷备用后，谐振现象消失，但采用本小组提出的操作顺序，谐振电压的幅值会减小很多，且通过减小进线开关在热备用状态的时间有利于减小谐振持续时间。

（2）某电站左岸开关站母线停电时，采用传统操作顺序，母线PT会出现铁磁谐振，采用本小组提出的操作顺序，母线PT则不会出现铁磁谐振。

4 总结

本文结合某电站500 kV GIS开关站PT发生铁磁谐振的背景，在分析PT铁磁谐振的基础上，提出了逐一将停电范围内开关由运行转冷备用的新开关操作顺序，从新老开关操作顺序下PT铁磁谐振情况对比来看，新开关操作方法对PT铁磁谐振有比较明显的改善，此方法的优点是，不需要500 kV GIS开关站相应区域设备长时间停电，不需要额外增加任何设备，简单可行。

由以上分析可以看出，采用新开关顺序，进线短引线和母线在停电时，其PT仍会发生小强度的铁磁谐振，谐振持续的时间受停电操作中最后一个开关处于热备用状态的时间影响，实际操作中应尽可能缩短最后一个开关处于热备用状态的时间。所以对新开关操作顺序还应作更严格的规定：

（1）主变高压侧隔离刀闸必须在串内开关冷备用态下操作。

（2）主变高压侧隔离刀闸在分闸状态，进行进线短引线停电操作时，应先将中开关由运行转冷备用，再将边开关由运行转冷备用。注意尽快拉开边开关串联刀闸，缩短开关热备用时间。

（3）母线停电操作时，应逐一将母线所接开关由运行转冷备用，拉开最后一组开关时，母线其他开关处于冷备用状态。注意尽快拉开该开关串联刀闸，缩短开关热备用时间。

TM451

B

1672-5387（2017）04-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.006

2016-12-12

周勇（1985-），男，工程师，从事水电厂设备运行工作。