电网谐振过电压的预防与限制方法研究

耿炜龙

摘要：当前，在我国电力系统中，电厂、变电站因为过电压导致的故障和事故数量很多，尤其是谐振过电压时有发生，对设备甚至整个系统安全稳定运行影响较大。有鉴于此，分析其产生的原因，找出问题，提出防治措施很有必要。

关键词：铁磁谐振过电压;电压互感器;铁芯饱和;防范措施

目前，我国电力系统电压等级多，35kV及以下配电网大部分采取中性点不接地运行方式，部分采取经消弧线圈接地;110kV及以上配电网采取中性点直接接地运行方式。过电压种类多，主要有谐振过电压、雷电过电压和操作过电压;其中谐振过电压较常见，作用时间长、次数频繁、危害大，须采取措施加以遏制。

一、谐振过电压产生原因

电网实际运行中，正常运行时，中性点不接地系统电压互感器铁芯饱和易引起谐振过电压;中性点不接地运行方式发生单相故障也可引起谐振过电压。运维人员操作或事故处理方法不当亦会产生谐振过电压。另外设备设计选型、参数不匹配也是谐振过电压产生直接原因。

（1）外部过电压。外部过电压又叫大气过电压。是由于直击雷、感应雷以及入侵雷电波引起的过电压。

（2）内部过电压。内部过电压是因拉、合闸操作或事故等原因，使电力系统的稳定状态发生突然变化，在从一个稳态向另一个稳态的过渡过程中，系统内电磁能的振荡和积聚引起的电压升高的过电压。内部过电压分为下面两种：第一，暂态过电压。主要由长线电容效应、不对称接地故障和甩负荷引起的分工频过电压和线性谐振、铁磁谐振和参数谐振引起的谐振过电压。第二，操作过电压。主要由切除空载线路、空载线路合闸、系统解列和电弧接地、切空载变压器引起的过电压。

二、分频谐振、高频谐振、基频谐振及产生的现象

电力系统发生不同频率的谐振，与电力系统中导线对地分布电容的容抗Xco和电压互感器并联运行的综合电感的感抗值Xm有关。

2.1分频谐振

当Xco/Xm的比值较小，发生的谐振是分频谐振。因为在这种情况下，电容比较大，则电容、电感振荡时的能量交换的时间较长，如果在1s之内能量交换次数是电源频率的分数倍，如为50Hz的1/2（25Hz）、1/3（17Hz）、1/4（12.5Hz）等，这种频率的谐振称为分频谐振。分频谐振的表面现象：（1）过电压倍数较低，一般不超过2.5倍的相电压。（2）三相电压表的指示数同时升高，而且有周期性的摆动，线电压的指示数基本不变。

2.2高频谐振

当Xco/Xm的比值较大，发生的谐振是高频谐振。因为这时对地电容值相对较小，则电容、电感振荡时的能量交换的时间就短，如果在1s之内能量交换次数是电源频率的整数倍，如为50Hz的3（150Hz）、5（250Hz）、7（350Hz）等，这种频率的谐振称为高频谐振。高频谐振的表面现象：（1）过电压倍数较高，一般不超过5.1倍的相电压。（2）三相电压表的指示数同时升高，而且要比分频谐振时高得多，线电压的指示数和分频谐振时相同。（3）谐振时过电流较小。

2.3基频谐振

当Xco/Xm的比值在分频与高频之间，接近50Hz时，则发生的谐振为基频谐振。发生基频谐振时，在1s之间电感、电容的能量交换次数正好和电源频率相等或相近。基频谐振的表面现象：（1）三相电压表中两相指示数升高，一相降低，线电压基本不变。（2）谐振时，过电流很大，电压互感器有响声。（3）过电压倍数一般不超过3.2倍的相电压。（4）基频谐振和系统单相接地时的现象相似（假接地现象）。

三、谐振过电压

为满足电网测量、保护需要，电力系统中配置大量电感电容元件，如：变压器、互感器、电抗器等电感元件;并联电容器、线路对地电容等电容元件。当进行设备操作或系统故障时，电感电容元件易构成振荡回路，在一定条件下产生谐振，危及设备安全，影响保护可靠性。

3.1谐振过电压的种类

（1）线性谐振过电压。（2）铁磁谐振过电压。（3）参数谐振过电压。

3.2谐振过电压产生的原因

（1）线性谐振过电压。谐振回路由不带铁芯的电感元件和系统中电容元件所产生。（2）铁磁谐振过电压。谐振回路由带铁芯的电感元件和系统的电容元件组成。因铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性，这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时，会产生铁磁谐振。（3）鐵磁谐振过电压。由电感参数作周期性变化的电感元件和系统电容元件（如空载线路）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送能量，造成参数谐振过电压。

四、操作过电压产生的原因

（1）切除空载线路时，过电压的根源是产生电弧重燃.重燃矛盾的两个方面是断路器的灭弧能力和触头间恢复电压，另一个影响过电压的重要因素是线路上的残余电压。

2）空载线路的合闸过电压是由于在合闸瞬间的暂态过程中，回路发生高频震荡造成的。

3）在中性点绝缘的电网中发生单相金属接地，将引起健全相的电压升高到线路电压。如果单相通过不稳定的电弧接地，即接地的电弧间歇性的熄灭和重燃，则在电网健全相和故障相上都会产生过电压，一般把这种过电压成为电弧过电压，它的产生实质上也是一个高频振荡的过程。

4）切除空载变压器引起的过电压的原因是当变压器空载电流Io（电感电流）突变“切断”时，变压器绕组的磁场能量1/2LI2就将全部转化为电场能量1/2CU2，即对变压器等值电容充电，LTdi/dt可能达到很高的数值，这就是切除空载变压器引起过电压的实质。同样，切除电感负载如电动机、电抗器等时，有可能在初切除的电容器和断路器上出现过电压。

五、谐振过电压限制措施

5.1选型设计

利用计算选取合适设备，免形成串联谐振回路。开关取消断口电容、分闸弹簧性能好、灭弧性能佳、分闸速度快等开关;避雷器与电网匹配，以免构成谐振回路。选择励磁特性好的PT、电容式PT或采用增大零序电容消谐。

5.2技术改进

（1）PT开口三角侧加装消谐灯泡或消谐器。

（2）PT开口三角绕组开口端装非线性阻尼电阻。

（3）PT一次侧中性点与地间串接L型消谐器。

（4）线路上加装适当容量的高压电抗器。

5.3操作程序

（1）合理操作顺序。

（2）采取投入消弧线圈、投入线路或设备临时倒闸措施消谐。

（3）若负荷故障可采取选切负荷方法查找故障源。

（4）限制电网运行电压并减少扰动、谐振时投空载线路改变系统运行、临时拉开PT中性点消除谐振。

六、结语

电网多年运行可看出发生谐振过电压频率多、范围广、影响大，内外因共同作用为谐振过电压生产创造条件，外因是外部故障或进行设备操作，内因是PT铁芯易饱和及参数不匹配，故深入分析其特性，提出防振消振措施很必要。电网系统在利用先进技术、选取优良设备、加强运维管理后，消除谐振过电压，使电力系统更加安全稳定运行。

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