农村电网谐振过电压及抑制措施研究

闫成博，许明清，张 冉，高皓男

滨州学院电气工程学院，山东 滨州 256600

0 引言

农村变电站在升压改造过程中，运行方式发生了部分变化，部分变电站母线接线方式发生了变化，系统对地电容也发生了变化，这些参数的改变使得系统即使发生了很小的扰动也有可能造成谐振过电压事故。例如，由于电动修井机等大量电动农业机械的设备接入电网，对电网的负荷性质产生了影响，也会造成系统参数的改变，并有可能达到电网谐振的条件，从而产生谐振过电压。

1 农村电网采取抑制谐振过电压措施的适用性分析

早期升压改造变电站PT柜的空间偏小、无通风网、PT容量小，导致发生一些变电站电压互感器烧毁的事故。经过与恒源电器的协商，现在已经确定了新型的PT柜体结构设计定型，主要改进部分是对铠装式PT柜结构进行了优化，加装了接地电容，采用了高励磁阻抗及大容量的电压互感器，既满足了避雷器泄流要求，又减少了事故发生的概率。同时，优化后的结构可以避免熔断器等元件因过热造成弧光短路，有效防止事故扩大化，缩小了停电范围，保护了变电站供电的可靠性。另外，优化后的PT柜检修方便，避免了安全隐患[1-2]。

在日常的生产中，变电站采取了多种方式避免工作人员误入电压互感器室，一是在避雷器与电压互感器间加装隔板，防止工作人员触碰PT时接触到避雷器；二是在后门上加装“主母线不停电时，禁止进入电压互感器室”的警告标识，以提醒工作人员；三是在后门上挂上明锁。但这些方式都不能从根本上解决安全隐患。为了解决上述问题，同时保证电压互感器、避雷器的保护有效性，经过研究对某10（6）kV PT柜进行了改进。

PT柜宽为1 000 mm，采用隔离手车，其他元件固定安装，柜体前后门均达到五防要求。前门采用接地开关连锁机构，后门安装挂锁及电磁锁。电缆室内增设强制降温风机，安装于后门上，避雷器、高压熔断器及电压互感器固定安装于电缆室内。采用4PT方案，即A、B、C三相电压互感器为全绝缘，零序电压互感器为半绝缘，消谐方式为二次消谐，互感器铁芯之间安装距离在50 mm以上。增加0.1 uF接地电容并联于电压互感器侧，电容接线方式为星接，固定安装在开关柜底部前室。高压熔断器之间装设绝缘隔板，不需套热缩管。避雷器按照系统额定电压选用，固定安装于高压熔断器上侧。在主母线室下方安装绝缘隔板，把主母线室及电缆室隔离开，以方便检修。此方案在新建农村变电所已投产运行，取得了良好的成效，主要表现在以下几个方面。

（1）抑制了谐振过电压事故的发生，保证了设备的安全，消除了经常引起运行中PT烧毁及一次高压熔丝频繁烧断、一相或两相限流电阻爆炸等事故发生的隐患，防止了因谐振过电压导致的电压互感器烧损，高压熔丝熔断及匝间短路或爆炸、避雷器爆炸、母线短路等事故的发生。

（2）提高了供电系统的可靠性，有效保障了农村电网运行的可靠性，缩小了停电范围和减短了停电时间，对提高供电的可靠性，保障农业生产具有重要意义。

（3）检修工作方便安全，增大了柜体空间，方便了工作人员检修维护，完善了电力安全措施，确保了人身安全。

2 电压互感器开口三角加装二次消谐器

采用二次消谐器的方法实际上是在PT开口三角加装消谐电阻，其作用类似于在一次侧中性点加消谐电阻。谐振系数K取1.5时，电网不具备谐振条件，但由于其释放电能的通道是经过PT绕组，PT绕组对电流是有限制的。理论研究表明，该方法不能很好地解决抑制谐振过电压的问题，但是在实际运用中可以对谐振过电压起到一定的抑制作用。

经事故统计可知，消谐器损坏的变电站主要有胜三变、西32变、东璜一号变、草南变等，消谐器应用较为稳定的为WNXIII系列，该系列消谐器经过多年的运行实践证明，可以完成其他型号消谐器的功能，并且运行可靠。中区供电公司华建变发生了PT烧毁事故，该站以往采用的是加装零序电压互感器和二次消谐器的方式，在很长的一段时间内没有发生PT事故，但在2020年5月由于改变了一次运行方式而发生了一起严重的PT烧损故障。经过研究发现，加装零序电压互感器的方法与加装二次消谐器的方法发生冲突，这两种方法同时使用，二次消谐器再次发生PT烧毁事故。

3 中性点零序PT及一次消谐器的选型

目前市场上很多电压互感器的质量性能并不能很好地满足农村电网的需要。根据实际工作的需要，项目组联系了不同的电压互感器厂家了解目前电压互感器的生产及使用状况，并对零序电压互感器进行了初步的试验检测。通过试验检测，为进一步完善中性点所适用的电压互感器积累了可靠而有效的数据。

使用电压互感器的一个基本原则是保证所使用PT的励磁特性的一致性。对于一组单相PT的励磁特性，在额定一次电压下，励磁电流如果相互间相差30%以上会出现三相电压不平衡，则会导致铁磁谐振发生的概率增加。为此，在推广项目的过程中，对于三台一组的PT，严格要求其厂家、型号和出厂批次，从客观上增强PT本身性能，避免谐振发生。目前经常使用的新式的电压互感器采用环氧树脂浇注全封闭内式结构，适用于额定频率为50 Hz、额定电压为6 kV、10 kV的电力系统中，供电压、电能计量、测量及继电保护使用[3]。

6～35 kV中性点不接地电网中的电磁式电压互感器，当母线空载或出线较少时，因合闸充电或在运行时接地故障消除等原因，电压互感器会过饱和，可能产生铁磁谐振过电压，出现相对的电压不稳定、接地指示误动作、PT高压保险丝熔断等异常现象，严重时会导致PT烧毁，继而引发其它事故。在电网接地消失时，会在PT一次绕组中出现数安培的涌流，将PT的0.5 A熔丝熔断，一次消谐器可以有效地限制PT一次绕组的涌流。

4 自动调谐及接地选线消弧线圈成套装置在农村变电站中的应用

高频谐波电流源下，存在发生谐振的可能性，但可以看出，激发谐振的条件变得很高，即稳定裕度很好，实际中不可能出现那么大的扰动量。扰动量为额定值的3倍以上，实际谐波电流源的电流值不会超过工频值。因此，采用接地变压器加装消弧线圈的方法，是可以抑制谐振过电压的发生。

实际运行经验也表明，消弧线圈对抑制间隙性弧光过电压和铁磁谐振过电压、降低线路的事故跳闸率、减少人身伤亡及设备的损坏都有明显的作用。电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）中也明确规定：3～10 kV架空线路构成的系统和所有35 kV、66 kV电网，当单相接地故障电流大于10 A时，中性点应装设消弧线圈；3～10 kV电缆线路构成的系统，当单相接地故障电流大于30 A时，中性点应装设消弧线圈。

根据消弧线圈的运行及补偿方式，目前主要有预调式和随调式两种方式。消弧补偿与零序电流选线不能同时兼容。消弧线圈投入补偿后，使得接地电流显著降低，以零序电流作为接地故障选线判据的手段因判据不足而失效。因而很多应用场合就在发生单相接地的初期令消弧线圈退出补偿，等待完成接地故障选线后再投入运行，而此时恰恰是产生弧光过电压的危险期。

在总结消弧线圈控制装置多年运行经验的基础上，目前农村变电站中采用WXHK系列消弧线圈自动调谐及接地选线控制器，该装置已经在基东变、基地变、海洋变、城中变、兴河变等农村变电站中应用。在电网正常运行时，通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值，由控制器调节有载调压分接头到所需要的补偿档位。当发生接地故障后，补偿接地时的电容电流，使故障点的残流可以限制在设定的范围之内，有效保护电网，减少跳闸等事故的发生[4-5]。

5 结束语

项目组根据研究成果对农村变电站进行了改造。通过组织实施，目前已经在坨四变、坨七变、河50变、哨头变、东辛变、辛四变、物探变等变电站中进行了改造，在海洋变和兴河变加装了消弧线圈。改造后，农村变电站抑制谐振过电压效果明显，降低了谐振过电压造成的事故率。2020年发生谐振过电压事故2次，烧毁电压互感器5只，烧毁电压互感器保险38次；互感器高压保险事故率降低71.85%，电压互感器事故率降低80.77%，因谐振过电压问题导致的母线事故率降低81.8%。