張慶斌，周恭禮

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

礦區(qū)6 kV供電系統(tǒng)，大部分為架空線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)線斷線事故，引起諧振過(guò)電壓，其危害的主要特征是：系統(tǒng)線電壓基本正常，導(dǎo)線對(duì)地電壓升高，中性點(diǎn)出現(xiàn)偏移電壓和虛幻接地，并伴有電壓互感器聲響，導(dǎo)線出現(xiàn)電暈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線絕緣瓶閃絡(luò)，互感器、避雷器爆炸，設(shè)備損壞和使電機(jī)反轉(zhuǎn)。

斷線諧振過(guò)電壓是鐵磁諧振過(guò)電壓的一種，不是僅僅指單純的斷線引起的諧振過(guò)電壓，而是泛指由于導(dǎo)線折斷、斷路器非全相動(dòng)作或嚴(yán)重不同期、熔斷器一相或兩相熔斷等原因造成電力系統(tǒng)非全相運(yùn)行所出現(xiàn)的非線性諧振過(guò)電壓。

斷線諧振過(guò)電壓在各級(jí)電網(wǎng)中都可能發(fā)生，系統(tǒng)中許多元件是屬于電感性或電容性的，例如電力變壓器、互感器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈為電感元件，補(bǔ)償用的并聯(lián)或串聯(lián)電容器組，高壓設(shè)備的寄生電容為電容元件。而線路各導(dǎo)線對(duì)地和導(dǎo)線間既存在縱向電感又存在橫向電容。這些元件組成復(fù)雜的L-C振蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數(shù)配合的回路中會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，引起電壓的異常升高。

在實(shí)際供電網(wǎng)絡(luò)中，非全相運(yùn)行的情況十分復(fù)雜，只要電源側(cè)或負(fù)荷側(cè)有一側(cè)中性點(diǎn)不接地，斷線可能組成多種串聯(lián)諧振回路。

1 斷線等值電路

在35 kV及6 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，斷線的結(jié)果都有可能形成電感、電容的串聯(lián)諧振回路，其中電感是指空載或輕負(fù)荷變壓器的勵(lì)磁電感和消弧線圈的電感等，電容是指導(dǎo)線的對(duì)地和相間電容，或電感線圈的對(duì)地雜散電容等。

現(xiàn)以系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，線路末端接空載(或輕載)變壓器，以發(fā)生A相斷線為例，對(duì)諧振回路的形成和避免發(fā)生諧振的條件進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相斷線示意圖

假設(shè)電源內(nèi)漏抗和線路感抗與線路容抗比較，因數(shù)值很小可以忽略不計(jì)，導(dǎo)線折斷處至電源端距離為XL(X=0～1)，線路對(duì)地電容為C0，相間電容為C12。

其中:

設(shè)線路的正序電容與零序電容的比值為δ:

一般線路:δ=1.5～2.0。

設(shè)圖1(c)振蕩電路中只有基波電壓和電流，其伏安特性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 電感電容串聯(lián)電路鐵磁諧振的伏安特性圖

從圖2中可以分析出，串聯(lián)諧振回路中存在下列特點(diǎn)：

1) 在a1點(diǎn)，回路呈現(xiàn)電感性，電容、電感上的壓降耗通過(guò)的電流均小，稱為電路的非諧振工作點(diǎn)。

2) 在a3點(diǎn)，工作區(qū)域已越過(guò)特性曲線的交點(diǎn)K點(diǎn)，稱為諧振點(diǎn)。因回路呈電容性，此時(shí)的電壓和壓降急劇增加，即發(fā)生了由于鐵芯磁飽和引起諧振過(guò)電壓。

3) 當(dāng)回路受到足夠強(qiáng)烈的沖擊時(shí)，如開(kāi)關(guān)突然合閘、發(fā)生故障和故障消除等情況，會(huì)使線路中的電感兩端電壓突然升高或鐵芯電感形成涌流，可能使工作點(diǎn)從a1點(diǎn)轉(zhuǎn)移到a3點(diǎn)，即因激發(fā)而產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓，即為外激現(xiàn)象。

4) 電路只有一個(gè)工作點(diǎn)a3，即使沒(méi)有外界的沖擊，也總是工作在諧振狀態(tài)，即為自激現(xiàn)象。

6) 振蕩回路中，在工頻電源作用下，還可能出現(xiàn)持續(xù)性的其它頻率的諧振現(xiàn)象，如高頻諧振和分頻諧振。高頻諧振往往可以自激產(chǎn)生，分頻諧振則需要經(jīng)歷一定的瞬態(tài)外激過(guò)程，由于分頻諧振時(shí)存在頻差，配電盤(pán)電壓表指示會(huì)有抖動(dòng)或擺動(dòng)現(xiàn)象，而高頻諧振時(shí)，因其諧振頻率是系統(tǒng)頻率的整數(shù)倍，電壓表指示沒(méi)有擺動(dòng)現(xiàn)象。

2 斷線諧振分析

若變壓器的額定電壓為UN、額定容量為SN、空載電流的百分?jǐn)?shù)為I0，則其初始勵(lì)磁電抗為：

設(shè)Cd為每公里線路對(duì)地的電容值，C0=Cd×L。 于是可知，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相斷線、電源側(cè)導(dǎo)線接地時(shí)，不產(chǎn)生基波諧振的線路長(zhǎng)度L需滿足下式：

某6 kV的煤礦供電線路為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，線路末端接有容量為180 kVA的空載變壓器，其空載電流I0=3.5%Ie，線路每相對(duì)地電容為Cd=5×10-3μF/km。則該線路不發(fā)生諧振點(diǎn)線路長(zhǎng)度，可由上面的公式計(jì)算求得：

即該線路不產(chǎn)生基波諧振的線路長(zhǎng)度不要超過(guò)4.45 km。

而不產(chǎn)生高頻諧振的線路長(zhǎng)度L，也可根據(jù)上面的公式推導(dǎo)出來(lái)。若檢驗(yàn)是否產(chǎn)生5次諧波諧振的條件為：

即要比不產(chǎn)生基波諧振的線路長(zhǎng)度縮小25倍。

由此可知，斷線后導(dǎo)線在負(fù)荷側(cè)接地要比電源側(cè)接地更易發(fā)生基波諧振；當(dāng)負(fù)載變壓器處于空載或輕載情況時(shí)，斷線的結(jié)果有可能發(fā)生高幅值的諧振過(guò)電壓。

3 斷線事故測(cè)試

舉例:6 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生斷線過(guò)電壓。某單位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，供電情況如下：

1) 發(fā)生斷線故障的線路，經(jīng)測(cè)量對(duì)地電容約為系統(tǒng)總電容的10%。

2) 線路末端接有1臺(tái)100 kVA的空載變壓器。

3) 各種頻率下變壓器初始勵(lì)磁電抗見(jiàn)表1。

根據(jù)計(jì)算，各種斷線故障下發(fā)生諧振時(shí)，與等值容抗對(duì)應(yīng)的變壓器勵(lì)磁感抗見(jiàn)表2，表3。

表1 勵(lì)磁感抗初始勵(lì)磁感抗 Ω

表2 X=0.01時(shí)(斷線點(diǎn)靠近電源側(cè)),勵(lì)磁感抗初始勵(lì)磁感抗 Ω

表3 X=0.99 時(shí)(斷線點(diǎn)靠近配變側(cè)),勵(lì)磁感抗初始勵(lì)磁感抗 Ω

比較表1 ～ 3可知:

a) 表2，X=0.01，斷線點(diǎn)為靠近電源端，在序號(hào)為1、3、4故障情況下，其工頻及以上各諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁感抗均小于初始勵(lì)磁感抗，即工頻及以上各次諧波諧振均有可能發(fā)生。

b) 在序號(hào)為2、5故障情況下，即發(fā)生單相斷線且接地和兩相斷線單相接地的情況下，斷線點(diǎn)在全線任何位置，其諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁感抗均小于初始勵(lì)磁感抗，即諧振波諧振均有可能發(fā)生。

c) 斷線后,導(dǎo)線在負(fù)荷側(cè)接地要比電源側(cè)接地更易發(fā)生基波諧振。

d) 綜上所述，可以確定該線路只要發(fā)生上述5種斷線故障中的一種故障，即存在發(fā)生基頻或高次諧波諧振的可能性。

由上述分析可知：該變電站出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象是由線路斷線故障成線路對(duì)地電容和相間電容與配電變壓器勵(lì)磁電感構(gòu)成諧振回路而激發(fā)的鐵磁諧振。

4 防止斷線諧振過(guò)電壓事故的措施

1) 采用勵(lì)磁特性較好的變壓器有助于減少斷線過(guò)電壓的產(chǎn)生的幾率。

2) 加強(qiáng)線路巡視和檢修，及早發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線的機(jī)械損傷，避免發(fā)生斷線事故。

3) 不宜將空載變壓器長(zhǎng)期掛在線路上。

4) 提高檢修質(zhì)量，保證斷路器的三相同期動(dòng)作，避免發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象。

5) 在配電變壓器高壓側(cè)附加相同電容，吸收暫態(tài)過(guò)程中的能量，降低沖擊擾動(dòng)強(qiáng)度，抑制諧波的發(fā)生。

6) 變電站內(nèi)及用戶的TV應(yīng)減少中性點(diǎn)接地的數(shù)量，避免TV特性惡化。

7) 盡量將消弧線圈裝在電源側(cè)，避免裝在負(fù)荷側(cè)。在消弧線圈中串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)電阻，或采用電阻接地方式，可增加系統(tǒng)阻尼，把過(guò)電壓限制在規(guī)程允許的范圍之內(nèi)。