敬大亮，于敏

(四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川射洪629200)

1 故障現(xiàn)象

2010年2月27日、5月19日(圖1)、5月27日，螺絲池水電廠35 kV供電系統(tǒng)先后三次發(fā)生諧振過(guò)電壓;同年9月10日、17日(圖2)，金華水電廠35 kV供電系統(tǒng)兩次發(fā)生諧振過(guò)電壓。諧振時(shí)，各廠站35 kV母線均在40～60 kV之間擺動(dòng)。5月19日，螺絲池水電廠35 kV母線電壓最高曾達(dá)到63.75 kV。諧振持續(xù)時(shí)間最短的為5 min，最長(zhǎng)的為20 min(9月17日金華水電廠)。諧振發(fā)生后，值班調(diào)度員通過(guò)采取切除35 kV線路、斷開母聯(lián)開關(guān)等方法，改變了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，消除了系統(tǒng)諧振，保證了電力系統(tǒng)和設(shè)備安全。

圖1 2010年5月19日螺絲池水電廠35 kV母線電壓曲線圖

2 故障分析

圖2 2010年9月17日金華水電廠35 kV母線電壓曲線圖

分析五次諧振現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共同的特點(diǎn):在諧振發(fā)生前，系統(tǒng)都曾發(fā)生單相接地故障。如螺絲池水電廠35 kV系統(tǒng)三次諧振前都曾發(fā)生過(guò)系統(tǒng)單相接地故障(35 kV南城線電纜單相接地)，金華水電廠35 kV系統(tǒng)兩次諧振前也分別發(fā)生了單相接地故障(9月10日35 kV母線338PTA相、9月17日35 kV金東線3518PT)，因此我們認(rèn)為單相接地故障是導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的根本原因。

為保證供電可靠性，我國(guó)規(guī)定35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)均采用不直接接地。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)接地故障相電壓降低、另外兩相電壓升高的現(xiàn)象，同時(shí)，在接地故障點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)較大的電弧電流。如果在不投入消弧線圈的運(yùn)行方式下，單相接地時(shí)的接地電弧就不能自動(dòng)熄滅，極易造成系統(tǒng)過(guò)電壓，尤其是弧光接地過(guò)電壓，一般為3～5倍相電壓甚至更高。在此電壓作用下，極易導(dǎo)致電壓互感器鐵芯飽和而產(chǎn)生高次或分次諧波;當(dāng)出現(xiàn)電力系統(tǒng)參數(shù)配合適當(dāng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

3 諧振過(guò)電壓分析

諧振是正弦電路在特定條件下所產(chǎn)生的一種特殊物理現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為含有電阻(R)、電感(L)、電容(C)的電路中端口電壓和端口電流同相位，電路的功率因數(shù)cosΦ=1。諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振一般為串聯(lián)諧振，而串聯(lián)諧振的條件就是在電感和電容元件相串聯(lián)的電路中感抗和容抗相等，即:XL=XC，或ωL=1/ωC。

電力系統(tǒng)的所有元件中，入端阻抗為容抗(XC)性質(zhì)的有:輸電線路對(duì)地電容、耦合電容器、斷路器斷口的并聯(lián)電容、電容式電壓互感器(CVT)。入端阻抗為感抗(XL)性質(zhì)的有:電磁式電壓互感器(PT)、變壓器、電抗器。

圖3 電力系統(tǒng)三相示意圖

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電源變壓器中性點(diǎn)不接地。但是，為了監(jiān)視系統(tǒng)絕緣，電磁式電壓互感器的一次繞組中性點(diǎn)都直接接地。設(shè)互感器的三相勵(lì)磁電感分別為L(zhǎng)A、LB、LC，與其并聯(lián)的電容Co表示該相導(dǎo)體和母線的對(duì)地電容(圖3)。在負(fù)荷對(duì)稱及系統(tǒng)非故障情況下，由于A、B、C三相對(duì)稱，則各相勵(lì)磁電感相等、各相對(duì)地電容也相等，即三相對(duì)地阻抗是相同的，中性點(diǎn)電位為零。正常情況下，電磁式電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)對(duì)地電容，即XL＞XC，兩者并聯(lián)后為一等值電容，系統(tǒng)對(duì)地阻抗呈現(xiàn)容性。

當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生沖擊擾動(dòng)，如線路瞬間A相接地，則健全相(B、C相)電壓就會(huì)突然升高，并出現(xiàn)很大涌流，從而造成B、C相電壓互感器磁路飽和，勵(lì)磁電感LB、LC相應(yīng)減小，當(dāng)B、C相勵(lì)磁電感小于對(duì)地電容時(shí)，B、C相對(duì)地阻抗呈現(xiàn)感性。這時(shí)，三相負(fù)載就出現(xiàn)一相(A相)對(duì)地阻抗為容性、另外兩相(B、C相)對(duì)地阻抗為感性，三相對(duì)地負(fù)載就不平衡，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓。當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)配合適當(dāng)、感性阻抗和容性阻抗相等時(shí)，就產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。諧振時(shí)的電流電壓相位關(guān)系如圖4所示。

圖4 諧振電流電壓相位圖

4 解決措施

(1)選用電容式電壓互感器;或選用勵(lì)磁特性飽和點(diǎn)較高的電磁式電壓互感器。規(guī)程要求一般選擇在電壓下鐵芯磁通不飽和的電壓互感器。在實(shí)際應(yīng)用中，可按選擇。

(2)減少同一系統(tǒng)中電壓互感器中性點(diǎn)接地的數(shù)量，除電源側(cè)電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)接地外，其它電壓互感器中性點(diǎn)盡可能不接地。

(3)安裝一次消諧器。在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)與地之間接入線性電阻(R≥0.06 Xm，電阻容量大于600 W，10 kΩ級(jí)的電阻)、或非線性電阻(電子型、電感型、電容型)，一般用于10 kV及以下網(wǎng)絡(luò)。

(4)安裝二次消諧器。該措施是在電壓互感器的二次剩余繞組開口三角加裝消諧器，稱二次消諧器。消諧器可以為固定的低值電阻〔R≤0.4(Xm/K2)。式中K為互感器一次繞組與開口三角形繞組的變比〕或白熾燈泡(6～10 kV可用200W;35 kV可用500 W)、或?qū)Ｓ玫南C器(非線性電阻型:電子微機(jī)型、電感型、電容型)。

(5)四元件TV接線法。在原來(lái)星接TV的中性點(diǎn)和地之間加入一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的第4 TV，即四元件TV接線法，以保證TV所承受的電壓不大于相電壓。這種方法造價(jià)低，可以解決大部分鐵磁諧振問(wèn)題，但同時(shí)需要改變二次接線，以保證保護(hù)和測(cè)量回路的要求。

(6)在系統(tǒng)中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈。如果在系統(tǒng)中性點(diǎn)上接入消弧線圈以破壞其諧振條件，就能夠比較有效地抑制諧振過(guò)電壓的發(fā)生。其原理很簡(jiǎn)單:因TV的勵(lì)磁感抗比較大(千歐至兆歐級(jí))，而消弧線圈的感抗(百歐級(jí))比較小，從而造成諧振條件ωL=1/ωC很難滿足，諧振就不會(huì)發(fā)生。另一方面，無(wú)消弧線圈時(shí)單相接地發(fā)生間歇性電弧時(shí)電容多次充放電造成TV燒毀、熔絲熔斷;有了消弧線圈后，電容對(duì)小感抗放電，TV中的電流很小，就不會(huì)造成燒毀事故了。所以，在中性點(diǎn)接入消弧線圈后，對(duì)于由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓具有很好的限制作用，能夠徹底解決此類問(wèn)題。消弧線圈可以徹底解決鐵磁諧振問(wèn)題，并且對(duì)其他形式的過(guò)電壓都有很好的抑制作用。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

螺絲池水電廠和金華水電廠35 kV系統(tǒng)諧振所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象雖然一致，但諧振產(chǎn)生的根源還是有一定差異。因?yàn)槁萁z池水電廠35 kV供電系統(tǒng)在2010年曾經(jīng)發(fā)生了較大改變:2010年，公司將35 kV南城線架空線更換為電纜(YJLV22－3×240，3.435 km)，從而使螺絲池水電廠35 kV供電系統(tǒng)電容電流超過(guò)規(guī)程規(guī)定值，最終采取的措施是在螺絲池水電廠主變35 kV側(cè)中性點(diǎn)安裝了消弧線圈。但是，金華水電廠35 kV供電系統(tǒng)運(yùn)行近十年來(lái)網(wǎng)絡(luò)一直沒有變化，所以，我們認(rèn)為電壓互感器特性變化、磁飽和點(diǎn)降低是金華水電廠諧振產(chǎn)生的原因。為此，公司準(zhǔn)備在金華水電廠PT二次開口三角形加裝二次消諧器。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于因電磁式電壓互感器飽和特性造成的系統(tǒng)諧振，我們除了能夠采取以上措施進(jìn)行防治外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行人員的培訓(xùn)，掌握了解一些系統(tǒng)過(guò)電壓產(chǎn)生的條件及特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)采取正確的措施將是非常必要的。

［1］交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合，DL/T 620－1997［S］.