田理想　常龍新　杜景軍　張斌　彭鵬　劉秀峰　李杰

摘要：文章通過一起35kV電壓互感器異常炸裂事故的案例，分析了電力系統(tǒng)諧振現(xiàn)象及其特點以及諧振對于供電系統(tǒng)的危害，并根據實際案例總結了有效的防范措施。

關鍵詞：擊穿鐵磁；諧振短路；接地力；系統(tǒng)過電壓

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0142-02

1 案例分析

1.1 故障發(fā)生前系統(tǒng)運行狀態(tài)

故障發(fā)生前，35kV變電站為高壓側35kV單母分段運行、低壓側10kV單母分段運行，各為兩段。35kV I母接：311 I段進線、4-9 I段PT、301 I段出線；35kV II母接：321 II段進線、5-9I I段PT、302I I段出線，電壓及負荷均正常。

1.2 事故經過

2012年12月14日0點14分，監(jiān)控語音報警此變電站“35kV母線I段接地”，同時監(jiān)控屏顯示35kV母線I段電壓值為：

0點25分，35kV I段母線B相變?yōu)槿拥?，母線電壓

值為：

與此同時，311 I段進線“開關分閘”、“311開關電流2段”動作、“311站用保護測控裝置告警”、“311開關過負荷告警”，同時4-9 I段PT保護測控裝置發(fā)出“PT斷線”信號。事故處理過程中，技術人員發(fā)現(xiàn)4-9 I段PTB相電壓互感器炸裂，A、C兩相電壓互感器完好。

1.3 事故分析

本案列中，35kVPT接線為Y0/Y0/△接線，原理如

下圖1所示：

圖1

該變電站所負責的用電設備主要為10kV級大型卷揚機設備，由于多臺卷揚機設備頻繁不定時啟動，造成負荷不穩(wěn)定，無功補償自動投切裝置所控制的電容容量也不斷來回切換，系統(tǒng)因直接突然投入和斷開并聯(lián)電容而引起諧振。由于系統(tǒng)出現(xiàn)諧振，4-9 I段PT C相電壓互感器出現(xiàn)瞬間閃絡，導致35kV母線I段C相瞬間出現(xiàn)接地，又使35kV母線I段B相產生事故短路過電壓，以至于擊穿B相絕緣，導致B相電壓互感器炸裂。具體原因如下：

該電壓互感器材料質量差，在送電前交接試驗時試驗項目雖然合格，但在長期運行狀況時，其絕緣材料逐漸老化，當有沖擊電壓發(fā)生時，出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)場。

當電壓互感器鐵芯達到飽和狀態(tài)時，極易發(fā)生諧振，產生2～3.5倍額定電壓的過電壓和幾十倍額定電流的過電流，從而引起電壓互感器的炸裂、燒毀。

電壓互感器高壓繞組中性點直接接地，當電壓互感器飽和引起鐵磁諧振時無法消除。

電壓互感器低壓繞組開口三角形繞組兩端直接接地，未并聯(lián)阻尼電阻或消振器，起不到消除諧振的作用。

2 鐵磁諧振

第一，在6～35kV系統(tǒng)中，系統(tǒng)回路中常常會由于類似“變壓器、電壓互感器、消弧線圈”等電感的磁路飽和激發(fā)連續(xù)性的高幅值的鐵磁諧振過電壓情況，此種現(xiàn)象的特點為：

（1）諧振回路中鐵心電感是非線性的，電感量的變化緊跟電流量、鐵心飽和處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）鐵磁諧振需要一定的觸發(fā)條件，迫使電壓值和電流幅值從正常轉移到諧振狀態(tài)。比如電源電壓短時升高、供電系統(tǒng)遭受強烈的大電流沖擊等。

（3）鐵磁諧振本身具有自保持能力。當觸發(fā)條件消失后，鐵磁諧振過電壓可繼續(xù)存在。

（4）鐵磁諧振的過電壓按常理不會太過于超高，過電壓幅值主要決定于鐵心電感的飽和程度。

第二，鐵磁諧振可以為基波諧振，也可以是高次諧波諧振和分次諧波諧振，它的共同特征為系統(tǒng)電壓升高，出現(xiàn)絕緣閃絡或避雷器爆炸，或產生高值零序電壓，出現(xiàn)假接地和不正確的接地現(xiàn)象，也或者在電壓互感器中出現(xiàn)過電流，從而導致熔斷器熔斷或互感器燒壞，母線電壓互感器的開口三角繞組出現(xiàn)較高電壓，致使母線絕緣監(jiān)視信號動作。

第三，中性點直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振產生的原因。中性點直接接地系統(tǒng)中，電壓互感器的繞組與三相電源電勢分別相連，各點的電位是固定的，不會出現(xiàn)中性點位移過電壓；如果中性點通過消弧線圈接地，消弧線圈的電感值對于電壓互感器的勵磁電感比較可以忽略不計，即為電壓互感器的電感被短接，這樣也不會引起過電壓?？梢坏┯捎谌藛T操作失誤或者正常倒閘操作過程中也會轉變?yōu)榈韧谙到y(tǒng)局部中性點不接地狀態(tài)臨時運行，此種情況時，鐵磁諧振的觸發(fā)條件一般為合刀閘和斷路器分閘，在進行此種操作時，由于系統(tǒng)受到強烈的沖擊，致使電感兩端出現(xiàn)短暫電壓升高、大電流的震蕩或鐵心電感的涌流現(xiàn)象，這種情況有很大概率會和斷路器的均壓電容一起形成鐵磁諧振。

3 鐵磁諧振對供電系統(tǒng)的影響

通過上述解析，我們可以知道，一旦線路發(fā)生單相接地或斷路器操作等情況時，便會導致電壓互感器電壓升高，三相鐵芯出現(xiàn)飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生變化，各相電感值不相同，中性點位漂移出線零序電壓。由于電流不斷增大，電壓互感器鐵芯也會磁飽和，一旦滿足ωL=1/ωC時，具備諧振條件，就會諧振過電壓。

諧振過電壓的危害如下：

（1）當發(fā)生諧振過電壓時，電壓互感器一次勵磁電流迅速增大，從而導致高壓熔絲熔斷。若是電流值還沒有達到使熔絲熔斷的數(shù)值，而是超過了電壓互感器額定電流值，使電壓互感器長時間處于過電流狀態(tài)，電壓互感器最終將會被燒損。

（2）當鐵磁諧振出現(xiàn)后，系統(tǒng)從感性變?yōu)槿菪裕娏骰ㄏ辔话l(fā)生180°變化，如此將使逆序分量勝于正序分量，導致小容量的異步電動機發(fā)生反轉。

（3）鐵磁諧振會引起高零序電壓分量和假接地等。

4 針對案列事故應采取的防護措施

（1）選用電壓互感器時，選擇大品牌，質量有保證的產品，以防類似事故再次發(fā)生。

（2）合理改善電容無功補償投切方式，避免頻繁投入和斷開。

（3）采用勵磁特性好的電壓互感器，使電壓互感器在發(fā)生單相接地故障情況下鐵芯不易飽和，避免感抗的減小，因而不能構成諧振的匹配參數(shù)，可以減少諧振發(fā)生的概率。

（4）在電壓互感器一次繞組的中性點上接消弧線圈，可抑制或消除因電壓互感器飽和所引起的鐵磁諧振。

（5）在二次側開口三角繞組加阻尼電阻，也就是將電阻角接至電壓互感器中性點上，阻值越小，抑制諧振的發(fā)生的幾率就越大。若電阻角接后阻值為零，也就相當于開口三角繞組短接，即電網中性點直接接地，這樣就不會滿足發(fā)生鐵磁諧振的條件。

（6）在二次側開口三角繞組加裝微機消諧裝置，正常工作情況下，開口三角端電壓小于30V，而微機消諧裝置內的大功率消諧元件處于阻斷狀態(tài)，對系統(tǒng)運行不會產生影響。當開口電壓大于30V時，微機消諧裝置開始采集數(shù)據，通過對采集到的數(shù)據進行分析、計算，從而得出故障類型。若當前是鐵磁諧振，系統(tǒng)將馬上啟動消諧電路，讓鐵磁諧振在阻尼作用下快速消失。

5 結語

在供電系統(tǒng)中，成熟穩(wěn)定的電力設備能大大提高系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，配用合理的消諧裝置能很大程度上消弱供電系統(tǒng)內的諧振過電壓。通過案列中對諧振事故的分析，利用鐵磁諧振原理，根據實際工作經驗對諧振過電壓總結解決措施和預防方法，以便在實際工作中參考和運用，從而提高供電的安全性和可靠性。

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