國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司 艾晨光 路杰 李源浩

淺析電力系統(tǒng)加裝消諧裝置的必要性

國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司 艾晨光 路杰 李源浩

根據(jù)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，文中闡述了為避免系統(tǒng)發(fā)生接地、過(guò)壓和諧振時(shí)造成電壓互感器的損壞，通過(guò)采用電力系統(tǒng)中加裝一次、二次消諧裝置，發(fā)揮阻尼和限流的作用，保護(hù)電壓互感器和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。相比未安裝的系統(tǒng)，大幅度的降低了由于接地、諧振、過(guò)電壓所導(dǎo)致的后續(xù)事故。

諧振；電壓互感器；消諧裝置；中性點(diǎn)

引言

在實(shí)際運(yùn)行中，由于10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，母線上Y0接線的電壓互感器一次繞組是該系統(tǒng)對(duì)地的唯一金屬性通道。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)接地等故障時(shí)，系統(tǒng)對(duì)地電容會(huì)以一個(gè)數(shù)值達(dá)數(shù)安培的工頻半波涌流通過(guò)電壓互感器一次繞組進(jìn)行充放電，同時(shí)，非故障相電壓會(huì)升高并產(chǎn)生諧振，或者出現(xiàn)鐵磁諧振使系統(tǒng)電壓不平衡等。這樣，電壓互感器將可能長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受過(guò)壓、涌流和鐵磁諧振沖擊，會(huì)發(fā)生ABC三項(xiàng)熔斷器熔斷，甚至產(chǎn)生電壓互感器本體爆裂燒毀事故等。因此，為避免系統(tǒng)發(fā)生接地、過(guò)壓和諧振時(shí)造成電壓互感器的損壞，采用在電力系統(tǒng)中加裝一次、二次消諧裝置對(duì)一次設(shè)備與電壓互感器起到了重要的保護(hù)作用，大大提高了變電站的安全運(yùn)行。

1 電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的原因

35kV電壓互感器，10kV電壓互感器都有某種過(guò)電壓、電流的擾動(dòng)，如跳、合閘，瞬間接地、瞬間短路等故障發(fā)生的幾率。鐵磁諧振發(fā)生后常常引起電壓互感器（PT）燒毀、爆炸等惡性事故。原因是電力系統(tǒng)中有大量的儲(chǔ)能元件，如電壓互感器、變壓器、電抗器等電感元件，電容器、線路對(duì)地電容、斷路器的斷口電容等電容元件。這些元件組成了許多串聯(lián)或并聯(lián)的振蕩回路。在正常的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，不可能產(chǎn)生嚴(yán)重的的振蕩。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或由于某種原因使電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生了變化，就很可能發(fā)生諧振。例如在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，其中一相斷線接地，受電變壓器和相間電容、電壓互感器和線路對(duì)地電容、空載變壓器和空載長(zhǎng)架空線路電容所形成的振蕩回路，都有可能發(fā)生諧振。諧振常常引起持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的過(guò)電壓。電壓互感器一類的電感元件在正常工作電壓下，通常鐵芯磁通密度不高，鐵芯并不飽和，如在過(guò)電壓下鐵芯飽和，電感會(huì)迅速降低，從而與電容產(chǎn)生諧振，也就是常說(shuō)的鐵磁諧振。鐵磁諧振不僅可在基頻（50Hz）下發(fā)生，也可在高頻(170Hz)、低頻(17Hz,25Hz)下發(fā)生。

圖1 沈莊站PT燒毀現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 5-9PT諧振波形（起始）

圖3 5-9PT諧振波形（過(guò)程中）

正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器開(kāi)口三角的電壓（3U0）理論上是0V，在實(shí)際運(yùn)行中一般也不會(huì)超過(guò)10V。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，3U0將迅速升高，達(dá)到30到120V，形成過(guò)電壓。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，由于三相不同期等原因，會(huì)在電壓互感器中產(chǎn)生很大的諧波電流，導(dǎo)致互感器內(nèi)部鐵芯飽和了，造成二次側(cè)的波形發(fā)生畸變，當(dāng)畸變足夠大時(shí)，就形成了鐵磁諧振。鐵磁諧振產(chǎn)生的條件一般有：（1）中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)；（2）非線性電感元件和電容元件組成振蕩回路，回路線性狀態(tài)時(shí)的自振頻率小于某此低頻諧振頻率，當(dāng)鐵芯飽和而電感減小時(shí)，回路自振頻率增加，恰好等于某低頻諧振頻率；（3）振蕩回路中的損耗足夠小，諧振實(shí)際發(fā)生在系統(tǒng)空載或輕載時(shí)；（4）電感的非線性要相當(dāng)大；（5）有激發(fā)作用時(shí)，即系統(tǒng)有某種過(guò)電壓、電流的擾動(dòng)，如跳、合閘，瞬間接地、瞬間短路等。

2 消除諧振的原理

二次消諧原理：（1）利用消諧裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓互感器開(kāi)口三角電壓，計(jì)算出零序電壓四種頻率的電壓分量。利用裝置中壓敏元件的電抗隨諧波電壓而變化，從而破壞電壓互感器鐵磁諧振的產(chǎn)生條件。（2）如壓敏元件未能完全消除鐵磁諧振，則瞬間啟動(dòng)大功率消諧元件予以消除。當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，每隔一微小時(shí)間段啟動(dòng)一次大功率消諧元件，啟動(dòng)三次為一段，未能完全消除啟動(dòng)第二段、第三段。之后如故障依然存在，為了電壓互感器安全，不再啟動(dòng)大功率消諧元件，只用壓敏元件予以實(shí)時(shí)在線消除。

一次消諧裝置可看作為大功率阻尼在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間串接，是一個(gè)固態(tài)一次設(shè)備，主要針對(duì)10kV、35kV系統(tǒng)中發(fā)生的接地和諧振故障，而電壓互感器二次消諧裝置是智能微機(jī)設(shè)備，針對(duì)的是電壓互感器二次側(cè)，它是消除電壓互感器內(nèi)部諧振，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，電壓互感器二次側(cè)相應(yīng)產(chǎn)生諧振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生120V以上的零序電壓，（如果電壓互感器容量有限短時(shí)間內(nèi)會(huì)燒毀電壓互感器）加裝二次消諧裝置后會(huì)消除該諧振，會(huì)將較大的零序電壓接入裝置內(nèi)部的大功率電阻上，從而消耗掉能量，排除故障。

3 諧振的危害

圖4 誘發(fā)PT諧振的兩次低壓系統(tǒng)AC相間短路錄波波形

3.1 沈莊站10千伏PT燒毀事件

事件情況：2014年8月9日22∶27∶46，10kV 5-9PT發(fā)生三相短路，導(dǎo)致整個(gè)PT柜燒毀，最終由1號(hào)主變中后備保護(hù)切除301開(kāi)關(guān)，高后備切除111、501開(kāi)關(guān)隔離故障，111開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后，145自投成功合145開(kāi)關(guān)；301開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后，345自投成功合345開(kāi)關(guān)；501開(kāi)關(guān)最終在跳開(kāi)位置，10kV負(fù)荷全停。

圖5 前溝站PT燒毀現(xiàn)場(chǎng)圖

事件原因：事故起因?yàn)?0kV 5.9PT諧振，故障錄波文件顯示，10kV三相短路前的65秒時(shí)間內(nèi)，10kV 5.9PT一直處于諧振狀態(tài)，引起諧振的原因應(yīng)為諧振前兩次低壓系統(tǒng)的AC相間短路（由于持續(xù)時(shí)間及電流幅值均較小，沒(méi)有相關(guān)出線保護(hù)動(dòng)作）。

3.2 前溝35kVPT著火事件

事件情況：2014年6月8日中午12時(shí)30分，前溝110kV站2號(hào)主變掉閘，545開(kāi)關(guān)自投成功，345開(kāi)關(guān)發(fā)自投故障信號(hào)，302開(kāi)關(guān)在合位，345開(kāi)關(guān)在分位，35kV4母線失電，35kV4-9PT柜著火。變電運(yùn)維人員趕到現(xiàn)場(chǎng)佩帶空氣呼吸器用滅火器進(jìn)行撲救，及時(shí)將35kV4-9PT柜火災(zāi)撲滅，保證了其它設(shè)備的安全。

事件原因：前溝110kV站于2010年8月投入運(yùn)行，2013年維護(hù)職責(zé)由崇禮供電分公司移交至變電檢修室，計(jì)劃2015年進(jìn)行例行檢修試驗(yàn)。事發(fā)當(dāng)時(shí)為雷陣雨天氣，前溝110kV站35kV線路發(fā)生單相接地，母線電壓升高，35kV4-9PT產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致電壓互感器起火燒損。

4 結(jié)論

因此，為避免系統(tǒng)發(fā)生接地、過(guò)壓和諧振時(shí)造成電壓互感器的損壞，采用電力系統(tǒng)中加裝一次、二次消諧裝置，發(fā)揮阻尼和限流的作用，可以很好的消除系統(tǒng)諧振和工頻涌流，保護(hù)電壓互感器和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

據(jù)我公司不完全調(diào)查10kV、35kV系統(tǒng)中加裝一次、二次消諧裝置對(duì)一次設(shè)備與電壓互感器起到了重要的保護(hù)作用，大大提高了變電站的安全運(yùn)行，相比未安裝的系統(tǒng)，大幅度的降低了由于接地、諧振、過(guò)電壓所導(dǎo)致的后續(xù)事故。