（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，500 kV 系統(tǒng)網(wǎng)架聯(lián)系越來越緊密，電網(wǎng)越來越堅強(qiáng)，供電可靠性越來越高，但同時也造成了系統(tǒng)短路容量增大，短路電流水平增高，甚至超過了現(xiàn)有斷路器的遮斷能力。為限制短路電流增大，可在電網(wǎng)適當(dāng)部位安裝串聯(lián)電抗器（以下簡稱“串抗”），該方案簡單經(jīng)濟(jì)，已有多項工程應(yīng)用[1-3]。

在已運行變電站內(nèi)加裝串抗時，為減少占地面積、節(jié)約空間布局，傾向于采用GIS（氣體絕緣封閉組合電器）形式的新設(shè)備，包括隔離開關(guān)、出線避雷器和TV（電壓互感器）。受限于空間布局，500 kV GIS 的TV 一般為電磁式。TV 的鐵芯電磁特性使其容易與系統(tǒng)內(nèi)其他元件產(chǎn)生鐵磁諧振，進(jìn)而引起電壓畸變、升高。文獻(xiàn)表明，TV 鐵磁諧振往往伴隨著系統(tǒng)沖擊，與系統(tǒng)參數(shù)的突變有很大關(guān)系，比如斷路器分合閘引起系統(tǒng)對地電容的變化、中性點非接地系統(tǒng)的單相接地、中性點接地系統(tǒng)斷路器分合閘引起的斷口電容變化等[4-10]。因此串抗、斷路器斷口電容、線路、TV 等設(shè)備在不同運行方式下的參數(shù)配合將影響系統(tǒng)過電壓的產(chǎn)生與嚴(yán)重程度。

本文針對一起500 kV 線路加裝串抗工程啟動過程中的電壓異常偏高事件，分析了HGIS（混合式氣體絕緣封閉組合電器）串抗由熱備用轉(zhuǎn)冷備用操作過程中對線路電壓的影響，以及HGIS串抗操作沖擊導(dǎo)致TV 鐵磁諧振的可能性，并提出針對性預(yù)控措施。

1 事件概況

1.1 系統(tǒng)主接線

為限制系統(tǒng)短路電流，通常在500 kV 線路一側(cè)加裝串抗，如圖1 所示。新增的串抗安裝在變電站出線側(cè)，在串抗上并接1 組隔離開關(guān)，在串抗退出的情況下，線路可通過合上該組隔離開關(guān)繼續(xù)運行。同時在串抗兩側(cè)各加1 組檢修用隔離開關(guān)。由于串抗的高阻抗特性，在串抗兩端均配置避雷器。另外，為減小斷路器切電抗對匝間絕緣的影響以及降低斷路器斷口恢復(fù)電壓，配置旁路電容器。500 kV 線路串抗采用干式空心電抗器，結(jié)構(gòu)為每相2 個線圈疊裝串聯(lián)。

圖1 線路串抗接線

由于是在已運行變電站內(nèi)加裝串抗，新建電氣設(shè)備采用GIS 形式，包括隔離開關(guān)、出線避雷器和鐵磁型TV。GIS 與串抗的高低端之間通過GIS 聯(lián)絡(luò)母線連接。

1.2 事件經(jīng)過

某500 kV 線路加裝串抗工程啟動過程中，線路兩側(cè)斷路器為熱備用狀態(tài)，線路三相電壓均為0。當(dāng)操作本側(cè)串抗由運行改為冷備用，即拉開串抗隔離開關(guān)后，監(jiān)控后臺顯示A 相、B 相、C 相線路電壓分別由0 升高為180 kV，100 kV，100 kV。拉開本側(cè)邊斷路器隔離開關(guān)后，B 相、C相線路電壓隨即由100 kV 降為60 kV。進(jìn)一步拉開本側(cè)中斷路器隔離開關(guān)，B 相、C 相線路電壓隨即由60 kV 降為0。經(jīng)現(xiàn)場檢查實測，線路TV二次電壓值與測控、保護(hù)、故障錄波及監(jiān)控后臺基本一致，可排除電壓二次采樣回路異常。

2 B 相、C 相電壓異常偏高分析

500 kV 線路額定相電壓為297 kV，在線路兩側(cè)斷路器為熱備用狀態(tài)下拉開本側(cè)串抗隔離開關(guān)后，線路電壓正常應(yīng)為0，但實際B 相、C 相電壓卻為100 kV，此電壓異常升高為電容分壓所致。

電氣設(shè)備對地及設(shè)備間均存在分布電容。通常110 kV 及以上系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng)，為提高斷路器滅弧能力，在斷路器斷口并聯(lián)電容。因此在忽略電阻的情況下，線路在熱備用狀態(tài)下將串抗從運行改為冷備用時的等效電路如圖2 所示。

圖2 操作等效電路

圖中：E 為系統(tǒng)等效電源；C11為邊斷路器熱備用時等效斷口電容；C12為中斷路器熱備用時等效斷口電容；C2為GIS 設(shè)備對地電容及雜散電容的總和；C3為線路對地電容；L1為TV 等效電感；L2為串抗電感。

已知500 kV 斷路器采用雙斷口結(jié)構(gòu)，單斷口電容為2 000 pF，則斷路器并聯(lián)等效電容C11和C12均為1 000 pF。當(dāng)線路兩側(cè)邊斷路器和中斷路器均為熱備用狀態(tài)時，總的斷路器并聯(lián)等效電容為2 000 pF；線路長度約55 km，C3約為0.779 μF；TV 為額定電壓時，勵磁電流為4.54 mA，估算額定電抗L1為203 kH；串抗額定電抗為28 Ω，則L2為89 mH；C2為未知數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)詳見表1。U為TV 一次側(cè)電壓，隨著運行方式的變化而變化。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）當(dāng)串抗處于運行狀態(tài)時，有：

即線路處于熱備用、串抗隔離開關(guān)合閘狀態(tài)下，TV 測量得到電壓為0，與實際采樣一致。

（2）當(dāng)串抗隔離開關(guān)拉開后，U≈100 kV，為斷路器斷口電容與GIS 對地電容之間的分壓：

計算得到C2≈4 000 pF，即GIS 設(shè)備對地電容及雜散電容總和近似為4 000 pF。

（3）當(dāng)拉開邊斷路器隔離開關(guān)后，相當(dāng)于邊斷路器的斷口電容被切除，將C2以4 000 pF 帶入，計算得到：

此時，實際測量得到電壓U 也為60 kV，與計算值一致。

因此，在線路熱備用狀態(tài)下，將串抗由運行改為冷備用后，由于斷路器熱備用狀態(tài)下斷口電容與GIS 設(shè)備對地雜散電容的分壓作用，將導(dǎo)致線路電壓升高，這就是B 相、C 相電壓異常偏高的原因。

3 A 相電壓異常偏高分析

3.1 電壓波形分析

電壓錄波波形如圖3 所示。

圖3 串抗隔離開關(guān)分閘后TV 異常錄波圖

根據(jù)波形所示，A 相電壓波形在合閘后即出現(xiàn)了嚴(yán)重畸變，并在4 個周波后穩(wěn)定發(fā)展成頻率為16.56 Hz、幅值為180 kV 的次諧波。此時變電站中其他間隔的電壓保持穩(wěn)定，并未受影響。根據(jù)波形判斷，線路A 相TV 存在鐵磁諧振的可能性。

3.2 鐵磁諧振原理

電力系統(tǒng)中存在大量容性元件和感性元件，當(dāng)各元件的等效電感值和電容值滿足時，就會產(chǎn)生諧振。TV 在系統(tǒng)中可等效為電感元件，在正常運行時，其本身的等效電感值非常大，ωL＞，不會發(fā)生諧振。但是由于TV 的電感元件呈現(xiàn)出非線性特性，其電感值將隨著勵磁電流的變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)遭受沖擊，使得勵磁電流增加并導(dǎo)致鐵芯飽和時，電感值將顯著下降，當(dāng)電感值下降到滿足時，就會產(chǎn)生諧振。

根據(jù)Peterson 諧振分布原理，諧振頻率與基頻下的系統(tǒng)等效容抗XC和互感器感抗XL之比有關(guān)[7-8]：

（1）當(dāng)比值在0.01～0.08 時，發(fā)生分頻諧振，表現(xiàn)為：過電壓并不高，一般不超過相電壓的2.5 倍；過電流極大，可達(dá)額定電流的30～50 倍。

（2）當(dāng)比值在0.08～0.8 時，發(fā)生基頻諧振，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)較大，在3.2 倍相電壓之內(nèi)；過電流較大。

（3）當(dāng)比值在0.6～3.0 時，發(fā)生高頻諧振，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)很高，最大值達(dá)到相電壓的4～5 倍；過電流較小。

3.3 鐵磁諧振成因分析

當(dāng)斷路器處于熱備用狀態(tài)時，系統(tǒng)等效電路如圖2 所示，圖中各元件的參數(shù)同表1。

將串抗從運行改為冷備用，即拉開串抗隔離開關(guān)后，A 相TV 發(fā)生鐵磁諧振。根據(jù)Peterson 諧振分布原理，驗算系統(tǒng)的是否符合諧振條件，即驗證是否會激發(fā)鐵磁諧振。

（1）串聯(lián)諧振時XC與XL之比

將圖2 簡化為如圖4 所示的等效電路。

圖4 串聯(lián)諧振等效電路

計算得到：

不滿足Peterson 諧振分布原理產(chǎn)生諧振的最低比值0.01，故可排除串聯(lián)諧振。

（2）并聯(lián)諧振時XC與XL之比

將圖2 簡化為如圖5 所示的等效電路。

圖5 并聯(lián)諧振等效電路

計算得到：

滿足Peterson 諧振分布原理中的分頻諧振比值范圍，即有可能發(fā)生GIS 設(shè)備對地電容與TV之間的并聯(lián)諧振，并且諧振頻率為次基波。

進(jìn)一步計算得到此時L1=23×103H，即諧振時TV 的等效電感由203 kH 降為23 kH，TV 工作在深度飽和區(qū)，勵磁電流急劇增大，電壓升高，并由于鐵芯飽和使得二次測量電壓發(fā)生畸變。

并聯(lián)諧振時，僅在諧振相A 相發(fā)生諧振，其余相及其他設(shè)備并未參與諧振，故系統(tǒng)電壓也未受影響，即在諧振環(huán)內(nèi)出現(xiàn)大電流、端電壓升高，諧振環(huán)外系統(tǒng)不受影響，這也與圖3 現(xiàn)場實際錄波相符。

4 A 相TV 解體分析

對異常的A 相TV 進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)器身屏蔽罩表面無放電痕跡，如圖6（a）所示；高壓內(nèi)屏無放電、過熱痕跡，一次引出線完好，無過熱、放電痕跡，一次繞組中間部位菱格涂膠絕緣薄膜熔化，如圖6（b）所示。綜上，可以得到如下結(jié)論：

（1）TV 內(nèi)無放電痕跡，未發(fā)生對地放電。

（2）TV 二次繞組接線端子無放電或過熱痕跡，直阻無異常。

（3）TV 一次繞組存在大面積短路燒蝕現(xiàn)象，直阻下降約79%。

圖6 A 相TV 解體檢查情況

解體檢查判定此時TV 已發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，使一次繞組內(nèi)的電流急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一次繞組導(dǎo)線的承受能力，從而引起一次繞組導(dǎo)線過熱，進(jìn)而熔化菱格涂膠絕緣薄膜且導(dǎo)致繞組變形、線圈短路，SF6氣體在高溫條件下分解產(chǎn)生白色絮狀物。

5 結(jié)語

本文分析了一起500 kV 線路HGIS 限流串抗由運行轉(zhuǎn)冷備用操作過程中的電壓異常偏高事件，結(jié)論如下：

（1）線路斷路器在熱備用時將串抗改為冷備用后，線路B 相、C 相電壓由0 升高至100 kV，原因系斷路器熱備用狀態(tài)下的斷口電容與GIS 設(shè)備對地雜散電容分壓所致，此為正常現(xiàn)象。

（2）線路A 相TV 在串抗隔離開關(guān)拉開后電壓異常升高至180 kV，原因為受操作沖擊影響，TV 鐵芯飽和，勵磁電流急劇增大，TV 等效電感下降并與GIS 設(shè)備對地雜散電容間產(chǎn)生頻率為基頻的分頻鐵磁諧振，引起電壓異常升高。

為防止操作過程中再次發(fā)生TV 鐵磁諧振，可采取如下預(yù)控措施：在原有接線方式下，串抗由運行改冷備用、冷備用改運行和串抗旁路運行前需先操作線路斷路器間隔至冷備用狀態(tài)，避免熱備用狀態(tài)下系統(tǒng)電源通過斷路器斷口電容傳遞到串抗側(cè)，阻斷操作時的能量沖擊，以避免線路TV 產(chǎn)生諧振的可能條件；將線路TV 安裝位置移至串抗的線路側(cè)，并將電磁式TV 改為電容式TV，可徹底阻斷TV 發(fā)生鐵磁諧振的基本條件，但將影響線路后備保護(hù)的定值整定方案。