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通過(guò)對(duì)江口電站諧振過(guò)電壓事故淺析電網(wǎng)過(guò)電壓限制方法
【作 者】：李茫、江偉
【摘 要】：主要介紹電網(wǎng)發(fā)生諧振過(guò)電壓的特點(diǎn)以及抑制措施
【關(guān)鍵詞】：江口電站、諧振過(guò)電壓、電網(wǎng)過(guò)電壓、自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置
江口電站10KV系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到40天后，在投運(yùn)一臺(tái)照明變壓器3分鐘后，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)突然告警“10KV系統(tǒng)母線1、2、3段接地”，并告警復(fù)歸發(fā)出故障音響。隨即，“10KV系統(tǒng)母線2段接地”故障信號(hào)每1秒鐘持續(xù)告警、復(fù)歸，3分鐘后1、3段母線相繼出現(xiàn)接地告警信號(hào)，共歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)2小時(shí)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)正常運(yùn)行，后經(jīng)過(guò)運(yùn)行人員檢查后發(fā)現(xiàn)，2、3段電壓互感器B相熔斷器熔斷，絕緣環(huán)氧樹(shù)脂受熱噴出，同時(shí)3條母線的其余電壓互感器均有不同程度絕緣破損開(kāi)裂現(xiàn)象。檢查母線及新投運(yùn)變壓器，均無(wú)接地故障。二次接線也檢查無(wú)故障。重新組合一組互感器投入運(yùn)行，沒(méi)有故障產(chǎn)生，三相電壓平衡。由此判斷此次事故應(yīng)該是由于諧振過(guò)電壓產(chǎn)生。
一、電網(wǎng)過(guò)電壓產(chǎn)生的條件、特點(diǎn)和危害
電力供電系統(tǒng)或者說(shuō)在電力供電電網(wǎng)上，過(guò)電壓現(xiàn)象十分普遍。如果沒(méi)有防范措施，隨時(shí)都可能發(fā)生，也隨時(shí)都可以發(fā)現(xiàn)。引起電網(wǎng)過(guò)電壓的原因很多。主要可分為內(nèi)部過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓，內(nèi)部過(guò)電壓包括諧振過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，其中諧振過(guò)電壓在正常運(yùn)行操作中出現(xiàn)頻繁，其危害性較大。
諧振過(guò)電壓引起的事故是很頻繁的，它在各級(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的或電容性的，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)配合的回胳中會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，引起電壓的異常升高。
諧振常屬于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，因此其持續(xù)時(shí)間比操作過(guò)電壓長(zhǎng)得多，可以穩(wěn)定地存在，直至進(jìn)行新的操作破壞原回路的諧振條件為止。
正是由于諧振過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所以其危害也大、在電力系統(tǒng)中，諧振過(guò)電壓不僅危及電氣設(shè)備的絕緣，還可能產(chǎn)生持續(xù)的過(guò)電流而燒斷熔絲或設(shè)備，同時(shí)還會(huì)影響到過(guò)電壓保護(hù)裝置的工作條件，普通避雷器常因在諧振過(guò)電壓下動(dòng)作而又不能滅弧的情況下會(huì)遭到毀壞。
二、諧振過(guò)電壓的種類
雖然在不同電壓等級(jí)以及不同結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生情況各異的諧振過(guò)電壓．但按其性質(zhì)而言大致分為三種：
1、線性諧振過(guò)電壓
線性諧振回路中的L和C都是常量，它們不隨元件上的電流、電壓而變化。主要指不帶鐵芯的電感元件(如輸電線路的電感、變壓器的漏感)或勵(lì)磁特性接近線性的含鐵芯電感元件(如消弧線園，其鐵芯磁路中通常留有空氣隙)和系統(tǒng)中的電容元件所引起的串聯(lián)諧振回路。它在正弦交流電源的作用下，若電源頻率和L-C自振頻率相等或接近時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致元件上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。
2、鐵磁諧振過(guò)電壓
鐵磁諧振往往和鐵芯電感的飽和性相聯(lián)系，由于鐵心電感的磁通和電流之間的非線性關(guān)系，其電感值不再是常量，從而區(qū)別于線性諧振的許多特點(diǎn)，這種含有非線性電感元件的回路在滿足一定的諧振條件時(shí),會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振。電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振回路一般由空載變壓器或電壓互感器和系統(tǒng)的電容元件組合而成。
3、參數(shù)諧振過(guò)電壓
參數(shù)諧振過(guò)電壓是因?yàn)橄到y(tǒng)中的某些元件的參數(shù)在外力的作用下，發(fā)生周期性變化而誘發(fā)的。通常是由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電感大小的周期變化，如果該電機(jī)接有一定值的電容性負(fù)荷(如空載線路)，當(dāng)參數(shù)在一定的配合下，變化的電感周期使地把能量引入諧振系統(tǒng)，形成過(guò)電壓。
過(guò)電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設(shè)備的損壞和大面積的停電事故。電力生產(chǎn)運(yùn)行的記載和事故分析表明，中低壓電網(wǎng)中過(guò)電壓事故大多數(shù)都是由諧振現(xiàn)象所引起的。由于諧振過(guò)電壓作用時(shí)間較長(zhǎng)，所引起諧振現(xiàn)象的原因又很多，因此在選擇保護(hù)措施方面造成很大的困難。為了盡可能地防止諧振過(guò)電壓的發(fā)生，在設(shè)計(jì)和操作電網(wǎng)設(shè)備時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的估算和安排，以避免形成嚴(yán)重的串聯(lián)諧振回路；或采取適當(dāng)?shù)姆乐怪C振的措施。
三、對(duì)江口電站諧振過(guò)電壓的分析
根據(jù)江口電站事故現(xiàn)象，可以分析是由于鐵磁諧振過(guò)電壓造成2段母線互感器損壞，從而誘發(fā)互感器內(nèi)部產(chǎn)生間隙電弧接地造成事故擴(kuò)大。大致分析如下。
在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，常通過(guò)測(cè)量三相對(duì)地電壓來(lái)監(jiān)視絕緣。為此，發(fā)、變電站母線上接有Y0接線的電磁式電壓互感器。于是，網(wǎng)絡(luò)對(duì)地參數(shù)除了電力設(shè)備和導(dǎo)線（或母線）對(duì)地電容C0除外，又有了電壓互感器的勵(lì)磁電感L，見(jiàn)圖a所示，網(wǎng)絡(luò)的等值電路如圖b示。
正常運(yùn)行時(shí)，ωL>1/ωC0網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗呈容性且三相基本平衡，電網(wǎng)中性點(diǎn)對(duì)地電位偏移很小。但是，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行某些操作（例如斷路器合閘，接地故障消失）,由于三相互感器在受到擾動(dòng)后電感飽和程度不一樣而形成三相對(duì)地阻抗不平衡，造成負(fù)載中性點(diǎn)與電源中性點(diǎn)之間的電位偏移。
這種過(guò)電壓表現(xiàn)為多種形式。若是基波諧振，可能出現(xiàn)兩相對(duì)地電壓很高，即形成“虛幻接地”現(xiàn)象，諧波諧振則導(dǎo)致三相電壓同時(shí)抬高；在分頻諧振時(shí)，出現(xiàn)相電壓以低頻（每秒一次左右）擺動(dòng)，使電壓互感器繞組中流過(guò)低頻過(guò)電流，致使熔絲熔斷或者電壓互感器過(guò)熱燒毀、甚至爆炸；在高頻諧振時(shí)，可能引起電壓互感器的絕緣破壞或避雷器爆炸。從江口事故現(xiàn)象來(lái)看，類似于基波和分頻諧振。
四、電網(wǎng)諧振過(guò)電壓的限制方法
在電力生產(chǎn)和電力運(yùn)行的中低壓電網(wǎng)中，故障的形式和操作方式是多種多樣的，諧振性質(zhì)也各不相同。因此，應(yīng)該了解各種不同類型諧振的性質(zhì)與特點(diǎn)，掌握其振蕩的性質(zhì)和特點(diǎn)，制訂防振和消振的對(duì)策與措施。
目前，我國(guó)35kV及以下配電網(wǎng)，仍大部分采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，一部分采用老式的消弧（消諧）線圈接地。從電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)踐證明，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中一方面由于電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓比較多，盡管采取了不少限制諧振過(guò)電壓的措施，如：消諧燈、消諧器、TV高壓中性點(diǎn)增設(shè)電阻或單只TV等，但始終沒(méi)有從根本上得到解決，TV燒毀、熔絲熔斷仍不斷發(fā)生；另一方面由于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式的主要特點(diǎn)是單相接地后，允許維持一定的時(shí)間，一般為2h不致于引起用戶斷電，但隨著中低壓電網(wǎng)的擴(kuò)大，出線回路數(shù)增多、線路增長(zhǎng)，中低壓電網(wǎng)對(duì)地電容電流亦大幅度增加，單相接地時(shí)接地電弧不能自動(dòng)熄滅必然產(chǎn)生電弧過(guò)電壓，一般為3-5倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會(huì)發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故。而采用老式消弧線圈接地方式的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的限制，只能運(yùn)行在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，不能處在全補(bǔ)償狀態(tài)，所以脫諧度整定的比較大，約在20%～30%，對(duì)弧光過(guò)電壓無(wú)抑制效果。并需要手動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭，然而此時(shí)卻不能隨電網(wǎng)對(duì)地電容電流的變化及時(shí)將電壓調(diào)整到最佳的工作位置，影響功能發(fā)揮，也不適應(yīng)電網(wǎng)無(wú)人值班變電所的需要。
因此，我們可以采用一種新型自動(dòng)調(diào)諧原理的接地補(bǔ)償裝置，通過(guò)過(guò)補(bǔ)、全補(bǔ)和欠補(bǔ)的運(yùn)行方式，來(lái)較好地解決此類問(wèn)題。目前自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置主要是由五大部分組成：接地變壓器、電動(dòng)式消弧線圈、微機(jī)控制部分、阻尼電阻部分、中性點(diǎn)專用互感器和非線性電阻。接地變壓器是作為人工中性點(diǎn)接入消弧線圈。消弧線圈電流通過(guò)有載開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方自動(dòng)控制，采用予調(diào)節(jié)方式，即在正常運(yùn)行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)諧利用微機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)量位移電壓為主和中性點(diǎn)電流與電壓之間的相位，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算、判斷、發(fā)出指令自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，顯示有關(guān)參數(shù)：電容電流、電感電流、殘流和位移電壓等。還能追憶、報(bào)警、自動(dòng)打印和信號(hào)遠(yuǎn)送，滿足無(wú)人值班變電所的需要。
自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全補(bǔ)償運(yùn)行或很小的脫諧度，主要是由于在消弧線圈的一次回路中串入了大功率的阻尼電阻，降低中性點(diǎn)諧振過(guò)電壓的幅值使之達(dá)到相電壓的5%～10%。因?yàn)槿绻?dāng)系統(tǒng)的電容電流與消弧線圈工作電流相等時(shí)，即在諧振時(shí)中性點(diǎn)電壓限制在允許值以下，這樣就可實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償方式，這是殘流為最小的最佳工作方式。接地時(shí)殘流很小，不會(huì)引起弧光過(guò)電壓。所以，可在消弧線圈的一次回路中串入大功率的阻尼電阻，增大阻尼率的措施來(lái)達(dá)到。消弧線圈的脫諧率與電壓及電網(wǎng)的阻尼率有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)形成后其不對(duì)稱電壓基本是個(gè)固定值，消弧線圈為保證在單相接地時(shí)有效地抑制弧光過(guò)電壓的產(chǎn)生，要求脫諧率達(dá)到±5%以內(nèi)，那么只有改變阻尼率，才能改變位移電壓，因此應(yīng)當(dāng)在消弧線圈回路串入電阻，保證阻尼率，控制中性點(diǎn)位移電壓。在低壓電網(wǎng)中由于中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓很小，為提高測(cè)量精度采用特制的中性點(diǎn)專用互感器，提高檢測(cè)靈敏度；非線性電阻的采用對(duì)欠補(bǔ)償下的斷線過(guò)電壓和傳遞過(guò)電壓都有明顯的抑制作用。在正常運(yùn)行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)諧利用微機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)量位移電壓為主和中性點(diǎn)電流與電壓之間的相位，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算、判斷、發(fā)出指令自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，滿足無(wú)人值班變電所的需要。
目前新型消弧線圈大部分采用有載調(diào)匝式調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)分接頭數(shù)一般均大于9，加寬了調(diào)流范圍，以便能夠達(dá)到最小的脫諧度，配有有載開(kāi)關(guān)并可以遠(yuǎn)方電動(dòng)或自動(dòng)操作，克服了老式線圈的一些缺點(diǎn)。
對(duì)由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓的限制，鐵磁諧振過(guò)電壓的限制目前雖然采取多種形式，取得了一些效果，但都不夠理想。有的裝了消諧器還是產(chǎn)生了諧振過(guò)電壓，這是由于鐵磁諧振過(guò)電壓本身是一個(gè)非線性過(guò)程，現(xiàn)象比較復(fù)雜。我們知道分頻諧振有1/2、1/3、1/6及1/8等，高頻諧振有2、3次，還有基波諧振，有時(shí)幾種諧振同時(shí)發(fā)生，消諧器不能有效的限制。而且在系統(tǒng)上有多臺(tái)TV時(shí)，只在某一臺(tái)TV的開(kāi)口三角上裝消諧器是很難奏效的，必須要使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大的變化才能將諧振過(guò)電壓抑制住。
如果在系統(tǒng)的中性點(diǎn)上接入消弧線圈破壞它的諧振條件，就能夠比較有效地抑制諧振過(guò)電壓的發(fā)生。其原理也很簡(jiǎn)單，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，這樣諧振條件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)電容上多次充放電造成TV燒毀、熔絲熔斷；有了消弧線圈后，電容對(duì)小感抗放電，TV中電流就很小，不會(huì)燒毀了。所以在中性點(diǎn)接入消弧線圈，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。
參考文獻(xiàn)：：
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