電網不接地系統斷線諧振過電壓的事故分析

張慶斌，周恭禮

(中國礦業大學)

礦區6 kV供電系統，大部分為架空線網絡，經常出現導線斷線事故，引起諧振過電壓，其危害的主要特征是：系統線電壓基本正常，導線對地電壓升高，中性點出現偏移電壓和虛幻接地，并伴有電壓互感器聲響，導線出現電暈，嚴重時會出現導線絕緣瓶閃絡，互感器、避雷器爆炸，設備損壞和使電機反轉。

斷線諧振過電壓是鐵磁諧振過電壓的一種，不是僅僅指單純的斷線引起的諧振過電壓，而是泛指由于導線折斷、斷路器非全相動作或嚴重不同期、熔斷器一相或兩相熔斷等原因造成電力系統非全相運行所出現的非線性諧振過電壓。

斷線諧振過電壓在各級電網中都可能發生，系統中許多元件是屬于電感性或電容性的，例如電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈為電感元件，補償用的并聯或串聯電容器組，高壓設備的寄生電容為電容元件。而線路各導線對地和導線間既存在縱向電感又存在橫向電容。這些元件組成復雜的L-C振蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數配合的回路中會出現諧振現象，引起電壓的異常升高。

在實際供電網絡中，非全相運行的情況十分復雜，只要電源側或負荷側有一側中性點不接地，斷線可能組成多種串聯諧振回路。

1 斷線等值電路

在35 kV及6 kV中性點不接地系統中，斷線的結果都有可能形成電感、電容的串聯諧振回路，其中電感是指空載或輕負荷變壓器的勵磁電感和消弧線圈的電感等，電容是指導線的對地和相間電容，或電感線圈的對地雜散電容等。

現以系統中性點不接地，線路長度為L，線路末端接空載(或輕載)變壓器，以發生A相斷線為例，對諧振回路的形成和避免發生諧振的條件進行分析，見圖1。

圖1 中性點不接地系統單相斷線示意圖

假設電源內漏抗和線路感抗與線路容抗比較，因數值很小可以忽略不計，導線折斷處至電源端距離為XL(X=0～1)，線路對地電容為C0，相間電容為C12。

其中:

設線路的正序電容與零序電容的比值為δ:

一般線路:δ=1.5～2.0。

設圖1(c)振蕩電路中只有基波電壓和電流，其伏安特性曲線見圖2。

圖2 電感電容串聯電路鐵磁諧振的伏安特性圖

從圖2中可以分析出，串聯諧振回路中存在下列特點：

1) 在a1點，回路呈現電感性，電容、電感上的壓降耗通過的電流均小，稱為電路的非諧振工作點。

2) 在a3點，工作區域已越過特性曲線的交點K點，稱為諧振點。因回路呈電容性，此時的電壓和壓降急劇增加，即發生了由于鐵芯磁飽和引起諧振過電壓。

3) 當回路受到足夠強烈的沖擊時，如開關突然合閘、發生故障和故障消除等情況，會使線路中的電感兩端電壓突然升高或鐵芯電感形成涌流，可能使工作點從a1點轉移到a3點，即因激發而產生的諧振過電壓，即為外激現象。

4) 電路只有一個工作點a3，即使沒有外界的沖擊，也總是工作在諧振狀態，即為自激現象。

6) 振蕩回路中，在工頻電源作用下，還可能出現持續性的其它頻率的諧振現象，如高頻諧振和分頻諧振。高頻諧振往往可以自激產生，分頻諧振則需要經歷一定的瞬態外激過程，由于分頻諧振時存在頻差，配電盤電壓表指示會有抖動或擺動現象，而高頻諧振時，因其諧振頻率是系統頻率的整數倍，電壓表指示沒有擺動現象。

2 斷線諧振分析

若變壓器的額定電壓為UN、額定容量為SN、空載電流的百分數為I0，則其初始勵磁電抗為：

設Cd為每公里線路對地的電容值，C0=Cd×L。 于是可知，中性點不接地系統單相斷線、電源側導線接地時，不產生基波諧振的線路長度L需滿足下式：

某6 kV的煤礦供電線路為中性點不接地系統，線路末端接有容量為180 kVA的空載變壓器，其空載電流I0=3.5%Ie，線路每相對地電容為Cd=5×10-3μF/km。則該線路不發生諧振點線路長度，可由上面的公式計算求得：

即該線路不產生基波諧振的線路長度不要超過4.45 km。

而不產生高頻諧振的線路長度L，也可根據上面的公式推導出來。若檢驗是否產生5次諧波諧振的條件為：

即要比不產生基波諧振的線路長度縮小25倍。

由此可知，斷線后導線在負荷側接地要比電源側接地更易發生基波諧振；當負載變壓器處于空載或輕載情況時，斷線的結果有可能發生高幅值的諧振過電壓。

3 斷線事故測試

舉例:6 kV中性點不接地系統中發生斷線過電壓。某單位現場進行了測試，供電情況如下：

1) 發生斷線故障的線路，經測量對地電容約為系統總電容的10%。

2) 線路末端接有1臺100 kVA的空載變壓器。

3) 各種頻率下變壓器初始勵磁電抗見表1。

根據計算，各種斷線故障下發生諧振時，與等值容抗對應的變壓器勵磁感抗見表2，表3。

表1 勵磁感抗初始勵磁感抗 Ω

表2 X=0.01時(斷線點靠近電源側),勵磁感抗初始勵磁感抗 Ω

表3 X=0.99 時(斷線點靠近配變側),勵磁感抗初始勵磁感抗 Ω

比較表1 ～ 3可知:

a) 表2，X=0.01，斷線點為靠近電源端，在序號為1、3、4故障情況下，其工頻及以上各諧振點對應的勵磁感抗均小于初始勵磁感抗，即工頻及以上各次諧波諧振均有可能發生。

b) 在序號為2、5故障情況下，即發生單相斷線且接地和兩相斷線單相接地的情況下，斷線點在全線任何位置，其諧振點對應的勵磁感抗均小于初始勵磁感抗，即諧振波諧振均有可能發生。

c) 斷線后,導線在負荷側接地要比電源側接地更易發生基波諧振。

d) 綜上所述，可以確定該線路只要發生上述5種斷線故障中的一種故障，即存在發生基頻或高次諧波諧振的可能性。

由上述分析可知：該變電站出現的諧振現象是由線路斷線故障成線路對地電容和相間電容與配電變壓器勵磁電感構成諧振回路而激發的鐵磁諧振。

4 防止斷線諧振過電壓事故的措施

1) 采用勵磁特性較好的變壓器有助于減少斷線過電壓的產生的幾率。

2) 加強線路巡視和檢修，及早發現導線的機械損傷，避免發生斷線事故。

3) 不宜將空載變壓器長期掛在線路上。

4) 提高檢修質量，保證斷路器的三相同期動作，避免發生拒動現象。

5) 在配電變壓器高壓側附加相同電容，吸收暫態過程中的能量，降低沖擊擾動強度，抑制諧波的發生。

6) 變電站內及用戶的TV應減少中性點接地的數量，避免TV特性惡化。

7) 盡量將消弧線圈裝在電源側，避免裝在負荷側。在消弧線圈中串聯或并聯一個電阻，或采用電阻接地方式，可增加系統阻尼，把過電壓限制在規程允許的范圍之內。