電力系統諧振過電壓分析

敬大亮，于敏

(四川明珠集團有限責任公司，四川射洪629200)

1 故障現象

2010年2月27日、5月19日(圖1)、5月27日，螺絲池水電廠35 kV供電系統先后三次發生諧振過電壓;同年9月10日、17日(圖2)，金華水電廠35 kV供電系統兩次發生諧振過電壓。諧振時，各廠站35 kV母線均在40～60 kV之間擺動。5月19日，螺絲池水電廠35 kV母線電壓最高曾達到63.75 kV。諧振持續時間最短的為5 min，最長的為20 min(9月17日金華水電廠)。諧振發生后，值班調度員通過采取切除35 kV線路、斷開母聯開關等方法，改變了網絡參數，消除了系統諧振，保證了電力系統和設備安全。

圖1 2010年5月19日螺絲池水電廠35 kV母線電壓曲線圖

2 故障分析

圖2 2010年9月17日金華水電廠35 kV母線電壓曲線圖

分析五次諧振現象，我們發現了一個共同的特點:在諧振發生前，系統都曾發生單相接地故障。如螺絲池水電廠35 kV系統三次諧振前都曾發生過系統單相接地故障(35 kV南城線電纜單相接地)，金華水電廠35 kV系統兩次諧振前也分別發生了單相接地故障(9月10日35 kV母線338PTA相、9月17日35 kV金東線3518PT)，因此我們認為單相接地故障是導致系統諧振的根本原因。

為保證供電可靠性，我國規定35 kV系統中性點均采用不直接接地。在系統發生單相接地故障時，就會出現接地故障相電壓降低、另外兩相電壓升高的現象，同時，在接地故障點還會出現較大的電弧電流。如果在不投入消弧線圈的運行方式下，單相接地時的接地電弧就不能自動熄滅，極易造成系統過電壓，尤其是弧光接地過電壓，一般為3～5倍相電壓甚至更高。在此電壓作用下，極易導致電壓互感器鐵芯飽和而產生高次或分次諧波;當出現電力系統參數配合適當時，就會導致諧振現象的發生。

3 諧振過電壓分析

諧振是正弦電路在特定條件下所產生的一種特殊物理現象，主要表現為含有電阻(R)、電感(L)、電容(C)的電路中端口電壓和端口電流同相位，電路的功率因數cosΦ=1。諧振分為串聯諧振和并聯諧振。電力系統中的鐵磁諧振一般為串聯諧振，而串聯諧振的條件就是在電感和電容元件相串聯的電路中感抗和容抗相等，即:XL=XC，或ωL=1/ωC。

電力系統的所有元件中，入端阻抗為容抗(XC)性質的有:輸電線路對地電容、耦合電容器、斷路器斷口的并聯電容、電容式電壓互感器(CVT)。入端阻抗為感抗(XL)性質的有:電磁式電壓互感器(PT)、變壓器、電抗器。

圖3 電力系統三相示意圖

在中性點不接地系統中，電源變壓器中性點不接地。但是，為了監視系統絕緣，電磁式電壓互感器的一次繞組中性點都直接接地。設互感器的三相勵磁電感分別為LA、LB、LC，與其并聯的電容Co表示該相導體和母線的對地電容(圖3)。在負荷對稱及系統非故障情況下，由于A、B、C三相對稱，則各相勵磁電感相等、各相對地電容也相等，即三相對地阻抗是相同的，中性點電位為零。正常情況下，電磁式電壓互感器的勵磁阻抗很大，遠遠大于系統對地電容，即XL＞XC，兩者并聯后為一等值電容，系統對地阻抗呈現容性。

當電力系統中發生沖擊擾動，如線路瞬間A相接地，則健全相(B、C相)電壓就會突然升高，并出現很大涌流，從而造成B、C相電壓互感器磁路飽和，勵磁電感LB、LC相應減小，當B、C相勵磁電感小于對地電容時，B、C相對地阻抗呈現感性。這時，三相負載就出現一相(A相)對地阻抗為容性、另外兩相(B、C相)對地阻抗為感性，三相對地負載就不平衡，中性點出現位移電壓。當出現參數配合適當、感性阻抗和容性阻抗相等時，就產生串聯諧振現象。諧振時的電流電壓相位關系如圖4所示。

圖4 諧振電流電壓相位圖

4 解決措施

(1)選用電容式電壓互感器;或選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器。規程要求一般選擇在電壓下鐵芯磁通不飽和的電壓互感器。在實際應用中，可按選擇。

(2)減少同一系統中電壓互感器中性點接地的數量，除電源側電壓互感器高壓繞組中性點接地外，其它電壓互感器中性點盡可能不接地。

(3)安裝一次消諧器。在電壓互感器一次繞組中性點與地之間接入線性電阻(R≥0.06 Xm，電阻容量大于600 W，10 kΩ級的電阻)、或非線性電阻(電子型、電感型、電容型)，一般用于10 kV及以下網絡。

(4)安裝二次消諧器。該措施是在電壓互感器的二次剩余繞組開口三角加裝消諧器，稱二次消諧器。消諧器可以為固定的低值電阻〔R≤0.4(Xm/K2)。式中K為互感器一次繞組與開口三角形繞組的變比〕或白熾燈泡(6～10 kV可用200W;35 kV可用500 W)、或專用的消諧器(非線性電阻型:電子微機型、電感型、電容型)。

(5)四元件TV接線法。在原來星接TV的中性點和地之間加入一個特殊設計的第4 TV，即四元件TV接線法，以保證TV所承受的電壓不大于相電壓。這種方法造價低，可以解決大部分鐵磁諧振問題，但同時需要改變二次接線，以保證保護和測量回路的要求。

(6)在系統中性點裝設消弧線圈。如果在系統中性點上接入消弧線圈以破壞其諧振條件，就能夠比較有效地抑制諧振過電壓的發生。其原理很簡單:因TV的勵磁感抗比較大(千歐至兆歐級)，而消弧線圈的感抗(百歐級)比較小，從而造成諧振條件ωL=1/ωC很難滿足，諧振就不會發生。另一方面，無消弧線圈時單相接地發生間歇性電弧時電容多次充放電造成TV燒毀、熔絲熔斷;有了消弧線圈后，電容對小感抗放電，TV中的電流很小，就不會造成燒毀事故了。所以，在中性點接入消弧線圈后，對于由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓具有很好的限制作用，能夠徹底解決此類問題。消弧線圈可以徹底解決鐵磁諧振問題，并且對其他形式的過電壓都有很好的抑制作用。

5 實際工程應用

螺絲池水電廠和金華水電廠35 kV系統諧振所表現出來的現象雖然一致，但諧振產生的根源還是有一定差異。因為螺絲池水電廠35 kV供電系統在2010年曾經發生了較大改變:2010年，公司將35 kV南城線架空線更換為電纜(YJLV22－3×240，3.435 km)，從而使螺絲池水電廠35 kV供電系統電容電流超過規程規定值，最終采取的措施是在螺絲池水電廠主變35 kV側中性點安裝了消弧線圈。但是，金華水電廠35 kV供電系統運行近十年來網絡一直沒有變化，所以，我們認為電壓互感器特性變化、磁飽和點降低是金華水電廠諧振產生的原因。為此，公司準備在金華水電廠PT二次開口三角形加裝二次消諧器。

6 結語

對于因電磁式電壓互感器飽和特性造成的系統諧振，我們除了能夠采取以上措施進行防治外，還應加強對運行人員的培訓，掌握了解一些系統過電壓產生的條件及特征，在系統發生異常時，及時采取正確的措施將是非常必要的。

［1］交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合，DL/T 620－1997［S］.