35 kV配電系統鐵磁諧振原因分析及預防措施

李 登

(四川明珠集團有限責任公司，四川射洪 629200)

1 概述

某水電站35 kV配電系統電源主要由兩臺110 kV三繞組變壓器供電，35 kV為單母線分段接線，出線五回，其中351作為東電分廠電源，352備用，353供高耗能企業——華星硅業用電，354供高耗能企業——金谷硅業用電，355供廠用電。其網絡結構見圖1。

圖1 35 kV配電系統網絡結構圖

2 故障現象

2010年9月10日，35 kV兩段母線報零序電壓告警，母線相間電壓達到55 kV左右，監控系統頻率指示不正常，數值擺動。報調度后，分開了母聯313開關，I母電壓恢復正常，Ⅲ母電壓仍舊異常。分開接于Ⅲ母上的353開關，Ⅲ母電壓恢復正常。初步判斷為353線路單相接地。除353外，所有線路和開關恢復運行狀態。15 min后，35 kV母線電壓又開始振蕩，經檢查，35 kVⅢ母A相PT爆炸，東電分廠35 kV母線PTA、C相噴油(事后經高壓試驗，該組互感器絕緣被擊穿)。

2010年9月17日又發生了類似情況，且351金東線線路PT在故障發生時柜內有較強的電暈聲，經檢查，該PT柜A相復合支柱絕緣子被擊穿。

2010年9月24日，在353華星硅業供電過程中再次發生了類似情況。幾次諧振過電壓典型曲線見圖2。

圖2 諧振過電壓典型曲線圖

3 原因分析

該電站35 kV配電系統在15日內發生了三次互感器過電壓故障，因此，必須從根源上查找故障原因，并提出預防措施。

該電站35 kV I母及Ⅲ母電壓互感器、東電35 kV母線電壓互感器均接在該系統的35 kV母線上，其一次側繞組接成星型，中性點直接接地，因此，各相對地勵磁電感L1、L2、L3與導線對地電容Co之間各自組成獨立的振蕩回路，可將其看成是對地的三相負荷。華星硅業母線電壓互感器為V－V接法，可視為各相對地勵磁電感L1、L2、L3開路，不會構成諧振回路。其等值電路見圖3。

圖3 互感器引起的鐵磁諧振過電壓等值電路圖

各相對地的導納可以寫成:

在正常運行條件下，勵磁電感L1=L2=L3=L0，故Y1=Y2=Y3=Y0，三相對地負荷是平衡的，電網的中性點處在零電位，即不發生位移現象。但是，當電網發生沖擊撓動時，如開關突然合閘、突然增加大額負荷或線路中發生瞬間的弧光接地現象時，都可能使一相或兩相對地電壓瞬間提高，使得電壓升高相的電壓互感器的勵磁電流突然增大而發生飽和，其等值勵磁電感相應減少，以致三相對地負荷變成不平衡，中性點將發生位移電壓，相量疊加的結果可能使一相對地電壓升高，另外兩相則降低;也可能使兩相的對地電壓瞬間升高，另一相對地電壓降低，一般以后者為常見。這種鐵磁諧振過電壓由于諧振的頻率等于電源頻率(50 Hz)，故被稱為基波諧振過電壓。進一步分析表明:如果線路很長或所接的變壓器較多(容量較大)，C0很大或者互感器的勵磁電感很大，以致回路中的自振頻率很低，有可能產生低頻率的(通常為1/2次諧波、即25周/秒)諧振現象，稱為分次諧波諧振過電壓。反之，如果C0很小，或者互感器的勵磁電感很小，以致回路中的自振頻率很高，就有可能產生高次(3次)諧波諧振過電壓現象。

4 處理故障采取的措施

(1)報告調度，進行人工選線，尋找和隔離單相接地點，破壞諧振產生的條件。

(2)及時恢復故障受損設備。

(3)對絕緣薄弱的環節如母線互感器進行診斷性試驗。對于所發現的受過電壓影響造成絕緣降低的設備及時組織更換。

5 預防措施

5.1 電磁式電壓互感器及中性點接地的選擇

按《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T 620－1997第4.1.4 條“3～66 kV 不接地系統或消弧線圈接地系統偶然脫離消弧線圈的部分，當連接有中性點接地的電磁式電壓互感器的空載母線(其上帶或不帶空載短線路)，因合閘充電或在運行時接地故障消除等原因的激發，使電壓互感器過飽和則可能產生鐵磁諧振過電壓。為限制這類過電壓，可選取下列措施:(1)選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器。(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。”

因此，將該站35 kV母線電壓互感器全部更換為磁特性良好、鐵芯不易飽和的抗諧振互感器;對東電35 kV母線電壓互感器采用中性點不接地運行方式。

5.2 在TV二次開口三角側加裝微機消諧裝置

微機消諧裝置正常運行或發生單相接地故障時裝置不動作，而一旦判斷電網發生鐵磁諧振時，便會使正反并聯在開口三角兩端的2只晶閘管交替過零觸發導通以限制和阻尼鐵磁諧振，當諧振消除后晶閘管自行截止，必要時可以重復動作。裝置起動消諧期間晶閘管全導通，呈低阻態，電阻為幾毫歐至幾十毫歐。如此小的電阻值足以阻尼高頻、基頻及分頻3種諧振，而且對整個電網有效，即一個系統中只需選擇一臺電壓互感器安裝消諧裝置即可。微機消諧裝置的缺點是難以正確區分基波諧振和單相接地。

二次開口三角并聯大功率燈泡(500 W)做為消除諧振的應急措施，也能起到消諧的作用。該方案在5.1及5.2項因故未實施時，可作為臨時措施，施工方便，效果良好。

6 結語

電磁式電壓互感器鐵磁諧振原理復雜，在采取消諧措施的同時，還應采取限制間歇性弧光接地過電壓等措施。該電站在實施以上預防措施后，至今未發生鐵磁諧振現象，效果顯著，可作為同類電氣系統處理類似故障時參考。