220kv變電站空母線鐵磁諧振的分析

摘要：電力系統中由電磁式電壓互感器（以下簡稱壓變）非線性引起的鐵磁諧振，其持續時間一般較長，如不采取有效的消除措施，常常會長期自保持，從而引起壓變因長時間過勵磁而燒損，甚至還會誘發產生更為嚴重的電力系統事故。本文結合電力系統中發生的變電站空母線鐵磁諧振事故，闡述了此類鐵磁諧振的機理、特征，綜合評價了國內常見的幾項消諧措施（裝置），提出了在變電站倒閘操作中防止和消除空母線鐵磁諧振的具體操作步驟和有關注意事項。

關鍵詞：220kV變電站;空母線;鐵磁諧振

引言

220kV變電站空載母線在非正常運行方式下發生諧振，諧振波可能具有正序、零序及負序性質。在這里所說的非正常運行方式，是指變電站空載母線與中性點直接接地的電源系統之間僅通過斷路器的斷口均壓電容器進行弱連接。220kV變電站空載母線諧振在電力系統中不多見，且消除變電站空母線諧振的措施（裝置）還處在探索的初級階段。

一、220kV變電站空母線鐵磁諧振的機理及特征

1.事故案例

某變電站220kVⅠ母上原有三臺JCC2-220型壓變，09年8月20日在220kVⅠ母部分設備試運行過程中，將試運行空開關倒Ⅱ母，對Ⅱ母電壓母差回路進行檢查（Ⅰ母為帶壓變的空載母線），在母差試驗跳母聯開關（LW7-220）時，激發產生了三相基頻諧振，發現Ⅰ母零序電壓繼電器燒壞，Ⅰ母電壓（UAB、UBC、UAC）指示表頂表（滿量程為300kV，超過額定電壓的1.36倍以上），Ⅰ母壓變三相聲響異常，A相最為嚴重，諧振持續了15分鐘，直至三相壓變全部燒損（其中A相炸裂），全站失壓（除母聯開關和試運行的空開關外，其它220kV出線開關母差保護出口壓板已退出）。

2.諧振機理分析

在某些中性點直接接地的110kV～220kV電網中的變電站空母線上的諧振回路，由斷路器的斷口K1的均壓電容C1和母線電磁式壓變的鐵芯電感L構成，當刀閘K2處于閉合狀態下打開K1，或K1處于開路狀態下閉合K2，均將形成諧振回路。其中C2為線對地電容，C12為相間電容。由于C12相對較小，予以忽略。于是，形成各相獨立的諧振回路。

3.諧振特征

綜合電力系統中發生的空母線鐵磁諧振事故，對110kV～220kV變電站空母線諧振特征可歸納如下：

（1）由于三相諧振電路各自獨立，因而諧振可在一相中產生，亦可在兩相或三相中同時產生。

（2）諧振現象僅局限于變電站內，對電源系統不產生任何影響。

（3）諧振波主頻率，最常見的是基波、1/3次分頻;其次為1/5次分頻和1/2次分頻。

（4）非諧振相的相電壓為工頻耦合電壓，是由開關斷口電容耦合產生的，其值取決于母線對地雜散電容、壓變激磁電感和斷口電容三參數，一般為0.2～0.6pu;諧振相相電壓則為工頻耦合電壓與諧振波電壓的迭加。由于鐵芯過飽和的緣故，諧振相相電壓中一般都含有相當豐富的高次諧波分量，因而造成諧振相電壓波形的嚴重畸變。

（5）除在相基頻諧振時電壓相序僅具有零序性質外，所有其它頻率的諧振波都具有零序、正序和負序分量。

（6）諧振相電壓的穩態值同諧振頻率有關。基頻諧振相電壓的穩態值為最高，可達正常運行相電壓的1.8pu以上，而其它頻率的諧振相電壓穩態值都低于系統正常相電壓，而且隨著諧振頻率的降低，其穩態值幾乎成正比下降，實測結果表明，1/2次、1/3次、1/5次分頻諧振電壓分別為0.9、0.6、0.4pu左右。這就是說，只有基頻諧振時才出現持續過電壓現象，其它頻率的諧振都不會導致持續過電壓，而且激發暫態過電壓幅值也不高。

（7）諧振相壓變的電流，不論其頻率如何，都呈尖頂狀，且其幅值幾乎相同，說明諧振時鐵芯都進入相近的過飽和程度。但諧振電流的有效值是不同的。諧振頻率越高，壓變的電流有效值越大，對壓變熱穩定的破壞作用就越嚴重。

（8）線電壓值同諧振相數有關，亦同諧振波頻率有關，一般情況下它不等于系統的正常線電壓，且三個線電壓之間亦不等。

（9）操作開關或刀閘時是否會激發產生諧振以及產生何種頻率的諧振，往往是隨機的，不同相可能同時產生不同頻率的諧振，還可能從一種頻率的諧振自動滑向另一種頻率的諧振。

二、國內常見的幾項消諧措施（裝置）的綜合評價

我國迄今為止消除220kV變電站鐵磁諧振的幾項常見措施（裝置）。這些措施（裝置）所反映的消諧思路可歸納為三方面：一是避開或從根本上消除諧振產生的條件;二是通過改變諧振回路參數，破壞諧振條件;三是通過吸收與消耗諧振暫態或穩態時的能量，以抑制諧振的產生，或使其受阻尼而消失。

1改變正常操作程序，停母線時，先停母線上的壓變;母線恢復送電時，先對空母線充電，后投入壓變。這是我國當前較普遍采用的一項措施。當母線按計劃進行停、送電操作時，可避開產生諧振的條件"違反了母線停、送電的正常的操作程序，增加了本不需要的額外操作，可能由此而引發不良后果;當系統故障而導致空母線運行時，有引發諧振的可能。無人值班變電站不宜采用此方案

2改用電容式壓變，即CVT。從根本上消除了產生諧振的條件。需巨額資金，帶負載能力差。二次側仍存在鐵磁諧振問題，需采取消諧措施。新建變電所可考慮此方案。對運行中的PT不推薦改CVT。

3取消C從根本上消除了產生諧振的條件。使斷路器開斷容量降低70%左右。不推薦

4"增大C2，具體做法是在母線上投一段空線路。比較簡單、方便。不是所有變電站都具備此條件。視變電站具體條件。

5在壓變二次側瞬時接入約為0.05Ω的電阻。可消除基頻諧振"對阻尼電阻進行投切的控制系統較復雜"應將消除其它頻率的諧振波的功能一并加以考慮。

6穩壓消諧。在PT次級三相繞組的端部接入穩壓電路，即經三相全波整流電路接入大容量電解電容器，使得端部電壓被強制地限制到額定電壓水平，這樣暫態過程中磁通的幅值將被抑制。激發起來的諧振能量將被該支路吸收，諧振也就消失。對幅值較高的基頻諧振可能比較有效。對幅值較低的1/3、1/5及1/2次分頻諧振往往難以起到削波作用，因為電解電容在諧振激發前已被系統電源充電至81.6V，高于1/3、1/5及1/2次分頻諧振電壓的幅值，因而，起不到隨后的削波作用。尚需經更多變電站的運行考驗。

7"消諧裝置在壓變開口三角回路中接入WNX—220型微電腦多功能消諧裝置，該裝置能自動消除基頻和1/2、1/3、1/5次分頻諧振。并能記錄諧振頻率、次數供分析用。簡便、經濟"需在壓變開三角繞組回路中增加一根輔助連線。尚需經更多變電站的運行考驗，以便積累更多運行經驗。

三、倒閘操作中防止和220kV空母線鐵磁諧振措施

1、用220KV帶斷口均壓電容的主開關或母聯開關（如SW6-220、SW7-220、LW6-220、LW7-220等）對帶電磁式電壓互感器的空母線充電時，為防止合上兩側刀閘后因斷開電容的耦合作用有可能與空母線電磁PT產生串聯諧振，應先合上開關，后合PT刀閘。如屬新安裝的電磁式式電壓互感器投產，在編寫試運行方案時，應考慮帶空線路開關充空線PT。

2、用220KV帶斷口均壓電容的主開關或母聯開關切除（含保護整組傳動聯跳）帶電磁式電壓互感器的空母線時，應先拉PT刀閘，再拉（跳）開關。

3、如在系統運行方式和倒閘操作過程中出現了開關斷口電容與空母線電磁式PT造成的串聯諧振，變電值班人員應根據空母線電壓表指示、故障錄波圖、PT音響、PT膨脹器是否膨脹等進行綜合分析后，迅速作出判斷，立即采取措施破壞諧振條件。不管是合開關前出現的諧振過電壓，還是拉開關后出現的諧振過電壓，最直接有效的辦法是迅即合上主開關或母聯開關。如上述措施無法實現時，應迅速匯報調度，合上備用線路開關。

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