35 kV系統諧振過電壓事故分析

龔俊祥，張　菁（國網山東省電力公司威海供電公司，山東　威海　264200）

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35 kV系統諧振過電壓事故分析

龔俊祥，張菁
（國網山東省電力公司威海供電公司，山東威海264200）

摘要：分析一起35 kV系統諧振過電壓事故產生的原因。通過系統等效電路圖計算系統中性點電壓及三相對地電壓幅值，利用電壓向量圖表達系統中性點及三相對地電壓隨系統角差的變化趨勢。經分析，事故根本原因為：系統間某聯絡開關非全相形成串聯線性諧振回路，產生諧振過電壓。提出了防止諧振過電壓的產生和降低其影響的措施。

關鍵詞：35 kV系統；諧振；過電壓

0　引言

過電壓事故在非有效接地系統中時有發生，是電力設備損壞的主要原因之一。通過對一起35 kV系統諧振過電壓事故的分析，找到諧振過電壓產生的原因，提出防范措施，旨在防止諧振過電壓的產生和盡量降低其影響。

1　系統運行方式

220 kV鳳林站35 kV母線分列運行，澇臺站2號主變壓器運行，1號主變壓器熱備用，35 kV塔山站35 kV母線分列運行，Ⅰ段母線由35 kV澇塔Ⅰ線供電，Ⅱ段母線由35 kV鳳塔Ⅱ線供電，熱電廠35 kV母線分列運行，分別通過35 kV廠田線、廠孫線與系統連接，鳳林站1號主變壓器、澇臺站2號主變壓器和塔山站2號主變壓器35 kV側中性點接有消弧線圈。系統示意如圖1。

圖1　系統示意

2　事故發生經過

某日11∶52∶33，澇臺站2號主變壓器35 kV側后備時限速段保護動作，35 kV側開關跳閘，11∶52∶41孫家疃站35 kV廠孫線距離III段保護動作開關跳閘，11∶52∶50鳳林站35 kV鳳塔II線過流II段保護動作開關跳閘，11∶52∶54澇臺站35 kV澇張線過流III段保護動作開關跳閘。事故后對35 kV線路及變電站一次設備進行了檢查，35 kV望島站35 kV 2號母線B、C相避雷器燒毀，塔山站2號主變壓器中性點消弧線圈避雷器燒毀，35 kV澇張線張村站側線路三相避雷器燒毀，熱電廠35 kV 2號母線A、B相有支持瓷瓶擊穿，塔山站分段300開關A相真空滅弧室外屏蔽罩成黑色，測量其上下電極間絕緣電阻為0。

3　事故原因分析

事故后對澇臺站2號主變壓器保護、孫家疃站廠孫線保護和田村站廠田線保護的故障波形進行了分析，澇臺站2號主變壓器35 kV側后備時限速段保護動作和孫家疃站35 kV廠孫線距離III段保護動作的原因是熱電廠35 kV母線運行方式沒有執行調度指令分列運行，而是并列運行，致使澇臺站主變壓器后備保護與線路保護失去配合。當35 kV II段母線發生支持瓷瓶擊穿故障時，澇臺站至熱電廠的線路阻抗變小，短路電流超過主變壓器保護時限速斷的定值，而短路電流被分到兩條線路上，不超過線路的速斷定值，引起主變壓器后備保護越級跳閘。最后35 kV廠孫線距離III段保護動作切除故障。

澇臺站2號主變壓器跳閘，致使澇臺站35 kV系統成為由熱電廠作為獨立電源的小電源系統，小電源發電機組與系統頻率的偏差，使鳳林、澇臺系統聯絡的塔山站分段300開關兩端最大承受2倍的相電壓，分析由于300開關A相真空滅弧室的波紋管存在夾雜，長期運行中產生漏點，造成真空度下降［1］，在較高的端電壓下發生觸頭間放電擊穿，使塔山站35 kV分段300開關事實上處于A相導通的非全相運行狀態，引發后續的諧振過電壓事故。主要對系統諧振過電壓產生機理、過電壓幅值及對系統對地電壓影響的程度進行定性分析，以解釋此次事故3處避雷器燒毀原因。

3．1系統三相及中性點對地電壓計算

由于塔山站35 kV分段300開關造成鳳林、澇臺35 kV系統形成A相電氣連接，鳳林、澇臺35 kV系統的等效電路如圖2所示（忽略系統對地電阻）。其中是鳳林、澇臺系統對地容抗，jωL是塔山站消弧線圈感抗。

圖2　系統等效電路

根據戴維南原理，鳳林、澇臺35 kV系統A相電氣連接點斷開時，端電壓為，電源為0時可計算得出系統內部等效阻抗，簡化電路如圖3所示，從此圖中可計算得出系統內各元件電流電壓的變化量［2］。

圖3　簡化電路

該電氣回路由帶鐵芯的電感元件（消弧線圈）和電容元件（系統對地電容）構成，由于消弧線圈鐵芯帶有氣隙，勵磁特性接近線性，同時根據鳳林站故障錄波器所錄電壓相量分析，電氣回路呈現為感性回路，不具備回路電流由電感性突變成電容性的相位反傾現象，因此該回路產生的是線性諧振而非鐵磁諧振（非線性諧振）［3］。

鳳林站系統中性點電壓為

澇臺站系統中性點電壓為

為對系統三相及中性點對地電壓有一個清晰直觀的概念，根據鳳林站故障錄波器所錄電壓信息做系統電壓相量圖如圖4。澇臺站系統電壓因頻差以Δω=2π（f1-f2）相對角速度旋轉，虛線圓為澇臺站系統電壓中性點變化軌跡，O點為地電位，至鳳林站、澇臺站中性點及三相電壓的直線即為系統三相及中性點對地電壓。澇臺站系統電壓與鳳林站電壓偏差163°即在相量圖所處位置時，鳳林站系統中性點及A、B、C三相對地電壓分別為2．6、1．6、3．3、3．1倍額定相電壓，澇臺站系統中性點及A、B、C三相對地電壓分別為0．6、1．6、0．93、0．78倍額定相電壓。

圖4　系統電壓相量

3．2事故過程分析

鳳林、澇臺系統聯絡的塔山站分段300開關A相真空滅弧室發生觸頭間放電擊穿后，經過1．3 s，澇臺站系統電壓與鳳林站電壓偏差達到163°，此時系統電壓如圖4系統電壓相量圖中所示，35 kV消弧線圈系統相地選用額定電壓為1．25Um避雷器，中性點選用額定電壓為0．72Um避雷器［5］，而鳳林站系統中性點及B、C相對地電壓高達1．4Um、1．8Um、1．7Um，造成35 kV塔山站2號主變壓器中性點消弧線圈避雷器燒毀，望島站35 kV 2號母線C相避雷器燒毀；望島站35 kV 2號母線C相避雷器燒毀后，鳳林站系統C相接地，此時系統電壓相量圖如圖4所示，澇臺站系統B、C相對地電壓升高至1．5Um、1．9Um，0．6 s后造成35 kV澇張線張村站側線路C相避雷器燒毀，1．6 s后35 kV望島站35 kV 2號母線B相避雷器燒毀，形成相間接地短路故障，鳳林站鳳塔II線保護動作跳閘，35 kV澇張線張村站側線路B相避雷器燒毀，形成相間接地短路故障，澇臺站澇張線保護動作跳閘。鳳林站鳳塔II線保護動作跳閘后切斷了兩個系統之間的聯系，消除了諧振條件，沒有造成更多的設備故障。

4　改進措施

為避免此類諧振過電壓的再次發生，應保證在任何運行方式下，系統不失去消弧線圈補償，且消弧線圈處于過補償狀態。若本次事故中澇臺站系統沒有失去消弧線圈補償，電壓將被兩個感性阻抗分壓，諧振過電壓受到了一定的抑制，當鳳林站、澇臺站系統經消弧線圈過補償后殘流基本一致時，系統中性點電壓將相等，為電壓的二分之一。

因此，澇臺站35 kV系統新增一臺消弧線圈，使每段都具有消弧線圈補償，并列運行時，一臺消弧線圈處于手動狀態，基本補償本段系統的電容電流，另一臺處于自動補償狀態；分列運行時，兩臺消弧線圈都處于自動補償狀態。根據澇臺系統網絡結構，消弧線圈安裝在澇臺站35 kV母線，經專用接地變壓器接入，防止消弧線圈隨主變壓器停運而停運。

5　結語

本次系統過電壓事故實際是由于兩個35 kV系統之間形成非全相電氣聯系，由帶鐵芯的電感元件消弧線圈和系統對地電容構成串聯線形諧振回路，產生了中性點諧振過電壓，使三相對地電壓異常升高所致。當兩個系統同時出現接地信號，且某相電壓相同時，應懷疑兩個系統之間形成單相電氣聯系，快速采取措施進行查找處理。今后應開展對各類小電流接地選線原理如中電阻接地選線是否適用于此類故障等研究工作，研究選擇包括接地等各類異常情況下能夠自動進行故障判斷和定位的選線裝置，以便于調控人員快速采取措施進行異常或故障處理。

參考文獻

［1］孫成寶．變電檢修［M］．北京：中國電力出版社，2003．

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［3］王偉，屠幼萍．高電壓技術［M］．北京：機械工業出版社，2011．

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［5］傅知蘭．電力系統電氣設備選擇與實用計算［M］．北京：中國電力出版社，2004．

Analysis of Resonance Overvoltage Accident in 35 kV Power System

GONG Junxiang，ZHANG Jing
（State Grid Weihai Power Supply Company，Weihai 264200，China）

Abstract:The cause of one resonance overvoltage accident is analyzed．Voltages of three phases and the neutral point are calculated using the equivalent circuit of power system．Voltage change trends of three phases and the neutral point with the system angle difference are showed by voltage vector diagrams．Conclusion is reached that the root cause of the accident is the resonance overvoltage of the series-wound linear resonance circuit caused by the open-phase operation of interconnecting switch．Corresponding measures are put forward for the prevention of the resonance overvoltage．

Key words:35 kV power system；resonance；overvoltage

中圖分類號：TM86

文獻標志碼：B

文章編號：1007-9904（2016）02-0066-03

收稿日期：2015-11-06

作者簡介：

龔俊祥（1972），男，高級工程師，從事電網規劃工作；張菁（1975），女，高級工程師，從事變電設計工作。