10 kV系統諧振過電壓事故分析

連　杰,何麗賢, 陳輝梅

(1.陜西安康水力發電公司，陜西省安康市　725000；2.國網安康供電公司，陜西省安康市　725000)

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10 kV系統諧振過電壓事故分析

連杰1,何麗賢2, 陳輝梅2

(1.陜西安康水力發電公司，陜西省安康市725000；2.國網安康供電公司，陜西省安康市725000)

摘要：介紹了某變電站發生的10 kV電壓互感器間隔設備損壞，造成母線三相短路故障事故現場檢查處理經過，分析了事故發生的原因系由瞬時性單相接地故障引起鐵磁諧振過電壓造成的，指出10 kV系統采取預防鐵磁諧振過電壓的措施。關鍵詞：諧振過電壓；電磁式；電壓互感器；鐵磁諧振；措施

0前言

2014年新投運的陜西南部某110 kV變電站是在原35 kV變電站的基礎上升壓改造、具備無人值守特性的變電站。按設計要求，該站共有110 kV出線4回；35 kV出線6回；10 kV出線16回。站內電氣一次接線見圖1。該站投運以來，10 kV系統多次發生諧振過電壓現象。最嚴重的一次造成10 kV電壓互感器嚴重燒損，引起母線三相短路故障，導致該段母線退出運行10 h。

1事故經過

2014-08-18T15:14，遠方監控機連續3次發出該變電站10 kV的Ⅰ母消諧裝置告警動作、復位信息。監控值班員對該站10 kV母線電壓進行了重點監視，發現10 kV母線三相電壓變化異常，起初是A相電壓降低，其他兩相升高。之后一段時間變為B相電壓降低，另兩相升高。電壓幅值變化情況見表1。

圖1　站內電氣一次接線示意圖

時間10kVⅠ母電壓/kV10kVⅡ母電壓/kVA相B相C相A相B相C相15:151.5769.10510.3711.2139.3939.98415:206.6623.8919.9496.0944.4129.73215:256.7033.9619.8966.1354.4889.67415:306.6973.9439.9266.1234.4719.70315:356.6863.9959.9556.1054.4779.72715:400006.0766.0290.27

15：38，該站1號主變1B低后備復壓過流Ⅰ、Ⅱ段保護動作, 10 kV 母聯斷路器100、10 kV的Ⅰ段進線開關 101事故跳閘。

運維人員立即趕到現場，發現主控室、10 kV高壓室被濃煙籠罩，通風10 min后進入10 kV高壓室內檢查設備，發現10 kV的Ⅰ母YH間隔嚴重燒損，柜頂釋壓頂蓋飛落，后柜門嚴重變形；100開關、101開關在分位，10 kVⅠ母失壓；10 kVⅡ母電壓互感器C相一次保險已熔斷，其余兩相正常。1號主變保護裝置有“主變低后備復壓過流Ⅰ、Ⅱ段保護動作”信號，故障相別A、B、C三相，故障電流二次值(TA變比為4000/5)分別為Ic:15.23 A、Ib:10.38 A、Ia：14.78 A；10 kV的Ⅰ段各出線保護除“母線PT斷線”，無其它動作信息。

按調度命令，該站立即將10 kVⅠ母設備轉檢修做進一步檢查處理、將10 kVⅡ母YH轉檢修更換一次側保險。

17：12，10 kVⅡ母電壓互感器C相一次保險更換完畢，10 kVⅡ母電壓顯示正常。

隨后，修試人員檢查確認10 kVⅠ母YH手車刀閘及其套管、動靜觸頭燒毀嚴重，無法修復。立即拆除母線與YH手車刀閘靜觸頭之間的連接母排，隔離故障點，并對10 kVⅠ母所有出線開關逐一檢查并作相關電氣試驗、機械特性試驗，對隔離后的10 kVⅠ母進行清掃除塵處理后做絕緣試驗及耐壓試驗，確認母線及所帶出線(包括1號主變1B)絕緣合格，10 kVⅠ母可以投入運行。

23：59，101開關轉運行， 10 kVⅠ母帶電正常，翌日00:03，10 kV聯絡開關 100轉運行，隨后將10 kV電壓互感器二次并列，10 kVⅠ、Ⅱ母電壓顯示正常。01:00，10 kVⅠ母所帶出線全部恢復正常運行。

2故障分析

故障發生時，該站110、35、10 kV均為單母分段運行方式。由表1可以看出，起初10 kV兩段母線A相電壓降低至1.5 kV(10 kV系統額定相電壓為5.77 kV)，其他兩相升高至10 kV左右(接近相間電壓)。這是電力系統中一種典型的瞬時性單相接地故障。由于該變電站位于人員密集的鄉鎮，10 kV母線出線多，線路周邊環境復雜，負荷用戶多樣，很容易發生某回線瞬時性單相接地故障。A相發生接地后，接地故障很快自行消除。

10 kV三相母線都裝有電磁型電壓互感器，互感器一次側中性點直接接地。由于電磁型電壓互感器是帶鐵芯的電感元件，當電網發生單相對地弧光閃絡(間歇性接地)，或單相接地故障消失瞬間，系統擾動可以導致電壓互感器鐵芯不同程度的飽和，飽和后的電壓互感器勵磁感抗變小，此時若10 kV系統網絡的對地容抗與電壓互感器勵磁感抗相匹配，就形成三相或單相共振回路，可激發諧振過電壓。這種諧振過電壓叫做鐵磁諧振過電壓[1-3]。

中性點非直接接地的10 kV電網要發生鐵磁諧振過電壓，應具備2個條件，一是網絡對地容抗與中性點接地的電壓互感器勵磁感抗的比值相匹配。二是電網存在諧振激發條件，如系統電壓發生強烈擾動、發生間歇性接地等[4]。

在中性點不接地電力系統中，由于電磁式電壓互感器勵磁特性的非線性，在系統正常運行時，電壓互感器的感抗遠大于電網對地電容的容抗，不會形成諧振。而當系統電壓發生波動，電壓互感器鐵芯飽和，飽和后的電壓互感器勵磁感抗變小，使系統網絡中感抗接近容抗時，很容易產生諧振過電壓。特別是遇有激磁特性不好(易飽和)的電壓互感器，系統發生單相對地弧光閃絡或接地時，更容易引發諧振過電壓[5]。

中性點不接地電網發生的各種鐵磁共振現象，由于電網對地電容和互感器的參數不同，可能產生3種頻率的共振：基波共振、高次諧波共振和分頻諧波共振。發生基波共振時，大多都會出現系統兩相對地電壓升高，一相對地電壓降低現象。此時系統中性點對地電壓略高于相電壓，類似單相接地。基波諧振時，系統中性點位移到電壓三角形之外，三相電壓穩態值發生顯著的不對稱變化，對地電壓最高可達3.5倍相電壓。由于基波諧振可持續較長時間，它產生的高電壓對電網設備(特別是電壓互感器)的絕緣耐受力是一種考驗[6]。

從表1中的數據和有關錄波曲線圖也可以進行分析(表1中數據由10 kV電壓曲線5 min采集1次)，A相瞬間發生單相對地閃絡后，在緊接著的20 min時間里，10 kV母線B相電壓降低至3.9 kV，A相、C相電壓升高，特別是C相電壓升高至9.9 kV，并且事故后的檢查測試表明，電網系統絕緣良好，由此說明，在這20 min時間里，10 kV系統發生了持續的基波諧振。直到10 kV的Ⅰ段母線電壓互感器燒損造成10 kV系統Ⅰ母三相短路， 1號主變的繼電保護動作出口，切除故障。另外，這起10 kV系統發生的諧振，C相電壓最高，電壓互感器C相過勵磁最嚴重，造成10 kVⅡ母電壓互感器C相一次保險熔斷。

3預防措施

10 kV電網系統擔負著向用戶供電的任務，屬于中性點不接地運行方式，電網的結構、容量、參數變化頻繁(例如該站10 kV用戶有煉鋼廠等工業負荷)，系統中的電磁式電壓互感器具有易飽和、非線性特點。隨著電網的結構、容量、參數、運行方式的變化，極易使電網對地容抗與電壓互感器勵磁感抗達到鐵磁諧振的條件而引起諧振過電壓。而且，這種鐵磁諧振過電壓一般持續時間較長，如不及時采取有效措施進行消除，諧振過電壓會長時間自保持，從而引起電壓互感器長時間過勵磁而燒毀，或引起電網中絕緣薄弱環節設備的絕緣擊穿，甚至誘發相間短路和其它更為嚴重的電力系統停電事故，給電網安全構成嚴重威脅。因此，必須采取措施，對電網鐵磁諧振過電壓進行預防與治理[7-9]。

當然，該變電站在設計施工中也曾考慮到抑制和消除鐵磁諧振過電壓的問題，例如在10 kV電壓互感器開口三角形回路都安裝了KSX196-HA型微機式消諧裝置。該裝置主要原理是對電壓互感器開口三角電壓進行循環檢測。該電壓小于30 V時，裝置判斷設備處于正常工作狀態，裝置內的大功率消諧元件(可控硅)處于阻斷狀態，對系統無任何影響。當電壓互感器開口三角電壓大于30 V時，消諧裝置判斷系統出現故障，并通過測量、濾波、放大等數字信號處理技術，對采集的電壓數據進行分析、計算，判斷故障類型并發出告警信號。如果判斷是某種頻率的鐵磁諧振，CPU立即啟動消諧電路，使可控硅導通，讓鐵磁諧振在強大的阻尼下迅速消失[10]。

在現場運行中，10 kV母線上如果在電壓互感器開口三角裝設了接地監視裝置，一般整定3U0超過15 V，就延時發出母線接地告警信號。而KSX196-HA型微機消諧裝置將啟動門檻自動設置為30 V，有些偏高，啟動消諧靈敏度不夠。

根據該變電站現場設備運行狀況，對10 kV系統諧振過電壓的防治，應該采取“防”、“消”結合的方法，綜合治理、分步實施。

(2) 選擇消諧反應快，安裝方便，抗干擾能力強的二次消諧裝置。實際上，以前生產現場普遍采用在電壓互感器開口三角并接白熾燈泡補償方式，用以消除電感、電容中的交換能量，破壞諧振的條件，達到消除鐵磁諧振的目的，也有較好的消諧效果。但是，出于現場安全和規范管理考慮，目前基本上已經用各種多功能消諧裝置代替白熾燈泡。但消諧裝置的型號、生產廠家很多，應根據本站現場情況，選擇質量過關、信譽好的正規生產廠家的消諧裝置。

(3) 安裝消弧線圈，或者站用變采用接地變壓器。接地變是為中性點不接地的電力系統提供一個人為的中性點，然后經一個消弧線圈接地，與消弧線圈一起構成電力系統的接地保護。在系統發生單相接地故障時，它所產生的感性電流補償了接地電容電流，消除了接地點的電弧，有效預防鐵磁諧振過電壓的發生。

(4) 采取臨時的倒閘措施，如投入事先規定的某些線路或設備，或者切除該母線所有電容器，或者向調度申請切除部分較長饋線。通過改變系統參數，破壞諧振條件。

4結語

2014年9月，有關部門將10 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器進行更換。選擇6只性能良好的JDZJ-10型單相戶內半封閉式電磁型電壓互感器，按照電磁特性測試結果配成2組分別安裝在10 kVⅠ、Ⅱ母。同時，對10 kV系統的消諧裝置進行檢查更換，并對該站2臺站用變做好更換成接地變壓器的可行性研究。有關部門還及時為該變電站制定了《10 kV系統電壓異常操作預案》，規范了在10 kV系統出現電壓波動時應采取的倒閘措施。這些措施的實施，為該變電站10 kV系統穩定運行提供了保障。2014年9月到現在，該站再沒有發生過諧振過電壓現象。

參考文獻:

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[10]張誠.鐵路電力系統電壓諧振的解決對策[J].鐵道技術監督，2007(02)：26-28.

Analysis on Ferroresonance Overvoltage Accident of 10 kV System

LIAN Jie1, HE Lixian2, CHEN Huimei2

(1. Shaanxi Ankang Hydropower Generation Company, Ankang, Shaanxi 725000, China;2. State Grid Ankang Power Supply Company, Ankang, Shaanxi 725000, China)

Abstract:Site inspection and handling process of the busbar 3-phase short-circuit failure caused by damages of equipment in 10 kV PT bay of one station are described. The reason of the accident occurrence is found that the transient single-phase earthing failure results in the ferroresonance overvoltage which causes the 3-phase short-circuit accordingly. Measures for preventing 10 kV system from ferroresonance overvoltage are provided.Key words:ferroresonance overvoltage; electromagnetic; potential transformer; ferroresonance; measure

文章編號：1006—2610(2016)03—0065—04

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：連杰(1969- )，男，陜西省安康市人，工程師、高級技師，從事繼電保護檢修工作.

中圖分類號：TM862

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.017