10 kV系統(tǒng)諧振過(guò)電壓事故分析

連　杰,何麗賢, 陳輝梅

(1.陜西安康水力發(fā)電公司，陜西省安康市　725000；2.國(guó)網(wǎng)安康供電公司，陜西省安康市　725000)

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10 kV系統(tǒng)諧振過(guò)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(fā)電公司，陜西省安康市725000；2.國(guó)網(wǎng)安康供電公司，陜西省安康市725000)

摘要：介紹了某變電站發(fā)生的10 kV電壓互感器間隔設(shè)備損壞，造成母線三相短路故障事故現(xiàn)場(chǎng)檢查處理經(jīng)過(guò)，分析了事故發(fā)生的原因系由瞬時(shí)性單相接地故障引起鐵磁諧振過(guò)電壓造成的，指出10 kV系統(tǒng)采取預(yù)防鐵磁諧振過(guò)電壓的措施。關(guān)鍵詞：諧振過(guò)電壓；電磁式；電壓互感器；鐵磁諧振；措施

0前言

2014年新投運(yùn)的陜西南部某110 kV變電站是在原35 kV變電站的基礎(chǔ)上升壓改造、具備無(wú)人值守特性的變電站。按設(shè)計(jì)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(nèi)電氣一次接線見(jiàn)圖1。該站投運(yùn)以來(lái)，10 kV系統(tǒng)多次發(fā)生諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。最嚴(yán)重的一次造成10 kV電壓互感器嚴(yán)重?zé)龘p，引起母線三相短路故障，導(dǎo)致該段母線退出運(yùn)行10 h。

1事故經(jīng)過(guò)

2014-08-18T15:14，遠(yuǎn)方監(jiān)控機(jī)連續(xù)3次發(fā)出該變電站10 kV的Ⅰ母消諧裝置告警動(dòng)作、復(fù)位信息。監(jiān)控值班員對(duì)該站10 kV母線電壓進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)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(shí)間變?yōu)锽相電壓降低，另兩相升高。電壓幅值變化情況見(jiàn)表1。

圖1　站內(nèi)電氣一次接線示意圖

時(shí)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(hào)主變1B低后備復(fù)壓過(guò)流Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作, 10 kV 母聯(lián)斷路器100、10 kV的Ⅰ段進(jìn)線開(kāi)關(guān) 101事故跳閘。

運(yùn)維人員立即趕到現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)主控室、10 kV高壓室被濃煙籠罩，通風(fēng)10 min后進(jìn)入10 kV高壓室內(nèi)檢查設(shè)備，發(fā)現(xiàn)10 kV的Ⅰ母YH間隔嚴(yán)重?zé)龘p，柜頂釋壓頂蓋飛落，后柜門嚴(yán)重變形；100開(kāi)關(guān)、101開(kāi)關(guān)在分位，10 kVⅠ母失壓；10 kVⅡ母電壓互感器C相一次保險(xiǎn)已熔斷，其余兩相正常。1號(hào)主變保護(hù)裝置有“主變低后備復(fù)壓過(guò)流Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作”信號(hào)，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(hù)除“母線PT斷線”，無(wú)其它動(dòng)作信息。

按調(diào)度命令，該站立即將10 kVⅠ母設(shè)備轉(zhuǎn)檢修做進(jìn)一步檢查處理、將10 kVⅡ母YH轉(zhuǎn)檢修更換一次側(cè)保險(xiǎn)。

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

隨后，修試人員檢查確認(rèn)10 kVⅠ母YH手車刀閘及其套管、動(dòng)靜觸頭燒毀嚴(yán)重，無(wú)法修復(fù)。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(diǎn)，并對(duì)10 kVⅠ母所有出線開(kāi)關(guān)逐一檢查并作相關(guān)電氣試驗(yàn)、機(jī)械特性試驗(yàn)，對(duì)隔離后的10 kVⅠ母進(jìn)行清掃除塵處理后做絕緣試驗(yàn)及耐壓試驗(yàn)，確認(rèn)母線及所帶出線(包括1號(hào)主變1B)絕緣合格，10 kVⅠ母可以投入運(yùn)行。

23：59，101開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)行， 10 kVⅠ母帶電正常，翌日00:03，10 kV聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān) 100轉(zhuǎn)運(yùn)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(fù)正常運(yùn)行。

2故障分析

故障發(fā)生時(shí)，該站110、35、10 kV均為單母分段運(yùn)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(tǒng)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(tǒng)中一種典型的瞬時(shí)性單相接地故障。由于該變電站位于人員密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，10 kV母線出線多，線路周邊環(huán)境復(fù)雜，負(fù)荷用戶多樣，很容易發(fā)生某回線瞬時(shí)性單相接地故障。A相發(fā)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(cè)中性點(diǎn)直接接地。由于電磁型電壓互感器是帶鐵芯的電感元件，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相對(duì)地弧光閃絡(luò)(間歇性接地)，或單相接地故障消失瞬間，系統(tǒng)擾動(dòng)可以導(dǎo)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(lì)磁感抗變小，此時(shí)若10 kV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地容抗與電壓互感器勵(lì)磁感抗相匹配，就形成三相或單相共振回路，可激發(fā)諧振過(guò)電壓。這種諧振過(guò)電壓叫做鐵磁諧振過(guò)電壓[1-3]。

中性點(diǎn)非直接接地的10 kV電網(wǎng)要發(fā)生鐵磁諧振過(guò)電壓，應(yīng)具備2個(gè)條件，一是網(wǎng)絡(luò)對(duì)地容抗與中性點(diǎn)接地的電壓互感器勵(lì)磁感抗的比值相匹配。二是電網(wǎng)存在諧振激發(fā)條件，如系統(tǒng)電壓發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)、發(fā)生間歇性接地等[4]。

在中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器勵(lì)磁特性的非線性，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的感抗遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對(duì)地電容的容抗，不會(huì)形成諧振。而當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)，電壓互感器鐵芯飽和，飽和后的電壓互感器勵(lì)磁感抗變小，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中感抗接近容抗時(shí)，很容易產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。特別是遇有激磁特性不好(易飽和)的電壓互感器，系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地弧光閃絡(luò)或接地時(shí)，更容易引發(fā)諧振過(guò)電壓[5]。

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生的各種鐵磁共振現(xiàn)象，由于電網(wǎng)對(duì)地電容和互感器的參數(shù)不同，可能產(chǎn)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(fā)生基波共振時(shí)，大多都會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)兩相對(duì)地電壓升高，一相對(duì)地電壓降低現(xiàn)象。此時(shí)系統(tǒng)中性點(diǎn)對(duì)地電壓略高于相電壓，類似單相接地。基波諧振時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)位移到電壓三角形之外，三相電壓穩(wěn)態(tài)值發(fā)生顯著的不對(duì)稱變化，對(duì)地電壓最高可達(dá)3.5倍相電壓。由于基波諧振可持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，它產(chǎn)生的高電壓對(duì)電網(wǎng)設(shè)備(特別是電壓互感器)的絕緣耐受力是一種考驗(yàn)[6]。

從表1中的數(shù)據(jù)和有關(guān)錄波曲線圖也可以進(jìn)行分析(表1中數(shù)據(jù)由10 kV電壓曲線5 min采集1次)，A相瞬間發(fā)生單相對(duì)地閃絡(luò)后，在緊接著的20 min時(shí)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(cè)試表明，電網(wǎng)系統(tǒng)絕緣良好，由此說(shuō)明，在這20 min時(shí)間里，10 kV系統(tǒng)發(fā)生了持續(xù)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(tǒng)Ⅰ母三相短路， 1號(hào)主變的繼電保護(hù)動(dòng)作出口，切除故障。另外，這起10 kV系統(tǒng)發(fā)生的諧振，C相電壓最高，電壓互感器C相過(guò)勵(lì)磁最嚴(yán)重，造成10 kVⅡ母電壓互感器C相一次保險(xiǎn)熔斷。

3預(yù)防措施

10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向用戶供電的任務(wù)，屬于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)變化頻繁(例如該站10 kV用戶有煉鋼廠等工業(yè)負(fù)荷)，系統(tǒng)中的電磁式電壓互感器具有易飽和、非線性特點(diǎn)。隨著電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)、運(yùn)行方式的變化，極易使電網(wǎng)對(duì)地容抗與電壓互感器勵(lì)磁感抗達(dá)到鐵磁諧振的條件而引起諧振過(guò)電壓。而且，這種鐵磁諧振過(guò)電壓一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，如不及時(shí)采取有效措施進(jìn)行消除，諧振過(guò)電壓會(huì)長(zhǎng)時(shí)間自保持，從而引起電壓互感器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)勵(lì)磁而燒毀，或引起電網(wǎng)中絕緣薄弱環(huán)節(jié)設(shè)備的絕緣擊穿，甚至誘發(fā)相間短路和其它更為嚴(yán)重的電力系統(tǒng)停電事故，給電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，必須采取措施，對(duì)電網(wǎng)鐵磁諧振過(guò)電壓進(jìn)行預(yù)防與治理[7-9]。

當(dāng)然，該變電站在設(shè)計(jì)施工中也曾考慮到抑制和消除鐵磁諧振過(guò)電壓的問(wèn)題，例如在10 kV電壓互感器開(kāi)口三角形回路都安裝了KSX196-HA型微機(jī)式消諧裝置。該裝置主要原理是對(duì)電壓互感器開(kāi)口三角電壓進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。該電壓小于30 V時(shí)，裝置判斷設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，裝置內(nèi)的大功率消諧元件(可控硅)處于阻斷狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響。當(dāng)電壓互感器開(kāi)口三角電壓大于30 V時(shí)，消諧裝置判斷系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并通過(guò)測(cè)量、濾波、放大等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，判斷故障類型并發(fā)出告警信號(hào)。如果判斷是某種頻率的鐵磁諧振，CPU立即啟動(dòng)消諧電路，使可控硅導(dǎo)通，讓鐵磁諧振在強(qiáng)大的阻尼下迅速消失[10]。

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，10 kV母線上如果在電壓互感器開(kāi)口三角裝設(shè)了接地監(jiān)視裝置，一般整定3U0超過(guò)15 V，就延時(shí)發(fā)出母線接地告警信號(hào)。而KSX196-HA型微機(jī)消諧裝置將啟動(dòng)門檻自動(dòng)設(shè)置為30 V，有些偏高，啟動(dòng)消諧靈敏度不夠。

根據(jù)該變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，對(duì)10 kV系統(tǒng)諧振過(guò)電壓的防治，應(yīng)該采取“防”、“消”結(jié)合的方法，綜合治理、分步實(shí)施。

(2) 選擇消諧反應(yīng)快，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)的二次消諧裝置。實(shí)際上，以前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用在電壓互感器開(kāi)口三角并接白熾燈泡補(bǔ)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(dá)到消除鐵磁諧振的目的，也有較好的消諧效果。但是，出于現(xiàn)場(chǎng)安全和規(guī)范管理考慮，目前基本上已經(jīng)用各種多功能消諧裝置代替白熾燈泡。但消諧裝置的型號(hào)、生產(chǎn)廠家很多，應(yīng)根據(jù)本站現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇質(zhì)量過(guò)關(guān)、信譽(yù)好的正規(guī)生產(chǎn)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(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)提供一個(gè)人為的中性點(diǎn)，然后經(jīng)一個(gè)消弧線圈接地，與消弧線圈一起構(gòu)成電力系統(tǒng)的接地保護(hù)。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，它所產(chǎn)生的感性電流補(bǔ)償了接地電容電流，消除了接地點(diǎn)的電弧，有效預(yù)防鐵磁諧振過(guò)電壓的發(fā)生。

(4) 采取臨時(shí)的倒閘措施，如投入事先規(guī)定的某些線路或設(shè)備，或者切除該母線所有電容器，或者向調(diào)度申請(qǐng)切除部分較長(zhǎng)饋線。通過(guò)改變系統(tǒng)參數(shù)，破壞諧振條件。

4結(jié)語(yǔ)

2014年9月，有關(guān)部門將10 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器進(jìn)行更換。選擇6只性能良好的JDZJ-10型單相戶內(nèi)半封閉式電磁型電壓互感器，按照電磁特性測(cè)試結(jié)果配成2組分別安裝在10 kVⅠ、Ⅱ母。同時(shí)，對(duì)10 kV系統(tǒng)的消諧裝置進(jìn)行檢查更換，并對(duì)該站2臺(tái)站用變做好更換成接地變壓器的可行性研究。有關(guān)部門還及時(shí)為該變電站制定了《10 kV系統(tǒng)電壓異常操作預(yù)案》，規(guī)范了在10 kV系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)應(yīng)采取的倒閘措施。這些措施的實(shí)施，為該變電站10 kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。2014年9月到現(xiàn)在，該站再?zèng)]有發(fā)生過(guò)諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。

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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(hào)：1006—2610(2016)03—0065—04

收稿日期：2016-01-11

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

中圖分類號(hào)：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.017