淺析電力系統加裝消諧裝置的必要性

國網冀北電力有限公司張家口供電公司 艾晨光 路杰 李源浩

淺析電力系統加裝消諧裝置的必要性

國網冀北電力有限公司張家口供電公司 艾晨光 路杰 李源浩

根據現有電力系統的運行方式，文中闡述了為避免系統發生接地、過壓和諧振時造成電壓互感器的損壞，通過采用電力系統中加裝一次、二次消諧裝置，發揮阻尼和限流的作用，保護電壓互感器和電力系統的安全運行。相比未安裝的系統，大幅度的降低了由于接地、諧振、過電壓所導致的后續事故。

諧振；電壓互感器；消諧裝置；中性點

引言

在實際運行中，由于10kV系統中性點不接地，母線上Y0接線的電壓互感器一次繞組是該系統對地的唯一金屬性通道。當出現系統接地等故障時，系統對地電容會以一個數值達數安培的工頻半波涌流通過電壓互感器一次繞組進行充放電，同時，非故障相電壓會升高并產生諧振，或者出現鐵磁諧振使系統電壓不平衡等。這樣，電壓互感器將可能長時間經受過壓、涌流和鐵磁諧振沖擊，會發生ABC三項熔斷器熔斷，甚至產生電壓互感器本體爆裂燒毀事故等。因此，為避免系統發生接地、過壓和諧振時造成電壓互感器的損壞，采用在電力系統中加裝一次、二次消諧裝置對一次設備與電壓互感器起到了重要的保護作用，大大提高了變電站的安全運行。

1 電力系統產生諧振的原因

35kV電壓互感器，10kV電壓互感器都有某種過電壓、電流的擾動，如跳、合閘，瞬間接地、瞬間短路等故障發生的幾率。鐵磁諧振發生后常常引起電壓互感器（PT）燒毀、爆炸等惡性事故。原因是電力系統中有大量的儲能元件，如電壓互感器、變壓器、電抗器等電感元件，電容器、線路對地電容、斷路器的斷口電容等電容元件。這些元件組成了許多串聯或并聯的振蕩回路。在正常的穩定狀態下運行時，不可能產生嚴重的的振蕩。但當系統發生故障或由于某種原因使電網參數發生了變化，就很可能發生諧振。例如在中性點非有效接地系統，其中一相斷線接地，受電變壓器和相間電容、電壓互感器和線路對地電容、空載變壓器和空載長架空線路電容所形成的振蕩回路，都有可能發生諧振。諧振常常引起持續時間很長的過電壓。電壓互感器一類的電感元件在正常工作電壓下，通常鐵芯磁通密度不高，鐵芯并不飽和，如在過電壓下鐵芯飽和，電感會迅速降低，從而與電容產生諧振，也就是常說的鐵磁諧振。鐵磁諧振不僅可在基頻（50Hz）下發生，也可在高頻(170Hz)、低頻(17Hz,25Hz)下發生。

圖1 沈莊站PT燒毀現場圖

圖2 5-9PT諧振波形（起始）

圖3 5-9PT諧振波形（過程中）

正常運行時，電壓互感器開口三角的電壓（3U0）理論上是0V，在實際運行中一般也不會超過10V。當系統發生單相接地時，3U0將迅速升高，達到30到120V，形成過電壓。當系統上電時，由于三相不同期等原因，會在電壓互感器中產生很大的諧波電流，導致互感器內部鐵芯飽和了，造成二次側的波形發生畸變，當畸變足夠大時，就形成了鐵磁諧振。鐵磁諧振產生的條件一般有：（1）中性點非有效接地系統；（2）非線性電感元件和電容元件組成振蕩回路，回路線性狀態時的自振頻率小于某此低頻諧振頻率，當鐵芯飽和而電感減小時，回路自振頻率增加，恰好等于某低頻諧振頻率；（3）振蕩回路中的損耗足夠小，諧振實際發生在系統空載或輕載時；（4）電感的非線性要相當大；（5）有激發作用時，即系統有某種過電壓、電流的擾動，如跳、合閘，瞬間接地、瞬間短路等。

2 消除諧振的原理

二次消諧原理：（1）利用消諧裝置實時監測電壓互感器開口三角電壓，計算出零序電壓四種頻率的電壓分量。利用裝置中壓敏元件的電抗隨諧波電壓而變化，從而破壞電壓互感器鐵磁諧振的產生條件。（2）如壓敏元件未能完全消除鐵磁諧振，則瞬間啟動大功率消諧元件予以消除。當諧振發生時，每隔一微小時間段啟動一次大功率消諧元件，啟動三次為一段，未能完全消除啟動第二段、第三段。之后如故障依然存在，為了電壓互感器安全，不再啟動大功率消諧元件，只用壓敏元件予以實時在線消除。

一次消諧裝置可看作為大功率阻尼在電壓互感器一次側中性點與地之間串接，是一個固態一次設備，主要針對10kV、35kV系統中發生的接地和諧振故障，而電壓互感器二次消諧裝置是智能微機設備，針對的是電壓互感器二次側，它是消除電壓互感器內部諧振，當系統發生諧振時，電壓互感器二次側相應產生諧振，嚴重時會產生120V以上的零序電壓，（如果電壓互感器容量有限短時間內會燒毀電壓互感器）加裝二次消諧裝置后會消除該諧振，會將較大的零序電壓接入裝置內部的大功率電阻上，從而消耗掉能量，排除故障。

3 諧振的危害

圖4 誘發PT諧振的兩次低壓系統AC相間短路錄波波形

3.1 沈莊站10千伏PT燒毀事件

事件情況：2014年8月9日22∶27∶46，10kV 5-9PT發生三相短路，導致整個PT柜燒毀，最終由1號主變中后備保護切除301開關，高后備切除111、501開關隔離故障，111開關跳開后，145自投成功合145開關；301開關跳開后，345自投成功合345開關；501開關最終在跳開位置，10kV負荷全停。

圖5 前溝站PT燒毀現場圖

事件原因：事故起因為10kV 5.9PT諧振，故障錄波文件顯示，10kV三相短路前的65秒時間內，10kV 5.9PT一直處于諧振狀態，引起諧振的原因應為諧振前兩次低壓系統的AC相間短路（由于持續時間及電流幅值均較小，沒有相關出線保護動作）。

3.2 前溝35kVPT著火事件

事件情況：2014年6月8日中午12時30分，前溝110kV站2號主變掉閘，545開關自投成功，345開關發自投故障信號，302開關在合位，345開關在分位，35kV4母線失電，35kV4-9PT柜著火。變電運維人員趕到現場佩帶空氣呼吸器用滅火器進行撲救，及時將35kV4-9PT柜火災撲滅，保證了其它設備的安全。

事件原因：前溝110kV站于2010年8月投入運行，2013年維護職責由崇禮供電分公司移交至變電檢修室，計劃2015年進行例行檢修試驗。事發當時為雷陣雨天氣，前溝110kV站35kV線路發生單相接地，母線電壓升高，35kV4-9PT產生諧振過電壓，導致電壓互感器起火燒損。

4 結論

因此，為避免系統發生接地、過壓和諧振時造成電壓互感器的損壞，采用電力系統中加裝一次、二次消諧裝置，發揮阻尼和限流的作用，可以很好的消除系統諧振和工頻涌流，保護電壓互感器和電力系統的安全運行。

據我公司不完全調查10kV、35kV系統中加裝一次、二次消諧裝置對一次設備與電壓互感器起到了重要的保護作用，大大提高了變電站的安全運行，相比未安裝的系統，大幅度的降低了由于接地、諧振、過電壓所導致的后續事故。