電網諧振過電壓的預防與限制方法研究

耿煒龍

摘要：當前，在我國電力系統中，電廠、變電站因為過電壓導致的故障和事故數量很多，尤其是諧振過電壓時有發生，對設備甚至整個系統安全穩定運行影響較大。有鑒于此，分析其產生的原因，找出問題，提出防治措施很有必要。

關鍵詞：鐵磁諧振過電壓;電壓互感器;鐵芯飽和;防范措施

目前，我國電力系統電壓等級多，35kV及以下配電網大部分采取中性點不接地運行方式，部分采取經消弧線圈接地;110kV及以上配電網采取中性點直接接地運行方式。過電壓種類多，主要有諧振過電壓、雷電過電壓和操作過電壓;其中諧振過電壓較常見，作用時間長、次數頻繁、危害大，須采取措施加以遏制。

一、諧振過電壓產生原因

電網實際運行中，正常運行時，中性點不接地系統電壓互感器鐵芯飽和易引起諧振過電壓;中性點不接地運行方式發生單相故障也可引起諧振過電壓。運維人員操作或事故處理方法不當亦會產生諧振過電壓。另外設備設計選型、參數不匹配也是諧振過電壓產生直接原因。

（1）外部過電壓。外部過電壓又叫大氣過電壓。是由于直擊雷、感應雷以及入侵雷電波引起的過電壓。

（2）內部過電壓。內部過電壓是因拉、合閘操作或事故等原因，使電力系統的穩定狀態發生突然變化，在從一個穩態向另一個穩態的過渡過程中，系統內電磁能的振蕩和積聚引起的電壓升高的過電壓。內部過電壓分為下面兩種：第一，暫態過電壓。主要由長線電容效應、不對稱接地故障和甩負荷引起的分工頻過電壓和線性諧振、鐵磁諧振和參數諧振引起的諧振過電壓。第二，操作過電壓。主要由切除空載線路、空載線路合閘、系統解列和電弧接地、切空載變壓器引起的過電壓。

二、分頻諧振、高頻諧振、基頻諧振及產生的現象

電力系統發生不同頻率的諧振，與電力系統中導線對地分布電容的容抗Xco和電壓互感器并聯運行的綜合電感的感抗值Xm有關。

2.1分頻諧振

當Xco/Xm的比值較小，發生的諧振是分頻諧振。因為在這種情況下，電容比較大，則電容、電感振蕩時的能量交換的時間較長，如果在1s之內能量交換次數是電源頻率的分數倍，如為50Hz的1/2（25Hz）、1/3（17Hz）、1/4（12.5Hz）等，這種頻率的諧振稱為分頻諧振。分頻諧振的表面現象：（1）過電壓倍數較低，一般不超過2.5倍的相電壓。（2）三相電壓表的指示數同時升高，而且有周期性的擺動，線電壓的指示數基本不變。

2.2高頻諧振

當Xco/Xm的比值較大，發生的諧振是高頻諧振。因為這時對地電容值相對較小，則電容、電感振蕩時的能量交換的時間就短，如果在1s之內能量交換次數是電源頻率的整數倍，如為50Hz的3（150Hz）、5（250Hz）、7（350Hz）等，這種頻率的諧振稱為高頻諧振。高頻諧振的表面現象：（1）過電壓倍數較高，一般不超過5.1倍的相電壓。（2）三相電壓表的指示數同時升高，而且要比分頻諧振時高得多，線電壓的指示數和分頻諧振時相同。（3）諧振時過電流較小。

2.3基頻諧振

當Xco/Xm的比值在分頻與高頻之間，接近50Hz時，則發生的諧振為基頻諧振。發生基頻諧振時，在1s之間電感、電容的能量交換次數正好和電源頻率相等或相近。基頻諧振的表面現象：（1）三相電壓表中兩相指示數升高，一相降低，線電壓基本不變。（2）諧振時，過電流很大，電壓互感器有響聲。（3）過電壓倍數一般不超過3.2倍的相電壓。（4）基頻諧振和系統單相接地時的現象相似（假接地現象）。

三、諧振過電壓

為滿足電網測量、保護需要，電力系統中配置大量電感電容元件，如：變壓器、互感器、電抗器等電感元件;并聯電容器、線路對地電容等電容元件。當進行設備操作或系統故障時，電感電容元件易構成振蕩回路，在一定條件下產生諧振，危及設備安全，影響保護可靠性。

3.1諧振過電壓的種類

（1）線性諧振過電壓。（2）鐵磁諧振過電壓。（3）參數諧振過電壓。

3.2諧振過電壓產生的原因

（1）線性諧振過電壓。諧振回路由不帶鐵芯的電感元件和系統中電容元件所產生。（2）鐵磁諧振過電壓。諧振回路由帶鐵芯的電感元件和系統的電容元件組成。因鐵芯電感元件的飽和現象，使回路的電感參數是非線性，這種含有非線性電感元件的回路在滿足一定的諧振條件時，會產生鐵磁諧振。（3）鐵磁諧振過電壓。由電感參數作周期性變化的電感元件和系統電容元件（如空載線路）組成回路，當參數配合時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統輸送能量，造成參數諧振過電壓。

四、操作過電壓產生的原因

（1）切除空載線路時，過電壓的根源是產生電弧重燃.重燃矛盾的兩個方面是斷路器的滅弧能力和觸頭間恢復電壓，另一個影響過電壓的重要因素是線路上的殘余電壓。

2）空載線路的合閘過電壓是由于在合閘瞬間的暫態過程中，回路發生高頻震蕩造成的。

3）在中性點絕緣的電網中發生單相金屬接地，將引起健全相的電壓升高到線路電壓。如果單相通過不穩定的電弧接地，即接地的電弧間歇性的熄滅和重燃，則在電網健全相和故障相上都會產生過電壓，一般把這種過電壓成為電弧過電壓，它的產生實質上也是一個高頻振蕩的過程。

4）切除空載變壓器引起的過電壓的原因是當變壓器空載電流Io（電感電流）突變“切斷”時，變壓器繞組的磁場能量1/2LI2就將全部轉化為電場能量1/2CU2，即對變壓器等值電容充電，LTdi/dt可能達到很高的數值，這就是切除空載變壓器引起過電壓的實質。同樣，切除電感負載如電動機、電抗器等時，有可能在初切除的電容器和斷路器上出現過電壓。

五、諧振過電壓限制措施

5.1選型設計

利用計算選取合適設備，免形成串聯諧振回路。開關取消斷口電容、分閘彈簧性能好、滅弧性能佳、分閘速度快等開關;避雷器與電網匹配，以免構成諧振回路。選擇勵磁特性好的PT、電容式PT或采用增大零序電容消諧。

5.2技術改進

（1）PT開口三角側加裝消諧燈泡或消諧器。

（2）PT開口三角繞組開口端裝非線性阻尼電阻。

（3）PT一次側中性點與地間串接L型消諧器。

（4）線路上加裝適當容量的高壓電抗器。

5.3操作程序

（1）合理操作順序。

（2）采取投入消弧線圈、投入線路或設備臨時倒閘措施消諧。

（3）若負荷故障可采取選切負荷方法查找故障源。

（4）限制電網運行電壓并減少擾動、諧振時投空載線路改變系統運行、臨時拉開PT中性點消除諧振。

六、結語

電網多年運行可看出發生諧振過電壓頻率多、范圍廣、影響大，內外因共同作用為諧振過電壓生產創造條件，外因是外部故障或進行設備操作，內因是PT鐵芯易飽和及參數不匹配，故深入分析其特性，提出防振消振措施很必要。電網系統在利用先進技術、選取優良設備、加強運維管理后，消除諧振過電壓，使電力系統更加安全穩定運行。

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