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通過對江口電站諧振過電壓事故淺析電網(wǎng)過電壓限制方法
【作 者】：李茫、江偉
【摘 要】：主要介紹電網(wǎng)發(fā)生諧振過電壓的特點以及抑制措施
【關鍵詞】：江口電站、諧振過電壓、電網(wǎng)過電壓、自動調(diào)諧接地補償裝置
江口電站10KV系統(tǒng)運行時間達到40天后，在投運一臺照明變壓器3分鐘后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)突然告警“10KV系統(tǒng)母線1、2、3段接地”，并告警復歸發(fā)出故障音響。隨即，“10KV系統(tǒng)母線2段接地”故障信號每1秒鐘持續(xù)告警、復歸，3分鐘后1、3段母線相繼出現(xiàn)接地告警信號，共歷時長達2小時，嚴重影響了系統(tǒng)正常運行，后經(jīng)過運行人員檢查后發(fā)現(xiàn)，2、3段電壓互感器B相熔斷器熔斷，絕緣環(huán)氧樹脂受熱噴出，同時3條母線的其余電壓互感器均有不同程度絕緣破損開裂現(xiàn)象。檢查母線及新投運變壓器，均無接地故障。二次接線也檢查無故障。重新組合一組互感器投入運行，沒有故障產(chǎn)生，三相電壓平衡。由此判斷此次事故應該是由于諧振過電壓產(chǎn)生。
一、電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的條件、特點和危害
電力供電系統(tǒng)或者說在電力供電電網(wǎng)上，過電壓現(xiàn)象十分普遍。如果沒有防范措施，隨時都可能發(fā)生，也隨時都可以發(fā)現(xiàn)。引起電網(wǎng)過電壓的原因很多。主要可分為內(nèi)部過電壓和雷電過電壓，內(nèi)部過電壓包括諧振過電壓和操作過電壓，其中諧振過電壓在正常運行操作中出現(xiàn)頻繁，其危害性較大。
諧振過電壓引起的事故是很頻繁的，它在各級電網(wǎng)中都可能發(fā)生
系統(tǒng)中許多元件是屬于電感性的或電容性的，例如電力變壓器、互感器、發(fā)電機、消弧線圈為電感元件，補償用的并聯(lián)或串聯(lián)電容器組，高壓設備的寄生電容為電容元件。而線路各導線對地和導線間既存在縱向電感又存在橫向電容。這些元件組成復雜的L-C振蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數(shù)配合的回胳中會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，引起電壓的異常升高。
諧振常屬于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，因此其持續(xù)時間比操作過電壓長得多，可以穩(wěn)定地存在，直至進行新的操作破壞原回路的諧振條件為止。
正是由于諧振過電壓的持續(xù)時間長，所以其危害也大、在電力系統(tǒng)中，諧振過電壓不僅危及電氣設備的絕緣，還可能產(chǎn)生持續(xù)的過電流而燒斷熔絲或設備，同時還會影響到過電壓保護裝置的工作條件，普通避雷器常因在諧振過電壓下動作而又不能滅弧的情況下會遭到毀壞。
二、諧振過電壓的種類
雖然在不同電壓等級以及不同結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)中會產(chǎn)生情況各異的諧振過電壓．但按其性質(zhì)而言大致分為三種：
1、線性諧振過電壓
線性諧振回路中的L和C都是常量，它們不隨元件上的電流、電壓而變化。主要指不帶鐵芯的電感元件(如輸電線路的電感、變壓器的漏感)或勵磁特性接近線性的含鐵芯電感元件(如消弧線園，其鐵芯磁路中通常留有空氣隙)和系統(tǒng)中的電容元件所引起的串聯(lián)諧振回路。它在正弦交流電源的作用下，若電源頻率和L-C自振頻率相等或接近時，即會產(chǎn)生強烈的諧振現(xiàn)象，導致元件上產(chǎn)生很高的過電壓。
2、鐵磁諧振過電壓
鐵磁諧振往往和鐵芯電感的飽和性相聯(lián)系，由于鐵心電感的磁通和電流之間的非線性關系，其電感值不再是常量，從而區(qū)別于線性諧振的許多特點，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(chǎn)生鐵磁諧振。電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振回路一般由空載變壓器或電壓互感器和系統(tǒng)的電容元件組合而成。
3、參數(shù)諧振過電壓
參數(shù)諧振過電壓是因為系統(tǒng)中的某些元件的參數(shù)在外力的作用下，發(fā)生周期性變化而誘發(fā)的。通常是由于電機旋轉(zhuǎn)時電感大小的周期變化，如果該電機接有一定值的電容性負荷(如空載線路)，當參數(shù)在一定的配合下，變化的電感周期使地把能量引入諧振系統(tǒng)，形成過電壓。
過電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設備的損壞和大面積的停電事故。電力生產(chǎn)運行的記載和事故分析表明，中低壓電網(wǎng)中過電壓事故大多數(shù)都是由諧振現(xiàn)象所引起的。由于諧振過電壓作用時間較長，所引起諧振現(xiàn)象的原因又很多，因此在選擇保護措施方面造成很大的困難。為了盡可能地防止諧振過電壓的發(fā)生，在設計和操作電網(wǎng)設備時，應進行必要的估算和安排，以避免形成嚴重的串聯(lián)諧振回路；或采取適當?shù)姆乐怪C振的措施。
三、對江口電站諧振過電壓的分析
根據(jù)江口電站事故現(xiàn)象，可以分析是由于鐵磁諧振過電壓造成2段母線互感器損壞，從而誘發(fā)互感器內(nèi)部產(chǎn)生間隙電弧接地造成事故擴大。大致分析如下。
在中性點不接地系統(tǒng)中，常通過測量三相對地電壓來監(jiān)視絕緣。為此，發(fā)、變電站母線上接有Y0接線的電磁式電壓互感器。于是，網(wǎng)絡對地參數(shù)除了電力設備和導線（或母線）對地電容C0除外，又有了電壓互感器的勵磁電感L，見圖a所示，網(wǎng)絡的等值電路如圖b示。
正常運行時，ωL>1/ωC0網(wǎng)絡對地阻抗呈容性且三相基本平衡，電網(wǎng)中性點對地電位偏移很小。但是，當系統(tǒng)進行某些操作（例如斷路器合閘，接地故障消失）,由于三相互感器在受到擾動后電感飽和程度不一樣而形成三相對地阻抗不平衡，造成負載中性點與電源中性點之間的電位偏移。
這種過電壓表現(xiàn)為多種形式。若是基波諧振，可能出現(xiàn)兩相對地電壓很高，即形成“虛幻接地”現(xiàn)象，諧波諧振則導致三相電壓同時抬高；在分頻諧振時，出現(xiàn)相電壓以低頻（每秒一次左右）擺動，使電壓互感器繞組中流過低頻過電流，致使熔絲熔斷或者電壓互感器過熱燒毀、甚至爆炸；在高頻諧振時，可能引起電壓互感器的絕緣破壞或避雷器爆炸。從江口事故現(xiàn)象來看，類似于基波和分頻諧振。
四、電網(wǎng)諧振過電壓的限制方法
在電力生產(chǎn)和電力運行的中低壓電網(wǎng)中，故障的形式和操作方式是多種多樣的，諧振性質(zhì)也各不相同。因此，應該了解各種不同類型諧振的性質(zhì)與特點，掌握其振蕩的性質(zhì)和特點，制訂防振和消振的對策與措施。
目前，我國35kV及以下配電網(wǎng)，仍大部分采用中性點不接地方式運行，一部分采用老式的消弧（消諧）線圈接地。從電網(wǎng)的運行實踐證明，中性點不接地系統(tǒng)中一方面由于電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓比較多，盡管采取了不少限制諧振過電壓的措施，如：消諧燈、消諧器、TV高壓中性點增設電阻或單只TV等，但始終沒有從根本上得到解決，TV燒毀、熔絲熔斷仍不斷發(fā)生；另一方面由于中性點不接地運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間，一般為2h不致于引起用戶斷電，但隨著中低壓電網(wǎng)的擴大，出線回路數(shù)增多、線路增長，中低壓電網(wǎng)對地電容電流亦大幅度增加，單相接地時接地電弧不能自動熄滅必然產(chǎn)生電弧過電壓，一般為3-5倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會發(fā)展為相間短路造成設備損壞和停電事故。而采用老式消弧線圈接地方式的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的限制，只能運行在過補償狀態(tài)，不能處在全補償狀態(tài)，所以脫諧度整定的比較大，約在20%～30%，對弧光過電壓無抑制效果。并需要手動調(diào)節(jié)分接頭，然而此時卻不能隨電網(wǎng)對地電容電流的變化及時將電壓調(diào)整到最佳的工作位置，影響功能發(fā)揮，也不適應電網(wǎng)無人值班變電所的需要。
因此，我們可以采用一種新型自動調(diào)諧原理的接地補償裝置，通過過補、全補和欠補的運行方式，來較好地解決此類問題。目前自動調(diào)諧接地補償裝置主要是由五大部分組成：接地變壓器、電動式消弧線圈、微機控制部分、阻尼電阻部分、中性點專用互感器和非線性電阻。接地變壓器是作為人工中性點接入消弧線圈。消弧線圈電流通過有載開關調(diào)節(jié)并實現(xiàn)遠方自動控制，采用予調(diào)節(jié)方式，即在正常運行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動跟蹤和自動調(diào)諧利用微機控制器實現(xiàn)。通過測量位移電壓為主和中性點電流與電壓之間的相位，能夠準確的計算、判斷、發(fā)出指令自動進行調(diào)整，顯示有關參數(shù)：電容電流、電感電流、殘流和位移電壓等。還能追憶、報警、自動打印和信號遠送，滿足無人值班變電所的需要。
自動調(diào)諧接地補償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全補償運行或很小的脫諧度，主要是由于在消弧線圈的一次回路中串入了大功率的阻尼電阻，降低中性點諧振過電壓的幅值使之達到相電壓的5%～10%。因為如果當系統(tǒng)的電容電流與消弧線圈工作電流相等時，即在諧振時中性點電壓限制在允許值以下，這樣就可實現(xiàn)全補償方式，這是殘流為最小的最佳工作方式。接地時殘流很小，不會引起弧光過電壓。所以，可在消弧線圈的一次回路中串入大功率的阻尼電阻，增大阻尼率的措施來達到。消弧線圈的脫諧率與電壓及電網(wǎng)的阻尼率有關，當電網(wǎng)形成后其不對稱電壓基本是個固定值，消弧線圈為保證在單相接地時有效地抑制弧光過電壓的產(chǎn)生，要求脫諧率達到±5%以內(nèi)，那么只有改變阻尼率，才能改變位移電壓，因此應當在消弧線圈回路串入電阻，保證阻尼率，控制中性點位移電壓。在低壓電網(wǎng)中由于中性點不對稱電壓很小，為提高測量精度采用特制的中性點專用互感器，提高檢測靈敏度；非線性電阻的采用對欠補償下的斷線過電壓和傳遞過電壓都有明顯的抑制作用。在正常運行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動跟蹤和自動調(diào)諧利用微機控制器實現(xiàn)。通過測量位移電壓為主和中性點電流與電壓之間的相位，能夠準確的計算、判斷、發(fā)出指令自動進行調(diào)整，滿足無人值班變電所的需要。
目前新型消弧線圈大部分采用有載調(diào)匝式調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)分接頭數(shù)一般均大于9，加寬了調(diào)流范圍，以便能夠達到最小的脫諧度，配有有載開關并可以遠方電動或自動操作，克服了老式線圈的一些缺點。
對由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓的限制，鐵磁諧振過電壓的限制目前雖然采取多種形式，取得了一些效果，但都不夠理想。有的裝了消諧器還是產(chǎn)生了諧振過電壓，這是由于鐵磁諧振過電壓本身是一個非線性過程，現(xiàn)象比較復雜。我們知道分頻諧振有1/2、1/3、1/6及1/8等，高頻諧振有2、3次，還有基波諧振，有時幾種諧振同時發(fā)生，消諧器不能有效的限制。而且在系統(tǒng)上有多臺TV時，只在某一臺TV的開口三角上裝消諧器是很難奏效的，必須要使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大的變化才能將諧振過電壓抑制住。
如果在系統(tǒng)的中性點上接入消弧線圈破壞它的諧振條件，就能夠比較有效地抑制諧振過電壓的發(fā)生。其原理也很簡單，TV的勵磁感抗比較大(千歐至兆歐級)，而消弧線圈的感抗(百歐級)比較小，這樣諧振條件ωL=1/ωC很難滿足，諧振就不會發(fā)生。另一方面無消弧線圈時單相接地發(fā)生間歇性電弧時電容上多次充放電造成TV燒毀、熔絲熔斷；有了消弧線圈后，電容對小感抗放電，TV中電流就很小，不會燒毀了。所以在中性點接入消弧線圈，對于由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓具有很好的限制作用，能夠徹底解決此類問題。
參考文獻：：
1 ［1］解廣潤《過電壓及保護》北京：電力工業(yè)出版社，1980．
［2］陳維賢《電網(wǎng)過電壓教程》北京：電力工業(yè)出版社，1996.
