淺析系統(tǒng)諧振過電壓及抑制措施

淺析系統(tǒng)諧振過電壓及抑制措施
高壓系統(tǒng)諧振過電壓是電力系統(tǒng)常見的過電壓之一，是由于變電站倒閘操縱引起的，實在質就是電磁式電壓互感器勵磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。發(fā)生鐵磁諧振事件，不但對大量電力設備和系統(tǒng)安全運行帶來危害，還嚴重危及人身安全，必須予以足夠重視和防范。  
  
1.引言
高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓是電力系統(tǒng)常見的過電壓之一，是中性點不接地系統(tǒng)中最常見，且造成事故最多的一種內部過電壓。而在中性點有效接地的高壓系統(tǒng)中，由于中性點電位基本固定，該類過電壓發(fā)生的幾率要少得多，但在一些特殊情況下，仍有可能被激發(fā)，最常見的就是在變電站倒閘操縱過程中，出現(xiàn)的斷路器斷口電容器與電磁式電壓互感器及空載母線構成的串聯(lián)諧振回路，由于變電站倒閘操縱引起的操縱過電壓作用，電磁式電壓互感器勵磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。
2.故障現(xiàn)象
下面分析一下近期發(fā)生的由于PT飽和產生的有效接地系統(tǒng)的諧振過電壓如：2000年5月20日18時25分，某局某站220kV #2母線電壓互感器，在進行對#2母線送電操縱過程中，發(fā)生爆炸事故；2001年3月13日某220kV某站，在運行方式由雙母線并列運行轉為Ⅱ母線單母線運行中，值班員進行停Ⅱ母線操縱激發(fā)鐵磁諧振； 2001年3月28日220kV某站正常運行中，12時52分由于110kV乙母線單相接地，110kV母差保護動作切除乙母線的過程中，觸發(fā)乙母線PT鐵磁諧振過電壓； 2001年4月15日，某220kV某站在進行變電站送電操縱過程中，發(fā)生PT鐵磁諧振事件
3.故障分析
分析發(fā)生的歷次投切空母線激發(fā)的PT鐵磁諧振過電壓的過程，主要有以下兩種情況：
①投空母線開關操縱前，合被投母線側刀閘引起的諧振過電壓；
②切空母線開關分斷時激發(fā)的諧振過電壓。 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應器| 電能質量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表|
它們主要的共同特點是：
·被操縱的母線是空母線，在母線上只掛有電磁式電壓互感器及避雷器，斷路器的斷口并聯(lián)有均壓電容器。
·母線電壓表上穩(wěn)定地顯示出諧振過電壓的有效值，當關合充電斷路器的瞬間，諧振立即消失，母線電壓恢復到正常水平。
這些事件再次使我們清醒地熟悉到：投切空母線激發(fā)的PT鐵磁諧振過電壓可能對系統(tǒng)安全運行帶來的危害，特別是某局某站220kV #2母線電壓互感器由于長時間諧振，電壓互感器長時間承受過電壓及過負荷，導致爆炸，不但對大量電力設備和系統(tǒng)安全運行帶來危害，還嚴重危及人身安全，必須予以足夠重視和防范。 
下面分析一下諧振過電壓，進一步探討一下高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓。有電感和電容原件向串聯(lián)可以構成一個串聯(lián)諧振電路，其諧振條件為感抗和容抗相等，即：XL=XC,或ωL=1/ωC.因此可求出諧振頻率為f0=1/2  稱為固有自振頻率。
對于復雜的電路，可以組合成一系列的具有不同的自振頻率的振蕩回路。在進行開關操縱時，由于瞬變過程波形會引起某種變化，非正選的電源波形含有一系列的諧波。當電路中的自振頻率之一與電源諧波之一正好相等時，就出現(xiàn)這一頻率的諧振過電壓。
諧振是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，諧振過電壓的持續(xù)時間可能很長，因此，這種過電壓一旦發(fā)生，往往造成嚴重的后果。

高次諧波表HWT-300

諧波測試儀HWT-1000

高次諧波檢測儀HWT-301
3.1線性諧振過電壓 
線性諧振市電力系統(tǒng)中最簡單的一種諧振形式，其特點是電感和電容都為恒定的常數(shù)，當電源中某次的諧振的頻率正好與電路的自振頻率相等時，假如電阻為零，則諧振時電流為無窮大，電壓也為無窮大。實際上電阻不可能是零，則可能出現(xiàn)額定電壓K倍數(shù)的過電壓。
假如電路的自振角頻率ω0=2f0 不相等，固然也能出現(xiàn)串聯(lián)諧振過電壓，但是過電壓的數(shù)值較小。通過典型的實例計算證實，當電源諧波頻率小于0.7f0或大于1.25f0 時，諧振電壓數(shù)值一般小于額定電壓的兩倍，這也是線形諧振過電壓的一個特點。
3.2鐵磁諧振過電壓
鐵磁諧振過電壓的特點：在正常運行條件下，電感、電容串聯(lián)回路中串聯(lián)回路中一般感抗要大于容抗，由于出現(xiàn)某種因素電感兩端電壓有所升高，使電感鐵芯飽和，感抗減少，出現(xiàn)感抗和容抗相等，甚至感抗小于容抗，形成相位反轉，引起鐵磁諧振，當上述諧振現(xiàn)象的頻率即是工頻時，稱為基波諧振過電壓。其他還有高磁諧波諧振和分次諧波諧振，下面舉例說明：設有如圖1-1（a）所示之電感電容電路，圖1-1（b）中曲線UL（I）表示電感L上的電壓隨著電流I變化的伏安特性曲線，直線UC（I）表示電容C上的電壓隨著電流的I變化的伏安特性曲線�！鱱則表示電路中總的電壓降，它即是電感和電容上的壓降的代數(shù)和，根據(jù)電勢平衡條件應有E=△u。

大電流鉗表PROVA2003

電力諧波及漏電鉤表PROVA 23

電力諧波及漏電鉗表PROVA 21

諧波及漏電鉗表PROVA19

交直流瓦特鉗表PROVA 2009
  正常時，電路工作在a1點，電感上的壓降UL1要大于電容上的壓降UC1，電流落后于電源電壓。當電源電壓E小于△u曲線部分的最高點U`時，電路是穩(wěn)定的。即使電源有某種程度的波動，仍可回到工作點a1。但當電源電壓瞬間超過U`時，電感由于鐵芯和感抗下降，電感上的壓降UL（I）與電容上的壓降UC（I）之間的差值反而減小，即電源電壓E 越來越大于電路的總電壓降△u，使電流迅速增大。直到電流達到I2，在新的工作點a2重新穩(wěn)定下來，這時無論是電容上的壓降UC（I）或電感上的壓降UL（I）都大大超過電源電壓。全電路從原來的呈現(xiàn)感性變?yōu)槌扇菪浴?
從上面的分析知，線形諧振時過電壓趨向無窮大，而鐵磁諧振時過電壓有某一固定的數(shù)值，這個數(shù)值完全由電路的參數(shù)和電源電壓的數(shù)值決。




上面的分析的是基波鐵磁諧振。實踐證實，還可能出現(xiàn)其他頻率的鐵磁諧振現(xiàn)象，假如諧振頻率即是工頻的整數(shù)倍，則稱為高磁諧波諧過電壓；若諧振頻率即是工頻的分數(shù)倍，則稱為分次諧波諧振過電壓。
上述發(fā)生的高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓多為分頻諧振過電壓，對分頻諧振，其母線上諧振過電壓水平將由母線PT的勵磁特性決定。經(jīng)分析上述發(fā)生的高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓多采用電磁式電壓互感器系列產品，經(jīng)過計算分析以為，JCC5-220型電磁式電壓互感器系列產品，其分頻諧振過電壓一般不超過1.5P.u.。。而JDCF-220W1型電磁式電壓互感器系列產品，由于其大大改善了電磁式電壓互感器的勵磁飽和特性，進步了其線性范圍，使其分頻諧振過電壓將可能超1.5P.u.，但一般也不超過2P.u.。對220 kV等級的電氣設備最高運行相電壓為146kV，2P.u.的過電壓水平相當于292 kV，而220 kV等級的電氣設備短時工頻耐受值為360 kV（1min），所以，該類由于電磁式電壓互感器飽和特性造成的分頻諧振，在短時間內（1min）并不對一次電氣設備構成嚴重危害。 
但當PT在諧振期間工作在嚴重過負荷狀態(tài)，達PT額定電流的數(shù)十倍的負荷電流，將使PT發(fā)出異常聲響，該嚴重的過負荷現(xiàn)象假如持續(xù)時間過長，使電磁式電壓互感器內部嚴重過熱，內部盡緣材料因過熱而嚴重老化，設備盡緣水平嚴重下降，在前面分析的鐵磁諧振過電壓作用下，將導致?lián)舸�，甚至設備爆炸。因此，高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓對電力系統(tǒng)及電氣設備帶來更大危害，應該盡量避免。
4.抑制措施
鑒于110kV及以上有效接地系統(tǒng)的PT飽和鐵磁諧振過電壓在各站已多次發(fā)生，其諧振過電壓的激發(fā)是具有隨機性的，嚴重時，母線PT損壞，甚至導致PT爆炸，危及二次保護設備及一次PT四周設備。必須對類似事故有一個清醒的熟悉，提出反措如下： 
4.1嚴格執(zhí)行調度規(guī)程
在運行方式上和倒閘操縱過程中，防止斷路器斷口電容器與空載母線及母線PT構成串聯(lián)諧振回路，以防止因諧振過電壓損壞設備。它包括兩個方面：
①應避免用帶斷口電容器的斷路器切帶電磁式電壓互感器的空載母線。 
②避免用帶斷口電容器的回路的刀閘對帶電磁式電壓互感器的空載母線進行合閘操縱。 
具體可采用下述方式來實現(xiàn)：在切空母線時，先拉開電壓互感器，對母線斷電；在投空母線時，先斷開被送電母線PT，對母線送電，再合母線電壓互感器。 
4.2避免操縱過電壓
在進行投切空母線操縱時，加強母線電壓監(jiān)測，發(fā)生鐵磁諧振時，應立即合上帶斷口電容器的斷路器，切除回路電容，終止諧振，防止隱患發(fā)展形成事故。 
4.3中性接地點
增加母線對地電容或減少系統(tǒng)中電壓互感器壓中性點接地臺數(shù)，即增大母線的對地感抗，從而減少自振固有頻率，避免因系統(tǒng)由東而發(fā)生母線鐵磁諧振過電壓，如：在變電站基建設計時，采用電容式電壓互感器。在進行變電站更換電壓互感器時，也應盡量選取電容式電壓互感器。 
4.4繼電保護
針對具體事故發(fā)生的情況，如在變電站母線發(fā)生單相接地，母差保護動作，母聯(lián)開關跳閘后，假如主變開關先于線路開關動作，將不會引發(fā)諧振。因此，建議將只帶一條出線（線路開關動作搶在主變開關前動作的可能性較大），同時該出線為不帶電源的負載線路時，母線母差保護動作次序調整為：母聯(lián)開關首先開斷后，先跳主變開關，再跳出線開關。 
4.5職員培訓
加強對變電運行職員的培訓，把握了解一些系統(tǒng)過電壓產生的條件及特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時，及時采取正確的措施，避免系統(tǒng)異常發(fā)展成為事故。
綜上所述，對由于電磁式電壓互感器飽和特性造成的系統(tǒng)分頻諧振，假如我們能在諧振發(fā)生的瞬間，及時地發(fā)現(xiàn)并采取正確的措施，破壞諧振條件，就可避免諧振發(fā)展成事故。因此，加強對運行職員的培訓，把握了解一些系統(tǒng)過電壓產生的條件及特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時，及時采取正確的措施，將是非常必要的。