淺析系統(tǒng)諧振過(guò)電壓及抑制措施

淺析系統(tǒng)諧振過(guò)電壓及抑制措施
高壓系統(tǒng)諧振過(guò)電壓是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的過(guò)電壓之一，是由于變電站倒閘操縱引起的，實(shí)在質(zhì)就是電磁式電壓互感器勵(lì)磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。發(fā)生鐵磁諧振事件，不但對(duì)大量電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)危害，還嚴(yán)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(guò)電壓是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的過(guò)電壓之一，是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中最常見(jiàn)，且造成事故最多的一種內(nèi)部過(guò)電壓。而在中性點(diǎn)有效接地的高壓系統(tǒng)中，由于中性點(diǎn)電位基本固定，該類過(guò)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(jiàn)的就是在變電站倒閘操縱過(guò)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(gòu)成的串聯(lián)諧振回路，由于變電站倒閘操縱引起的操縱過(guò)電壓作用，電磁式電壓互感器勵(lì)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(chǎn)生的有效接地系統(tǒng)的諧振過(guò)電壓如：2000年5月20日18時(shí)25分，某局某站220kV #2母線電壓互感器，在進(jìn)行對(duì)#2母線送電操縱過(guò)程中，發(fā)生爆炸事故；2001年3月13日某220kV某站，在運(yùn)行方式由雙母線并列運(yùn)行轉(zhuǎn)為Ⅱ母線單母線運(yùn)行中，值班員進(jìn)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(yùn)行中，12時(shí)52分由于110kV乙母線單相接地，110kV母差保護(hù)動(dòng)作切除乙母線的過(guò)程中，觸發(fā)乙母線PT鐵磁諧振過(guò)電壓； 2001年4月15日，某220kV某站在進(jìn)行變電站送電操縱過(guò)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(guò)電壓的過(guò)程，主要有以下兩種情況：
①投空母線開(kāi)關(guān)操縱前，合被投母線側(cè)刀閘引起的諧振過(guò)電壓；
②切空母線開(kāi)關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)激發(fā)的諧振過(guò)電壓。 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表|
它們主要的共同特點(diǎn)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(guò)電壓的有效值，當(dāng)關(guān)合充電斷路器的瞬間，諧振立即消失，母線電壓恢復(fù)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(guò)電壓可能對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)的危害，特別是某局某站220kV #2母線電壓互感器由于長(zhǎng)時(shí)間諧振，電壓互感器長(zhǎng)時(shí)間承受過(guò)電壓及過(guò)負(fù)荷，導(dǎo)致爆炸，不但對(duì)大量電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)危害，還嚴(yán)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(guò)電壓，進(jìn)一步探討一下高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)電壓。有電感和電容原件向串聯(lián)可以構(gòu)成一個(gè)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(duì)于復(fù)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(jìn)行開(kāi)關(guān)操縱時(shí)，由于瞬變過(guò)程波形會(huì)引起某種變化，非正選的電源波形含有一系列的諧波。當(dāng)電路中的自振頻率之一與電源諧波之一正好相等時(shí)，就出現(xiàn)這一頻率的諧振過(guò)電壓。
諧振是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，諧振過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間可能很長(zhǎng)，因此，這種過(guò)電壓一旦發(fā)生，往往造成嚴(yán)重的后果。

高次諧波表HWT-300

諧波測(cè)試儀HWT-1000

高次諧波檢測(cè)儀HWT-301
3.1線性諧振過(guò)電壓 
線性諧振市電力系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的一種諧振形式，其特點(diǎn)是電感和電容都為恒定的常數(shù)，當(dāng)電源中某次的諧振的頻率正好與電路的自振頻率相等時(shí)，假如電阻為零，則諧振時(shí)電流為無(wú)窮大，電壓也為無(wú)窮大。實(shí)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(guò)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(guò)電壓，但是過(guò)電壓的數(shù)值較小。通過(guò)典型的實(shí)例計(jì)算證實(shí)，當(dāng)電源諧波頻率小于0.7f0或大于1.25f0 時(shí)，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(guò)電壓的一個(gè)特點(diǎn)。
3.2鐵磁諧振過(guò)電壓
鐵磁諧振過(guò)電壓的特點(diǎn)：在正常運(yùn)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(zhuǎn)，引起鐵磁諧振，當(dāng)上述諧振現(xiàn)象的頻率即是工頻時(shí)，稱為基波諧振過(guò)電壓。其他還有高磁諧波諧振和分次諧波諧振，下面舉例說(shuō)明：設(shè)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。△u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(shì)平衡條件應(yīng)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(shí)，電路工作在a1點(diǎn)，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(dāng)電源電壓E小于△u曲線部分的最高點(diǎn)U`時(shí)，電路是穩(wěn)定的。即使電源有某種程度的波動(dòng)，仍可回到工作點(diǎn)a1。但當(dāng)電源電壓瞬間超過(guò)U`時(shí)，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(lái)越大于電路的總電壓降△u，使電流迅速增大。直到電流達(dá)到I2，在新的工作點(diǎn)a2重新穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)無(wú)論是電容上的壓降UC（I）或電感上的壓降UL（I）都大大超過(guò)電源電壓。全電路從原來(lái)的呈現(xiàn)感性變?yōu)槌扇菪浴?
從上面的分析知，線形諧振時(shí)過(guò)電壓趨向無(wú)窮大，而鐵磁諧振時(shí)過(guò)電壓有某一固定的數(shù)值，這個(gè)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(shí)踐證實(shí)，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(guò)電壓；若諧振頻率即是工頻的分?jǐn)?shù)倍，則稱為分次諧波諧振過(guò)電壓。
上述發(fā)生的高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)電壓多為分頻諧振過(guò)電壓，對(duì)分頻諧振，其母線上諧振過(guò)電壓水平將由母線PT的勵(lì)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(guò)電壓多采用電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析以為，JCC5-220型電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，其分頻諧振過(guò)電壓一般不超過(guò)1.5P.u.。。而JDCF-220W1型電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，由于其大大改善了電磁式電壓互感器的勵(lì)磁飽和特性，進(jìn)步了其線性范圍，使其分頻諧振過(guò)電壓將可能超1.5P.u.，但一般也不超過(guò)2P.u.。對(duì)220 kV等級(jí)的電氣設(shè)備最高運(yùn)行相電壓為146kV，2P.u.的過(guò)電壓水平相當(dāng)于292 kV，而220 kV等級(jí)的電氣設(shè)備短時(shí)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(shí)間內(nèi)（1min）并不對(duì)一次電氣設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重危害。 
但當(dāng)PT在諧振期間工作在嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，達(dá)PT額定電流的數(shù)十倍的負(fù)荷電流，將使PT發(fā)出異常聲響，該嚴(yán)重的過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象假如持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使電磁式電壓互感器內(nèi)部嚴(yán)重過(guò)熱，內(nèi)部盡緣材料因過(guò)熱而嚴(yán)重老化，設(shè)備盡緣水平嚴(yán)重下降，在前面分析的鐵磁諧振過(guò)電壓作用下，將導(dǎo)致?lián)舸�，甚至設(shè)備爆炸。因此，高壓系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)電壓對(duì)電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備帶來(lái)更大危害，應(yīng)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(guò)電壓在各站已多次發(fā)生，其諧振過(guò)電壓的激發(fā)是具有隨機(jī)性的，嚴(yán)重時(shí)，母線PT損壞，甚至導(dǎo)致PT爆炸，危及二次保護(hù)設(shè)備及一次PT四周設(shè)備。必須對(duì)類似事故有一個(gè)清醒的熟悉，提出反措如下： 
4.1嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度規(guī)程
在運(yùn)行方式上和倒閘操縱過(guò)程中，防止斷路器斷口電容器與空載母線及母線PT構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，以防止因諧振過(guò)電壓損壞設(shè)備。它包括兩個(gè)方面：
①應(yīng)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(duì)帶電磁式電壓互感器的空載母線進(jìn)行合閘操縱。 
具體可采用下述方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：在切空母線時(shí)，先拉開(kāi)電壓互感器，對(duì)母線斷電；在投空母線時(shí)，先斷開(kāi)被送電母線PT，對(duì)母線送電，再合母線電壓互感器。 
4.2避免操縱過(guò)電壓
在進(jìn)行投切空母線操縱時(shí)，加強(qiáng)母線電壓監(jiān)測(cè)，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，應(yīng)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(diǎn)
增加母線對(duì)地電容或減少系統(tǒng)中電壓互感器壓中性點(diǎn)接地臺(tái)數(shù)，即增大母線的對(duì)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(guò)電壓，如：在變電站基建設(shè)計(jì)時(shí)，采用電容式電壓互感器。在進(jìn)行變電站更換電壓互感器時(shí)，也應(yīng)盡量選取電容式電壓互感器。 
4.4繼電保護(hù)
針對(duì)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(hù)動(dòng)作，母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳閘后，假如主變開(kāi)關(guān)先于線路開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將不會(huì)引發(fā)諧振。因此，建議將只帶一條出線（線路開(kāi)關(guān)動(dòng)作搶在主變開(kāi)關(guān)前動(dòng)作的可能性較大），同時(shí)該出線為不帶電源的負(fù)載線路時(shí)，母線母差保護(hù)動(dòng)作次序調(diào)整為：母聯(lián)開(kāi)關(guān)首先開(kāi)斷后，先跳主變開(kāi)關(guān)，再跳出線開(kāi)關(guān)。 
4.5職員培訓(xùn)
加強(qiáng)對(duì)變電運(yùn)行職員的培訓(xùn)，把握了解一些系統(tǒng)過(guò)電壓產(chǎn)生的條件及特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)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(duì)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(shí)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(qiáng)對(duì)運(yùn)行職員的培訓(xùn)，把握了解一些系統(tǒng)過(guò)電壓產(chǎn)生的條件及特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)采取正確的措施，將是非常必要的。