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通過對江口電站諧振過電壓事故淺析電網過電壓限制方法

【作  者】：李茫、江偉
【摘  要】：主要介紹電網發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、電網過電壓、自動調諧接地補償裝置

    江口電站10KV系統運行時間達到40天后，在投運一臺照明變壓器3分鐘后，計算機監控系統突然告警“10KV系統母線1、2、3段接地”，并告警復歸發出故障音響。隨即，“10KV系統母線2段接地”故障信號每1秒鐘持續告警、復歸，3分鐘后1、3段母線相繼出現接地告警信號，共歷時長達2小時，嚴重影響了系統正常運行，后經過運行人員檢查后發現，2、3段電壓互感器B相熔斷器熔斷，絕緣環氧樹脂受熱噴出，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生。

    一、電網過電壓產生的條件、特點和危害

    電力供電系統或者說在電力供電電網上，過電壓現象十分普遍。如果沒有防范措施，隨時都可能發生，也隨時都可以發現。引起電網過電壓的原因很多。主要可分為內部過電壓和雷電過電壓，內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，它在各級電網中都可能發生

    系統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、發電機、消弧線圈為電感元件，補償用的并聯或串聯電容器組，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，特定參數配合的回胳中會出現諧振現象，引起電壓的異常升高。

    諧振常屬于穩態現象，因此其持續時間比操作過電壓長得多，可以穩定地存在，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時間長，所以其危害也大、在電力系統中，諧振過電壓不僅危及電氣設備的絕緣，還可能產生持續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構的電力系統中會產生情況各異的諧振過電壓．但按其性質而言大致分為三種：

    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)和系統中的電容元件所引起的串聯諧振回路。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，即會產生強烈的諧振現象，導致元件上產生很高的過電壓。

    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,會產生鐵磁諧振。電力系統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的電容元件組合而成。

    3、參數諧振過電壓

    參數諧振過電壓是因為系統中的某些元件的參數在外力的作用下，發生周期性變化而誘發的。通常是由于電機旋轉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，形成過電壓。

    過電壓一旦發生，往往造成電氣設備的損壞和大面積的停電事故。電力生產運行的記載和事故分析表明，中低壓電網中過電壓事故大多數都是由諧振現象所引起的。由于諧振過電壓作用時間較長，所引起諧振現象的原因又很多，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生，在設計和操作電網設備時，應進行必要的估算和安排，以避免形成嚴重的串聯諧振回路；或采取適當的防止諧振的措施。

    三、對江口電站諧振過電壓的分析

    根據江口電站事故現象，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，從而誘發互感器內部產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中，常通過測量三相對地電壓來監視絕緣。為此，發、變電站母線上接有Y0接線的電磁式電壓互感器。于是，網絡對地參數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，網絡的等值電路如圖b示。

    正常運行時，ωL>1/ωC0網絡對地阻抗呈容性且三相基本平衡，電網中性點對地電位偏移很小。但是，當系統進行某些操作（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。

    這種過電壓表現為多種形式。若是基波諧振，可能出現兩相對地電壓很高，即形成“虛幻接地”現象，諧波諧振則導致三相電壓同時抬高；在分頻諧振時，出現相電壓以低頻（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。從江口事故現象來看，類似于基波和分頻諧振。

    四、電網諧振過電壓的限制方法

    在電力生產和電力運行的中低壓電網中，故障的形式和操作方式是多種多樣的，諧振性質也各不相同。因此，應該了解各種不同類型諧振的性質與特點，掌握其振蕩的性質和特點，制訂防振和消振的對策與措施。
目前，我國35kV及以下配電網，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。從電網的運行實踐證明，中性點不接地系統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，但隨著中低壓電網的擴大，出線回路數增多、線路增長，中低壓電網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生電弧過電壓，一般為3-5倍相電壓甚至更高，致使電網中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會發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由于結構的限制，只能運行在過補償狀態，不能處在全補償狀態，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。并需要手動調節分接頭，然而此時卻不能隨電網對地電容電流的變化及時將電壓調整到最佳的工作位置，影響功能發揮，也不適應電網無人值班變電所的需要。