配電系統(tǒng)鐵磁諧振分析

陳昌鵬，朱 松

(1.大連電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116011;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

鐵磁諧振是由系統(tǒng)中鐵心電感元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統(tǒng)中電容元件，如輸電線路、補(bǔ)償電容器等形成諧振條件激發(fā)產(chǎn)生的持續(xù)的諧振過(guò)電壓。電力系統(tǒng)中由電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過(guò)電壓分為兩大類:一類是在66 kV及以下中性點(diǎn)絕緣電網(wǎng)中，由電壓互感器對(duì)地感抗與線路對(duì)地容抗構(gòu)成諧振條件，在系統(tǒng)電壓擾動(dòng)作用下 (如遭受雷擊、單相接地故障、系統(tǒng)操作等)被激發(fā)而產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象;另一類是發(fā)生在220 kV(或110 kV)變電站空載母線上，在操作帶有斷口均壓電容高壓斷路器過(guò)程中，由斷路器斷口均壓電容與空載母線電壓互感器電感耦合產(chǎn)生的串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

1 鐵磁諧振原理

鐵磁諧振沒(méi)有固定的諧振頻率，由于鐵心電感元件具有非線性特性，鐵磁諧振既可能是等于電源頻率的基波諧振，也可能是高次諧波 (如2次、3次等)或分次諧波 (如1/2次、1/3次等)諧振。

圖1為系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的由帶鐵心電感L、電容C與電源E組成的零序串聯(lián)回路，忽略回路電阻R，可以采用圖解法求解此電路。圖中Uc為系統(tǒng)電容電壓，UL為系統(tǒng)電感電壓，I為回路工作電流，E為系統(tǒng)電源電壓，Um為回路諧振電壓限值。

回路中電壓方程式為

E=ΔU(I) =|UL(I) －Uc(I) |

圖2表示UL－I、Uc－I關(guān)系的伏安特性曲線。從圖中可以看出，Uc－I是一條斜直線，UL－I是一條具有鐵磁飽和特性的曲線，它們相交于k點(diǎn)，即該回路理論上諧振點(diǎn)。圖中同時(shí)畫出ΔU－I關(guān)系的伏安特性曲線，E直線相交于 a1，a2，a33點(diǎn)，此時(shí)E=Δu，該3點(diǎn)為電路的平衡點(diǎn)。如果電源E沒(méi)有足夠大波動(dòng)，電路應(yīng)穩(wěn)定工作在a1點(diǎn)，此時(shí) UL1＞Uc1，即 ωL＞1/ωC，電路呈感性狀態(tài)，回路電流I1較小，電路處于非諧振狀態(tài)。

66 kV及以下配電系統(tǒng)中性點(diǎn)大多采用不接地運(yùn)行方式，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地容抗及母線電壓互感器對(duì)地感抗三相一致，中性點(diǎn)電壓近似等于零。當(dāng)系統(tǒng)因斷線、雷擊或其它原因產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，接地相對(duì)地電壓降至零，而非故障相對(duì)地電壓上升導(dǎo)致中性點(diǎn)產(chǎn)生相電壓E。如圖2所示，系統(tǒng)零序回路理應(yīng)工作在穩(wěn)定點(diǎn)a1，但是，當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓E因暫態(tài)過(guò)程，瞬間波動(dòng)大于諧振電壓限值Um時(shí)，工作點(diǎn)會(huì)越過(guò)ΔU－I曲線最高點(diǎn)達(dá)到a2點(diǎn)，a2點(diǎn)并不是穩(wěn)定點(diǎn)，工作點(diǎn)會(huì)繼續(xù)躍變到新的穩(wěn)定點(diǎn)a3［1］，此時(shí)零序回路電流I3很大，且電壓UL3和Uc3都很高，電路處于諧振狀態(tài)。由于UL3＜Uc3，即ωL＜1/ωC，電路呈容性狀態(tài)。

2 鐵磁諧振振蕩區(qū)域

H.A．Peterson和H.S.Shott研究各次諧波振蕩產(chǎn)生條件，根據(jù)典型TV勵(lì)磁特性曲線繪出諧波振蕩區(qū)域曲線圖 (見圖3)。其中Xc0=1/ωC0，是系統(tǒng)單相對(duì)地容抗;Xm是母線電壓互感器單相繞組在額定線電壓作用下的對(duì)地勵(lì)磁電抗;Ex是電壓互感器諧振前運(yùn)行相電壓;是電壓互感器銘牌線電壓。

由圖3顯示，隨著Xc0/Xm比值增大，依次發(fā)生1/2次諧波、基波和3次諧波諧振，同時(shí)各次諧波諧振區(qū)所需的最低臨界電壓也在逐漸增大。當(dāng)Xc0/Xm比值小于0.01或遠(yuǎn)大于1時(shí)，便消除了產(chǎn)生鐵磁諧振的條件。

3 各次諧波振蕩特性

由H.A.Peterson曲線可以看出，1/2次諧波諧振區(qū)所需臨界電壓最低，配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)生幾率最大;基波諧振區(qū)所需臨界電壓相對(duì)較高，配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)生幾率較大;3次諧振區(qū)所需臨界電壓最高，配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)生幾率小。

圖4表示1/2次諧振區(qū)伏安特性曲線，系統(tǒng)容抗增大一倍，相應(yīng)電容電壓也增大;系統(tǒng)感抗減小一半，相應(yīng)電感電壓也減小，電壓互感器易于運(yùn)行在飽和狀態(tài)。圖中諧振臨界電壓很低，一旦構(gòu)成諧振條件，產(chǎn)生低頻零序電壓，回路實(shí)際便工作在容性狀態(tài)。伴隨電壓互感器鐵磁飽和程度不同，相對(duì)地回路電壓互感器勵(lì)磁電流變得很大，甚至達(dá)到額定勵(lì)磁電流幾十倍，造成高壓熔絲熔斷或互感器燒損。此時(shí)，由于受鐵磁飽和程度的影響，線路上的諧振過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)2倍額定電壓。圖5表示3次諧振區(qū)伏安特性曲線，系統(tǒng)容抗減小至1/3倍，相應(yīng)電容電壓也減小;系統(tǒng)感抗增大至3倍，相應(yīng)電感電壓也增大，電壓互感器不易于運(yùn)行在飽和狀態(tài)。圖5中諧振臨界電壓很高，即便產(chǎn)生高頻零序電壓，回路實(shí)際工作在感性狀態(tài)，回路不可能產(chǎn)生持久的諧振。圖2為表示基波諧振區(qū)伏安特性曲線，由于電壓互感器鐵磁飽和程度有限，相對(duì)地回路電壓互感器勵(lì)磁電流增大有限，此時(shí)，線路上的諧振過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)3倍額定電壓。

4 典型事例

4.1 事故過(guò)程

2007年10月18日，220 kV紅旗堡變電站66 kV 1、2號(hào)電容器保護(hù)同時(shí)動(dòng)作跳閘，1號(hào)主變主二次電壓互感器A、C相爆炸并引起主變跳閘事故。變電站當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行接線圖見圖6，1號(hào)主二次在66 kV東母帶鞍寶一線、1號(hào)電容器、2號(hào)電容器并經(jīng)母聯(lián)斷路器代西母鞍劉線、鞍寶二線運(yùn)行，西母接一組母線電壓互感器，1號(hào)主二次間隔接一組計(jì)量專用電壓互感器。

事故起始紅旗堡變1、2號(hào)電容器斷路器同時(shí)跳閘，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，鞍寶一、二線及鞍劉線裝置異常，66 kV西母電壓為A相58 kV、B相58 kV、C相20 kV。當(dāng)時(shí)持續(xù)雷雨天氣，且雨量較大?，F(xiàn)場(chǎng)檢查66 kV西母電壓互感器C相噴油，繼電保護(hù)電壓并列屏電壓端子排燒損，計(jì)量電能表電壓端子排燒損，燒損情況見圖7。事故處理當(dāng)時(shí)認(rèn)為是非有效系統(tǒng)單相接地，并拉開鞍劉線斷路器，進(jìn)行接地檢除，接地現(xiàn)象并未消失，鞍寶一、二線由于負(fù)荷重要，不宜進(jìn)行接地檢除操作。進(jìn)一步分析認(rèn)為這種現(xiàn)象很可能是西母電壓互感器C相內(nèi)部故障接地，應(yīng)先將故障電壓互感器隔離。調(diào)度決定將紅旗堡變西母負(fù)荷改由東母代送，西母故障電壓互感器停電，隔離故障設(shè)備，并判明接地故障是否由電壓互感器引起。當(dāng)將鞍劉線、鞍寶二線由西母改東母運(yùn)行，拉開66 kV母聯(lián)斷路器時(shí)，1號(hào)主變主二次間隔電壓互感器二次空氣開關(guān)跳閘，接著1號(hào)主變主一次、主二次斷路器跳閘，1號(hào)主變差動(dòng)速斷，比率差動(dòng)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，1號(hào)主變主二次電壓互感器A、C相爆炸，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖8。

圖6 220 kV紅旗堡變電站系統(tǒng)運(yùn)行接線圖

4.2 事故原因

66 kV電網(wǎng)當(dāng)時(shí)運(yùn)行為中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，未采取消弧線圈補(bǔ)償及任何消諧措施，事故起始，根據(jù)紅旗堡變1、2號(hào)電容器過(guò)電壓保持動(dòng)作，斷路器跳閘及其它現(xiàn)象，66 kV西母電壓顯示:A相58 kV、B相58 kV、C相20 kV。由此判斷，66 kV電網(wǎng)應(yīng)發(fā)生單相接地故障，或者是發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。在單相接地檢測(cè)無(wú)果的情況下，簡(jiǎn)單認(rèn)為是66 kV西母電壓互感器C相內(nèi)部故障接地，而將66 kV西母電壓互感器切除，是本次事故擴(kuò)大的根本原因。

事后檢查未發(fā)現(xiàn)66 kV電網(wǎng)單相接地故障，由此判斷，受當(dāng)時(shí)雷雨特殊氣象條件激發(fā)，66 kV電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象可能性較大。事故初始，沒(méi)有明顯過(guò)電流跡象，可以認(rèn)為屬于基波諧振。當(dāng)將66 kV西母電壓互感器切除時(shí)，由于66 kV電網(wǎng)主二次并有另一組電壓互感器，66 kV電網(wǎng)電壓互感器單相繞組在額定線電壓作用下對(duì)地勵(lì)磁電抗Xm變大，系統(tǒng)Xc0/Xm比值變小，根據(jù)H.A.Peterson試驗(yàn)曲線，諧振區(qū)域?qū)⒂苫ㄖC振過(guò)渡到1/2次諧波諧振，此時(shí)電網(wǎng)主二次電壓互感器勵(lì)磁電流急劇增大，直接導(dǎo)致1號(hào)主變主二次電壓互感器二次空氣開關(guān)跳閘，接著1號(hào)主變主一次、主二次斷路器跳閘，1號(hào)主變差動(dòng)速斷，比率差動(dòng)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，1號(hào)主變主二次電壓互感器A、C相爆炸。

5 鐵磁諧振防范措施

a． 變電站66 kV及各級(jí)電壓配電系統(tǒng)應(yīng)安裝故障錄波器，記錄事故電壓波形，故障發(fā)生時(shí)，可以正確判斷事故性質(zhì)，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地處理事故，防止事故擴(kuò)大。

b． 各級(jí)供電公司及相關(guān)調(diào)度部門應(yīng)加強(qiáng)培訓(xùn)中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)鐵磁諧振防范和處理措施，做到準(zhǔn)確及時(shí)地處理相關(guān)事故。

c． 66 kV及各級(jí)電壓中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)，應(yīng)保證消弧線圈有效投入運(yùn)行，消弧線圈可以有效短路系統(tǒng)電壓互感器對(duì)地勵(lì)磁電抗，避免諧振發(fā)生。

d． 66 kV配電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行電容電流，合理配置消弧線圈補(bǔ)償，以大連地區(qū)為例，近年來(lái)伴隨大量電纜線路投入運(yùn)行，系統(tǒng)電容電流逐年增大，66 kV系統(tǒng)僅在220 kV變電站66 kV母線一處配置消弧線圈補(bǔ)償不盡合理，一是消弧線圈容量過(guò)大，二是有載開關(guān)最小調(diào)容僅為額定容量一半，致使消弧線圈不能有效跟蹤補(bǔ)償，更有可能造成消弧線圈脫離系統(tǒng)運(yùn)行。

e． 10 kV配電網(wǎng)伴隨系統(tǒng)電容電流逐年增大，應(yīng)加快中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)改造的試點(diǎn)和推廣工作。

f． 66 kV及各級(jí)電壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)小電流接地系統(tǒng)應(yīng)安裝鐵磁諧振消諧阻尼設(shè)備。

g． 66 kV及各級(jí)電壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)小電流接地系統(tǒng)應(yīng)盡量減少計(jì)量電壓互感器配置，220 kV紅旗堡變電站主二次電壓互感器配置明顯不合理，且在主變差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，造成事故極端擴(kuò)大。計(jì)量和監(jiān)測(cè)電壓互感器可以合并采用母線電壓互感器。

h． 電壓互感器應(yīng)選用勵(lì)磁特性好，鐵心不易飽和型，提高諧振臨界電壓值。

i． 66 kV及各級(jí)電壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，應(yīng)盡量使電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)Xc0/Xm比值脫離諧振區(qū)域。

［1］ 李書碩，馬成九．6 kV系統(tǒng)電磁式電壓互感器引起的諧振過(guò)電壓及其防范措施［J］．東北電力技術(shù)，2011，32(4):39－43.