220kv變電站空母線鐵磁諧振的分析

摘要：電力系統(tǒng)中由電磁式電壓互感器（以下簡稱壓變）非線性引起的鐵磁諧振，其持續(xù)時間一般較長，如不采取有效的消除措施，常常會長期自保持，從而引起壓變因長時間過勵磁而燒損，甚至還會誘發(fā)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電力系統(tǒng)事故。本文結(jié)合電力系統(tǒng)中發(fā)生的變電站空母線鐵磁諧振事故，闡述了此類鐵磁諧振的機(jī)理、特征，綜合評價了國內(nèi)常見的幾項消諧措施（裝置），提出了在變電站倒閘操作中防止和消除空母線鐵磁諧振的具體操作步驟和有關(guān)注意事項。

關(guān)鍵詞：220kV變電站;空母線;鐵磁諧振

引言

220kV變電站空載母線在非正常運(yùn)行方式下發(fā)生諧振，諧振波可能具有正序、零序及負(fù)序性質(zhì)。在這里所說的非正常運(yùn)行方式，是指變電站空載母線與中性點(diǎn)直接接地的電源系統(tǒng)之間僅通過斷路器的斷口均壓電容器進(jìn)行弱連接。220kV變電站空載母線諧振在電力系統(tǒng)中不多見，且消除變電站空母線諧振的措施（裝置）還處在探索的初級階段。

一、220kV變電站空母線鐵磁諧振的機(jī)理及特征

1.事故案例

某變電站220kVⅠ母上原有三臺JCC2-220型壓變，09年8月20日在220kVⅠ母部分設(shè)備試運(yùn)行過程中，將試運(yùn)行空開關(guān)倒Ⅱ母，對Ⅱ母電壓母差回路進(jìn)行檢查（Ⅰ母為帶壓變的空載母線），在母差試驗跳母聯(lián)開關(guān)（LW7-220）時，激發(fā)產(chǎn)生了三相基頻諧振，發(fā)現(xiàn)Ⅰ母零序電壓繼電器燒壞，Ⅰ母電壓（UAB、UBC、UAC）指示表頂表（滿量程為300kV，超過額定電壓的1.36倍以上），Ⅰ母壓變?nèi)嗦曧懏惓?，A相最為嚴(yán)重，諧振持續(xù)了15分鐘，直至三相壓變?nèi)繜龘p（其中A相炸裂），全站失壓（除母聯(lián)開關(guān)和試運(yùn)行的空開關(guān)外，其它220kV出線開關(guān)母差保護(hù)出口壓板已退出）。

2.諧振機(jī)理分析

在某些中性點(diǎn)直接接地的110kV～220kV電網(wǎng)中的變電站空母線上的諧振回路，由斷路器的斷口K1的均壓電容C1和母線電磁式壓變的鐵芯電感L構(gòu)成，當(dāng)?shù)堕lK2處于閉合狀態(tài)下打開K1，或K1處于開路狀態(tài)下閉合K2，均將形成諧振回路。其中C2為線對地電容，C12為相間電容。由于C12相對較小，予以忽略。于是，形成各相獨(dú)立的諧振回路。

3.諧振特征

綜合電力系統(tǒng)中發(fā)生的空母線鐵磁諧振事故，對110kV～220kV變電站空母線諧振特征可歸納如下：

（1）由于三相諧振電路各自獨(dú)立，因而諧振可在一相中產(chǎn)生，亦可在兩相或三相中同時產(chǎn)生。

（2）諧振現(xiàn)象僅局限于變電站內(nèi)，對電源系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。

（3）諧振波主頻率，最常見的是基波、1/3次分頻;其次為1/5次分頻和1/2次分頻。

（4）非諧振相的相電壓為工頻耦合電壓，是由開關(guān)斷口電容耦合產(chǎn)生的，其值取決于母線對地雜散電容、壓變激磁電感和斷口電容三參數(shù)，一般為0.2～0.6pu;諧振相相電壓則為工頻耦合電壓與諧振波電壓的迭加。由于鐵芯過飽和的緣故，諧振相相電壓中一般都含有相當(dāng)豐富的高次諧波分量，因而造成諧振相電壓波形的嚴(yán)重畸變。

（5）除在相基頻諧振時電壓相序僅具有零序性質(zhì)外，所有其它頻率的諧振波都具有零序、正序和負(fù)序分量。

（6）諧振相電壓的穩(wěn)態(tài)值同諧振頻率有關(guān)?；l諧振相電壓的穩(wěn)態(tài)值為最高，可達(dá)正常運(yùn)行相電壓的1.8pu以上，而其它頻率的諧振相電壓穩(wěn)態(tài)值都低于系統(tǒng)正常相電壓，而且隨著諧振頻率的降低，其穩(wěn)態(tài)值幾乎成正比下降，實測結(jié)果表明，1/2次、1/3次、1/5次分頻諧振電壓分別為0.9、0.6、0.4pu左右。這就是說，只有基頻諧振時才出現(xiàn)持續(xù)過電壓現(xiàn)象，其它頻率的諧振都不會導(dǎo)致持續(xù)過電壓，而且激發(fā)暫態(tài)過電壓幅值也不高。

（7）諧振相壓變的電流，不論其頻率如何，都呈尖頂狀，且其幅值幾乎相同，說明諧振時鐵芯都進(jìn)入相近的過飽和程度。但諧振電流的有效值是不同的。諧振頻率越高，壓變的電流有效值越大，對壓變熱穩(wěn)定的破壞作用就越嚴(yán)重。

（8）線電壓值同諧振相數(shù)有關(guān)，亦同諧振波頻率有關(guān)，一般情況下它不等于系統(tǒng)的正常線電壓，且三個線電壓之間亦不等。

（9）操作開關(guān)或刀閘時是否會激發(fā)產(chǎn)生諧振以及產(chǎn)生何種頻率的諧振，往往是隨機(jī)的，不同相可能同時產(chǎn)生不同頻率的諧振，還可能從一種頻率的諧振自動滑向另一種頻率的諧振。

二、國內(nèi)常見的幾項消諧措施（裝置）的綜合評價

我國迄今為止消除220kV變電站鐵磁諧振的幾項常見措施（裝置）。這些措施（裝置）所反映的消諧思路可歸納為三方面：一是避開或從根本上消除諧振產(chǎn)生的條件;二是通過改變諧振回路參數(shù)，破壞諧振條件;三是通過吸收與消耗諧振暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)時的能量，以抑制諧振的產(chǎn)生，或使其受阻尼而消失。

1改變正常操作程序，停母線時，先停母線上的壓變;母線恢復(fù)送電時，先對空母線充電，后投入壓變。這是我國當(dāng)前較普遍采用的一項措施。當(dāng)母線按計劃進(jìn)行停、送電操作時，可避開產(chǎn)生諧振的條件"違反了母線停、送電的正常的操作程序，增加了本不需要的額外操作，可能由此而引發(fā)不良后果;當(dāng)系統(tǒng)故障而導(dǎo)致空母線運(yùn)行時，有引發(fā)諧振的可能。無人值班變電站不宜采用此方案

2改用電容式壓變，即CVT。從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件。需巨額資金，帶負(fù)載能力差。二次側(cè)仍存在鐵磁諧振問題，需采取消諧措施。新建變電所可考慮此方案。對運(yùn)行中的PT不推薦改CVT。

3取消C從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件。使斷路器開斷容量降低70%左右。不推薦

4"增大C2，具體做法是在母線上投一段空線路。比較簡單、方便。不是所有變電站都具備此條件。視變電站具體條件。

5在壓變二次側(cè)瞬時接入約為0.05Ω的電阻。可消除基頻諧振"對阻尼電阻進(jìn)行投切的控制系統(tǒng)較復(fù)雜"應(yīng)將消除其它頻率的諧振波的功能一并加以考慮。

6穩(wěn)壓消諧。在PT次級三相繞組的端部接入穩(wěn)壓電路，即經(jīng)三相全波整流電路接入大容量電解電容器，使得端部電壓被強(qiáng)制地限制到額定電壓水平，這樣暫態(tài)過程中磁通的幅值將被抑制。激發(fā)起來的諧振能量將被該支路吸收，諧振也就消失。對幅值較高的基頻諧振可能比較有效。對幅值較低的1/3、1/5及1/2次分頻諧振往往難以起到削波作用，因為電解電容在諧振激發(fā)前已被系統(tǒng)電源充電至81.6V，高于1/3、1/5及1/2次分頻諧振電壓的幅值，因而，起不到隨后的削波作用。尚需經(jīng)更多變電站的運(yùn)行考驗。

7"消諧裝置在壓變開口三角回路中接入WNX—220型微電腦多功能消諧裝置，該裝置能自動消除基頻和1/2、1/3、1/5次分頻諧振。并能記錄諧振頻率、次數(shù)供分析用。簡便、經(jīng)濟(jì)"需在壓變開三角繞組回路中增加一根輔助連線。尚需經(jīng)更多變電站的運(yùn)行考驗，以便積累更多運(yùn)行經(jīng)驗。

三、倒閘操作中防止和220kV空母線鐵磁諧振措施

1、用220KV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)（如SW6-220、SW7-220、LW6-220、LW7-220等）對帶電磁式電壓互感器的空母線充電時，為防止合上兩側(cè)刀閘后因斷開電容的耦合作用有可能與空母線電磁PT產(chǎn)生串聯(lián)諧振，應(yīng)先合上開關(guān)，后合PT刀閘。如屬新安裝的電磁式式電壓互感器投產(chǎn)，在編寫試運(yùn)行方案時，應(yīng)考慮帶空線路開關(guān)充空線PT。

2、用220KV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)切除（含保護(hù)整組傳動聯(lián)跳）帶電磁式電壓互感器的空母線時，應(yīng)先拉PT刀閘，再拉（跳）開關(guān)。

3、如在系統(tǒng)運(yùn)行方式和倒閘操作過程中出現(xiàn)了開關(guān)斷口電容與空母線電磁式PT造成的串聯(lián)諧振，變電值班人員應(yīng)根據(jù)空母線電壓表指示、故障錄波圖、PT音響、PT膨脹器是否膨脹等進(jìn)行綜合分析后，迅速作出判斷，立即采取措施破壞諧振條件。不管是合開關(guān)前出現(xiàn)的諧振過電壓，還是拉開關(guān)后出現(xiàn)的諧振過電壓，最直接有效的辦法是迅即合上主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。如上述措施無法實現(xiàn)時，應(yīng)迅速匯報調(diào)度，合上備用線路開關(guān)。

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