電網(wǎng)諧振過電壓的預(yù)防與限制方法研究

耿煒龍

摘要：當(dāng)前，在我國電力系統(tǒng)中，電廠、變電站因為過電壓導(dǎo)致的故障和事故數(shù)量很多，尤其是諧振過電壓時有發(fā)生，對設(shè)備甚至整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行影響較大。有鑒于此，分析其產(chǎn)生的原因，找出問題，提出防治措施很有必要。

關(guān)鍵詞：鐵磁諧振過電壓;電壓互感器;鐵芯飽和;防范措施

目前，我國電力系統(tǒng)電壓等級多，35kV及以下配電網(wǎng)大部分采取中性點不接地運行方式，部分采取經(jīng)消弧線圈接地;110kV及以上配電網(wǎng)采取中性點直接接地運行方式。過電壓種類多，主要有諧振過電壓、雷電過電壓和操作過電壓;其中諧振過電壓較常見，作用時間長、次數(shù)頻繁、危害大，須采取措施加以遏制。

一、諧振過電壓產(chǎn)生原因

電網(wǎng)實際運行中，正常運行時，中性點不接地系統(tǒng)電壓互感器鐵芯飽和易引起諧振過電壓;中性點不接地運行方式發(fā)生單相故障也可引起諧振過電壓。運維人員操作或事故處理方法不當(dāng)亦會產(chǎn)生諧振過電壓。另外設(shè)備設(shè)計選型、參數(shù)不匹配也是諧振過電壓產(chǎn)生直接原因。

（1）外部過電壓。外部過電壓又叫大氣過電壓。是由于直擊雷、感應(yīng)雷以及入侵雷電波引起的過電壓。

（2）內(nèi)部過電壓。內(nèi)部過電壓是因拉、合閘操作或事故等原因，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生突然變化，在從一個穩(wěn)態(tài)向另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程中，系統(tǒng)內(nèi)電磁能的振蕩和積聚引起的電壓升高的過電壓。內(nèi)部過電壓分為下面兩種：第一，暫態(tài)過電壓。主要由長線電容效應(yīng)、不對稱接地故障和甩負荷引起的分工頻過電壓和線性諧振、鐵磁諧振和參數(shù)諧振引起的諧振過電壓。第二，操作過電壓。主要由切除空載線路、空載線路合閘、系統(tǒng)解列和電弧接地、切空載變壓器引起的過電壓。

二、分頻諧振、高頻諧振、基頻諧振及產(chǎn)生的現(xiàn)象

電力系統(tǒng)發(fā)生不同頻率的諧振，與電力系統(tǒng)中導(dǎo)線對地分布電容的容抗Xco和電壓互感器并聯(lián)運行的綜合電感的感抗值Xm有關(guān)。

2.1分頻諧振

當(dāng)Xco/Xm的比值較小，發(fā)生的諧振是分頻諧振。因為在這種情況下，電容比較大，則電容、電感振蕩時的能量交換的時間較長，如果在1s之內(nèi)能量交換次數(shù)是電源頻率的分數(shù)倍，如為50Hz的1/2（25Hz）、1/3（17Hz）、1/4（12.5Hz）等，這種頻率的諧振稱為分頻諧振。分頻諧振的表面現(xiàn)象：（1）過電壓倍數(shù)較低，一般不超過2.5倍的相電壓。（2）三相電壓表的指示數(shù)同時升高，而且有周期性的擺動，線電壓的指示數(shù)基本不變。

2.2高頻諧振

當(dāng)Xco/Xm的比值較大，發(fā)生的諧振是高頻諧振。因為這時對地電容值相對較小，則電容、電感振蕩時的能量交換的時間就短，如果在1s之內(nèi)能量交換次數(shù)是電源頻率的整數(shù)倍，如為50Hz的3（150Hz）、5（250Hz）、7（350Hz）等，這種頻率的諧振稱為高頻諧振。高頻諧振的表面現(xiàn)象：（1）過電壓倍數(shù)較高，一般不超過5.1倍的相電壓。（2）三相電壓表的指示數(shù)同時升高，而且要比分頻諧振時高得多，線電壓的指示數(shù)和分頻諧振時相同。（3）諧振時過電流較小。

2.3基頻諧振

當(dāng)Xco/Xm的比值在分頻與高頻之間，接近50Hz時，則發(fā)生的諧振為基頻諧振。發(fā)生基頻諧振時，在1s之間電感、電容的能量交換次數(shù)正好和電源頻率相等或相近。基頻諧振的表面現(xiàn)象：（1）三相電壓表中兩相指示數(shù)升高，一相降低，線電壓基本不變。（2）諧振時，過電流很大，電壓互感器有響聲。（3）過電壓倍數(shù)一般不超過3.2倍的相電壓。（4）基頻諧振和系統(tǒng)單相接地時的現(xiàn)象相似（假接地現(xiàn)象）。

三、諧振過電壓

為滿足電網(wǎng)測量、保護需要，電力系統(tǒng)中配置大量電感電容元件，如：變壓器、互感器、電抗器等電感元件;并聯(lián)電容器、線路對地電容等電容元件。當(dāng)進行設(shè)備操作或系統(tǒng)故障時，電感電容元件易構(gòu)成振蕩回路，在一定條件下產(chǎn)生諧振，危及設(shè)備安全，影響保護可靠性。

3.1諧振過電壓的種類

（1）線性諧振過電壓。（2）鐵磁諧振過電壓。（3）參數(shù)諧振過電壓。

3.2諧振過電壓產(chǎn)生的原因

（1）線性諧振過電壓。諧振回路由不帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)中電容元件所產(chǎn)生。（2）鐵磁諧振過電壓。諧振回路由帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)的電容元件組成。因鐵芯電感元件的飽和現(xiàn)象，使回路的電感參數(shù)是非線性，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(chǎn)生鐵磁諧振。（3）鐵磁諧振過電壓。由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件和系統(tǒng)電容元件（如空載線路）組成回路，當(dāng)參數(shù)配合時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，造成參數(shù)諧振過電壓。

四、操作過電壓產(chǎn)生的原因

（1）切除空載線路時，過電壓的根源是產(chǎn)生電弧重燃.重燃矛盾的兩個方面是斷路器的滅弧能力和觸頭間恢復(fù)電壓，另一個影響過電壓的重要因素是線路上的殘余電壓。

2）空載線路的合閘過電壓是由于在合閘瞬間的暫態(tài)過程中，回路發(fā)生高頻震蕩造成的。

3）在中性點絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相金屬接地，將引起健全相的電壓升高到線路電壓。如果單相通過不穩(wěn)定的電弧接地，即接地的電弧間歇性的熄滅和重燃，則在電網(wǎng)健全相和故障相上都會產(chǎn)生過電壓，一般把這種過電壓成為電弧過電壓，它的產(chǎn)生實質(zhì)上也是一個高頻振蕩的過程。

4）切除空載變壓器引起的過電壓的原因是當(dāng)變壓器空載電流Io（電感電流）突變“切斷”時，變壓器繞組的磁場能量1/2LI2就將全部轉(zhuǎn)化為電場能量1/2CU2，即對變壓器等值電容充電，LTdi/dt可能達到很高的數(shù)值，這就是切除空載變壓器引起過電壓的實質(zhì)。同樣，切除電感負載如電動機、電抗器等時，有可能在初切除的電容器和斷路器上出現(xiàn)過電壓。

五、諧振過電壓限制措施

5.1選型設(shè)計

利用計算選取合適設(shè)備，免形成串聯(lián)諧振回路。開關(guān)取消斷口電容、分閘彈簧性能好、滅弧性能佳、分閘速度快等開關(guān);避雷器與電網(wǎng)匹配，以免構(gòu)成諧振回路。選擇勵磁特性好的PT、電容式PT或采用增大零序電容消諧。

5.2技術(shù)改進

（1）PT開口三角側(cè)加裝消諧燈泡或消諧器。

（2）PT開口三角繞組開口端裝非線性阻尼電阻。

（3）PT一次側(cè)中性點與地間串接L型消諧器。

（4）線路上加裝適當(dāng)容量的高壓電抗器。

5.3操作程序

（1）合理操作順序。

（2）采取投入消弧線圈、投入線路或設(shè)備臨時倒閘措施消諧。

（3）若負荷故障可采取選切負荷方法查找故障源。

（4）限制電網(wǎng)運行電壓并減少擾動、諧振時投空載線路改變系統(tǒng)運行、臨時拉開PT中性點消除諧振。

六、結(jié)語

電網(wǎng)多年運行可看出發(fā)生諧振過電壓頻率多、范圍廣、影響大，內(nèi)外因共同作用為諧振過電壓生產(chǎn)創(chuàng)造條件，外因是外部故障或進行設(shè)備操作，內(nèi)因是PT鐵芯易飽和及參數(shù)不匹配，故深入分析其特性，提出防振消振措施很必要。電網(wǎng)系統(tǒng)在利用先進技術(shù)、選取優(yōu)良設(shè)備、加強運維管理后，消除諧振過電壓，使電力系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定運行。

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