35kV小電流接地系統(tǒng)中鐵磁諧振的危害及消除方法

引言

在電力系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性和運行方式的靈活性，易造成運行參數(shù)具有隨機性，促使系統(tǒng)參數(shù)變化，從而引起含有電感、電容元件的電網(wǎng)，電磁能量振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞而造成電網(wǎng)過電壓。鐵磁諧振過電壓的現(xiàn)象外部特征明顯，直接威脅電力系統(tǒng)安全運行。嚴(yán)重時會引起電壓互感器(PT)的爆炸,造成事故。必須采取有效的防范對策，保證系統(tǒng)和人身安全。

一、鐵磁諧振及過電壓產(chǎn)生的誘因

電力系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、運行方式靈活，運行參數(shù)具有隨機性，促使系統(tǒng)參數(shù)變化。系統(tǒng)中的電感、電容元件在系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障刺激下，形成各種振蕩回路,特別是變壓器、互感器等具有鐵芯和繞組的電氣設(shè)備在某種特定激勵作用下, 很容易因電磁耦合，產(chǎn)生串并聯(lián)諧振現(xiàn)象,導(dǎo)致嚴(yán)重的鐵磁諧振過電壓。例如：我局35kV十八里變電站發(fā)生故障，查閱當(dāng)天的運行值班記錄，10kV側(cè)的電壓為16.8kV，導(dǎo)致35kVPT燒毀。 據(jù)統(tǒng)計：35kV系統(tǒng)中鐵磁諧振過電壓占總故障的55%;10kV系統(tǒng)中鐵磁諧振過電壓占總故障的50%。而35kV及以下電網(wǎng)大部分采用中性點不接地方式運行，且由于35kV及以下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，受地理、環(huán)境、氣候、絕緣老化等因素的影響，發(fā)生故障的幾率較大，加之系統(tǒng)運行方式多變，操作頻繁，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的現(xiàn)象時有發(fā)生。

1、誘發(fā)電網(wǎng)鐵磁諧振過電壓的原因分析如下：

(1)故障發(fā)生后，強大的飽和電流流過具有鐵芯和繞組的電氣設(shè)備，由于暫態(tài)的電磁耦合，產(chǎn)生鐵磁諧振，形成鐵磁諧振過電壓。

(2)系統(tǒng)有各種運行方式，在不同的運行方式下，系統(tǒng)的阻抗、感抗和容抗也隨之發(fā)生變化，特定條件下，會引起系統(tǒng)諧振，然后過渡成鐵磁諧振，形成鐵磁諧振過電壓。

(3)在中性點不接地系統(tǒng)中，受操作或系統(tǒng)故障的刺激，會引起電壓互感器的電磁耦合，使鐵芯迅速飽和后產(chǎn)生鐵磁諧振，迫使系統(tǒng)的中性點發(fā)生位移，導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓的現(xiàn)象尤為突出。

2、鐵磁諧振導(dǎo)致設(shè)備損壞的外部特征分析。

鐵磁諧振導(dǎo)致設(shè)備損壞，對設(shè)備而言，有3個明顯的外部特征：

(1)設(shè)備損壞前各種試驗數(shù)據(jù)正常，運行中無異常表現(xiàn)，不容易引起人們的警惕。

(2)設(shè)備損壞后，有鐵芯和繞組的電氣設(shè)備，因強大的暫態(tài)耦合勵磁電流將繞組燒毀，而使設(shè)備損壞。

(3)鐵磁諧振引起過電壓，使電氣設(shè)備損壞，與設(shè)備短路引發(fā)的系統(tǒng)故障或事故有明顯的區(qū)別。發(fā)生鐵磁諧振引起過電壓，系統(tǒng)會出現(xiàn)幅值不等的上下波動，表計應(yīng)有反應(yīng);而設(shè)備短路，短路點的電壓趨近于零，而短路電流趨近于無窮大。當(dāng)然系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振也會過渡為短路事故。

二、鐵磁諧振的危害

(1)鐵磁諧振過電壓，會使那些有鐵芯的電氣設(shè)備中的鐵芯迅速飽和，導(dǎo)致繞組的勵磁電流迅猛增漲。嚴(yán)重時，可達額定勵磁電流的百倍以上。從而引起電壓互感器的熔斷器熔斷、噴油、繞組燒毀甚至爆炸。

(2)在某些特定情況下，鐵磁諧振過電壓可能會很高(最大為相電壓的3倍左右)，會使電氣設(shè)備的絕緣擊穿而導(dǎo)致這些設(shè)備損毀。

(3)鐵磁諧振過電壓，會引起有污穢的電氣設(shè)備(如電壓互感器、電流互感器、避雷器、絕緣子等)的瓷裙表面閃絡(luò)而爆炸，甚至?xí)纬啥搪贰?/p>

(4)鐵磁諧振過電壓出現(xiàn)時，電網(wǎng)中可能并無接地點，但會出現(xiàn)電壓一相降低兩相升高的虛假接地現(xiàn)象，使運行值班人員造成錯覺，形成誤判。

(5)鐵磁諧振過電壓出現(xiàn)時，如果工作、保護等接地網(wǎng)的接地電阻不合格，此過電壓還可以通過設(shè)備的接地引線，竄入接地網(wǎng)，使接地電壓升高，從而危及現(xiàn)場人員的人身安全。

三、消除鐵磁諧振的方法

由于電網(wǎng)參數(shù)及外界激發(fā)條件的不同，可能造成鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振過電壓會損壞設(shè)備，導(dǎo)致事故的發(fā)生和擴大，甚至造成系統(tǒng)瓦解，危及人身安全，它的影響和危害極大，必須采取限制鐵磁諧振過電壓的措施。

常用的消諧方法有以下幾種。

1、改變電氣參數(shù)

(1)裝設(shè)繼電保護設(shè)備

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，為改變電壓互感器的諧振參數(shù)，可以通過裝設(shè)一套繼電保護設(shè)備來實現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時所產(chǎn)生的較大諧振電流，啟動電流繼電器投入，將電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組短接。當(dāng)故障排除后，保護裝置恢復(fù)原狀，電壓互感器恢復(fù)正常運行。

(2) 選用不易飽和的或三相五柱式電壓互感器

10kV系統(tǒng)中使用的電壓互感器，應(yīng)選用勵磁感抗大于1.5 MΩ的電壓互感器。

(3) 減少電壓互感器臺數(shù)

在同一電網(wǎng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺數(shù)，尤其是限制中性點接地電壓互感器的臺數(shù)。如變電站只作為測量儀表和保護用的電壓互感器，其中性點不允許接地。

(4) 串接單相互感器

在三相電壓互感器一次側(cè)中性點串接單相互感器，使三相電壓互感器等值電抗顯著增大，可避免因深度飽和而引起的諧振。

(5) 每相對地加裝電容器

這種辦法可使網(wǎng)絡(luò)等值電容變小，網(wǎng)絡(luò)等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。

(6) 在中性點裝設(shè)消弧線圈

在10kV系統(tǒng)中發(fā)生諧振，且單相接地電流值較大或接近30 A時，可將中性點通過消弧線圈接地。

2、消耗諧振能量

(1)在PT開口三角形側(cè)并聯(lián)阻尼電阻。

這一措施起到了改變電壓互感器參數(shù)的作用。不僅能防止電壓互感器發(fā)生磁飽和，而且還能有效地消耗諧振能量，防止產(chǎn)生諧振過電壓。但此方法常用在要求不高的變電站，原因是消諧電阻多采用電燈泡或電阻絲，當(dāng)其損壞后將不會有消諧作用;且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在開口三角側(cè)將產(chǎn)生100 V的電壓，而由于電燈泡或電阻絲的冷態(tài)電阻是較小的，容易在PT開口三角側(cè)流過較大的電流引起PT損壞。

(2)在電壓互感器一次側(cè)中性點與地之間串接消諧電阻

此電阻可用以削弱或消除引起系統(tǒng)諧振的高次諧波。模擬試驗表明：即使系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，也不會激發(fā)分頻鐵磁諧振。但阻值太大，則會影響系統(tǒng)接地保護的靈敏度。

(3)裝設(shè)消諧裝置

可在電壓互感器的開口三角繞組處直接裝設(shè)消諧裝置，當(dāng)發(fā)生諧振時，電壓在設(shè)計周波下達到動作值時，裝置的鑒頻系統(tǒng)自動投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。消諧裝置動作較可靠，還可以記錄故障時的電壓、振蕩頻率等參數(shù)，利于事故分析，現(xiàn)采用此方法較多。

四、小結(jié)

10～35 kV電壓等級電網(wǎng)產(chǎn)生鐵磁諧振，是導(dǎo)致電壓互感器燒損，引起停電，危及安全供電的原因之一;采取改變電力系統(tǒng)參數(shù)，破壞諧振條件，以及吸收與消耗諧振能量以抑制諧振的產(chǎn)生，可有效地消除鐵磁諧振，杜絕鐵磁諧振給電網(wǎng)帶來的不安全影響，保證電網(wǎng)可靠經(jīng)濟運行。經(jīng)過對鐵磁諧振成因和消除方法的研究，我局15座 35kV變電站采取了在PT開口三角處直接裝設(shè)消諧裝置的方法，迄今為止未發(fā)生一起因鐵磁諧振造成的事故，保證了變電站的安全可靠運行。

參考文獻：

1、常美生，《高電壓技術(shù)》，中國電力出版社

2、趙翠宇，管益斌，《電壓互感器鐵磁諧振的分析與預(yù)防》，中國電力出版社