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电网谐振过电压限制方法


电网谐振过电压的限制方法
摘要: 电力供电系统或者说在电力供电电网上,过电压现象十分普遍。如果没有防范措施, 随时都可能发生, 也随时都可以发现。 引起电网过电压的原因很多。 主要可分为谐振过电压、 操作过电压和雷电过电压 关键词: 电网谐振 谐振过电压 操作过电压 雷电过电压 限制方法电力供电系统或者说在 电力供电电网上,过电压现象十分普遍。如果没有防范措施,随时都可

能发生,也随时都可 以发现。引起电网过电压的原因很多。主要可分为谐振过电压、操作过电压和雷电过电压; 其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁,其危害性较大;过电压一旦发生,往往造成电 气设备的损坏和大面积的停电事故。多年电力生产运行的记载和事故分析表明,中低压电 网中过电压事故大多数都是由谐振现象所引起的。 由于谐振过电压作用时间较长, 所引起谐 振现象的原因又很多,因此在选择保护措施方面造成很大的困难。 为了尽可能地防止谐振过电压的发生, 在设计和操作电网设备时, 应进行必要的估算和 安排,以避免形成严重的串联谐振回路;或采取适当的防止谐振的措施。 在电力生产和电力运行的中低压电网中, 故障的形式和操作方式是多种多样的, 谐振性 质也各不相同。 因此, 应该了解各种不同类型谐振的性质与特点, 掌握其振荡的性质和特点, 制订防振和消振的对策与措施。 目前,我国 35kV 及以下配电网,仍大部分采用中性点不接地方式运行,一部分采用老 式的消弧(消谐)线圈接地。从电网的运行实践证明,中性点不接地系统中一方面由于电压 互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压比较多, 尽管采取了不少限制谐振过电压的措施, 如: 消谐灯、消谐器、TV 高压中性点增设电阻或单只 TV 等,但始终没有从根本上得到解决, TV 烧毁、熔丝熔断仍不断发生;另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接 地后,允许维持一定的时间,一般为 2h 不致于引起用户断电,但随着中低压电网的扩大, 出线回路数增多、线路增长,中低压电网对地电容电流亦大幅度增加,单相接地时接地电弧 不能自动熄灭必然产生电弧过电压,一般为 3—5 倍相电压甚至更高,致使电网中绝缘薄弱 的地方放电击穿, 并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。 而采用老式消弧线圈接地 方式的系统由于结构的限制,只能运行在过补偿状态,不能处在全补偿状态,所以脱谐度整 定的比较大,约在 20%~30%,对弧光过电压无抑制效果。并需要手动调节分接头,然而此 时却不能随电网对地电容电流的变化及时将电压调整到最佳的工作位置, 影响功能发挥, 也 不适应电网无人值班变电所的需要。因此,我们可以采用自动调谐原理的接地补偿装置,通 过过补、全补和欠补的运行方式,来较好地解决此类问题。目前自动调谐接地补偿装置主要 是由五大部分组成:接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点 专用互感器和非线性电阻。 接地变压器是作为人工中性点接入消弧线圈。 消弧线圈电流通过 有载开关调节并实现远方自动控制,采用予调节方式,即在正常运行方式情况下,根据电网 参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。 自动跟踪和自动调谐利用微机控制器 实现。通过测量位移电压为主和中性点电流与电压之间的相位,能够准确的计算、判断、发 出指令自动进行调整,显示有关参数:电容电流、电感电流、残流和位移电压等。还能追忆、 报警、自动打印和信号远送,满足无人值班变电所的需要。 自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或很小的脱谐度, 主要是由于在消弧线圈的 一次回路中串入了大功率的阻尼电阻,降低中性点谐振过电压的幅值使之达到相电压的 5%~10%。因为如果当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时,即在谐振时中性点电 压限制在允许值以下,这样就可实现全补偿方式,这是残流为最小的最佳工作方式。接地时 残流很小, 不会引起弧光过电压。 所以, 可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻,

增大阻尼率的措施来达到。 消弧线圈的脱谐率与电压及电网的阻尼率有关, 当电网形成后其 不对称电压基本是个固定值,消弧线圈为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生, 要求脱谐率达到± 5%以内,那么只有改变阻尼率,才能改变位移电压,因此应当在消弧线圈 回路串入电阻,保证阻尼率,控制中性点位移电压。 在低压电网中由于中性点不对称电压很小, 为提高测量精度采用特制的中性点专用互感 器, 提高检测灵敏度; 非线性电阻的采用对欠补偿下的断线过电压和传递过电压都有明显的 抑制作用。消弧线圈接入系统必须要有电源中性点,在其中性点上接入消弧线圈, 当发生单相接地时, 流过变压器的三相同方向的零序磁通, 经过油箱壁绝缘油及空气等介质 形成闭合的回路,在油箱铁心等处产生附加的损耗,这种损耗是不均匀的,必然要形成局部 过热, 影响变压器的正常运行和使用寿命。 所以接入此类接地变压器的消弧线圈的容量不应 超过变压器容量的 20%;为满足消弧线圈接地补偿的需要,同时也满足动力与照明混合负 载的需要,可采用 Z 型接线的变压器即 ZN,yn11 连接的变压器。由于变压器高压侧采用 Z 型接线,每相绕组由两段组成,并分别位于不同相的铁心柱上,两段线圈反极性相连,零序 阻抗非常小。空载损耗低;变压器容量可以 100%被利用;并能够调节电网的不对称电压。 由此可见,Z 型接线的变压器作为接地变压器是一种比较好的选择。 目前新型消弧线圈大部分采用有载调匝式调节方式,调节分接头数一般均大于 9,加宽 了调流范围,以便能够达到最小的脱谐度;配有有载开关并可以远方电动或自动操作;有载 开关在预调方式下工作,即正常调谐是在系统不接地状态下切换,安全可靠。消弧线圈调谐 是由微机控制器自动控制的,调谐时消弧线圈不须退出运行,克服了老式线圈的一些缺点, 因此,建议目前需要改造的老式消弧线圈采用新型自动调谐消弧线圈方式。 自动调谐接地补偿装置, 是将变柜改造为变兼接地变柜,加装开关二组、电流互感器二 组及相应二次保护;接地变、消弧线圈为户外布置。消弧线圈选用有载调匝式调节方式,调 节档位应大于 9 个以上,以便能够达到最小的脱谐度;正常运行采用过补偿方式,消弧线圈 接地回路串接阻尼电阻, 以限制中性点电压; 保证脱谐度及中性点的位移电压在限制范围内 (脱谐度控制在 5%, 消弧线圈的位移电压不大于相电压的 15%, 故障点残流不大于 5A 为宜); 控制部分采用微机控制自动消谐装置进行自动补偿;能自动检测电网对地电容参数的变化, 自动和手动调整消弧线圈的分接头, 使其运行在最佳的工作点, 保证残流能降低到可靠熄弧 的程度;并能远方遥控、遥信、遥测和遥调;以适应佳山变无人值班的需要。接地变选用零 序阻抗低的 ZN/YN 接线方式;并能够调节电网的不对称电压。户外设备与柜内设备用电缆 连接。 对由电压互感器铁心$ 饱和引起的铁磁谐振过$ 电压的限制铁磁谐振过电压的限制目 前虽然采取多种形式,取得了一些效果,但都不够理想。有的装了消谐器还是产生了谐振过 电压,这是由于铁磁谐振过电压本身是一个非线性过程,现象比较复杂。我们知道分频谐振 有 1/2、1/3、1/6 及 1/8 等,高频谐振有 2、3 次,还有工频谐振,有时几种谐振同时发生, 消谐器不能有效的限制。而且在系统上有多台 TV 时,只在某一台 TV 的开口三角上装消 谐器是很难奏效的,必须要使系统参数发生较大的变化才能将谐振过电压抑制住。 如果在系统的中性点上接入消弧线圈破坏它的谐振条件, 就能够比较有效地抑制谐振过 电压的发生。 其原理也很简单, TV 的励磁感抗比较大(千欧至兆欧级), 而消弧线圈的感抗(百 欧级)比较小,这样谐振条件+ ωL=1/ωC+ 很难满足,谐振就不会发生。另一方面无消弧线 圈时单相接地发生间歇性电弧时电容上多次充放电造成 TV 烧毁、熔丝熔断;有了消弧线 圈后,电容对小感抗放电,TV 中电流就很小,不会烧毁了。所以在中性点接入消弧线圈, 对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的限制作用, 能够彻底解决此类 问题。

10kV 电磁式电压互感器爆炸的原因和解决方案分析
摘要: 分析了 2 起 10 kV 电磁式电压互感器(TV)爆炸的原因,提出了在 2 变电站分别 采用更换开关特性优良的开关和加入一个特殊设计的第 4TV 的解决方案,满足了各自的运 行要求。 文章还阐述了中压电网中常见的过电压类型——操作过电压和铁磁谐振过电压的形 成原因和发展机理,提出了几种行之有效的解决方案。 关键词: 过电压;电压互感器;事故分析;铁磁谐振;操作过电压;供用电 0 引言 电磁式电压互感器(TV)广泛应用于各电压等级的电力系统中。在 35 kV 及以下的中 压配电网中,由于普遍采用中性点非有效接地方式,过电压现象出现的概率比较大。过电压 引起电气设备绝缘的破坏, 其中电磁式 TV 的熔断器烧毁和爆炸事故是中压电网中常见的由 过电压引起的电气设备事故之一。因此研究这类问题对现场设备的安全运行具有重要意义。 本文将就某县级供电企业 2 起 TV 爆炸事故的现象、 原因、 产生机理进行分析并提出了解决 方案,还介绍了中性点非有效接地系统中常见的过电压类型。 1 事故现象 2 起 TV 爆炸事故发生在 35 kV 和 10 kV 变电站的 10 kV 母线上。 (1) 35 kV 变电站 A。附近有一大型造纸企业,负荷较重。为补偿系统消耗的无功, 该变电站 Π 段母线装设了一套自动投切电容器。电容器分为 5 组,每组 100 kvar。每组自动投切电容器带有 2 个用于测量线电压的干式电磁电压互感器(TV)。图 1 为 1 组自动投切电容器的接线图,其中 R 是断路器,C 是补偿电容,L 是起抑制谐波作用 的小电抗。实际运行中,第 1 组自动投切电容器连续发生 TV 爆炸现象。而其他 4 组自动 投切电容器的 TV 却能够正常运行。 (2) 10 kV 变电站 B。10 kV 母线互感器间隔内装有 1 台三相五柱式 TV,如图 2 所示,图中 L 是 TV 的电抗,TV 以星型方式接入电网,中性点直接接地。在实际运行中, TV 烧毁的现象时有发生。

图 1 自动投切电容器接线图

图 2 三相五柱式 TV 接线图 2 爆炸原因分析 2.1 电磁式 TV 爆炸的原因 理论分析和实际运行经验表明,TV 爆炸和烧毁事故的直接原因是内部过电流引起发热 所致。过电流的表现形式有 2 种:①由于谐振或其他原因,TV 上承受的过电压和过电流虽 然幅值较小,但是时间较长,大量电能作用在 TV 上并转化为热能,使其长期发热。当热量 积累到一定程度时,TV 中大量绝缘纸、绝缘介质会受热而汽化,体积急速膨胀,而干式 TV 内部空间有限, 当压强增加到一定程度时便发生爆炸。 ②由瞬间高幅值过电压引起的过电流。 幅值达到一定程度的过电压会造成匝间短路而引起过电流。 这种过电流一般幅值很大, 会使 TV 中的绝缘介质迅速汽化,因此由高幅值过电压引起的爆炸更加猛烈。 由以上分析可以看出, 过电压会引起过电流, 过电压和过电流在实际电网运行中相伴而 生。因此应该从电网中常见的过电压类型中去寻找 TV 爆炸的根本原因。 2.2 中压电网常见的过电压类型 中压电网的过电压可分为外部过电压和内部过电压。外部过电压主要是由于雷击引起 的,本文不作详细叙述。内部过电压通常包括操作过电压和谐振过电压。如当系统内开关操 作或电力系统出现事故时, 电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。 在此转化过 程中由于电力系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布,就可能在某些设备上,甚至在整 个电力系统中产生较大的过电压。又如当进行开关操作时,某些回路被分割开来,如果其参 数满足共振条件,则可能引起强烈的具有共振性质的振荡,并导致严重的过电压。前者称为 操作过电压,后者称为谐振过电压。 操作过电压持续时间较短,幅值较高。此种过电压可以分为 4 种:①中性点不接地系 统的弧光接地过电压;②空载线路或电容性负荷的拉闸过电压;③切除电感性负荷或空载变 压器的过电压;④空载线路的合闸过电压,特别是自动重合闸时的过电压。

谐振过电压一般持续时间比较长,甚至可能长期存在。此种过电压可分为 2 种:①系 统参数为线性的线性谐振过电压;②铁磁谐振(非线性谐振)过电压,它是由于系统中变压 器、TV、消弧线圈等铁心电感的磁路饱和作用而激发引起的过电压。 2.3 A 变电站 TV 爆炸的原因分析 从 A 变电站现场接线来看,由于 TV 接在 AB 和 BC 相间,没有接在零序回路里,所以 不可能是谐振过电压。TV 只是为投切电容器服务,因此真空断路器投切电容器引起的操作 过电压应该是导致 TV 爆炸的原因。 投切电容器时产生的过电压有 2 种,一种是电容器合闸时产生的过电压,另一种是切 除电容器时由于开关发生重燃产生的过电压。第 1 种过电压产生的原因主要是由于电容器 上的电压不能突变所致。 当合闸时系统电压会迅速下降, 引起暂态振荡, 最后达到新的稳定。 此暂态过程产生的过电压与合闸时间有关,但最高不会超过 2 倍的系统电压。第 2 种暂态过 电压是因为开关发生重燃时, 电容器上的初始电压与系统电压极性相反, 从而在暂态过程中 可能产生 3 倍以上的过电压。这种过电压对电容器的危害性更为严重。 对于切除电容时的过电压,又可以分为单相重燃和两相重燃 2 种情况。其中两相重燃 引起的相间过电压尤为严重,最大值可以达到 6 倍系统电压以上。因此在如此高的电压之 下相间 TV 发生爆炸就不足为怪了。 2.4 B 变电站 TV 烧毁的原因分析 B 变电站烧毁的 TV 是母线上用于测量相电压的三相五柱式 TV, 连接在零序回路里。 这种 TV 烧毁现象是由于铁磁谐振引起的。如前所述,铁磁谐振过电压是一种常见的非线性 谐振过电压。 图 3 为单相电感电容串联电路。在该电路中,如果电感和电容的参数不匹配,则不会 产生串联谐振,电路中也不会出现过电流。但是电感的参数是非线性的,当流过电感的电流 过大,电感铁心就会出现饱和现象,其伏安特性如图 4 所示。 图中 uL(i)为电感伏安特性曲线。电感一般工作在伏安特性曲线开始的线性部分,当遇 到过电压过电流时, 运行点则会沿着曲线上升到非线性部分。 当运行点上升到电感伏安特性 曲线与电容伏安特性曲线相交处时,就会引起串联谐振。图 3 的电路当发生串联谐振时电 感和电容的组合等效于一根导线, 电路中的电流在理论上为无限大, 这就是简单意义上的铁 磁谐振。

图 3 单相电感电容串联电路

图 4 铁磁谐振伏安特性曲线 在中压电网中,TV 直接安装在母线上。因电路为容性,TV 会与互感器电感组成零序 回路,系统等值图如图 5 所示。

图 5 三相等效电路 电力系统运行和实验表明, 当 TV 的电感和线路对地电容匹配时, 在一定的条件下 (如 空载母线合闸、瞬时短路故障消失等,这些情况都可能引起 TV 铁心饱和),便会产生不同

频率的铁磁谐振。随着线路长度的增加,依次会发生 3 倍频谐波谐振、基频谐振、分频谐 振。TV 是三相电器,所以它引起的铁磁谐振是三相铁磁谐振。 电力系统运行和物理仿真实验表明,当电源向空载母线合闸时最容易出现 3 倍频谐波 谐振;有时当变电站的出线很短时,也可能出现 3 倍频谐振。因负荷电流引起的压降很小, 甚至没有,所以电压常常较高,其主要危害在于过电压倍数较高,往往引起主设备的绝缘被 击穿或 TV 爆炸,后果十分严重。3 倍频谐振主要表现为三相电压同时升高。 基波谐振通常表现为 2 相电压升高,1 相电压降低。因基频谐振和工频电压是同频率, 比较容易从电源获得能量,所以基频谐振能产生很大的过电流,有时表现得非常强烈,比较 容易造成 TV 爆炸。 分频谐振总是表现为 2 相电压同时升高,它的主要危害也是产生过电流。分频谐振引 起的过电流虽没有基频谐振过电流大,但也往往超过了 TV 的热稳定允许电流值,在长期分 频谐振作用下也可能烧毁 TV。 3 解决方案 TV 爆炸对配电网的安全运行构成重大威胁,爆炸飞溅物有可能损伤其他正在运行的设 备,甚至引起短路而造成停电事故,因此必须尽快解决。 3.1 由操作过电压引起的事故 对于由操作过电压引起的 TV 爆炸事故,解决的根本办法是提高断路器的熄弧能力,也 可以采用限制电压幅值的办法。以下提供 3 种解决方案: (1) 改善真空接触器的开关特性。鉴于电容器自动投切装置中其他 4 组电容器没有 发生过 TV 爆炸事故,可以认为优良的开关特性能够限制重燃过电压的产生。因此最简便的 解决措施就是更换开关特性优良的真空接触器。 (2) 在事故电容器组上加装避雷器。避雷器的持续运行电压应按线电压考虑,同时 为了提高对相间过电压的保护能力, 建议采用带串联间隙的四星型氧化锌避雷器。 接线如图 6 所示。 (3) 对于 A 变电站爆炸的 TV,由于其接在断路器的电容侧,可以采用将原来接在线间 的 TV 改为三相星型接法,中性点直接接地,然后在二次侧串联出原来需要的线电压的办法 来防止 TV 爆炸。这样当断路器断开后,电容器上的残余电荷将通过星接的 TV 放电。由于 TV 的直流电阻很大(3~15kΩ),过渡过程衰减较快,使断路器两端最大恢复电压降低, 避免重燃或减小重燃后的过电压幅值。

图 6 避雷器四星型接线 3.2 由铁磁谐振引起的事故 对于由铁磁谐振引起的 TV 爆炸事故,解决途径可以是改变运行操作方式,或采用励磁 特性好的 TV,甚至采用电容式 TV。但是最可行的办法还是限制 TV 上的过电压,防止其进 入饱和区。为此可采用的手段有:①在原来星接 TV 的中性点和地之间加入一个特殊设计的 第4 TV,保证 TV 所承受的电压不大于相电压,同时改变二次接线,以保证原 TV 的测量精度。 这种方法造价低,可以解决大部分铁磁谐振问题。②在系统中性点串联消谐电抗器,破坏谐 振条件。③综合考虑系统电容电流的大小,如果需要,可以加装消弧线圈。消弧线圈可以彻 底解决铁磁谐振问题, 而且对于其他形式的过电压都有很好的抑制作用。 但是消弧线圈造价 高,在系统电容电流较小的情况下加装消弧线圈是不经济的。 4 结束语 经过各个方面的比较, 2 个变电站分别采取了更换开关特性优良的开关方案和在原来星 接 TV 的中性点与地之间加入一个特殊设计的第 4 TV 的方案, 满足了各自现场运行的需要。 5 参考文献 [1] 周泽存.高电压技术.北京:中国电力出版社,1988. [2] 解广润.电力系统过电压.北京:水利电力出版社,1985. [3] 杜斌,赵峰,高亚栋,等. 10 kV 系统中切除并联电容器时的重燃过电压研究 .高压电 器,2004,40(4) : 255~258. [ 4 ] 黄秀清,张岚先 , 嘉红贤,等 . 真空断路器操作过电压的分析与限制措施 . 有色设 备,2004,(3) :27~32. [5] 王川,杜世俊.带串联间隙四星型接法的 MOA[J].电磁避雷器,1995,(5):13~15.


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