浅析电力系统加装消谐装置的必要性

浅析电力系统加装消谐装置的必要性

国网冀北电力有限公司张家口供电公司 艾晨光 路杰 李源浩

摘 要：根据现有电力系统的运行方式，文中阐述了为避免系统发生接地、过压和谐振时造成电压互感器的损坏，通过采用电力系统中加装一次、二次消谐装置，发挥阻尼和限流的作用，保护电压互感器和电力系统的安全运行。相比未安装的系统，大幅度的降低了由于接地、谐振、过电压所导致的后续事故。

关键词：谐振；电压互感器；消谐装置；中性点

引言

在实际运行中，由于10kV系统中性点不接地，母线上Y0接线的电压互感器一次绕组是该系统对地的唯一金属性通道。当出现系统接地等故障时，系统对地电容会以一个数值达数安培的工频半波涌流通过电压互感器一次绕组进行充放电，同时，非故障相电压会升高并产生谐振，或者出现铁磁谐振使系统电压不平衡等。这样，电压互感器将可能长时间经受过压、涌流和铁磁谐振冲击，会发生ABC三项熔断器熔断，甚至产生电压互感器本体爆裂烧毁事故等。因此，为避免系统发生接地、过压和谐振时造成电压互感器的损坏，采用在电力系统中加装一次、二次消谐装置对一次设备与电压互感器起到了重要的保护作用，大大提高了变电站的安全运行。

1 电力系统产生谐振的原因

35kV电压互感器，10kV电压互感器都有某种过电压、电流的扰动，如跳、合闸，瞬间接地、瞬间短路等故障发生的几率。铁磁谐振发生后常常引起电压互感器（PT）烧毁、爆炸等恶性事故。原因是电力系统中有大量的储能元件，如电压互感器、变压器、电抗器等电感元件，电容器、线路对地电容、断路器的断口电容等电容元件。这些元件组成了许多串联或并联的振荡回路。在正常的稳定状态下运行时，不可能产生严重的的振荡。但当系统发生故障或由于某种原因使电网参数发生了变化，就很可能发生谐振。例如在中性点非有效接地系统，其中一相断线接地，受电变压器和相间电容、电压互感器和线路对地电容、空载变压器和空载长架空线路电容所形成的振荡回路，都有可能发生谐振。谐振常常引起持续时间很长的过电压。电压互感器一类的电感元件在正常工作电压下，通常铁芯磁通密度不高，铁芯并不饱和，如在过电压下铁芯饱和，电感会迅速降低，从而与电容产生谐振，也就是常说的铁磁谐振。铁磁谐振不仅可在基频（50Hz）下发生，也可在高频(170Hz)、低频(17Hz,25Hz)下发生。

图1 沈庄站PT烧毁现场图

图2 5-9PT谐振波形（起始）

图3 5-9PT谐振波形（过程中）

正常运行时，电压互感器开口三角的电压（3U0）理论上是0V，在实际运行中一般也不会超过10V。当系统发生单相接地时，3U0将迅速升高，达到30到120V，形成过电压。当系统上电时，由于三相不同期等原因，会在电压互感器中产生很大的谐波电流，导致互感器内部铁芯饱和了，造成二次侧的波形发生畸变，当畸变足够大时，就形成了铁磁谐振。铁磁谐振产生的条件一般有：（1）中性点非有效接地系统；（2）非线性电感元件和电容元件组成振荡回路，回路线性状态时的自振频率小于某此低频谐振频率，当铁芯饱和而电感减小时，回路自振频率增加，恰好等于某低频谐振频率；（3）振荡回路中的损耗足够小，谐振实际发生在系统空载或轻载时；（4）电感的非线性要相当大；（5）有激发作用时，即系统有某种过电压、电流的扰动，如跳、合闸，瞬间接地、瞬间短路等。

2 消除谐振的原理

二次消谐原理：（1）利用消谐装置实时监测电压互感器开口三角电压，计算出零序电压四种频率的电压分量。利用装置中压敏元件的电抗随谐波电压而变化，从而破坏电压互感器铁磁谐振的产生条件。（2）如压敏元件未能完全消除铁磁谐振，则瞬间启动大功率消谐元件予以消除。当谐振发生时，每隔一微小时间段启动一次大功率消谐元件，启动三次为一段，未能完全消除启动第二段、第三段。之后如故障依然存在，为了电压互感器安全，不再启动大功率消谐元件，只用压敏元件予以实时在线消除。

一次消谐装置可看作为大功率阻尼在电压互感器一次侧中性点与地之间串接，是一个固态一次设备，主要针对10kV、35kV系统中发生的接地和谐振故障，而电压互感器二次消谐装置是智能微机设备，针对的是电压互感器二次侧，它是消除电压互感器内部谐振，当系统发生谐振时，电压互感器二次侧相应产生谐振，严重时会产生120V以上的零序电压，（如果电压互感器容量有限短时间内会烧毁电压互感器）加装二次消谐装置后会消除该谐振，会将较大的零序电压接入装置内部的大功率电阻上，从而消耗掉能量，排除故障。

3 谐振的危害

图4 诱发PT谐振的两次低压系统AC相间短路录波波形

3.1 沈庄站10千伏PT烧毁事件

事件情况：2014年8月9日22∶27∶46，10kV 5-9PT发生三相短路，导致整个PT柜烧毁，最终由1号主变中后备保护切除301开关，高后备切除111、501开关隔离故障，111开关跳开后，145自投成功合145开关；301开关跳开后，345自投成功合345开关；501开关最终在跳开位置，10kV负荷全停。

图5 前沟站PT烧毁现场图

事件原因：事故起因为10kV 5.9PT谐振，故障录波文件显示，10kV三相短路前的65秒时间内，10kV 5.9PT一直处于谐振状态，引起谐振的原因应为谐振前两次低压系统的AC相间短路（由于持续时间及电流幅值均较小，没有相关出线保护动作）。

3.2 前沟35kVPT着火事件

事件情况：2014年6月8日中午12时30分，前沟110kV站2号主变掉闸，545开关自投成功，345开关发自投故障信号，302开关在合位，345开关在分位，35kV4母线失电，35kV4-9PT柜着火。变电运维人员赶到现场佩带空气呼吸器用灭火器进行扑救，及时将35kV4-9PT柜火灾扑灭，保证了其它设备的安全。

事件原因：前沟110kV站于2010年8月投入运行，2013年维护职责由崇礼供电分公司移交至变电检修室，计划2015年进行例行检修试验。事发当时为雷阵雨天气，前沟110kV站35kV线路发生单相接地，母线电压升高，35kV4-9PT产生谐振过电压，导致电压互感器起火烧损。

4 结论

因此，为避免系统发生接地、过压和谐振时造成电压互感器的损坏，采用电力系统中加装一次、二次消谐装置，发挥阻尼和限流的作用，可以很好的消除系统谐振和工频涌流，保护电压互感器和电力系统的安全运行。

据我公司不完全调查10kV、35kV系统中加装一次、二次消谐装置对一次设备与电压互感器起到了重要的保护作用，大大提高了变电站的安全运行，相比未安装的系统，大幅度的降低了由于接地、谐振、过电压所导致的后续事故。