雙牌水電站110kV和10kV系統(tǒng)

1、雙牌水電站110kV和10kV系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓的原因及防止對(duì)策徐興國(guó)Cases studing of iron-magntic harmonic over-voltageof 110kV and 10kV power system of ShuangPai powerStation and measures of preventing over-voltage of iron-magntic harmoniyXu xing guo （湖南省雙牌水電站，湖南雙牌425203）關(guān)鍵詞：鐵磁諧振 過電壓 防止對(duì)策 110kV系統(tǒng) 10 kV系統(tǒng)摘 要：鐵磁諧振過電壓是電力系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的一種異常

2、現(xiàn)象，損壞電力設(shè)備，危害系統(tǒng)安全運(yùn)行。本文根據(jù)對(duì)雙牌水電站110 kV系統(tǒng)及10kV系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的實(shí)際分析，找出產(chǎn)生鐵磁諧振的原因，提出了綜合防止措施。0 前言諧振為電路中可能發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象，在工程中有廣泛的應(yīng)用，但有時(shí)又應(yīng)當(dāng)加以避免。電力系統(tǒng)中存在著許多電感和電容元件，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電感和電容元件可能構(gòu)成各種振蕩回路。在一定條件下會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的某些部分或元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓，危及電氣設(shè)備的絕緣，燒毀系統(tǒng)中的電壓互感器，影響保護(hù)裝置的可靠性，擴(kuò)大停電范圍。在110kV電壓級(jí)中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)和35kV及以下電壓級(jí)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，當(dāng)線路電容和母

3、線上的電磁式電壓互感器參數(shù)配合不當(dāng)時(shí)，易引起串聯(lián)鐵磁諧振，激發(fā)工頻過電壓或諧波諧振過電壓，其大小和頻率可從母線上的電壓互感器開口三角繞組測(cè)量出來，這種鐵磁諧振不僅引起虛幻接地，有時(shí)還會(huì)釀成事故，燒毀電氣設(shè)備。例如：雙牌水電站110kV開關(guān)站雙揚(yáng)II線在倒閘操作時(shí)產(chǎn)生諧振過電壓；10kV系統(tǒng)中曾多次發(fā)生鐵磁諧振，燒毀了母線上的電壓互感器。下面分別對(duì)這種諧振過電壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并對(duì)其綜合防止措施提出解決辦法。1 110kV系統(tǒng)雙揚(yáng)II線開關(guān)斷口電容和電磁式電壓互感器的鐵磁諧振過電壓?jiǎn)栴}11 過電壓的產(chǎn)生雙牌水電站至揚(yáng)梓塘變電站110kV雙揚(yáng)II線自投產(chǎn)至一九九四年九月止，在倒閘操作時(shí)曾多次發(fā)

4、生諧振過電壓。為此，我站配電裝置運(yùn)行規(guī)程第六章第38條規(guī)定：“在雙揚(yáng)II線停、送電操作時(shí)，應(yīng)避免502號(hào)開關(guān)斷口電容激發(fā)諧振過電壓?！痹谄呤甏┰?jīng)有人提出采用在P.T開口三角側(cè)加阻尼，甚至瞬間短接開口三角繞組的方法，均未能消除諧振，所以對(duì)運(yùn)行操作規(guī)程進(jìn)行了特殊規(guī)定。筆者九十年代提出的解決辦法使串聯(lián)鐵磁諧振得到了根治。雙揚(yáng)II線及其配電裝置接線如圖一所示圖一在停、送電倒閘操作，當(dāng)5335號(hào)、500號(hào)、502號(hào)開關(guān)在斷開位置，而5×34號(hào)、5021號(hào)、5023號(hào)在合閘位置時(shí)，即產(chǎn)生諧振過電壓。此時(shí)中控室母線三相電壓表指針偏轉(zhuǎn)到最大，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)電壓互感器外部連線上有異常聲。由于保護(hù)回路沒

5、有過電壓監(jiān)視裝置，所以沒有其它聲光信號(hào)。1 2原因分析1.2.1 等值電路 雙揚(yáng)II線的電壓互感器為國(guó)產(chǎn)JCC-110型，502號(hào)開關(guān)是沈陽高壓開關(guān)廠生產(chǎn)的SW3-110GA，每相開關(guān)有2個(gè)斷口，每個(gè)斷口并聯(lián)著一個(gè)1820PF的均壓電容。當(dāng)5335號(hào)、500號(hào)、502號(hào)在斷開位置，此時(shí)由110kV環(huán)網(wǎng)通過開關(guān)每相的斷口電容即成為僅帶1組電磁式電壓互感器的空母線。由于110kV電網(wǎng)系中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，而電壓互感器又為3臺(tái)單相，且其高壓繞組接成中性點(diǎn)接地丫接法，這樣該段母線就可以分成3個(gè)獨(dú)立的單相系統(tǒng)來考慮。其等值電路如圖二所示：圖二 圖三圖中Ck為502號(hào)開關(guān)的斷口電容，C為線路的對(duì)地電容，L

6、是JCC互感器的勵(lì)磁電感。由等值發(fā)電機(jī)原理，圖二的電路可以化為圖三的簡(jiǎn)單振蕩電路，其中E為A、B兩點(diǎn)打開后的端電壓，Ce為從A、B兩點(diǎn)向電源側(cè)看去的入端電容，即 圖三電路中的L是電壓互感器的非線性勵(lì)磁電感，因此L和Ce兩端的電壓除有50Hz的基波分量外，還會(huì)帶有多種諧波成份，對(duì)占主導(dǎo)地位的基波分量而言，可用圖解法來近似求解其過電壓幅值，以進(jìn)一步分析這種諧振現(xiàn)象的性質(zhì)及其產(chǎn)生的條件。1.2.2 產(chǎn)生諧振的條件 在圖四的伏安平面上繪出L和Ce的伏安特性曲線UL和Uc后，可得出圖三回路中壓降的總和為：U=UL-Uc圖四中的UL和Uc在Ik處相交，在交點(diǎn)Ik處：UL=Uc，U=0，由此可知，它就是回路

7、的諧振點(diǎn)。在交點(diǎn)Ik的左側(cè)，UL>Uc，壓降U呈感性；在Ik的右側(cè)，Uc>UL，U呈容性。根據(jù)電勢(shì)平衡原理應(yīng)有：圖四當(dāng)已知E的大小后，可在圖四中劃出條與橫軸平行的直線，它與U曲線相交于x1、x2和x3點(diǎn)，它們雖然都能滿足電勢(shì)平衡條件，但由于x2是不穩(wěn)定工作點(diǎn)，因之圖三的回路只能工作在x1和x3點(diǎn)，在x1點(diǎn)，電容Ce和電感L上的壓降以及通過的電流均較小，它被稱為電路的非諧振工作點(diǎn)；對(duì)于x3點(diǎn),它的工作區(qū)已越過了UL和Uc的交點(diǎn)Ik，因之稱為諧振工作點(diǎn)，此時(shí)回路電流和L、Ce上的壓降都很大,也即該電路發(fā)生了鐵磁諧振過電壓。正常情況下，圖二的回路都工作于x1點(diǎn)，但如回路受到?jīng)_擊，使回路電

8、流超過了圖四的U曲線上P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流Ip，則回路的工作點(diǎn)將由x1轉(zhuǎn)移到x3點(diǎn)。由此可知，對(duì)圖三的電路，只有在外界因素沖擊下(如此時(shí)斷開5335號(hào)刀閘，即對(duì)地電容發(fā)生了變化)，才能激發(fā)起持續(xù)穩(wěn)定的串聯(lián)鐵磁諧振。1.2.3 諧振過電壓的原因由于國(guó)產(chǎn)JCC互感器有多種型式，其勵(lì)磁特性曲線也不盡相同，且110kV變電站線路長(zhǎng)度并不一樣，其對(duì)地電容值也不一樣，故對(duì)不產(chǎn)生諧振的Ck值，在各變電站中亦不是一個(gè)定值，但斷路器帶斷口電容，其在操作時(shí)易激發(fā)諧振過電壓。我站雙揚(yáng)I線也裝有兩臺(tái)SW3-110型開關(guān)，且配電設(shè)備及線路參數(shù)完全與II線相同。但開關(guān)沒帶斷口電容，所以從來未發(fā)生過諧振過電壓。1.3 綜合防止

9、措施1.3.1 從操作方法上改進(jìn)，以避免發(fā)生諧振雙揚(yáng)II線停、送電操作時(shí)，在5335號(hào)刀閘開、合之前，應(yīng)先拉開5×34號(hào)刀閘；在5335號(hào)刀閘開、合上后，再合上5×34號(hào)刀閘，這樣就破壞了諧振條件，諧振現(xiàn)象就可以消除。實(shí)際上在一九九四年前就是這樣進(jìn)行倒閘操作的。例如圖一，雙揚(yáng)II線停電操作，在500號(hào)，502號(hào)斷開后，先斷開5×34號(hào)刀閘，再斷開5335號(hào)刀閘；在送電操作時(shí)， 先合上5335號(hào)刀閘，接著合上5×34號(hào)刀閘，再合上500號(hào)、502號(hào)開關(guān)，或者在合上5335號(hào)刀閘后，合上500號(hào)、502號(hào)最后合上5×34號(hào)刀閘，這樣，諧振條件被破壞

10、，即圖四中使伏安平面上的UL和Uc不出現(xiàn)交點(diǎn)，就不會(huì)發(fā)生諧振了。1.3.2 以電容式互感器取代電磁式互感器比較簡(jiǎn)單而又實(shí)用的辦法是將母線上的電磁式互感器改為電容式互感器，國(guó)產(chǎn)110kV電壓級(jí)的電容式互感器有多種可供選用，如西安電力電容器廠生產(chǎn)的TYD110/型互感器，其0.2級(jí)和0.5級(jí)精度時(shí)的額定輸出分別為100VA和300VA，且其價(jià)格低于電磁式互感器，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的，這樣可徹底消除諧振，同時(shí)互感器換成0.2級(jí)的，可提高我站電能計(jì)量水平及準(zhǔn)確度。1.3.3 502號(hào)開關(guān)改造或更新502號(hào)開關(guān)系沈陽高壓開關(guān)廠1978年生產(chǎn)的SW3-110GA型少油斷路器，若能在滿足開斷容量的前提下

11、取消斷口電容，則可消除諧振現(xiàn)象，鑒于該斷路器使用年限較久，其滅弧室未裝壓油活塞，分閘彈簧性能亦不好，故此開關(guān)的滅弧性能，分閘速度均達(dá)不到要求，自動(dòng)重合閘時(shí)可能出現(xiàn)重燃現(xiàn)象，因此如果能更換成SW7型斷路器更好，既改善開關(guān)性能，也可消除諧振過電壓。一九九四年九月結(jié)合我站開關(guān)站基礎(chǔ)下沉處理及接地網(wǎng)銹蝕嚴(yán)重問題，已將502號(hào)開關(guān)更新成SW7-110I型少油斷路器，并徹底消除了線路操作諧振過電壓。2 10kV系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓?jiǎn)栴}2.1 過電壓的產(chǎn)生10kV發(fā)電機(jī)II段母線經(jīng)一臺(tái)變比為1:1的限流電抗器接入自供電系統(tǒng)10kV I段母線后送至自用工廠，此母線上有1組型號(hào)為JDZT-10型電磁式電壓互感器，

12、接線如圖六所示（為了簡(jiǎn)便起見，圖中省略了一些元件）。圖六經(jīng)計(jì)算與實(shí)測(cè)線路單相接地時(shí)的電容電流約為0.21A，相應(yīng)的對(duì)地容抗為Xco=33k，母線電壓互感器線電壓下的并聯(lián)勵(lì)磁感抗為Xe=675k。運(yùn)行中線路單相接地后引起鐵磁諧振，母線三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，開關(guān)柜內(nèi)發(fā)出較大的異常響聲。2.2 原因分析2.2.1 等值電路圖六的10kV系統(tǒng)接線圖，可畫成圖七的電路及圖八的等值電路。圖七圖八因?yàn)橹C振屬零序性質(zhì)，因此，在分析時(shí)不考慮負(fù)荷及各種相間參數(shù)的影響，Co為系統(tǒng)每相對(duì)地電容，L1=L2=L3=Li為互感器每相勵(lì)磁電感，顯然，圖八是一個(gè)串聯(lián)諧振電路。2.2.2 產(chǎn)生諧振的條件及現(xiàn)象在正常運(yùn)行時(shí)，各相

13、勵(lì)磁電感相等，故三相對(duì)地負(fù)載是平衡的，電網(wǎng)中性點(diǎn)電位為零。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)，例如斷路器突然合閘，或者線路發(fā)生接地故障等，都可能使一相或兩相對(duì)地電壓升高，導(dǎo)致兩相電壓互感器的勵(lì)磁電流增大而使其鐵芯飽和，其勵(lì)磁電感相應(yīng)減小，這樣三相對(duì)地負(fù)荷就變得不平衡，電網(wǎng)中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓?？赡墚a(chǎn)生基頻、分頻、倍頻等各種頻率的鐵磁諧振現(xiàn)象。a. 基頻諧振圖8中，如果參數(shù)匹配不當(dāng)，中性點(diǎn)位移電壓急劇上升到滿足Xli=Xco時(shí)，就發(fā)生了基波諧振，基波諧振時(shí)，三相電壓通常是一相對(duì)地降低，兩相對(duì)地升高。b. 分頻諧振在35kV及以下電壓級(jí)電網(wǎng)中，1/2次諧波諧振是比較常見的現(xiàn)象，其產(chǎn)生與各相電感、電容組成的回路有關(guān)。分頻

14、諧波的諧波電源也是電磁式電壓互感器鐵芯飽和后提供的。在擾動(dòng)發(fā)生前，Xli/n>nXco，n為分頻次數(shù)。如雙牌水電站10kV系統(tǒng)，Xe/2=337.5k，2Xco=66k；當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，使Xli下降，可能使Xli/2=2Xco，即滿足產(chǎn)生1/2分頻諧振條件，分頻諧振時(shí)，三相對(duì)地電壓通常是同時(shí)升高，并伴有電壓表指針輪換現(xiàn)象。c. 高頻諧振高頻諧振的頻率取決于電壓互感器的飽和特性，最常見的是3倍電源頻率的高頻諧振，產(chǎn)生高頻諧振時(shí)三相對(duì)地電壓通常是同時(shí)升高，諧振電壓最高可能達(dá)到電源相電壓的67倍。因此，對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，應(yīng)特別引起重視。2.2.3 諧振過電壓的原因通過前面的分析可知，產(chǎn)生諧振需

15、要一定的條件，只有在操作如投切線路或變壓器，亦或接地故障消失的過渡過程中，電網(wǎng)出現(xiàn)一相或兩相電壓升高，電磁式電壓互感器鐵芯足夠飽和時(shí)，才有可能構(gòu)成諧振回路，激發(fā)起鐵磁諧振，所以，電壓互感器鐵芯容易飽和以及參數(shù)匹配不當(dāng)是發(fā)生鐵磁諧振的主要原因。2.3 防止措施預(yù)防鐵磁諧振的技術(shù)措施，從原理上講主要是改變回路參數(shù)，以增加阻尼，破壞諧振條件。目前，可供采用的措施有：2.3.1電壓互感器開口三角側(cè)加裝消諧燈泡或消諧器，一般在610kV系統(tǒng)中，可接200500W燈泡，但消諧燈由于動(dòng)作頻繁，燈泡容易燒壞，需定期進(jìn)行檢查才能起到消諧作用；而消諧器大多由于質(zhì)量問題其接點(diǎn)容易損壞而失去作用。2.3.2電源中性點(diǎn)

16、加裝消弧線圈，通過加入串聯(lián)電抗，改變回路參數(shù)，從而達(dá)到消諧目的，不足之處是投資較大。2.3.3在一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)Ro接地。當(dāng)Ro足夠大時(shí)，可限制一次繞組勵(lì)磁涌流，避免互感器鐵芯飽和，從而有效地防止或消除諧振，對(duì)于610kV互感器選用1020k，容量約為200W即可。2.3.4選擇具有較好勵(lì)磁特性的電壓互感器，或采用增大零序電容的方法。2.3.5限制電網(wǎng)運(yùn)行電壓，減少電網(wǎng)擾動(dòng)?；蛘咧C振發(fā)生時(shí)，投入空載線路，改變系統(tǒng)運(yùn)行方式等都可能達(dá)到消諧的目的。3. 結(jié)論3.1 對(duì)于110kV及以上系統(tǒng)，當(dāng)開關(guān)斷口上并聯(lián)有電容，空母線上有電磁式電壓互感器，操作開關(guān)或切空母線時(shí)，容易激發(fā)鐵磁諧振。消諧方法是改變操作步驟，破壞諧振條件，或在技術(shù)改造時(shí)綜合考