变电站35kV系统谐振探讨及预防

【摘要】由于电力系统包含许多电感、电容元件，它们配置在一起将形成各种自振频率的震荡回路而导致谐振过电压，电力系统谐振过电压严重威胁着电网设备，特别是电压互感器设备危害较大，极易引起电压互感器保险熔断乃至设备烧毁或爆炸。谐振也是一种稳态的形成，它的产生存在于倒闸操作、事故处理乃至设备正常运行后在较长时间内仍然存在，只有该稳定状态再次受到破坏为止，所以谐振导致的过电压在电气设备中持续时间较长，而且均会导致设备发生不同程度的损坏。本文以500kV灰腾梁变电站35kV系统启动过程中出现的谐振并消除为引导，针对电力系统谐振消除方法进行探讨和分析，并提出今后变电站消谐的一些意见。

【关键词】变电站;电力系统;电压互感器;铁磁谐振;过电压; 消谐装置

引言

高压系统的谐振过电压是电力系统一直以来较难得到预防和处理的过电压之一。其在中性点不接地系统和直接接地系统中都比较常见，只是激发的方式不同而已。500kV变电站中35kV系统最容易发生谐振，35kV系统所承担的是站内主要动力支撑电源----主变风冷动力电源、各电压等级断路器动力电源、直流充电机电源及隔离开关动力电源等，如果35kV系统不稳定将严重威胁该站的稳定运行。而消除变电站35kV系统的谐振正是确保500kV变电站安全运行的重要方法之一。

1.谐振过电压过程介绍

1.1 故障过程简介

灰腾梁500kV1号主变压器35kV1号母线启动过程中（中性点直接接地系统），带35kV电容器一组做冲击试验，当合上电容器组321断路器5分钟之内，监控报35kV1母线B、C相PT断线，监控显示35kV1母线B、C相电压几乎为零，同时312电容器组由于低电压保护动作而跳闸，造成第一次冲击试验失败。现场查看故障录波图，发现35kV系统主要存在基波、高次谐波铁磁谐振过电压现象。

1.2 谐振过电压机理分析

我们所说的谐振过电压按照所在电压等级以及不同网架结构的电力系统可分为：

1）线性谐振

线性谐振，是电力系统最简单的谐振形式，即WL=1/WC该参数是常数，不随电压或者电流的变化，也就是我们平时所说的线性谐振，在交流电源的作用下，出现电源的频率和该系统本身设备参数形成的频率相当时，便会发生线性谐振现象。

2）铁磁谐振

铁磁谐振，是电力系统自激振荡的一种形式，该类谐振均为非线性谐振，非线性铁磁性是产生谐振的基本原因。铁磁谐振是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。发生条件WL>1/WC， 在正常运行条件下，电感、电容串联回路中串联回路中一般感抗大于容抗，由于空载母线或送电线路的突然合闸;单相接地故障（非故障相电压升高）或外界因素使得电感两端电压有所升高，电感铁芯饱和，感抗减少，出现感抗趋于等于和容抗，或者感抗小于容抗，形成相位反转，便会引发铁磁谐振。铁磁谐振是谐振过电压中最常见的，也是最难以预防的。铁磁谐振又分为铁磁电压谐振（即：串联谐振）和铁磁电流谐振（并联谐振），谐振中以铁磁电压谐振较为常见。铁磁谐振可分为基波谐振、高次谐波谐振和分次谐波谐振，他们的发生都伴有电压高，导致电气设备绝缘受损甚至爆炸、电压互感器中出现严重过流，引起电压互感器保险熔断。

3）参数谐振

参数谐振，由于系统电感在外力作用下发生周期性变化而产生的谐振，该谐振主要发生在发电机系统中，变电站基本不会发生，这里也不再讨论。

2.谐振预防与消除

2.1 线性谐振预防与消除

根据线性谐振条件WL=1/WC，在35kV系统设计和投入使用前，提前对该系统设备参数进行核对计算，通过增加系统电感参数避免操作过程中WL=1/WC的发生，线性谐振较易发现和得到控制。

2.2 铁磁谐振预防与消除

铁磁谐振是35kV系统最易发生而且较难避免的问题，它具有与线性谐振过电压完全不同的特点和特性，但是当铁芯电感两端的电压升高时，线圈中出现涌流时极有可能使铁芯饱和随着感抗的减小当出现WL=1/WC，就会达到串联谐振的条件，在电感或电容设备内部形成过电压，便形成了铁磁谐振。

通过对500kV辉腾梁变电站出现的铁磁谐振现象，经过后期试验及模型仿真，现场总结出了基本铁磁谐振预防与消除具体措施

（1）一次侧消谐

在35kV电压互感器侧中性点加装消谐器，它是安装在35kV电压互感器一次绕组Y0接线中性点与地间的非线性消谐阻尼器，最好将消谐器接地端与接地螺栓相连接，当出现中性点电压不为零时，消谐器分担一部分电压，增加感抗，消耗谐振能量，从而实现打断并消除谐振的目的，做到了有效防止过电压常使设备内缘缘击穿、外绝缘放电以及消除或阻尼压非线性励磁特性而引起的铁磁振过电压现象。接法如图1所示：

图1 一次消谐外观

（2）二次侧消谐振

实际就是在互感器开口角回路并联阻尼电阻，起到分流的作用。现场我们最简单的曾用过并联一定瓦数的白炽灯泡，但仅仅是临时性的消除谐振的发生。目前最常用的二次消谐装置仍然是微机型消谐器，能够起到实时监测电压互感器开口三角处的电压和频率，通过数字测量、滤波、放大等数字信号判断处理功能，对采集的数据进行分析、计算，判断出目前的是否出现故障。如果出现某种频率的铁磁谐振（一般在17HZ、25HZ、50HZ、150HZ之间的频段上），CPU会在1s内启动消谐电路（目前采用可控硅导通的方法），让铁磁谐振在很大的阻尼下迅速消失。为了稳妥在开口三角处还并联消谐电阻，如果消谐装置内部消谐回路（可控硅）出现故障，报警触点导通启动相应接触器，接触器会启动大容量并联电阻，从而消除谐振。

3.谐振预防现状及结论

目前，各供电局对35kV系统消谐装置均作了完善和改造，可以总结为：减少同一母线并列电压互感器台数、从互感器的励磁特性着手或在高压侧中性点串接单相电压互感器、优化操作方法等，但每种方法均由于在材料、性价比等方面存在优缺点，我以上介绍的两种方法目前实用效果较好，但在今后仍需在一次消谐中注意运行时三相电压不平衡和零序电压超标乃至消谐电阻热容量不足、二次消谐装置对低频放电电流的抑制起不到实际作用做更深一步改进和探讨，为我国电力系统安全运行提供参考依据和较好的防范案例。

参考文献

[1]周泽存.高电压技术[M].北京：水利电力出版社，1988.

[2]陈维贤.电网过电压教程[M].北京：中国电力出版社， 1996.