变电站空母线铁磁谐振的分析

摘要：本文结合电力系统中发生的变电站空母线铁磁谐振事故，阐述了此类铁磁谐振的机理、特征，综合评价了国内常见的几项消谐措施（装置），提出了在变电站倒闸操作中防止和消除空母线铁磁谐振的具体操作步骤和有关注意事项。

一、概述

电力系统中由电磁式电压互感器（以下简称压变）非线性引起的铁磁谐振，其持续时间一般较长，如不采取有效的消除措施，常常会长期自保持，从而引起压变因长时间过励磁而烧损，甚至还会诱发产生更为严重的电力系统事故。电力系统的铁磁谐振可分两大类：一类是在66kV及以下中性点绝缘的电网中，由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合，在系统电压大扰动（如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等）作用下而激发产生的铁磁谐振现象；另一类是发生在220kV（或110kV）变电站空载母线上，当用220kV、110kV带断口均压电容的主开关或母联开关对带压变的空母线充电过程中，或切除（含保护整组传动联跳）带压变的空母线时，操作暂态过程使连接在空母线上的压变组中的一相、两相或三相激发产生的铁磁谐振现象。由于谐振波仅局限于变电站空载母线范围内，故称其为变电站空母线谐振。

两类谐振有着本质差异。前者是中性点绝缘的高、中压配电网（66-6kV）在正常运行的情况下产生的，谐振时仅表现为系统中性点的位移，即谐振波仅具有零序性质；而后者是110kV～220kV变电站空载母线在非正常运行方式下发生的，谐振波可能具有正序、零序及负序性质。在这里所说的非正常运行方式，是指变电站空载母线与中性点直接接地的电源系统之间仅通过断路器的断口均压电容器进行弱连接。前者在我国中性点绝缘的电网中颇为多见，且消谐措施（装置）比较成熟，后者在电力系统中不多见，且消除变电站空母线谐振的措施（装置）还处在探索的初级阶段。

二、110kV～220kV变电站空母线铁磁谐振的机理及特征

1．事故案例

湖南电网220kV毛家塘变220kVⅠ母上原有三台JCC2-220型压变，99年9月25日在220kVⅠ母部分设备试运行过程中，将试运行空开关倒Ⅱ母，对Ⅱ母电压母差回路进行检查（Ⅰ母为带压变的空载母线），在母差试验跳母联开关（LW7-220）时，激发产生了三相基频谐振，发现Ⅰ母零序电压继电器烧坏，Ⅰ母电压（UAB、UBC、UAC）指示表顶表（满量程为300kV，超过额定电压的1.36倍以上），Ⅰ母压变三相声响异常，A相最为严重，谐振持续了15分钟，直至三相压变全部烧损（其中A相炸裂），全站失压（除母联开关和试运行的空开关外，其它220kV出线开关母差保护出口压板已退出）。

2．谐振机理分析

在某些中性点直接接地的110kV～220kV电网中的变电站空母线上的谐振回路，由断路器的断口K1的均压电容C1和母线电磁式压变的铁芯电感L构成，如图一（a）所示。当刀闸K2处于闭合状态下打开K1，或K1处于开路状态下闭合K2，均将形成如图一（b）所示的谐振回路。其中C2为线对地电容，C12为相间电容。由于C12相对较小，予以忽略。于是，形成如图一（c）所示的各相独立的谐振回路，其等值电路如图一（d）所示。

图一 空母线上TV谐振电路及其等效电路

3．谐振特征

综合电力系统中发生的空母线铁磁谐振事故，对110kV～220kV变电站空母线谐振特征可归纳如下：

(1)由于三相谐振电路各自独立，因而谐振可在一相中产生，亦可在两相或三相中同时产生。

(2)谐振现象仅局限于变电站内，对电源系统不产生任何影响。

(3)谐振波主频率，最常见的是基波、1/3次分频；其次为1/5次分频和1/2次分频。

(4)非谐振相的相电压为工频耦合电压，是由开关断口电容耦合产生的，其值取决于母线对地杂散电容、压变激磁电感和断口电容三参数，一般为0.2～0.6pu；谐振相相电压则为工频耦合电压与谐振波电压的迭加。由于铁芯过饱和的缘故，谐振相相电压中一般都含有相当丰富的高次谐波分量，因而造成谐振相电压波形的严重畸变。

(5)除在相基频谐振时电压相序仅具有零序性质外，所有其它频率的谐振波都具有零序、正序和负序分量。

(6)谐振相电压的稳态值同谐振频率有关。基频谐振相电压的稳态值为最高，可达正常运行相电压的1.8pu以上，而其它频率的谐振相电压稳态值都低于系统正常相电压，而且随着谐振频率的降低，其稳态值几乎成正比下降，实测结果表明，1/2次、1/3次、1/5次分频谐振电压分别为0.9、0.6、0.4pu左右。这就是说，只有基频谐振时才出现持续过电压现象，其它频率的谐振都不会导致持续过电压，而且激发暂态过电压幅值也不高。

(7)谐振相压变的电流，不论其频率如何，都呈尖顶状，且其幅值几乎相同，说明谐振时铁芯都进入相近的过饱和程度。但谐振电流的有效值是不同的。谐振频率越高，压变的电流有效值越大，对压变热稳定的破坏作用就越严重。

(8)线电压值同谐振相数有关，亦同谐振波频率有关，一般情况下它不等于系统的正常线电压，且三个线电压之间亦不等。

(9)操作开关或刀闸时是否会激发产生谐振以及产生何种频率的谐振，往往是随机的，不同相可能同时产生不同频率的谐振，还可能从一种频率的谐振自动滑向另一种频率的谐振。

三、国内常见的几项消谐措施（装置）的综合评价

表一列出的是我国迄今为止消除110kV～220kV变电站铁磁谐振的几项常见措施（装置）。这些措施（装置）所反映的消谐思路可归纳为三方面：一是避开或从根本上消除谐振产生的条件，如序号1、2、3；二是通过改变谐振回路参数，破坏谐振条件，如序号4；三是通过吸收与消耗谐振暂态或稳态时的能量，以抑制谐振的产生，或使其受阻尼而消失，如序号5、6、7。

1改变正常操作程序，停母线时，先停母线上的压变；母线恢复送电时，先对空母线充电，后投入压变。这是我国当前较普遍采用的一项措施。 当母线按计划进行停、送电操作时，可避开产生谐振的条件 违反了母线停、送电的正常的操作程序，增加了本不需要的额外操作，可能由此而引发不良后果；当系统故障而导致空母线运行时，有引发谐振的可能。 无人值班变电站不宜采用此方案

2改用电容式压变，即CVT。从根本上消除了产生谐振的条件。需巨额资金，带负载能力差。二次侧仍存在铁磁谐振问题，需采取消谐措施。新建变电所可考虑此方案。对运行中的PT不推荐改CVT。

3取消C从根本上消除了产生谐振的条件。使断路器开断容量降低70%左右。 不推荐

4 增大C2，具体做法是在母线上投一段空线路。 比较简单、方便。 不是所有变电站都具备此条件。 视变电站具体条件

5在压变二次侧瞬时接入约为0.05Ω的电阻。 可消除基频谐振 对阻尼电阻进行投切的控制系统较复杂 应将消除其它频率的谐振波的功能一并加以考虑。

6稳压消谐。在PT次级三相绕组的端部接入稳压电路，即经三相全波整流电路接入大容量电解电容器，使得端部电压被强制地限制到额定电压水平，这样暂态过程中磁通的幅值将被抑制。激发起来的谐振能量将被该支路吸收，谐振也就消失。 对幅值较高的基频谐振可能比较有效。 对幅值较低的1/3、1/5及1/2次分频谐振往往难以起到削波作用，因为电解电容在谐振激发前已被系统电源充电至81.6V，高于1/3、1/5及1/2次分频谐振电压的幅值，因而，起不到随后的削波作用。 尚需经更多变电站的运行考验。

7 消谐装置在压变开口三角回路中接入WNX—220型微电脑多功能消谐装置，该装置能自动消除基频和1/2、1/3、1/5次分频谐振。并能记录谐振频率、次数供分析用。 简便、经济 需在压变开三角绕组回路中增加一根辅助连线。 尚需经更多变电站的运行考验，以便积累更多运行经验。

四、倒闸操作中防止和消除谐振的具体操作步骤和有关注意事项

（一）操作过程中预防110kV～220kV空母线铁磁谐振措施

1、用220KV、110KV带断口均压电容的主开关或母联开关（如SW6-110、220、SW7-220、LW6-220、LW7-220、部分SW3-110等）对带电磁式电压互感器的空母线充电时，为防止合上两侧刀闸后因断开电容的耦合作用有可能与空母线电磁PT产生串联谐振，应先合上开关，后合PT刀闸。如属新安装的电磁式式电压互感器投产，在编写试运行方案时，应考虑带空线路开关充空线PT。

2、用220KV、110KV带断口均压电容的主开关或母联开关切除（含保护整组传动联跳）带电磁式电压互感器的空母线时，应先拉PT刀闸，再拉（跳）开关。

3、如在系统运行方式和倒闸操作过程中出现了开关断口电容与空母线电磁式PT造成的串联谐振，变电值班人员应根据空母线电压表指示、故障录波图、PT音响、PT膨胀器是否膨胀等进行综合分析后，迅速作出判断，立即采取措施破坏谐振条件。不管是合开关前出现的谐振过电压，还是拉开关后出现的谐振过电压，最直接有效的办法是迅即合上主开关或母联开关。如上述措施无法实现时，应迅速汇报调度，合上备用线路开关。

（二）防止35kV、10kV中性点经消弧线圈接地或不接地系统铁磁谐振过电压

1、值班员应定期巡视35kV、10kV母线TV开口三角所装消谐器或消谐灯炮是否完好，母线停电操作箱，还应巡视、检查。

2、35kV、10kV母线的停电操作时，应将母线停电后再拉TV刀闸。

3、变电值班人员、调度人员应正确区分铁磁谐振、线路单相接地、TV高压保险熔断造成的接地信号，并根据母线电压表的指示，TV音响等进行综合判断，确认为铁磁谐振后，应迅即合上备用线路开关，后汇报调度。