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策徐興國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)安全運行。本文根據(jù)對雙牌水電站110 kV系統(tǒng)及10kV系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的實際分析，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，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電壓級中性點直接接地電網(wǎng)和35kV及以下電壓級中性點不接地電網(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，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量出來，這種鐵磁諧振不僅引起虛幻接地，有時還會釀成事故，燒毀電氣設(shè)備。例如：雙牌水電站110kV開關(guān)站雙揚II線在倒閘操作時產(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。下面分別對這種諧振過電壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并對其綜合防止措施提出解決辦法。1 110kV系統(tǒng)雙揚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問題11 過電壓的產(chǎn)生雙牌水電站至揚梓塘變電站110kV雙揚II線自投產(chǎn)至一九九四年九月止，在倒閘操作時曾多次發(fā)

4、生諧振過電壓。為此，我站配電裝置運行規(guī)程第六章第38條規(guī)定：“在雙揚II線停、送電操作時，應(yīng)避免502號開關(guān)斷口電容激發(fā)諧振過電壓。”在七十年代末曾經(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，所以對運行操作規(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、500號、502號開關(guān)在斷開位置，而5×34號、5021號、5023號在合閘位置時，即產(chǎn)生諧振過電壓。此時中控室母線三相電壓表指針偏轉(zhuǎn)到最大，現(xiàn)場發(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。1 2原因分析1.2.1 等值電路 雙揚II線的電壓互感器為國產(chǎn)JCC-110型，502號開關(guān)是沈陽高壓開關(guān)廠生產(chǎn)的SW3-110GA，每相開關(guān)有2個斷口，每個斷口并聯(lián)著一個1820PF的均壓電容。當(dāng)5335號、500號、502號在斷開位置，此時由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)系中性點直接接地系統(tǒng)，而電壓互感器又為3臺單相，且其高壓繞組接成中性點接地丫接法，這樣該段母線就可以分成3個獨立的單相系統(tǒng)來考慮。其等值電路如圖二所示：圖二 圖三圖中Ck為502號開關(guān)的斷口電容，C為線路的對地電容，L

6、是JCC互感器的勵磁電感。由等值發(fā)電機(jī)原理，圖二的電路可以化為圖三的簡單振蕩電路，其中E為A、B兩點打開后的端電壓，Ce為從A、B兩點向電源側(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磁電感，因此L和Ce兩端的電壓除有50Hz的基波分量外，還會帶有多種諧波成份，對占主導(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Ik處：UL=Uc，U=0，由此可知，它就是回路

7、的諧振點。在交點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，它們雖然都能滿足電勢平衡條件，但由于x2是不穩(wěn)定工作點，因之圖三的回路只能工作在x1和x3點，在x1點，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；對于x3點,它的工作區(qū)已越過了UL和Uc的交點Ik，因之稱為諧振工作點，此時回路電流和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，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點所對應(yīng)的電流Ip，則回路的工作點將由x1轉(zhuǎn)移到x3點。由此可知，對圖三的電路，只有在外界因素沖擊下(如此時斷開5335號刀閘，即對地電容發(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產(chǎn)JCC互感器有多種型式，其勵磁特性曲線也不盡相同，且110kV變電站線路長度并不一樣，其對地電容值也不一樣，故對不產(chǎn)生諧振的Ck值，在各變電站中亦不是一個定值，但斷路器帶斷口電容，其在操作時易激發(fā)諧振過電壓。我站雙揚I線也裝有兩臺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II線停、送電操作時，在5335號刀閘開、合之前，應(yīng)先拉開5×34號刀閘；在5335號刀閘開、合上后，再合上5×34號刀閘，這樣就破壞了諧振條件，諧振現(xiàn)象就可以消除。實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II線停電操作，在500號，502號斷開后，先斷開5×34號刀閘，再斷開5335號刀閘；在送電操作時， 先合上5335號刀閘，接著合上5×34號刀閘，再合上500號、502號開關(guān)，或者在合上5335號刀閘后，合上500號、502號最后合上5×34號刀閘，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，就不會發(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單而又實用的辦法是將母線上的電磁式互感器改為電容式互感器，國產(chǎn)110kV電壓級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級和0.5級精度時的額定輸出分別為100VA和300VA，且其價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，同時互感器換成0.2級的，可提高我站電能計量水平及準(zhǔn)確度。1.3.3 502號開關(guān)改造或更新502號開關(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，自動重合閘時可能出現(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)鐵磁諧振過電壓問題2.1 過電壓的產(chǎn)生10kV發(fā)電機(jī)II段母線經(jīng)一臺變比為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組型號為JDZT-10型電磁式電壓互感器，

12、接線如圖六所示（為了簡便起見，圖中省略了一些元件）。圖六經(jīng)計算與實測線路單相接地時的電容電流約為0.21A，相應(yīng)的對地容抗為Xco=33k，母線電壓互感器線電壓下的并聯(lián)勵磁感抗為Xe=675k。運行中線路單相接地后引起鐵磁諧振，母線三相對地電壓同時升高，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。圖七圖八因為諧振屬零序性質(zhì)，因此，在分析時不考慮負(fù)荷及各種相間參數(shù)的影響，Co為系統(tǒng)每相對地電容，L1=L2=L3=Li為互感器每相勵磁電感，顯然，圖八是一個串聯(lián)諧振電路。2.2.2 產(chǎn)生諧振的條件及現(xiàn)象在正常運行時，各相

13、勵磁電感相等，故三相對地負(fù)載是平衡的，電網(wǎng)中性點電位為零。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動，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地電壓升高，導(dǎo)致兩相電壓互感器的勵磁電流增大而使其鐵芯飽和，其勵磁電感相應(yīng)減小，這樣三相對地負(fù)荷就變得不平衡，電網(wǎng)中性點出現(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)，中性點位移電壓急劇上升到滿足Xli=Xco時，就發(fā)生了基波諧振，基波諧振時，三相電壓通常是一相對地降低，兩相對地升高。b. 分頻諧振在35kV及以下電壓級電網(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)擾動發(fā)生時，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，三相對地電壓通常是同時升高，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)生高頻諧振時三相對地電壓通常是同時升高，諧振電壓最高可能達(dá)到電源相電壓的67倍。因此，對電網(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，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)量問題其接點容易損壞而失去作用。2.3.2電源中性點

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在一次繞組中性點經(jīng)Ro接地。當(dāng)Ro足夠大時，可限制一次繞組勵磁涌流，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)運行電壓，減少電網(wǎng)擾動。或者諧振發(fā)生時，投入空載線路，改變系統(tǒng)運行方式等都可能達(dá)到消諧的目的。3. 結(jié)論3.1 對于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，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)改造時綜合考