10KV鐵路電力系統(tǒng)諧振過電壓產(chǎn)生原因及抑制措施講解

10KV鐵路電力系統(tǒng)諧振過電壓產(chǎn)生原因及抑制措施摘要：鐵路10KV電力系統(tǒng)是中性點不接地系統(tǒng)，中性點直接接地的三相五柱電磁式電壓互感器線圈電感和電網(wǎng)對地電容與構(gòu)成諧振條件，在運行中容易產(chǎn)生鐵磁諧振，引起內(nèi)部過電壓。本文通過對10KV中性點不接地運行方式下諧振過電壓的分析，說明產(chǎn)生諧振過電壓的條件、種類及特點，并針對各種抑制諧振過電壓的措施進行探討，得出可行性結(jié)論。關(guān)鍵詞：鐵路；電力；過電壓；抑制措施1概述鐵路10KV電力系統(tǒng)均為中性點不接地系統(tǒng)（小電流接地），發(fā)生單相接地故障時，由于對線電壓不產(chǎn)生影響，允許繼續(xù)運行2個小時，提高了供電的可靠性和連續(xù)性，但是存在著易產(chǎn)生過電壓的問題。在10KV配電所的每一段母線上均接有一臺三相五柱電磁式電壓互感器，其一次線圈中性點直接接地。由于電網(wǎng)對地電容與壓互的線圈電感構(gòu)成諧振條件，在運行中容易產(chǎn)生鐵磁諧振，引起內(nèi)部過電壓，這種過電壓持續(xù)時間長，甚至能長時間自保持，對系統(tǒng)的安全運行威協(xié)極大，它是導(dǎo)致壓互高壓熔絲熔斷和壓互燒損、避雷器爆炸的主要原因，也是某些重大事故的誘發(fā)原因之一。近五年以來，在我段管內(nèi)共發(fā)生諧振過電壓燒壞壓互高壓保險12次，燒毀10KV壓互1臺，壓互瓷瓶內(nèi)部引出線燒斷1次。2鐵路10KV電力系統(tǒng)諧振過電壓產(chǎn)生的條件2.1內(nèi)部條件鐵路10KV電力系統(tǒng)是中性點不接地系統(tǒng)，為了監(jiān)視系統(tǒng)的三相對地電壓，10kV配電所每段母線上均接有Y/Y/接線的三相五柱電磁式壓互。母線電壓互感器的高壓側(cè)接成Y型，其中性點是接地的，由于鐵路10KV電力系統(tǒng)中電纜較多，各相對地電容較高，電網(wǎng)對地電容與壓互的電感相匹配構(gòu)成諧振條件。當(dāng)發(fā)生諧振時，壓互感抗顯著下降，勵磁電流急劇增大，可達到額定值的數(shù)十倍，造成壓互燒毀或保險熔斷。2.2外界激發(fā)條件激發(fā)產(chǎn)生諧振過電壓的外部條件有以下幾種：（1） 線路發(fā)生單相接地或瞬間接地。（2） 向帶有三相五柱電磁式壓互的空母線充電（不帶饋線負荷的情況下空送母線）。（3） 空載線路投切操作。（4）電力線路有雷電感應(yīng)。（5）電網(wǎng)負荷輕，電壓高發(fā)生傳遞過電壓。3鐵路10KV電力系統(tǒng)過電壓種類及特點3.1過電壓種類鐵路10KV電力系統(tǒng)過電壓主要分為諧振過電壓、雷電過電壓和操作過電壓，其中諧振過電壓在正常運行操作中出現(xiàn)頻繁，危害性較大；過電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設(shè)備損壞和大面積停電事故。運行經(jīng)驗表明，鐵路10KV電力系統(tǒng)中過電壓大多數(shù)都是由鐵磁諧振所引起的。在實際運行中，故障形式和操作方式是多種多樣的，諧振性質(zhì)也各不相同。因此，為了制訂防振和消振的對策與措施，應(yīng)該了解各種不同類型諧振的性質(zhì)與特點。3.1.1基波諧振通常發(fā)生在配電所全所停電作業(yè)完成后，向帶有電磁式三相五柱壓互的空母線送電充電時。表現(xiàn)為三相電壓一相降低，但不為零，另外兩相電壓升高超過線電壓，我們也稱作“虛幻接地”。往往引起壓互高壓熔絲熔斷、壓互過熱冒油甚至燒損。這種現(xiàn)象一般在饋線送電后就可消失。3.1.2分頻諧振分頻諧振多由雷電感應(yīng)引起，在線路較短，電磁式壓互較多，正常時中性點不平衡電壓較高的系統(tǒng)發(fā)生。發(fā)生分頻諧振時三相電壓表的指示輪流升高，且不穩(wěn)定，升高后數(shù)值約為線電壓值。容易造成壓互溫度升高，嚴(yán)重時甚至冒油。3.1.3高次諧波諧振在線路電容足夠小，且負荷較輕，母線電壓較高時發(fā)生。此時三相電壓表指示同時升高，數(shù)值基本相同，一般不超過線電壓值，即在工頻電壓的諧波上疊加了高次諧波分量（主要是三次諧波）。發(fā)生高次諧波諧振時壓互溫度升高，相應(yīng)電壓等級的設(shè)備絕緣較弱部位會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。3.2諧振過電壓的特點鐵路10KV電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時不影響線電壓值，允許維持不超過2小時的運行時間，以減少用戶斷電。大多數(shù)單相接地故障因接地點接觸不良高阻接地，在接地點出現(xiàn)瞬燃瞬熄的電弧放電，從而造成電壓突變，極易引發(fā)電能、磁能振蕩。單相接地時接地電弧不能自動熄滅，必然產(chǎn)生弧光過電壓，一般為3?5倍相電壓甚至更高，致使系統(tǒng)中絕緣薄弱的地方擊穿放電，并發(fā)展為相間短路造成開關(guān)跳閘和設(shè)備損壞事故。對于電纜出線的供電回路，由于電容電流大，單相接地后電弧不能自行熄滅，產(chǎn)生的弧光過電壓往往導(dǎo)致相間短路使電纜、中間（終端）頭及避雷器擊穿。線路發(fā)生單相接地時，系統(tǒng)突變兩相電壓瞬時升高，線路對地電容與中性點接地的壓互繞組形成并聯(lián)振蕩回路，電壓互感器三相鐵芯會高度飽和，各相感抗發(fā)生變化，電感值不相同，中性點位移，產(chǎn)生零序電壓。由于線路電流持續(xù)增大，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯飽和，其電感迅速減小，當(dāng)電感降到滿足?L=1/?C時，具備了諧振條件，就會產(chǎn)生并聯(lián)諧振過電壓。諧振時，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流超過了電壓互感器額定電流，熔絲卻沒有及時熔斷，壓互就會長時間處于過電流狀態(tài)而燒損。鐵路電力系統(tǒng)由于供電線路長，自閉、貫通線路供電臂一般達到40KM左右，變壓器較多，常因電纜及避雷器故障形成單相接地，引起系統(tǒng)諧振，產(chǎn)生間歇性過電壓，致使非接地的兩相電壓升高到線電壓，由于不能及時切除故障線路，電纜、避雷器長時間運行在非正常電壓下。避雷器流過數(shù)倍于正常的泄漏電流，迅速劣化，而電纜的非接地相對地（屏蔽及鋼鎧）耐壓由6KV提升到10KV，最終導(dǎo)致避雷器爆炸或電纜擊穿。4抑制過電壓措施鐵磁諧振過電壓在鐵路10KV電力系統(tǒng)中頻繁發(fā)生。這種過電壓持續(xù)時間長，因而對系統(tǒng)的安全運行威脅極大，它是導(dǎo)致高壓熔絲熔斷和電磁式電壓互感器燒損爆炸的重要原因。鐵路10KV系統(tǒng)一般都是作為沿線各站及區(qū)間的信號主備電源，大部分是一級負荷，因此也是重大事故的誘發(fā)原因之一。下面就常用的消除諧振過電壓的措施分別進行討論。4.1自動調(diào)諧接地補償裝置采用自動調(diào)諧原理的接地補償裝置，能夠較好地解決諧振過電壓的問題。4.1.1裝置組成目前自動調(diào)諧接地補償裝置組成如圖1所示，主要由接地變壓器、電動式消弧線圈、微機控制部分、阻尼電阻部分、中性點專用互感器和非線性電阻五大部分組成。圖1自動調(diào)諧接地補償裝置4.1.2作用接地變是作為人工中性點接入消弧線圈，并能夠當(dāng)作所用變使用。消弧線圈電流通過有載開關(guān)調(diào)節(jié)并實現(xiàn)遠方自動控制。采用予調(diào)節(jié)方式，即在正常運行方式情況下，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動跟蹤和自動調(diào)諧利用微機控制器實現(xiàn)。通過測量位移電壓和中性點電流與電壓之間的相位，能自動計算、判斷、發(fā)出指令進行調(diào)整，顯示有關(guān)參數(shù)。并且能追憶、報警、自動打印和信號遠送，滿足無人值班變電所的需要。自動調(diào)諧接地補償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全補償運行或很小的脫諧度，主要是由于在消弧線圈的一次回路中串入了大功率的阻尼電阻，增大阻尼率，降低中性點諧振過電壓的幅值使之達到相電壓的5%?10%。當(dāng)系統(tǒng)的電容電流與消弧線圈工作電流相等時，即在諧振時中性點電壓限制在允許值以下，這樣就可實現(xiàn)全補償，這是殘流為最小的最佳工作方式，接地時殘流很小，不會引起弧光過電壓。4.2可控硅多功能消諧裝置可控硅多功能消諧裝置，也是仰制鐵磁諧振過電壓，保護高壓熔絲和電壓互感器免遭損壞的理想的自動保護裝置。4.2.1用途消諧器是一種特別配置的非線性復(fù)合電阻，串接在壓互一次側(cè)中性點回路，它的接入相當(dāng)于在壓互一次側(cè)每相對地都接入電阻，能夠起到抑制壓互過電壓、過電流、阻尼和抑制諧波的作用。可控硅多功能消諧裝置是單一功能消諧裝置的升級換代產(chǎn)品。能消除電網(wǎng)中常見的多種頻率鐵磁諧振?？捎行У胤乐闺妷夯ジ衅鞯臒龘p，確保電網(wǎng)的安全運行。4.2.2結(jié)構(gòu)與原理多功能消諧裝置主要由變壓器、單（雙）向可控硅、選頻電路、觸發(fā)電路、計數(shù)顯示電路等部分組成。4.2.3主要功能特點集多種功能于一體，電路簡單，工作可靠，系統(tǒng)正常時，開口三角電壓Uo=0,裝置處于備用狀態(tài)，因此裝置功耗可忽略，使用壽命長久。消諧頻率范圍寬，對電網(wǎng)中常見的17HZ和25HZ等各種頻率的鐵磁諧振均能有效消除?？垢蓴_力強，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生單項接地等異?，F(xiàn)象時，裝置可靠不動。4.3中性點接消弧線圈對由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓的限制，目前雖然有多種方式，但效果大多不夠理想，這是由于鐵磁諧振過電壓本身是一個非線性過程，現(xiàn)象比較復(fù)雜。我們知道分頻諧振有1/2、1/3、1/6及1/8等，高頻諧振有2、3次，還有工頻諧振，有時幾種諧振同時發(fā)生，一些消諧措施不能有效的限制。在系統(tǒng)上有多臺電磁式壓互時，必須要使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大的變化才能將諧振過電壓抑制住。如果在系統(tǒng)的中性點上接入消弧線圈破壞它的諧振條件，能夠有效地抑制諧振過電壓的發(fā)生。其原理也很簡單，如圖2所示。壓互的勵磁感抗比較大（千歐至兆歐級，而消弧線圈的感抗（百歐級比較小，這樣諧振條件?L=1/?C很難滿足，諧振就不會發(fā)生。另一方面無消弧線圈時單相接地發(fā)生間歇性電弧時電容上多次充放電造成壓互燒毀、熔絲熔斷；有了消弧線圈后，電容對小感抗放電，壓互中電流就很小，不會燒毀了。所以在中性點接入消弧線圈，對于由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓具有很好的限制作用。4.4壓互中性點經(jīng)消諧器接地安裝消諧器后，系統(tǒng)感容等效電路可用圖2表示。圖2安裝消諧器后壓互回路示意圖壓互中性點接入消諧器后，可以限制系統(tǒng)在一相接地或弧光接地時流過壓互另兩相的高壓繞組的過電流。如圖2接線示意圖中，當(dāng)系統(tǒng)C相（或A、B相）發(fā)生單相接地時，C相對地電壓：UCX=0，在此情況下，若沒裝消諧器，貝V：UAX=UBX=UAC=UBC=U申此時流過A、B兩相高壓繞組的電流為:式（1）式中：XLE--壓互的單相感抗即I為正常值的〈3倍。因此，即使系統(tǒng)不發(fā)生過電壓，單相接地時也可能燒壞另兩相的高壓繞組。若系統(tǒng)因單相接地而引起過電壓，貝此電流會更大。當(dāng)壓互高壓側(cè)中性點上安裝消諧器后，在C相單相接地時，流過A、B兩高壓繞組的電流為：?式（2）只要當(dāng)6R2-RXLE>0，即時，式（2）中電流值就小于式（1中的電流值，即通過A、B兩相高壓繞組的電壓受到消諧器R的限制。而實際上消諧電阻的阻值與感抗之比（R/XLE）遠大于0.28。因此消諧器的接入，削弱了單相接地時流過非故障相互感器高壓繞組的電流，可有效地防止壓互過電壓和過電流。4.5壓互開口三角繞組接電阻由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會導(dǎo)致一次側(cè)電流增大，也就是說壓互的容量要相應(yīng)增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但壓互的過載現(xiàn)象越嚴(yán)重，在諧振或單相接地時間過長時甚至?xí)?dǎo)致保險絲熔斷或壓互燒毀。一般來說接入10kV壓互開口三角繞組的電阻取16.5?33Q。4.6其他抑制諧振過電壓的措施選用勵磁特性好，不易飽和的電壓互感器。在滿足系統(tǒng)運行要求的情況下采用防諧振式壓互4.6.3在三相五柱式壓互開口三角上接燈泡或接入晶閘管消諧裝置，增加阻尼，破壞諧振條件。5應(yīng)用效果在實際運行中，壓互開口三角繞組接電阻、壓互開口三角繞組接分頻消諧裝置等方法不能有效避免諧振的發(fā)生及保險熔斷。在諧振發(fā)生或線路單相接地時壓互一次側(cè)電流顯著增大及因本身元件故障而失去消諧作用是上述兩種裝置的主要缺陷。采用在壓互中性點加裝消諧器的方法，在線路單相接地時能夠使壓互各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低壓互一次側(cè)電流，同時亦保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏度，其優(yōu)點較為突出。我段在2000年對部分小負荷10KV配電所母線壓互進行了改造，在其一次側(cè)中性點上加裝了消諧器，改造后效果明顯，運行至今未出現(xiàn)過壓互保險熔斷與“虛幻接地”現(xiàn)象。隨著負荷增加，出線回路增多，線路增長，系統(tǒng)對地電容電流也大幅度增大。近年，部分10KV配電所安裝了自動調(diào)諧式接地補償裝置，裝置自投入后運行穩(wěn)定，對電網(wǎng)的自動跟蹤補償、報警和信號動作準(zhǔn)確，取得了滿意的效果。