《电工技术》 爽子 2015-10-08 10:07
中国电工网讯:
言穆昀1,刘云杰1,刘聪2
 
    (1.中国市政工程华北设计研究总院,天津300074;2.天津市电力公司检修公司,天津300232)
 
    [摘要] 分析北郊污水净化厂电站谐振过电压事故,介绍电网谐振过电压的特点及抑制措施。
 
    关键词 电网 过电压 谐振
 
    0引言
 
    北郊污水净化厂(以下简称净化厂)两路10kV电源引自供电部门变电站,10kV电网为小电流接地系统。净化厂变电站10kV系统两段母线上分别装有三相五柱式电压互感器(TV)柜,TV一次线圈中性点直接接地,二次辅助绕组接成开口三角形,构成零序电压过滤器,负载为微机二次消谐装置。运行1年后,TV柜频繁出现高压熔断器熔断、环氧树脂受热喷出等现象,同时TV柜中的二次消谐装置报“接地故障”、“谐振故障”和“过压故障”。每次更换互感器后,TV柜能正常运行,三相电压平衡。由此判断谐振过电压是事故频发的原因。
 
    1电网过电压的产生
 
    供电电网过电压现象十分普遍,如果没有防范措施,随时都可能发生。引起电网过电压的原因主要有内部过电压(系统过电压)和雷电过电压(也称外部过电压或大气过电压),内部过电压又包括谐振过电压、操作过电压,其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁,其危害性较大。
 
    供电电网中存在着感性或容性元件,而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容。系统中的电感、电容元件可形成多种频率的震荡回路,在一定的能量作用下,特定参数配合的回路中就会出现谐振现象,引起电压的异常升高。
 
    谐振常属于稳态现象,因此其持续时间比操作过电压长得多,可以稳定地存在,直至新操作破坏掉原回路的谐振条件为止。
 
    2谐振过电压的种类
 
    虽然在不同电压等级以及不同结构的电力系统中会产生情况各异的谐振过电压,但按性质分,谐振过电压大致分为线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参数谐振过电压。
 
    (1)线性谐振过电压。线性谐振回路中的L和C都是常量,它们不随元件上的电流、电压变化。线性谐振回路主要指不带铁芯的电感元件(如输电线路电感、变压器漏感)或励磁特性接近线性的含铁芯的电感元件(如消弧线圈)与系统中的电容元件所形成的串联谐振回路。在正弦交流电源的作用下,电源频率与L-C自振频率相等或接近时,就会产生强烈的谐振现象,元件上将出现很高的过电压。
 
    (2)铁磁谐振过电压。铁磁谐振往往与电感铁芯的饱和度相关。由于电感铁芯的磁通与电流为非线性关系,因此其电感不是常量。电力系统中的铁磁谐振回路一般由空载变压器或电压互感器与电容元件组合而成。铁磁谐振回路在满足一定的谐振条件时,会产生铁磁谐振。
 
    (3)参数谐振过电压。参数谐振过电压是因系统中某些元件的参数在外力的作用下发生周期性变化(通常是电机旋转时电感的周期变化)而诱发的。
 
    电力生产运行的记载和事故分析表明,中、低压电网中过电压事故多由谐振引起。为了尽可能地防止谐振过电压的发生,在设计和操作电网设备时,应进行必要的估算和安排或采取适当的防谐振措施,以避免形成严重的串联谐振回路。
 
    3谐振过电压的分析
 
    根据净化厂事故现象判断,是铁磁谐振过电压造成母线TV损坏,从而诱发TV内部间隙电弧接地,造成事故扩大。
 
    在10kV中性点不接地系统中,常通过测量三相对地电压来监视绝缘状况,为此,在变电站母线上接上Y接线的电磁式电压互感器。于是,网络对地参数除了电力设备和导线(或母线)对地电容C0外,还有电压互感器的励磁电感L,网络电路如图1(a)所示,网络等值电路如图1(b)示。
  
 
    图110kV中性点不接地系统图
 
    正常情况下,TV的励磁阻抗很大,即ωL>>1/ωC(其中,L为电感量;C为电容量;ω=2πf),因此网络对地阻抗呈容性,三相基本平衡,中性点的偏移电压很小(实际运行中不超过10V)。但在某些扰动(如单相接地的发生和消失;TV投入;系统运行方式改变或电气设备投切;系统负荷波动较大;电网频率波动等)下,TV中暂态励磁电流急剧增大,电感值下降,中性点偏移,零序电压出现(一般可达30V或120V以上)。当ωL=1/ωC时,系统中将产生谐振现象。随着系统对地电容的增大,依次发生基频、低频、高频谐振,谐振状态一旦形成,就可能维持很长时间不衰减,直至遇到新的干扰改变了谐振条件才可能消除。
 
    在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中,谐振过电压表现为多种形式。若是基波谐振(XC0/XL的比值接近1,其中XC0为线路对地容抗;XL为互感器感抗),则可能出现两相对地电压升高,一相对地电压降低,中性点对地电压升为相电压,即形成“虚幻接地”现象,这种现象在变电所送电时会遇到。若是分频谐振(XC0/XL的比值较小),则振荡频率较慢(如为50Hz的1/2、1/3、1/4等),相电压以每秒1次左右的低频摆动,TV绕组中流过的低频过电流致使熔丝熔断或电压互感器过热烧毁。若是高频谐振(XC0/XL的比值较大),则振荡频率往往是50Hz的3、5、7倍等,此时电流不大,但三相电压同时升高,数值基本相同,比分频谐振大,一般不超过线电压。高频谐振多出现在线路电容较小、负荷较轻、母线电压较高的系统中,可能引起电压互感器绝缘破坏或避雷器爆炸。
 
    从净化厂事故现象来看,发生基波谐振、分频谐振的可能性比较大。
 
    4谐振过电压的限制
 
    从电网的运行实践来看,中性点不接地系统中,由TV铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压较多。尽管采取了安装消谐灯、消谐器,在TV高压中性点增设电阻或单只TV等限制谐振过电压的措施,但始终没有从根本上解决问题,TV烧毁、熔丝熔断事故仍不断发生。
 
    净水厂采用在常规TV柜加装氧化锌避雷器防治雷电过电压,加装微机消谐装置消除铁磁谐振,但存在不足。
 
    (1)TV柜内装设的是分相式结构的氧化锌避雷器。该类氧化锌避雷器的氧化锌阀片通流量小,一般为200A/2ms,阀片易老化,动作不稳定,需要定期检测,一般1~2年检测1次,一旦阀片老化,就需更换;与母线间没有脱离装置,正常运行过程中若发生爆炸情况,会导致整个系统垮塌,影响很大。
 
    (2)微机消谐装置属于被动式保护,其工作原理是通过微机系统循环采集并检测TV开口三角绕组电压的变化来判断是否有谐振,通常的实现办法是在开口三角绕组中并一个电阻。理论上,对于谐振频率越低的铁磁谐振,应选取阻值越小的电阻,但阻值过小的电阻并接在TV开口三角绕组上会影响TV的正常运行,严重时甚至会造成TV烧毁。同时由于铁磁谐振频率往往不是单一的,所以这种方法也难以消除所有谐振。
 
    (3)微机消谐装置是先通过微机巡检后再并入小电阻回路的,所以整个过程至少需要30ms。然而,此时的谐振过电压已造成TV饱和,TV二次电压也已发生了变化,微机消谐装置动作全部完成的时间会很长,消除谐振一般需要1~2s,而保护装置的启动时间要远短于消除谐振的时间,这就有可能造成保护装置误动。
 
    (4)微机消谐装置消除谐振的时间过长,而TV及TV高压熔断器又不能承受长时间的励磁过电流的冲击,因此会出现TV损坏及TV高压熔断器熔断事故。
 
    为此,经多方调研,决定采用一种新型过电压抑制装置替代TV柜。这种过电压抑制装置可直接并于高压母线上,其内部采用由放电间隙和氧化锌电阻串联组成的四组对称单元,四组对称单元采用四星形接线形式,分别接在相线和接地线上,形成过电压保护器;电压互感器一次采用中性点变压器,接线原理如图2所示。
 

 
    (1)过电压抑制装置采用“磁悬浮”技术,从一次侧破坏铁磁谐振条件,消除谐振问题。“磁悬浮”技术主要是将一套可以改变其阻抗的变压器串接在TV中性点与地间。正常工作时,利用励磁技术使变压器一次侧呈饱和状态,阻抗为零,相当于中性点直接接地,这样,接入的变压器不会影响TV二次电压精度,也不对保护和计量产生影响。一旦系统发生铁磁谐振,流过变压器一次侧的电流变化瞬间改变其阻抗特性,使其呈高阻抗状态,阻碍谐振电流,达到消除谐振的目的。同时,由于采用“磁悬浮”技术实现过电压抑制是主动式谐振解决方案,不需要微机巡检,在系统谐振起始阶段就会立即主动判断并动作,因此谐振消除时间小于5ms。
 
    (2)针对常规TV柜内装设的氧化锌避雷器,过电压抑制装置内采用了更为先进的专用过电压吸收装置。该专用过电压吸收装置的特点是:氧化锌阀片通流量大,达到3200A/2ms,是普通氧化锌避雷器的16倍;采用组合式设计,间隙和氧化锌阀片串联链接,间隙的采用使正常工作时的阀片本身电荷率为零,解决了正常工作时氧化锌阀片易老化的问题,延长了装置的使用寿命;装置与母线间增加了限流熔断器,在装置因自身故障而发生爆炸时,脱扣器能够快速将装置与母线分离,从而给系统安全运行提供了保障。
 
    (3)二次消谐部分采用与常规微机消谐原理相同的装置,用于采集二次开口三角电压,同时也具备系统过压、欠压、断线报警功能及接地谐振频率、谐振次数显示功能。
 
    5现场运行效果
 
    过电压抑制装置投运后,虽然电网仍不断出现系统单相接地故障,但是接地故障消失时的暂态过程未再造成TV熔丝熔断、设备损坏。通过对比过电压抑制装置使用前后的消谐信息存储记录,可看出其消谐效果良好。
 
    6结束语
 
    净化厂通过采用新型过电压抑制装置对系统产生的铁磁谐振进行了有效抑制,但从电网故障情况来看,10kV系统是带病运行的,不断出现的接地故障是产生谐振的诱因之一,为此,需将事故情况尽快上报当地供电部门。若当地电网是中性点不接地系统,则建议改为经消弧线圈接地系统进行超补偿运行,使其接地回路呈感性,破坏谐振回路的形成条件。
 
    参考文献
 
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  • 《电工技术》2014年1月刊
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