電網(wǎng)諧振過電壓淺析

電力系統(tǒng)中，過電壓現(xiàn)象十分普遍。如果沒有防范措施，隨時(shí)都可能發(fā)生，也隨時(shí)都可以發(fā)現(xiàn)。引起電網(wǎng)過電壓的原因很多。主要可分為諧振過電壓、操作過電壓和雷電過電壓;其中諧振過電壓在正常運(yùn)行操作 中出現(xiàn)頻繁，其危害性較大;過電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設(shè)備的損壞和大面積的停電事故。多年電力生產(chǎn)運(yùn)行的記載和事故分析表明，中低壓電網(wǎng)中過電壓事故大多數(shù)都是由諧振現(xiàn)象所引起的。由于諧振過 電壓作用時(shí)間較長(zhǎng)，所引起諧振現(xiàn)象的原因又很多，因此在選擇保護(hù)措施方面造成很大的困難。為了盡可能地防止諧振過電壓的發(fā)生，在設(shè)計(jì)和操作電網(wǎng)設(shè)備時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的估算和安排，以避免達(dá)到諧振條件; 或采取適當(dāng)?shù)姆乐怪C振的措施。

在中低壓電網(wǎng)中，故障的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，應(yīng)該了解各種不同類型諧振的性質(zhì)與特點(diǎn)，掌握其振蕩的性質(zhì)和特點(diǎn)，制訂防諧和消諧的對(duì)策與措施。

目前，我國(guó) 66kV 及以下配電網(wǎng)，仍大部分采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，一部分采用老式的消弧線圈接地。從電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)踐證明，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中一方面由于電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓 比較多，盡管采取了不少限制諧振過電壓的措施，如：消諧燈、消諧器、PT 高壓中性點(diǎn)增設(shè)電阻或單只 PT 等，但始終沒有從根本上得到解決，PT 燒毀、熔絲熔斷仍不斷發(fā)生;另一方面由于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方 式的主要特點(diǎn)是單相接地后，允許維持一定的時(shí)間，一般為 2h 不致于引起用戶斷電，但隨著中低壓電網(wǎng)的擴(kuò)大，出線回路數(shù)增多、線路增長(zhǎng)，中低壓電網(wǎng)對(duì)地電容電流亦大幅度增加，單相接地時(shí)接地電弧不能自 動(dòng)熄滅必然產(chǎn)生電弧過電壓，一般為 3—5 倍相電壓甚至更高，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會(huì)發(fā)展為相間短路造成設(shè)備損壞和停電事故。而采用老式消弧線圈接地方式的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的限制，只能運(yùn) 行在過補(bǔ)償狀態(tài)，不能處在全補(bǔ)償狀態(tài)，所以脫諧度整定的比較大，約在 20%～30%，對(duì)弧光過電壓無抑制效果。并需要手動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭，然而此時(shí)卻不能隨電網(wǎng)對(duì)地電容電流的變化及時(shí)將電壓調(diào)整到最佳的工 作位置，影響功能發(fā)揮，也不適應(yīng)電網(wǎng)無人值班變電所的需要。|

因此，我們可以采用自動(dòng)調(diào)諧原理的接地補(bǔ)償裝置，通過過補(bǔ)、全補(bǔ)和欠補(bǔ)的運(yùn)行方式，來較好地解決此類問題。目前自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置主要是由五大部分組成：接地變壓器、電動(dòng)式消弧線圈、微機(jī)控 制部分、阻尼電阻部分、中性點(diǎn)專用互感器和非線性電阻。接地變壓器是作為人工中性點(diǎn)接入消弧線圈。消弧線圈電流通過有載開關(guān)調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方自動(dòng)控制，采用予調(diào)節(jié)方式，即在正常運(yùn)行方式情況下，根據(jù) 電網(wǎng)參數(shù)的變化而隨時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈的分接頭到最佳位置。自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)諧利用微機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)。通過測(cè)量位移電壓為主和中性點(diǎn)電流與電壓之間的相位，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算、判斷、發(fā)出指令自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整， 顯示有關(guān)參數(shù)：電容電流、電感電流、殘流和位移電壓等。還能追憶、報(bào)警、自動(dòng)打印和信號(hào)遠(yuǎn)送，滿足無人值班變電所的需要。

自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全補(bǔ)償運(yùn)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，降低中性點(diǎn)諧振過電壓的幅值使之達(dá)到相電壓的 5%～10%。因?yàn)槿绻?dāng)系統(tǒng)的電 容電流與消弧線圈工作電流相等時(shí)，即在諧振時(shí)中性點(diǎn)電壓限制在允許值以下，這樣就可實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償方式，這是殘流為最小的最佳工作方式。接地時(shí)殘流很小，不會(huì)引起弧光過電壓。所以，可在消弧線圈的一次 回路中串入大功率的阻尼電阻，增大阻尼率的措施來達(dá)到。消弧線圈的脫諧率與電壓及電網(wǎng)的阻尼率有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)形成后其不對(duì)稱電壓基本是個(gè)固定值，消弧線圈為保證在單相接地時(shí)有效地抑制弧光過電壓的產(chǎn) 生，要求脫諧率達(dá)到± 5%以內(nèi)，那么只有改變阻尼率，才能改變位移電壓，因此應(yīng)當(dāng)在消弧線圈回路串入電阻，保證阻尼率，控制中性點(diǎn)位移電壓。在低壓電網(wǎng)中由于中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓很小，為提高測(cè)量精度采 用特制的中性點(diǎn)專用互感器，提高檢測(cè)靈敏度;非線性電阻的采用對(duì)欠補(bǔ)償下的斷線過電壓和傳遞過電壓都有明顯的抑制作用。

消弧線圈接入系統(tǒng)必須要有電源中性點(diǎn)，在其中性點(diǎn)上接入消弧線圈，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過變壓器的三相同方向的零序磁通，經(jīng)過油箱壁絕緣油及空氣等介質(zhì)形成閉合的回路，在油箱鐵心等處產(chǎn)生附加 的損耗，這種損耗是不均勻的，必然要形成局部過熱，影響變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命。所以接入此類接地變壓器的消弧線圈的容量不應(yīng)超過變壓器容量的 20%;為滿足消弧線圈接地補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)也滿足 動(dòng)力與照明混合負(fù)載的需要，可采用 Z 型接線的變壓器即 ZN，yn11 連接的變壓器。由于變壓器高壓側(cè)采用 Z 型接線，每相繞組由兩段組成，并分別位于不同相的鐵心柱上，兩段線圈反極性相連，零序阻抗非常 小。空載損耗低;變壓器容量可以 100%被利用;并能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)的不對(duì)稱電壓。由此可見，Z 型接線的變壓器作為接地變壓器是一種比較好的選擇。

目前消弧線圈大部分采用有載調(diào)匝式調(diào)節(jié)方式(也有調(diào)容式) ，調(diào)節(jié)分接頭數(shù)一般均大于 9，加寬了調(diào)流范圍，以便能夠達(dá)到最小的脫諧度;配有有載開關(guān)并可以遠(yuǎn)方電動(dòng)或自動(dòng)操作;有載開關(guān)在預(yù)調(diào)方式下 工作，即正常調(diào)諧是在系統(tǒng)不接地狀態(tài)下切換，安全可靠。消弧線圈調(diào)諧是由微機(jī)控制器自動(dòng)控制的，調(diào)諧時(shí)消弧線圈不須退出運(yùn)行，克服了老式線圈的一些缺點(diǎn)。

自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置, 是將所變柜改造為所變兼接地變柜，加裝開關(guān)二組、電流互感器二組及相應(yīng)二次保護(hù);接地變、消弧線圈為戶外布置(也可采用干式戶內(nèi)布置) 。消弧線圈選用有載調(diào)匝式調(diào)節(jié)方式， 調(diào)節(jié)檔位應(yīng)大于 9 個(gè)以上，以便能夠達(dá)到最小的脫諧度;正常運(yùn)行采用過補(bǔ)償方式，消弧線圈接地回路串接阻尼電阻，以限制中性點(diǎn)電壓;保證脫諧度及中性點(diǎn)的位移電壓在限制范圍內(nèi)(脫諧度控制在 5%，消弧 線圈的位移電壓不大于相電壓的 15%，故障點(diǎn)殘流不大于 5A 為宜);控制部分采用微機(jī)控制自動(dòng)消諧裝置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償;能自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)對(duì)地電容參數(shù)的變化，自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)整消弧線圈的分接頭，使其運(yùn)行在最 佳的工作點(diǎn)，保證殘流能降低到可靠熄弧的程度;并能遠(yuǎn)方遙控、遙信、遙測(cè)和遙調(diào);接地變選用零序阻抗低的 ZN/YN 接線方式;并能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)的不對(duì)稱電壓。

對(duì)由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓的限制，鐵磁諧振過電壓的限制目前雖然采取多種形式，取得了一些效果，但都不夠理想。有的裝了消諧器還是產(chǎn)生了諧振過電壓，這是由于鐵磁諧振過電壓 本身是一個(gè)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(shí)幾種諧振同時(shí)發(fā)生，消諧器不能有效的限制。而且在系統(tǒng)上有多臺(tái) PT 時(shí)，只在某 一臺(tái) PT 的開口三角上裝消諧器是很難奏效的，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(diǎn)上接入消弧線圈破壞它的諧振條件，就能夠比較有效地抑制諧振過電壓的發(fā)生。其原理也很簡(jiǎn)單，PT 的勵(lì)磁感抗比較大(千歐至兆歐級(jí))，而消弧線圈的感抗(百歐級(jí))比較小，這樣諧振條件 ωL=1/ωC 很難滿足，諧振就不會(huì)發(fā)生。另一方面無消弧線圈時(shí)單相接地發(fā)生間歇性電弧時(shí)電容上多次充放電造成 PT 燒毀、熔絲熔斷;有了消弧線圈后，電容對(duì)小感抗放電，PT 中電流就很小，不會(huì)燒毀了。所以 在中性點(diǎn)接入消弧線圈，對(duì)于由電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓具有一定的限制作用。