220kV變電運行過程中的過電壓問題分析

高建輝

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，220kV變電站已經(jīng)成為了城市供電的樞紐站，但在實際運行的過程中，不可避免地會產(chǎn)生一些過電壓現(xiàn)象。過電壓是指電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的電壓異常升高現(xiàn)象，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動。220kV變電站所出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象主要是操作過電壓和系統(tǒng)諧振過電壓，其對設(shè)備財產(chǎn)和人身安全會造成巨大的威脅。通過對220kV變電運行中產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象的分析，可以從其產(chǎn)生的原理中究其因，并提出一些應(yīng)急防范的措施，從根本上防止過電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低電力運營的成本，提高電力生產(chǎn)和運營的安全性和可靠性。

1 220kV變壓器空載投切過程中所產(chǎn)生的操作過電壓問題分析

變壓器的空載運行是指變壓器的一次側(cè)接通電源，二次側(cè)斷開負(fù)載的工作狀態(tài)。空載變壓器在正常運行時表現(xiàn)的特性類似于激磁電感，切除空載變壓器，就相當(dāng)于開斷一個小容量的電感負(fù)荷，此時會在變壓器上出現(xiàn)一個很高的過電壓，產(chǎn)生這種過電壓的原因是流過變壓器的電流在達(dá)到自然零值之前就被強行切斷，從而迫使儲存在變壓器中的磁場能量轉(zhuǎn)化為電場能量而導(dǎo)致電壓增高。研究表明，當(dāng)切除的系統(tǒng)電流比較大時（一般是100A以上），開關(guān)觸頭間的電弧通常是在工頻電流自然過零時熄滅，當(dāng)切除的電流很小時，電弧往往會提前熄滅，即電流會在過零之前就被強行切斷，這種現(xiàn)象就是所謂的截流現(xiàn)象。變壓器空載時的電流非常小（一般是幾安或幾十安），所以在變壓器空載切除時經(jīng)常會出現(xiàn)截流現(xiàn)象。下面通過簡化的等效電路（圖1）來分析這種過電壓的發(fā)展過程。

圖1 切除空載變壓器的理想等效電路

圖1 中LT為空載變壓器的激磁電感，CT為空載變壓器繞組及連接線的對地電容。假如當(dāng)空載電流i＝I0時切除空載變壓器，此時的電源電壓為U0，則切斷的瞬間在電容CT和電感LT中所存儲的能量分別為：

此后即在LT和CT構(gòu)成的振蕩回路中發(fā)生電磁振蕩，在某一個瞬間，所有的電磁能量都變成了電場的能量，這時候電容上出現(xiàn)了一個最大的電壓Umax：

式中，ZT為變壓器的特性阻抗。

對于220kV變壓器來說，其空載電流值為：

式中，IN為變壓器的額定電流。

截流通常出現(xiàn)在電流曲線下降的部分，由圖2可以看出截流前后電壓／電流值的變化。

圖2 截流前后變壓器上電壓和電流波形

通過以上分析，我們可以得出一系列降低220kV變壓器空載投切過程中所產(chǎn)生的操作過電壓的辦法，比如降低變壓器的空載電流、減小變壓器的繞組電感、增大變壓器的寄生電容等，當(dāng)然這些變壓器上參數(shù)的變化，需要變壓器上結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來支持。

2 220kV變電站一次母線空載分合過程中所產(chǎn)生的諧振過電壓問題分析

諧振過電壓在電力系統(tǒng)中是一種比較常見的過電壓形式，也是釀成事故比較多的一種。因現(xiàn)有220kV系統(tǒng)保護(hù)的相對完善，在這個等級的電力系統(tǒng)中，出現(xiàn)諧振過電壓的情況是比較少的，但在一些比較特殊情況下，這種過電壓的形式仍有可能被激發(fā)，比如在220kV變電站一次母線空載分合過程中，因為在分合空載母線時，系統(tǒng)中的電壓互感器、空載母線以及空載母線分合時產(chǎn)生的瞬間斷口電容組成了一個諧振回路，在一次母線分合操作的過程中，電壓互感器出現(xiàn)勵磁特性飽和從而激發(fā)諧振回路產(chǎn)生諧振，在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振過電壓。

一次母線系統(tǒng)發(fā)生的鐵磁諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振發(fā)生在大電流接地系統(tǒng)中，而并聯(lián)諧振發(fā)生在中性點不接地系統(tǒng)或小電流接地系統(tǒng)中。下面從原理上分析一下諧振過電壓產(chǎn)生的原因，并進(jìn)一步探討220kV系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振過電壓的原因。

諧振過電壓是指電力系統(tǒng)中一些感性和容性元件在系統(tǒng)裝置進(jìn)行操作或系統(tǒng)局部發(fā)生故障時，可能在系統(tǒng)中形成各種振蕩電路，在一定的激勵作用下，會產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)某些裝置或元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓。諧振現(xiàn)象是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，諧振過電壓在系統(tǒng)中可能會持續(xù)很長時間，所以這種過電壓現(xiàn)象一旦發(fā)生，會對電力系統(tǒng)造成很大的破壞性影響。

電力系統(tǒng)中，在3種電感參數(shù)、一定的電容參數(shù)和其他條件的配合下可能會產(chǎn)生3種不同的諧振過電壓現(xiàn)象。具體如下：

（1）線性諧振過電壓。線性諧振過電壓是指由不帶鐵芯的電感元件或勵磁特性接近于線性的帶鐵芯電感元件和系統(tǒng)中電容元件組成的諧振回路，在正弦電源的激勵下，系統(tǒng)頻率和電源頻率相等或接近時，電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象造成系統(tǒng)電壓異常升高。線性諧振過電壓是電力系統(tǒng)中比較常見的一種過電壓形式，出現(xiàn)的異常電壓一般是系統(tǒng)額定電壓的數(shù)倍。

（2）鐵磁諧振過電壓。相對于線性諧振過電壓來說，鐵磁諧振過電壓是由帶有鐵芯的電感元件和系統(tǒng)中電容元件組成的諧振回路，在一定的諧振條件下，系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象造成系統(tǒng)電壓異常升高。鐵磁諧振過電壓可以是基波諧振，可以是分頻諧振，也可以是高次諧波諧振，在電力系統(tǒng)中較常出現(xiàn)鐵磁過電壓的情況有變壓器高壓側(cè)線圈對地短路、接有電磁式PT的空載母線等。鐵磁過電壓在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的范圍也比較廣，常見的330kV以下的電力系統(tǒng)中都可能出現(xiàn)，過電壓的幅值一般不會超過2．5U，但是持續(xù)時間較長。

（3）參數(shù)諧振過電壓。由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件和系統(tǒng)電容元件組成回路，當(dāng)參數(shù)配合時，通過電感的周期性變化不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，造成參數(shù)諧振致使電力系統(tǒng)電壓異常升高。

下面結(jié)合實例來分析220kV系統(tǒng)中出現(xiàn)的一些與諧振過電壓有關(guān)的問題，總結(jié)其產(chǎn)生的原因，并給出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2．1 現(xiàn)象描述

下面是220kV變電站發(fā)生的由于PT飽和產(chǎn)生的有效接地系統(tǒng)諧振過電壓現(xiàn)象：

（1）變電站正常運行中，因110kV系統(tǒng)中甲母線發(fā)生單相接地，110kV母線差動保護(hù)動作，在切除甲母線的過程中，觸發(fā)甲母線PT諧振過電壓；

（2）在220kV變電站中進(jìn)行母線切換時，操作人員將空載2號母線直接斷開激發(fā)鐵磁諧振；

（3）220kV變電站中，在進(jìn)行1號母線送電時，1號母線PT爆炸；

（4）變電站在進(jìn)行送電操作過程中，PT產(chǎn)生諧振。

2．2 原因分析

從上面現(xiàn)象描述中可以看出，在空載母線合閘送電的過程中，容易產(chǎn)生PT諧振，但并不是所有形式的母線合閘送電時都會發(fā)生諧振過電壓。其實上面現(xiàn)象描述中說到的2次空載母合閘事故中有一個共同的現(xiàn)象就是在空母合閘前PT已經(jīng)投入，根據(jù)諧振產(chǎn)生的原理，我們分析連接PT的空載母線在合閘后，母線對地電容和母線PT構(gòu)成了一個諧振回路，通過電源的激勵，當(dāng)感抗和容抗值相接近時，就會產(chǎn)生諧振過電壓。從現(xiàn)象描述中我們還可以看出，諧振過電壓危害還是比較大的，極容易造成電力系統(tǒng)設(shè)備的損壞，還可能造成人身傷害。

2．3 防范措施

（1）了解諧振產(chǎn)生的原理和條件，通過技術(shù)手段去防止諧振的產(chǎn)生，比如選擇勵磁特性相同的電壓互感器用在同一母線上；母線PT選用電容式PT或在母線上接入一定大小的電容器；為了消除因PT飽和所引起的鐵磁諧振，可以在PT高壓繞組的中性點上接電阻等。

（2）規(guī)范現(xiàn)場操作，比如為了避免變壓器中性點過電壓，在母線接入前，先操作變壓器中性點接地開關(guān)閉合，母線接入后再斷開；在操作的過程中應(yīng)避免用帶端口電容器的開關(guān)去切帶電磁式電壓互感器的空載母線；因諧振過電壓一般情況下都出現(xiàn)在分合閘階段，所以應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范倒閘操作等。

3 結(jié)語

綜上所述，操作過電壓和諧振過電壓是220kV變電運行中比較常見的過電壓現(xiàn)象，通過分析，其對設(shè)備和工作人員的危害是比較大的。根據(jù)過電壓產(chǎn)生的原因和條件，可以通過一定的技術(shù)手段從根本上消除過電壓現(xiàn)象，當(dāng)然也可以通過規(guī)范現(xiàn)場操作來規(guī)避過電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，要加強對電力系統(tǒng)運行人員關(guān)于過電壓基礎(chǔ)知識的培訓(xùn)，讓其了解過電壓產(chǎn)生的原因和條件，并根據(jù)實際情況選用不同的方式去消除過電壓對電力系統(tǒng)設(shè)備和電力系統(tǒng)操作人員的傷害。

［1］龔幸玲．淺析220kV變電站運行操作中的過電壓與防范措施［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2013（2）

［2］楊金奇．開式網(wǎng)無功功率電源最優(yōu)分布計算的改進(jìn)［J］．電力科學(xué)與工程，2005（1）

［3］韓來文，劉曉蒂，姜明瑞．220kV變電站二次及弱電系統(tǒng)過電壓PSCAD／EMTDC仿真研究［J］．黑龍江電力，2010（5）