电网不接地系统断线谐振过电压的事故分析

张庆斌，周恭礼

(中国矿业大学)

矿区6 kV供电系统，大部分为架空线网络，经常出现导线断线事故，引起谐振过电压，其危害的主要特征是：系统线电压基本正常，导线对地电压升高，中性点出现偏移电压和虚幻接地，并伴有电压互感器声响，导线出现电晕，严重时会出现导线绝缘瓶闪络，互感器、避雷器爆炸，设备损坏和使电机反转。

断线谐振过电压是铁磁谐振过电压的一种，不是仅仅指单纯的断线引起的谐振过电压，而是泛指由于导线折断、断路器非全相动作或严重不同期、熔断器一相或两相熔断等原因造成电力系统非全相运行所出现的非线性谐振过电压。

断线谐振过电压在各级电网中都可能发生，系统中许多元件是属于电感性或电容性的，例如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并联或串联电容器组，高压设备的寄生电容为电容元件。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。这些元件组成复杂的L-C振荡回路，在一定的能源作用下，特定参数配合的回路中会出现谐振现象，引起电压的异常升高。

在实际供电网络中，非全相运行的情况十分复杂，只要电源侧或负荷侧有一侧中性点不接地，断线可能组成多种串联谐振回路。

1 断线等值电路

在35 kV及6 kV中性点不接地系统中，断线的结果都有可能形成电感、电容的串联谐振回路，其中电感是指空载或轻负荷变压器的励磁电感和消弧线圈的电感等，电容是指导线的对地和相间电容，或电感线圈的对地杂散电容等。

现以系统中性点不接地，线路长度为L，线路末端接空载(或轻载)变压器，以发生A相断线为例，对谐振回路的形成和避免发生谐振的条件进行分析，见图1。

图1 中性点不接地系统单相断线示意图

假设电源内漏抗和线路感抗与线路容抗比较，因数值很小可以忽略不计，导线折断处至电源端距离为XL(X=0～1)，线路对地电容为C0，相间电容为C12。

其中:

设线路的正序电容与零序电容的比值为δ:

一般线路:δ=1.5～2.0。

设图1(c)振荡电路中只有基波电压和电流，其伏安特性曲线见图2。

图2 电感电容串联电路铁磁谐振的伏安特性图

从图2中可以分析出，串联谐振回路中存在下列特点：

1) 在a1点，回路呈现电感性，电容、电感上的压降耗通过的电流均小，称为电路的非谐振工作点。

2) 在a3点，工作区域已越过特性曲线的交点K点，称为谐振点。因回路呈电容性，此时的电压和压降急剧增加，即发生了由于铁芯磁饱和引起谐振过电压。

3) 当回路受到足够强烈的冲击时，如开关突然合闸、发生故障和故障消除等情况，会使线路中的电感两端电压突然升高或铁芯电感形成涌流，可能使工作点从a1点转移到a3点，即因激发而产生的谐振过电压，即为外激现象。

4) 电路只有一个工作点a3，即使没有外界的冲击，也总是工作在谐振状态，即为自激现象。

6) 振荡回路中，在工频电源作用下，还可能出现持续性的其它频率的谐振现象，如高频谐振和分频谐振。高频谐振往往可以自激产生，分频谐振则需要经历一定的瞬态外激过程，由于分频谐振时存在频差，配电盘电压表指示会有抖动或摆动现象，而高频谐振时，因其谐振频率是系统频率的整数倍，电压表指示没有摆动现象。

2 断线谐振分析

若变压器的额定电压为UN、额定容量为SN、空载电流的百分数为I0，则其初始励磁电抗为：

设Cd为每公里线路对地的电容值，C0=Cd×L。 于是可知，中性点不接地系统单相断线、电源侧导线接地时，不产生基波谐振的线路长度L需满足下式：

某6 kV的煤矿供电线路为中性点不接地系统，线路末端接有容量为180 kVA的空载变压器，其空载电流I0=3.5%Ie，线路每相对地电容为Cd=5×10-3μF/km。则该线路不发生谐振点线路长度，可由上面的公式计算求得：

即该线路不产生基波谐振的线路长度不要超过4.45 km。

而不产生高频谐振的线路长度L，也可根据上面的公式推导出来。若检验是否产生5次谐波谐振的条件为：

即要比不产生基波谐振的线路长度缩小25倍。

由此可知，断线后导线在负荷侧接地要比电源侧接地更易发生基波谐振；当负载变压器处于空载或轻载情况时，断线的结果有可能发生高幅值的谐振过电压。

3 断线事故测试

举例:6 kV中性点不接地系统中发生断线过电压。某单位现场进行了测试，供电情况如下：

1) 发生断线故障的线路，经测量对地电容约为系统总电容的10%。

2) 线路末端接有1台100 kVA的空载变压器。

3) 各种频率下变压器初始励磁电抗见表1。

根据计算，各种断线故障下发生谐振时，与等值容抗对应的变压器励磁感抗见表2，表3。

表1 励磁感抗初始励磁感抗 Ω

表2 X=0.01时(断线点靠近电源侧),励磁感抗初始励磁感抗 Ω

表3 X=0.99 时(断线点靠近配变侧),励磁感抗初始励磁感抗 Ω

比较表1 ～ 3可知:

a) 表2，X=0.01，断线点为靠近电源端，在序号为1、3、4故障情况下，其工频及以上各谐振点对应的励磁感抗均小于初始励磁感抗，即工频及以上各次谐波谐振均有可能发生。

b) 在序号为2、5故障情况下，即发生单相断线且接地和两相断线单相接地的情况下，断线点在全线任何位置，其谐振点对应的励磁感抗均小于初始励磁感抗，即谐振波谐振均有可能发生。

c) 断线后,导线在负荷侧接地要比电源侧接地更易发生基波谐振。

d) 综上所述，可以确定该线路只要发生上述5种断线故障中的一种故障，即存在发生基频或高次谐波谐振的可能性。

由上述分析可知：该变电站出现的谐振现象是由线路断线故障成线路对地电容和相间电容与配电变压器励磁电感构成谐振回路而激发的铁磁谐振。

4 防止断线谐振过电压事故的措施

1) 采用励磁特性较好的变压器有助于减少断线过电压的产生的几率。

2) 加强线路巡视和检修，及早发现导线的机械损伤，避免发生断线事故。

3) 不宜将空载变压器长期挂在线路上。

4) 提高检修质量，保证断路器的三相同期动作，避免发生拒动现象。

5) 在配电变压器高压侧附加相同电容，吸收暂态过程中的能量，降低冲击扰动强度，抑制谐波的发生。

6) 变电站内及用户的TV应减少中性点接地的数量，避免TV特性恶化。

7) 尽量将消弧线圈装在电源侧，避免装在负荷侧。在消弧线圈中串联或并联一个电阻，或采用电阻接地方式，可增加系统阻尼，把过电压限制在规程允许的范围之内。