220kV变电运行过程中的过电压问题分析

高建辉

（广东电网公司佛山供电局，广东 佛山528000）

0 引言

随着社会的发展和电网技术的不断进步，220kV变电站已经成为了城市供电的枢纽站，但在实际运行的过程中，不可避免地会产生一些过电压现象。过电压是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的电压异常升高现象，属于电力系统中的一种电磁扰动。220kV变电站所出现的过电压现象主要是操作过电压和系统谐振过电压，其对设备财产和人身安全会造成巨大的威胁。通过对220kV变电运行中产生的过电压现象的分析，可以从其产生的原理中究其因，并提出一些应急防范的措施，从根本上防止过电压现象的产生，降低电力运营的成本，提高电力生产和运营的安全性和可靠性。

1 220kV变压器空载投切过程中所产生的操作过电压问题分析

变压器的空载运行是指变压器的一次侧接通电源，二次侧断开负载的工作状态。空载变压器在正常运行时表现的特性类似于激磁电感，切除空载变压器，就相当于开断一个小容量的电感负荷，此时会在变压器上出现一个很高的过电压，产生这种过电压的原因是流过变压器的电流在达到自然零值之前就被强行切断，从而迫使储存在变压器中的磁场能量转化为电场能量而导致电压增高。研究表明，当切除的系统电流比较大时（一般是100A以上），开关触头间的电弧通常是在工频电流自然过零时熄灭，当切除的电流很小时，电弧往往会提前熄灭，即电流会在过零之前就被强行切断，这种现象就是所谓的截流现象。变压器空载时的电流非常小（一般是几安或几十安），所以在变压器空载切除时经常会出现截流现象。下面通过简化的等效电路（图1）来分析这种过电压的发展过程。

图1 切除空载变压器的理想等效电路

图1 中LT为空载变压器的激磁电感，CT为空载变压器绕组及连接线的对地电容。假如当空载电流i＝I0时切除空载变压器，此时的电源电压为U0，则切断的瞬间在电容CT和电感LT中所存储的能量分别为：

此后即在LT和CT构成的振荡回路中发生电磁振荡，在某一个瞬间，所有的电磁能量都变成了电场的能量，这时候电容上出现了一个最大的电压Umax：

式中，ZT为变压器的特性阻抗。

对于220kV变压器来说，其空载电流值为：

式中，IN为变压器的额定电流。

截流通常出现在电流曲线下降的部分，由图2可以看出截流前后电压／电流值的变化。

图2 截流前后变压器上电压和电流波形

通过以上分析，我们可以得出一系列降低220kV变压器空载投切过程中所产生的操作过电压的办法，比如降低变压器的空载电流、减小变压器的绕组电感、增大变压器的寄生电容等，当然这些变压器上参数的变化，需要变压器上结构的优化来支持。

2 220kV变电站一次母线空载分合过程中所产生的谐振过电压问题分析

谐振过电压在电力系统中是一种比较常见的过电压形式，也是酿成事故比较多的一种。因现有220kV系统保护的相对完善，在这个等级的电力系统中，出现谐振过电压的情况是比较少的，但在一些比较特殊情况下，这种过电压的形式仍有可能被激发，比如在220kV变电站一次母线空载分合过程中，因为在分合空载母线时，系统中的电压互感器、空载母线以及空载母线分合时产生的瞬间断口电容组成了一个谐振回路，在一次母线分合操作的过程中，电压互感器出现励磁特性饱和从而激发谐振回路产生谐振，在系统中产生谐振过电压。

一次母线系统发生的铁磁谐振分为串联谐振和并联谐振，串联谐振发生在大电流接地系统中，而并联谐振发生在中性点不接地系统或小电流接地系统中。下面从原理上分析一下谐振过电压产生的原因，并进一步探讨220kV系统中产生谐振过电压的原因。

谐振过电压是指电力系统中一些感性和容性元件在系统装置进行操作或系统局部发生故障时，可能在系统中形成各种振荡电路，在一定的激励作用下，会产生串联谐振现象，导致系统某些装置或元件出现严重的过电压。谐振现象是一种稳态现象，谐振过电压在系统中可能会持续很长时间，所以这种过电压现象一旦发生，会对电力系统造成很大的破坏性影响。

电力系统中，在3种电感参数、一定的电容参数和其他条件的配合下可能会产生3种不同的谐振过电压现象。具体如下：

（1）线性谐振过电压。线性谐振过电压是指由不带铁芯的电感元件或励磁特性接近于线性的带铁芯电感元件和系统中电容元件组成的谐振回路，在正弦电源的激励下，系统频率和电源频率相等或接近时，电力系统所产生的谐振现象造成系统电压异常升高。线性谐振过电压是电力系统中比较常见的一种过电压形式，出现的异常电压一般是系统额定电压的数倍。

（2）铁磁谐振过电压。相对于线性谐振过电压来说，铁磁谐振过电压是由带有铁芯的电感元件和系统中电容元件组成的谐振回路，在一定的谐振条件下，系统所产生的谐振现象造成系统电压异常升高。铁磁谐振过电压可以是基波谐振，可以是分频谐振，也可以是高次谐波谐振，在电力系统中较常出现铁磁过电压的情况有变压器高压侧线圈对地短路、接有电磁式PT的空载母线等。铁磁过电压在电力系统中出现的范围也比较广，常见的330kV以下的电力系统中都可能出现，过电压的幅值一般不会超过2．5U，但是持续时间较长。

（3）参数谐振过电压。由电感参数作周期性变化的电感元件和系统电容元件组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化不断向谐振系统输送能量，造成参数谐振致使电力系统电压异常升高。

下面结合实例来分析220kV系统中出现的一些与谐振过电压有关的问题，总结其产生的原因，并给出相应的应对措施。

2．1 现象描述

下面是220kV变电站发生的由于PT饱和产生的有效接地系统谐振过电压现象：

（1）变电站正常运行中，因110kV系统中甲母线发生单相接地，110kV母线差动保护动作，在切除甲母线的过程中，触发甲母线PT谐振过电压；

（2）在220kV变电站中进行母线切换时，操作人员将空载2号母线直接断开激发铁磁谐振；

（3）220kV变电站中，在进行1号母线送电时，1号母线PT爆炸；

（4）变电站在进行送电操作过程中，PT产生谐振。

2．2 原因分析

从上面现象描述中可以看出，在空载母线合闸送电的过程中，容易产生PT谐振，但并不是所有形式的母线合闸送电时都会发生谐振过电压。其实上面现象描述中说到的2次空载母合闸事故中有一个共同的现象就是在空母合闸前PT已经投入，根据谐振产生的原理，我们分析连接PT的空载母线在合闸后，母线对地电容和母线PT构成了一个谐振回路，通过电源的激励，当感抗和容抗值相接近时，就会产生谐振过电压。从现象描述中我们还可以看出，谐振过电压危害还是比较大的，极容易造成电力系统设备的损坏，还可能造成人身伤害。

2．3 防范措施

（1）了解谐振产生的原理和条件，通过技术手段去防止谐振的产生，比如选择励磁特性相同的电压互感器用在同一母线上；母线PT选用电容式PT或在母线上接入一定大小的电容器；为了消除因PT饱和所引起的铁磁谐振，可以在PT高压绕组的中性点上接电阻等。

（2）规范现场操作，比如为了避免变压器中性点过电压，在母线接入前，先操作变压器中性点接地开关闭合，母线接入后再断开；在操作的过程中应避免用带端口电容器的开关去切带电磁式电压互感器的空载母线；因谐振过电压一般情况下都出现在分合闸阶段，所以应严格规范倒闸操作等。

3 结语

综上所述，操作过电压和谐振过电压是220kV变电运行中比较常见的过电压现象，通过分析，其对设备和工作人员的危害是比较大的。根据过电压产生的原因和条件，可以通过一定的技术手段从根本上消除过电压现象，当然也可以通过规范现场操作来规避过电压现象的产生。因此，要加强对电力系统运行人员关于过电压基础知识的培训，让其了解过电压产生的原因和条件，并根据实际情况选用不同的方式去消除过电压对电力系统设备和电力系统操作人员的伤害。

［1］龚幸玲．浅析220kV变电站运行操作中的过电压与防范措施［J］．电源技术应用，2013（2）

［2］杨金奇．开式网无功功率电源最优分布计算的改进［J］．电力科学与工程，2005（1）

［3］韩来文，刘晓蒂，姜明瑞．220kV变电站二次及弱电系统过电压PSCAD／EMTDC仿真研究［J］．黑龙江电力，2010（5）