10 kV系统谐振过电压事故分析

连　杰,何丽贤, 陈辉梅

(1.陕西安康水力发电公司，陕西省安康市　725000；2.国网安康供电公司，陕西省安康市　725000)



10 kV系统谐振过电压事故分析

连杰1,何丽贤2, 陈辉梅2

(1.陕西安康水力发电公司，陕西省安康市725000；2.国网安康供电公司，陕西省安康市725000)

摘要：介绍了某变电站发生的10 kV电压互感器间隔设备损坏，造成母线三相短路故障事故现场检查处理经过，分析了事故发生的原因系由瞬时性单相接地故障引起铁磁谐振过电压造成的，指出10 kV系统采取预防铁磁谐振过电压的措施。关键词：谐振过电压；电磁式；电压互感器；铁磁谐振；措施

0前言

2014年新投运的陕西南部某110 kV变电站是在原35 kV变电站的基础上升压改造、具备无人值守特性的变电站。按设计要求，该站共有110 kV出线4回；35 kV出线6回；10 kV出线16回。站内电气一次接线见图1。该站投运以来，10 kV系统多次发生谐振过电压现象。最严重的一次造成10 kV电压互感器严重烧损，引起母线三相短路故障，导致该段母线退出运行10 h。

1事故经过

2014-08-18T15:14，远方监控机连续3次发出该变电站10 kV的Ⅰ母消谐装置告警动作、复位信息。监控值班员对该站10 kV母线电压进行了重点监视，发现10 kV母线三相电压变化异常，起初是A相电压降低，其他两相升高。之后一段时间变为B相电压降低，另两相升高。电压幅值变化情况见表1。

图1　站内电气一次接线示意图

时间10kVⅠ母电压/kV10kVⅡ母电压/kVA相B相C相A相B相C相15:151.5769.10510.3711.2139.3939.98415:206.6623.8919.9496.0944.4129.73215:256.7033.9619.8966.1354.4889.67415:306.6973.9439.9266.1234.4719.70315:356.6863.9959.9556.1054.4779.72715:400006.0766.0290.27

15：38，该站1号主变1B低后备复压过流Ⅰ、Ⅱ段保护动作, 10 kV 母联断路器100、10 kV的Ⅰ段进线开关 101事故跳闸。

运维人员立即赶到现场，发现主控室、10 kV高压室被浓烟笼罩，通风10 min后进入10 kV高压室内检查设备，发现10 kV的Ⅰ母YH间隔严重烧损，柜顶释压顶盖飞落，后柜门严重变形；100开关、101开关在分位，10 kVⅠ母失压；10 kVⅡ母电压互感器C相一次保险已熔断，其余两相正常。1号主变保护装置有“主变低后备复压过流Ⅰ、Ⅱ段保护动作”信号，故障相别A、B、C三相，故障电流二次值(TA变比为4000/5)分别为Ic:15.23 A、Ib:10.38 A、Ia：14.78 A；10 kV的Ⅰ段各出线保护除“母线PT断线”，无其它动作信息。

按调度命令，该站立即将10 kVⅠ母设备转检修做进一步检查处理、将10 kVⅡ母YH转检修更换一次侧保险。

17：12，10 kVⅡ母电压互感器C相一次保险更换完毕，10 kVⅡ母电压显示正常。

随后，修试人员检查确认10 kVⅠ母YH手车刀闸及其套管、动静触头烧毁严重，无法修复。立即拆除母线与YH手车刀闸静触头之间的连接母排，隔离故障点，并对10 kVⅠ母所有出线开关逐一检查并作相关电气试验、机械特性试验，对隔离后的10 kVⅠ母进行清扫除尘处理后做绝缘试验及耐压试验，确认母线及所带出线(包括1号主变1B)绝缘合格，10 kVⅠ母可以投入运行。

23：59，101开关转运行， 10 kVⅠ母带电正常，翌日00:03，10 kV联络开关 100转运行，随后将10 kV电压互感器二次并列，10 kVⅠ、Ⅱ母电压显示正常。01:00，10 kVⅠ母所带出线全部恢复正常运行。

2故障分析

故障发生时，该站110、35、10 kV均为单母分段运行方式。由表1可以看出，起初10 kV两段母线A相电压降低至1.5 kV(10 kV系统额定相电压为5.77 kV)，其他两相升高至10 kV左右(接近相间电压)。这是电力系统中一种典型的瞬时性单相接地故障。由于该变电站位于人员密集的乡镇，10 kV母线出线多，线路周边环境复杂，负荷用户多样，很容易发生某回线瞬时性单相接地故障。A相发生接地后，接地故障很快自行消除。

10 kV三相母线都装有电磁型电压互感器，互感器一次侧中性点直接接地。由于电磁型电压互感器是带铁芯的电感元件，当电网发生单相对地弧光闪络(间歇性接地)，或单相接地故障消失瞬间，系统扰动可以导致电压互感器铁芯不同程度的饱和，饱和后的电压互感器励磁感抗变小，此时若10 kV系统网络的对地容抗与电压互感器励磁感抗相匹配，就形成三相或单相共振回路，可激发谐振过电压。这种谐振过电压叫做铁磁谐振过电压[1-3]。

中性点非直接接地的10 kV电网要发生铁磁谐振过电压，应具备2个条件，一是网络对地容抗与中性点接地的电压互感器励磁感抗的比值相匹配。二是电网存在谐振激发条件，如系统电压发生强烈扰动、发生间歇性接地等[4]。

在中性点不接地电力系统中，由于电磁式电压互感器励磁特性的非线性，在系统正常运行时，电压互感器的感抗远大于电网对地电容的容抗，不会形成谐振。而当系统电压发生波动，电压互感器铁芯饱和，饱和后的电压互感器励磁感抗变小，使系统网络中感抗接近容抗时，很容易产生谐振过电压。特别是遇有激磁特性不好(易饱和)的电压互感器，系统发生单相对地弧光闪络或接地时，更容易引发谐振过电压[5]。

中性点不接地电网发生的各种铁磁共振现象，由于电网对地电容和互感器的参数不同，可能产生3种频率的共振：基波共振、高次谐波共振和分频谐波共振。发生基波共振时，大多都会出现系统两相对地电压升高，一相对地电压降低现象。此时系统中性点对地电压略高于相电压，类似单相接地。基波谐振时，系统中性点位移到电压三角形之外，三相电压稳态值发生显著的不对称变化，对地电压最高可达3.5倍相电压。由于基波谐振可持续较长时间，它产生的高电压对电网设备(特别是电压互感器)的绝缘耐受力是一种考验[6]。

从表1中的数据和有关录波曲线图也可以进行分析(表1中数据由10 kV电压曲线5 min采集1次)，A相瞬间发生单相对地闪络后，在紧接着的20 min时间里，10 kV母线B相电压降低至3.9 kV，A相、C相电压升高，特别是C相电压升高至9.9 kV，并且事故后的检查测试表明，电网系统绝缘良好，由此说明，在这20 min时间里，10 kV系统发生了持续的基波谐振。直到10 kV的Ⅰ段母线电压互感器烧损造成10 kV系统Ⅰ母三相短路， 1号主变的继电保护动作出口，切除故障。另外，这起10 kV系统发生的谐振，C相电压最高，电压互感器C相过励磁最严重，造成10 kVⅡ母电压互感器C相一次保险熔断。

3预防措施

10 kV电网系统担负着向用户供电的任务，属于中性点不接地运行方式，电网的结构、容量、参数变化频繁(例如该站10 kV用户有炼钢厂等工业负荷)，系统中的电磁式电压互感器具有易饱和、非线性特点。随着电网的结构、容量、参数、运行方式的变化，极易使电网对地容抗与电压互感器励磁感抗达到铁磁谐振的条件而引起谐振过电压。而且，这种铁磁谐振过电压一般持续时间较长，如不及时采取有效措施进行消除，谐振过电压会长时间自保持，从而引起电压互感器长时间过励磁而烧毁，或引起电网中绝缘薄弱环节设备的绝缘击穿，甚至诱发相间短路和其它更为严重的电力系统停电事故，给电网安全构成严重威胁。因此，必须采取措施，对电网铁磁谐振过电压进行预防与治理[7-9]。

当然，该变电站在设计施工中也曾考虑到抑制和消除铁磁谐振过电压的问题，例如在10 kV电压互感器开口三角形回路都安装了KSX196-HA型微机式消谐装置。该装置主要原理是对电压互感器开口三角电压进行循环检测。该电压小于30 V时，装置判断设备处于正常工作状态，装置内的大功率消谐元件(可控硅)处于阻断状态，对系统无任何影响。当电压互感器开口三角电压大于30 V时，消谐装置判断系统出现故障，并通过测量、滤波、放大等数字信号处理技术，对采集的电压数据进行分析、计算，判断故障类型并发出告警信号。如果判断是某种频率的铁磁谐振，CPU立即启动消谐电路，使可控硅导通，让铁磁谐振在强大的阻尼下迅速消失[10]。

在现场运行中，10 kV母线上如果在电压互感器开口三角装设了接地监视装置，一般整定3U0超过15 V，就延时发出母线接地告警信号。而KSX196-HA型微机消谐装置将启动门槛自动设置为30 V，有些偏高，启动消谐灵敏度不够。

根据该变电站现场设备运行状况，对10 kV系统谐振过电压的防治，应该采取“防”、“消”结合的方法，综合治理、分步实施。

(2) 选择消谐反应快，安装方便，抗干扰能力强的二次消谐装置。实际上，以前生产现场普遍采用在电压互感器开口三角并接白炽灯泡补偿方式，用以消除电感、电容中的交换能量，破坏谐振的条件，达到消除铁磁谐振的目的，也有较好的消谐效果。但是，出于现场安全和规范管理考虑，目前基本上已经用各种多功能消谐装置代替白炽灯泡。但消谐装置的型号、生产厂家很多，应根据本站现场情况，选择质量过关、信誉好的正规生产厂家的消谐装置。

(3) 安装消弧线圈，或者站用变采用接地变压器。接地变是为中性点不接地的电力系统提供一个人为的中性点，然后经一个消弧线圈接地，与消弧线圈一起构成电力系统的接地保护。在系统发生单相接地故障时，它所产生的感性电流补偿了接地电容电流，消除了接地点的电弧，有效预防铁磁谐振过电压的发生。

(4) 采取临时的倒闸措施，如投入事先规定的某些线路或设备，或者切除该母线所有电容器，或者向调度申请切除部分较长馈线。通过改变系统参数，破坏谐振条件。

4结语

2014年9月，有关部门将10 kVⅠ、Ⅱ母电压互感器进行更换。选择6只性能良好的JDZJ-10型单相户内半封闭式电磁型电压互感器，按照电磁特性测试结果配成2组分别安装在10 kVⅠ、Ⅱ母。同时，对10 kV系统的消谐装置进行检查更换，并对该站2台站用变做好更换成接地变压器的可行性研究。有关部门还及时为该变电站制定了《10 kV系统电压异常操作预案》，规范了在10 kV系统出现电压波动时应采取的倒闸措施。这些措施的实施，为该变电站10 kV系统稳定运行提供了保障。2014年9月到现在，该站再没有发生过谐振过电压现象。

参考文献:

[1]要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社,2009.

[2]李玮.电力系统继电保护事故案例与分析[M].北京：中国电力出版社,2012.

[3]王文洪.10 kV电压互感器烧毁的原因分析和防范措施[J].广东输电与变电技术,2005(06):65-67.

[4]李志全,刘晨光,邴光,郭光智,吕欣.电网谐振过电压防治的研究与探讨[J].山东电力技术,2009(02): 32-37.

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[6]邢晓东,齐军亮.变电站如何预防铁磁谐振[J].黑龙江科技信息,2011(07):35.

[7]万千云,梁惠盈,齐立新,万英.电力系统运行实用技术问答[M].2版.北京：中国电力出版社,2005.

[8]赵智大.高电压技术[M].3版.北京：中国电力出版社,2013.

[9]李志全,刘晨光,邴光,郭光智,吕欣.电网谐振过电压防治的研究与探讨[J].山东电力技术，2009(02)：32-37.

[10]张诚.铁路电力系统电压谐振的解决对策[J].铁道技术监督，2007(02)：26-28.

Analysis on Ferroresonance Overvoltage Accident of 10 kV System

LIAN Jie1, HE Lixian2, CHEN Huimei2

(1. Shaanxi Ankang Hydropower Generation Company, Ankang, Shaanxi 725000, China;2. State Grid Ankang Power Supply Company, Ankang, Shaanxi 725000, China)

Abstract:Site inspection and handling process of the busbar 3-phase short-circuit failure caused by damages of equipment in 10 kV PT bay of one station are described. The reason of the accident occurrence is found that the transient single-phase earthing failure results in the ferroresonance overvoltage which causes the 3-phase short-circuit accordingly. Measures for preventing 10 kV system from ferroresonance overvoltage are provided.Key words:ferroresonance overvoltage; electromagnetic; potential transformer; ferroresonance; measure

文章编号：1006—2610(2016)03—0065—04

收稿日期：2016-01-11

作者简介：连杰(1969- )，男，陕西省安康市人，工程师、高级技师，从事继电保护检修工作.

中图分类号：TM862

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.017