二滩水电站6千伏厂用电系统过电压事件分析

向 欣 欣， 吕 杰 明， 刘 道 源

(二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

二滩水电站6千伏厂用电系统过电压事件分析

向 欣 欣， 吕 杰 明， 刘 道 源

(二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

经过仿真及分析表明，二滩水电站6kV厂用电系统单相接地(包括间歇性接地)和感应雷击均可以导致PT铁磁谐振。通过波形上看，PT铁磁谐振会导致PT一次侧电压升高，而引起PT击穿和熔断器熔断的主要原因为PT谐振一次侧过流。另外，单相接地故障和感应雷击引起的PT铁磁谐振均为1/2分频谐振，这与二滩电站厂用电系统结构(参数)有关。由于系统结构相对固定，二滩电站6kV厂用电系统PT只会发生1/2分频谐振，我们可以利用这一特性辨识6kV厂用电系统单相接地故障和铁磁谐振故障。

二滩水电站；厂用电；铁磁谐振；过电压

1 概 述

在6kV不接地系统中,为了监视系统中各相对地绝缘状况及计量和保护的需要, 在母线上均装设电磁式电压互感器，并在该电压互感器柜内安装有6kV氧化锌避雷器。该系统绝缘是按线电压水平设计的，即使某一相发生接地，线电压的大小和相位仍然对称。在发生单相接地时，允许短时运行而不切断故障设备，从而提高了供电可靠性。如果某一相直接可靠接地，故障相的电压值为零，其它两相对地电压会升高为线电压，是相电压的倍。如果某一相发生间歇性电弧接地而没有直接接地，故障相仍然还有一定的电压，电弧多次不断地熄灭和重燃，在系统对地的电容上不断地进行充电，电荷多次不断的积累和重新再分配，在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压。间歇性接地可能使相对地电压升高到相电压的2.5～3.0倍。这种过电压对系统的安全威胁很大，可能使其他两相的对地绝缘击穿，造成两相接地短路故障。根据当前对这类事故的原因分析，可大致分为雷击过电压、谐振过电压、操作过电压三类，为抑制和消除各类厂用电过电压带来的危害,对二滩水电站厂用电过电压产生的机理进行研究，结合厂用电运行方式采取有效的防范措施，减少和避免厂用电事故。

2 过电压产生的原因

电力系统过电压是指超过电力系统最高工作电压的电压。电力系统中的各种电气设备均在其额定电压下工作，额定电压是电器设备的长期工作电压，在实际生活中往往由于系统内部和外部环境的种种因素会造成系统的电压升高，造成设备损坏等一系列事故。

过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象，电力系统中电路状态或电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因。电力系统过电压主要分为两种情况：一种是外部过电压，主要由雷电引起，亦称为雷击过电压；另一种是内部过电压，由操作、故障或其他原因引起电磁能量的振荡、集聚和传播。

2.1 外部过电压

由雷击造成的过电压称为外部过电压，是由大气中的雷云对地面放电而引起的，雷电放电所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应。通常的雷击点在地面场强最大的地方，也就是电荷最集中的地方。所以地面上导电良好的地方或者地形特别突出的地方最容易成为雷击的目标。雷击过电压持续时间一般只有数10ms左右，具有脉冲特性。

2.2 内部过电压

电力系统内部过电压实质上是由电网内部能量转化或传递所产生的电网电压升高，因为电力系统内部存在大量的电感和电容等非线性储原件，当系统状态发生改变时，非线性原件的状态不能及时发生改变，导致磁场能和电场能不断发生转换和振荡，从而引发过电压，现有的电气设备通流能力和稳定性有限，不能有效的防护过电压。内部过电压主要分为谐振过电压、工频过电压和操作过电压。

2.2.1 谐振过电压

谐振过电压只在交流电路中存在，由于系统中接地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、运行方式等的变化，系统中的电感和电容就可能会形成各种振荡回路，从而引起谐振过电压。

这种过电压一般持续时间较长，如不采取有效的预防和消除措施，常常会长时间自保持，从而引起电压互感器长时间过励磁而烧毁，或引起电网中相对绝缘薄弱环节设备的烧毁，甚至诱发相间短路和其它更为严重的电力系统事故[1]。在谐振发生时将产生数倍于额定电压的过电压现象，导致设备的绝缘损坏，甚至还会影响保护装置的正常工作条件。 在一般情况下将系统中的电阻和电容原件视为线性原件，而电感原件则可以分为三类：一类是线性的，第二类是非线性的，第三类是电感值呈周期性变化的电感原件。根据电感的分类与之对应的就是三种不同形式的谐振现象，分别是线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振过电压。

2.2.1.1 线性谐振过电压

在这类系统中，电感、电容、电阻的值都可视为线性参数，不随系统电流电压的变化而变化。系统中电感和电容串联组成振荡回路，当L-C回路的自振荡频率接近或等于系统电源频率时，回路的感抗和容抗相等或相互接近而抵消，此时回路的电流只受电阻原件的影响，就会产生强烈的谐振现象，线路上将会出现很高的过电压。

图1 串联谐振回路

在谐振条件下，由公式可以看出，R是唯一的变量，当回路中的阻值R越小，则振荡电压的幅值就越大。

2.2.1.2 参数谐振过电压

系统中的某些电感原件会出现周期性的变化，经常是由于电机的转动引起电感周期性变化产生的，例如当同步发电机带有长空载线路类的容性负载时即使激磁电流很小，也会使发电机的端电压和电流急剧上升，最终产生很高的过电压，此过程又称为过励磁。随着周期性的变化，系统回路经过电磁振荡，不断地把机械能转化为电磁能，因实际回路中存在一定的损耗，所以每次引入的能量应当足够大，不仅可以补充回路中的能量损耗，并使回路中能量越积越多，电感电流和电容电压越积越大，谐振发生后，回路中的电流和电压幅值理论上能趋于无穷大。

2.2.1.3 铁磁谐振过电压

基本铁磁谐振。谐振回路有带铁心的电感原件时，铁心很容易出现饱和现象，此时回路的电感参数随着电流或磁通的变化而变化,变压器的铁心磁化曲线如图2所示，当铁心的电流增加,铁心开始饱和，磁通与电流的关系呈现非线性,当磁通达到膝点(Knee Point)时，电流的增加只能增加铁心中的少量磁通，即铁心磁通达到了饱和，当满足一定的条件时，就会产生铁磁谐振现象。

由于铁磁谐振的频率不同,所以可以是基波谐振(50 Hz工频)、高次谐波谐振(谐振频率等于工频的整数倍如2次、3次、5次谐波)、也可以是分次谐波谐振(谐振频率等于工频的分数倍如1/2、1/3、1/5、2/5次谐波)。发生谐振的频率f0实际上是由振荡回路的等值电感 (通常为对地电感)和等值电容 (通常为对地电容)来决定的,即：

图2 变压器铁心磁化曲线

图3 串联铁磁谐振电路的特性曲线

上面的公式也可以用电压降总和的绝对值E=ΔU=|UL-UC|,ΔU与I的关系曲线在图中亦有表示。

电动势E与ΔU的三个相交点就满足上述平衡方程的点，但是三个点并不都是稳定的点，例如在a点，系统电流增加，电压降增加，即E<ΔU，使回路电流减小，回到稳定状态；系统电流减小，电压降减小，即，使回路电流增加，回到稳定状态。用同样的方法分析b、c两点，其中b点是不稳定的点。a点为电路的非谐振工作点，回路呈感性，回路电流及电感、电容上的电压都不大，c点是谐振工作点，回路呈容性，不仅回路电流大，电感、电容上出现过电压。从图中可以看出，当电动势E较小时，回路存在两个稳定的工作点a和c，若系统经过冲击扰动如发生故障、断路器跳闸等，这些扰动可造成铁心电感两端的短时电压升高、大电流的振荡过程或电感中的涌流现象，回路将经过强烈的扰动建立起稳定的谐振点c。这种需经过过渡过程建立的谐振现象称之为“激发”，而且一旦激发起来谐振状态就可以保持很长时间不会衰减，系统由非谐振状态变为谐振状态的过程中系统电流由感性变为容性，相位发生180°的翻转，这个现象称为反倾。

虽然同为谐振，但是铁磁谐振和线性谐振却有很大的差异：首先是两者产生谐振的参数条件不一样，

对于一定的L0值，在很大的电容范围内都可能产生谐振。

其次是线性谐振与电源电势的大小及电路的瞬间变化无关，是随着参数逐渐变化的，损耗电阻对限制过电压起着决定性的作用。在铁磁谐振回路中若施加电源E

在对地电容较小的配电网中，以工频位移过电压为主；而在对地电容较大的配电网中则以分频谐振为主[2]。

3 案例

3.1 案例一: 2013年8月1日608MPTA相故障

事故概要：雷电波窜进6kV厂用电系统造成6kV电压互感器受损。

2013年8月1日，雷雨天气下，室外雷电通过6kV架空线路进入到6kV厂用电系统，进而引发了6kV厂用电系统的分频谐振。其事故波形图如图4。

图4 2013年8月1日 故障时6 kV Ⅷ段电压波形

事故现象：2013年8月1日下午4时34分雷电波经架空线入侵6kVⅧ段(6kVⅧ段680DL为左岸架空线)，通过故障录波数据显示，A、B、C三相相电压峰值分别达到12.795kV、11.512kV、11.577kV，A相电压相比B、C相较高。由于基波50Hz分量以及50Hz分频分量的存在，在图1的波形图上观察到的电压波形不再是均匀的周期正弦波，而是在50Hz正弦波的基础上合成其他分频分量的波形。另外，在电压互感器开口三角的端口上感应出周期分量来。观察图4，开口电压的波形频率为25Hz左右，正好为基频的1/2左右。

事故分析：由于电压互感器的电抗值XL=j×ω×L，而ω= 2×π×f，电路元件的电抗值与电路频率有着直接的关系。在分频电路中，由于频率下降一半，电压互感器的电抗值XL也随之下降一半。本来在50Hz保持稳定，不发生谐振的电路，由于电压互感器的感抗值的改变，诱发了分频铁磁谐振现象的产生。在谐振过程中，电压互感器绝缘受到了破坏，进而导致了设备损坏的事故发生。608PTA相绝缘烧损如图5。

针对雷击现象我们建立了仿真模型如图6：假设A相为雷击点得到相应的仿真波形如图7：

从图7可以看出为遭受15kV感应雷击的A相一次侧电压波形，电压振幅为4.1p.u。

从图8可知感应雷击导致的谐振时流过电压互感器一次侧的电流约为3A，大于熔断器允许长期运行电流0.5A。

3.2 案例二2006年08月22日607PTB相受损

事故概要：6kV电动机故障诱发了厂用电系统的故障，最终导致了607M上的电压互感器发生分频铁磁谐振而受损。

事故现象：2006年8月22日#1渗漏排水泵61SB启动后，监控系统上发“Uab电压低限”报警，现场检查6kVⅡ段上线 电 压 为Uab、Ubc、Uca为6.2kV，相电压Ua、Uc上升到6.2kV，Ub为0，6kVⅦ段上线电压为Uab、Ubc、Uca为6.2kV，相电压Ua、Ub上升到6.2kV，Uc为0。6kV607PT处有焦糊味且味道越来越重，现场退出6kVⅦ、Ⅷ备自投，将607PT拉至检修位置后，选测6kVⅡ段母线电压均正常，检查发现607PTB相一次熔断器熔断且B相PT本体有约10公分裂纹。

图5 608PT A相破损

图6 仿真模型图

事故分析：在08月22日事故发生后，8月23日61SB启动后，也发生同样的现象。而在拉开602M和607M的连络开关后，61SB的投运都引起602M的电压波动。后来在602M只保留61SB和602PT进行试验，通过波形发现C相存在放电现象，分解电机后发现鼠笼条弹出，导致铁芯部分扫膛和定子绕组端部被刮擦，且一处线芯已露出，其他部位表面绝缘已被刮去大部分。此次事件中，在电动机转子转动过程中裸露绕组线芯对弹出的鼠笼条放电，激发出基频以外的分量，进而诱发了厂用电系统的铁磁谐振，使得607PTB相在铁磁谐振中受损严重。

图7 雷击后PT铁磁谐振A相一次侧电压波形(感应雷击电压10 kV)

图8 雷击后PT谐振A相熔断器电流

图9 单相接地故障仿真型

由图9、10、11可知系统单相接地或者间歇性接地后，铁磁谐振会导致电压互感器，振幅为3.5p.u。谐振时流过电压互感器一次侧的电流约为2.7A，大于熔断器允许长期运行电流0.5A，同时系统中性点电流也较大，而系统单相接地后的电流接近零。

4 结 语

二滩水电站发变组系统主要为单元接线形式，厂用电系统采用6kV、400V两级电压供电，由厂内厂用电系统和厂外厂用电系统两部分组成,厂用变压器高压侧连接到发电机断路器出口处。厂用变压器将18kV电压降至6kV电压，为各机组自身辅助设备供电。厂用电母线采用单母线分段接线形式，且每段母线上配置有电压互感器。在二滩水电站投运的近10年中，屡次发生了厂用电系统过电压现象，造成了设备损坏事件。引起厂用电系统过电压现象的因素较多；如雷电天气引起的雷击过电压、电气系统参数匹配异常

图10 PT 三相一次侧电压波形

图11 PT铁磁谐振A相熔断器电流

引起的谐振过电压等。为了提高厂用电系统的可靠性、减少过电压现象对设备的损坏，所以有必要对厂用电系统过电压的产生的机理、原因进行分析研究。

仿真及分析表明，二滩水电站6kV厂用电系统单相接地(包括间歇性接地)和感应雷击均可以导致PT铁磁谐振。通过波形上看，PT铁磁谐振会导致PT一次侧电压升高，而引起PT击穿和熔断器熔断的主要原因为PT谐振一次侧过流。另外，单相接地故障和感应雷击引起的PT铁磁谐振均为1/2分频谐振，这与二滩电站厂用电系统结构(参数)有关。由于系统结构相对固定，二滩电站6kV厂用电系统PT只会发生1/2分频谐振，我们可以利用这一特性辨识6kV厂用电系统单相接地故障和铁磁谐振故障。

[1] 电网谐振过电压防治的研究与探讨，李志全，刘晨光，山东电力技术 2009第二期

[2] 10-35kV配网铁磁谐振过电压的表现形式及消除措施，刘新东，电工技术杂志，2000第六期

(责任编辑：卓政昌)

2017-01-07

[TM622]；TM86；K

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1001-2184(2017)01-0140-06

向欣欣(1991-)，男，重庆云阳人，毕业于河海大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，二滩水力发电厂从事运行工作；

吕杰明(1986-)，男，四川南充人，毕业于四川大学电气工程及其自动化专业，工程师，二滩水力发电厂从事运行工作；

刘道源(1987-)，男，重庆垫江人，毕业于四川大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，二滩水力发电厂从事运行工作.