断线谐振造成控制回路开关电源烧损的分析

阳 卫

（国网四川映秀湾水力发电总厂，四川 都江堰611830）

1 概述

断线谐振是电力系统中，尤其是中性点非直接接地系统中一种常见的铁磁谐振现象[1]。理论上，线路只要发生断线故障，即存在发生基频及以上高次谐波谐振的可能性[2]。据统计，由于开关非全相操作、熔丝非全相熔断、大风冰雹的破坏等原因造成的断线谐振事故十分频繁，断线谐振产生的过电压曾多次引起设备损坏事故[3]。

双河水电站位于四川省九寨沟县，1号机、2号机及1号主变构成扩大单元接线，10.5 kV厂坝线从该单元母线引出后，经隔离变14 T分别为双河、青龙两站大坝和九力大厦（集控中心）供电（图1）。由于闸门的操作周期长且启闭时间短，而九力大厦（集控中心）也只是一些办公负荷，线路长期长时间都是在轻载负荷下运行，存在发生断线谐振的条件和可能[2]。

如图1所示，在隔离变14 T负荷侧安装有一台户外柱上真空开关14和一组高压跌落熔断器141，线路至九力大厦和青龙电站大坝的分支还各有大约1.6 km、0.7 km的一段是用电缆敷设。

由于受高山河谷地带阵性大风的影响，高压跌落熔断器141在运行中时有被大风非全相吹落现象的发生。2017年9月8日11:23，熔断器的B相被大风吹落，造成线路发生断线谐振现象，并导致青龙电站3孔闸门的控制回路中共有5只输入电源接在B相的开关电源被烧坏。

图1 10.5 kV厂坝线路简图

2 现象描述

2.1 故障前运行方式

10.5 kV厂坝线路是双河、青龙两站大坝用电及九力大厦（集控中心）的工作电源，两站大坝还各有一回外来备用电源，坝区400 V母线备自投均启用。

两站闸门的控制回路均采用双开关电源互为备用的不间断供电方式，开关电源的输入电源为交流200～240 V，输出直流24 V电源，为闸门控制、PLC和传感器等供电。不同的是，双河电站3孔闸门开关电源均取自A相电源供电，而青龙电站则有所不同，其中：

1号泄洪闸的两个开关电源分别取自B、C两相电源供电，冲沙闸、2号泄洪闸开关电源均取自B相电源供电。

2.2 故障现象

事后从集控中心上位机事件简报上看，从11：23：28.748开始，上位机不停报青龙电站闸门控制PLC电源消失和复归信号。

11：23：28.748报冲沙闸、2号泄洪闸PLC运行停止信号，11：27：53.978报PLC运行动作信号，电压趋势显示400 V母线B相电压在96～234 V。

11：28：27.772报冲沙闸、2号泄洪闸 PLC运行停止信号，11：28：50.552报冲沙闸PLC运行动作信号，但随即报运行停止信号，此时400 V母线B相电压在0～299 V向上变化，0 V持续时间大约有2 s。

大坝值守人员发现工作电源变压器有“哗啦啦……”较大异音，通信装置的充电柜“故障”灯点亮后，于11：31：52.900人为将坝用电倒为外来备用电源供电，在坝用电源的切换过程中，上位机报1号泄洪闸PLC停止和恢复信号。

而在双河电站大坝，值守人员也发现了工作电源变压器和通信装置充电柜的运行异常，于11：27：29.618人为将坝用电倒为外来电源供电。

3 故障分析

3.1 开关电源烧损原因分析

从故障现象来看，由于隔离变负荷侧B相跌落保险的掉落，造成了10.5 kV厂坝线配电网发生了断线谐振现象，反应到各配变的低压侧，坝区400 V系统电压出现了异常。

由于闸门控制回路的PLC均由开关电源供电，所以PLC的运行停止和运行动作实际上反映了当时开关电源的运行情况。

通过查询青龙电站坝区400 V母线各相电压的变化趋势，发现呈现下列现象：

（1）总体来看，在 11：23：34～11：31：52 断线谐振发生期间，400 V母线三相电压的总体变化如下：

A 相 101～246 V，B 相 96～250～0～301 V，C 相229～234 V。A相电压呈现由小变大的发展趋势，B相电压则波动较大，由开始的96 V，延续1 s后变成250 V，又经过大约10 s下降为0 V，再持续约2 s后向上发展到301 V，C相电压变化幅度不大，基本符合正常值要求。

11：23：28.748，当 B 相高压跌落保险刚刚掉落时，B相电压就迅速下降到96 V，导致电源接在B相的冲沙闸、2号泄洪闸开关电源因欠压失振中断了供电，闸门PLC停止工作，但电压随即恢复，PLC恢复运行，而1号泄洪闸则由于1号开关电源接在C相，PLC由1号开关电源供电，没有信号。

（2）11：28：27.772～11：28：50.554 期间：

11：28：33，B相电压出现 0 V，冲沙闸、2号泄洪闸PLC又中断供电，约2 s后电压恢复，但此时只有冲沙闸PLC恢复运行，并随即出现运行停止信号，这时候2号泄洪闸两个开关电源应该已经烧坏。

（4）11：31：42.185～11：28：52.900 期间：

11：28：52.900，坝用电倒为外来电源供电。坝用电源切换时，1号泄洪闸PLC首次出现运行停止和恢复信号，冲沙闸、2号泄洪闸无任何信号，说明切换前两个闸门的开关电源这时候均已烧坏。

综合上述分析，由于反复受到异常谐振电压造成的浪涌电流（最大甚至可能超过100 A）的冲击影响[4]，并在这种波动范围大的高电压、大电流工况持续作用下，由B相电源供电的冲沙闸、2号泄洪闸开关电源及1号泄洪闸2号开关电源最终损坏。

事后，通过对烧坏的开关电源进行拆解检查，发现其输入端熔断器、压敏电阻大多有炸裂现象，印证了上述分析。

3.2 备自投拒动原因分析

两站坝区400 V母线备自投采用进线互投方式，即正常运行方式以10.5 kV厂坝线为工作电源，为400 V两段母线供电，外来电源备用。

工作电源“无压”判据为进线Uab、Ubc的电压均要降低到20 V（二次侧），两者为“与”的关系。经检查，在断线谐振期间，进线Uab由开始的79 V，经过大约10 s变成0 V，持续约2 s即向上发展，最高至488 V，而Ubc相则一开始就由239 V向上发展，最高为485 V，折算成二次电压为62～128 V。所以，备自投没有动作。

3.3 通信装置故障原因分析

断线谐振造成了坝区400 V系统三相电压过低、过高和不平衡的现象，而通信装置的充电柜有“缺相”、“欠压”（360 V）、“过压”（420 V）等保护。因此，充电柜的“故障”信号灯点亮。

4 防范措施

配电网中的铁磁谐振是多种多样的，而断线谐振是不容忽视的一种[5]，本文描述的10.5 kV线路的断线谐振事件，导致电站闸门控制回路开关电源的烧损，致使闸门操作失灵，对安全生产构成严重威胁。但是，要彻底根除配电网里的断线谐振，又的确是比较困难的。因此，有必要加强对断线谐振的防范措施。

（1）开关电源等电子元器件的集成化程度很高，它们对电源质量的要求也很高，有条件的话可以考虑由直流或UPS电源供电，暂不能实现时，应将两个开关电源分别由两相电源供电，降低损坏风险。

（2）配电网线路如果已经安装有柱上真空开关，就应该用隔离刀闸来代替回路中的高压跌落熔断器，避免发生类似断线现象。

（3）当配电网回路中发生断线缺相运行时，总是会伴随着一些如本文描述的故障外部征象，如变压器发出异常声音，通信装置声光报警，室内照明灯光忽明忽暗等，值班人员一旦发现上述现象，就应该迅速采取相应的措施。

（4）加强对线路的运维管理，包括巡视和检修，及时发现和排除影响线路安全运行的各种隐患，如危石、树木等，预防断线的发生。