HGIS 限流串联电抗器对线路过电压的影响分析

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

随着电网规模的日益扩大，500 kV 系统网架联系越来越紧密，电网越来越坚强，供电可靠性越来越高，但同时也造成了系统短路容量增大，短路电流水平增高，甚至超过了现有断路器的遮断能力。为限制短路电流增大，可在电网适当部位安装串联电抗器（以下简称“串抗”），该方案简单经济，已有多项工程应用[1-3]。

在已运行变电站内加装串抗时，为减少占地面积、节约空间布局，倾向于采用GIS（气体绝缘封闭组合电器）形式的新设备，包括隔离开关、出线避雷器和TV（电压互感器）。受限于空间布局，500 kV GIS 的TV 一般为电磁式。TV 的铁芯电磁特性使其容易与系统内其他元件产生铁磁谐振，进而引起电压畸变、升高。文献表明，TV 铁磁谐振往往伴随着系统冲击，与系统参数的突变有很大关系，比如断路器分合闸引起系统对地电容的变化、中性点非接地系统的单相接地、中性点接地系统断路器分合闸引起的断口电容变化等[4-10]。因此串抗、断路器断口电容、线路、TV 等设备在不同运行方式下的参数配合将影响系统过电压的产生与严重程度。

本文针对一起500 kV 线路加装串抗工程启动过程中的电压异常偏高事件，分析了HGIS（混合式气体绝缘封闭组合电器）串抗由热备用转冷备用操作过程中对线路电压的影响，以及HGIS串抗操作冲击导致TV 铁磁谐振的可能性，并提出针对性预控措施。

1 事件概况

1.1 系统主接线

为限制系统短路电流，通常在500 kV 线路一侧加装串抗，如图1 所示。新增的串抗安装在变电站出线侧，在串抗上并接1 组隔离开关，在串抗退出的情况下，线路可通过合上该组隔离开关继续运行。同时在串抗两侧各加1 组检修用隔离开关。由于串抗的高阻抗特性，在串抗两端均配置避雷器。另外，为减小断路器切电抗对匝间绝缘的影响以及降低断路器断口恢复电压，配置旁路电容器。500 kV 线路串抗采用干式空心电抗器，结构为每相2 个线圈叠装串联。

图1 线路串抗接线

由于是在已运行变电站内加装串抗，新建电气设备采用GIS 形式，包括隔离开关、出线避雷器和铁磁型TV。GIS 与串抗的高低端之间通过GIS 联络母线连接。

1.2 事件经过

某500 kV 线路加装串抗工程启动过程中，线路两侧断路器为热备用状态，线路三相电压均为0。当操作本侧串抗由运行改为冷备用，即拉开串抗隔离开关后，监控后台显示A 相、B 相、C 相线路电压分别由0 升高为180 kV，100 kV，100 kV。拉开本侧边断路器隔离开关后，B 相、C相线路电压随即由100 kV 降为60 kV。进一步拉开本侧中断路器隔离开关，B 相、C 相线路电压随即由60 kV 降为0。经现场检查实测，线路TV二次电压值与测控、保护、故障录波及监控后台基本一致，可排除电压二次采样回路异常。

2 B 相、C 相电压异常偏高分析

500 kV 线路额定相电压为297 kV，在线路两侧断路器为热备用状态下拉开本侧串抗隔离开关后，线路电压正常应为0，但实际B 相、C 相电压却为100 kV，此电压异常升高为电容分压所致。

电气设备对地及设备间均存在分布电容。通常110 kV 及以上系统为直接接地系统，为提高断路器灭弧能力，在断路器断口并联电容。因此在忽略电阻的情况下，线路在热备用状态下将串抗从运行改为冷备用时的等效电路如图2 所示。

图2 操作等效电路

图中：E 为系统等效电源；C11为边断路器热备用时等效断口电容；C12为中断路器热备用时等效断口电容；C2为GIS 设备对地电容及杂散电容的总和；C3为线路对地电容；L1为TV 等效电感；L2为串抗电感。

已知500 kV 断路器采用双断口结构，单断口电容为2 000 pF，则断路器并联等效电容C11和C12均为1 000 pF。当线路两侧边断路器和中断路器均为热备用状态时，总的断路器并联等效电容为2 000 pF；线路长度约55 km，C3约为0.779 μF；TV 为额定电压时，励磁电流为4.54 mA，估算额定电抗L1为203 kH；串抗额定电抗为28 Ω，则L2为89 mH；C2为未知数。系统参数详见表1。U为TV 一次侧电压，随着运行方式的变化而变化。

表1 系统参数

（1）当串抗处于运行状态时，有：

即线路处于热备用、串抗隔离开关合闸状态下，TV 测量得到电压为0，与实际采样一致。

（2）当串抗隔离开关拉开后，U≈100 kV，为断路器断口电容与GIS 对地电容之间的分压：

计算得到C2≈4 000 pF，即GIS 设备对地电容及杂散电容总和近似为4 000 pF。

（3）当拉开边断路器隔离开关后，相当于边断路器的断口电容被切除，将C2以4 000 pF 带入，计算得到：

此时，实际测量得到电压U 也为60 kV，与计算值一致。

因此，在线路热备用状态下，将串抗由运行改为冷备用后，由于断路器热备用状态下断口电容与GIS 设备对地杂散电容的分压作用，将导致线路电压升高，这就是B 相、C 相电压异常偏高的原因。

3 A 相电压异常偏高分析

3.1 电压波形分析

电压录波波形如图3 所示。

图3 串抗隔离开关分闸后TV 异常录波图

根据波形所示，A 相电压波形在合闸后即出现了严重畸变，并在4 个周波后稳定发展成频率为16.56 Hz、幅值为180 kV 的次谐波。此时变电站中其他间隔的电压保持稳定，并未受影响。根据波形判断，线路A 相TV 存在铁磁谐振的可能性。

3.2 铁磁谐振原理

电力系统中存在大量容性元件和感性元件，当各元件的等效电感值和电容值满足时，就会产生谐振。TV 在系统中可等效为电感元件，在正常运行时，其本身的等效电感值非常大，ωL＞，不会发生谐振。但是由于TV 的电感元件呈现出非线性特性，其电感值将随着励磁电流的变化而变化。当系统遭受冲击，使得励磁电流增加并导致铁芯饱和时，电感值将显著下降，当电感值下降到满足时，就会产生谐振。

根据Peterson 谐振分布原理，谐振频率与基频下的系统等效容抗XC和互感器感抗XL之比有关[7-8]：

（1）当比值在0.01～0.08 时，发生分频谐振，表现为：过电压并不高，一般不超过相电压的2.5 倍；过电流极大，可达额定电流的30～50 倍。

（2）当比值在0.08～0.8 时，发生基频谐振，表现为：过电压倍数较大，在3.2 倍相电压之内；过电流较大。

（3）当比值在0.6～3.0 时，发生高频谐振，表现为：过电压倍数很高，最大值达到相电压的4～5 倍；过电流较小。

3.3 铁磁谐振成因分析

当断路器处于热备用状态时，系统等效电路如图2 所示，图中各元件的参数同表1。

将串抗从运行改为冷备用，即拉开串抗隔离开关后，A 相TV 发生铁磁谐振。根据Peterson 谐振分布原理，验算系统的是否符合谐振条件，即验证是否会激发铁磁谐振。

（1）串联谐振时XC与XL之比

将图2 简化为如图4 所示的等效电路。

图4 串联谐振等效电路

计算得到：

不满足Peterson 谐振分布原理产生谐振的最低比值0.01，故可排除串联谐振。

（2）并联谐振时XC与XL之比

将图2 简化为如图5 所示的等效电路。

图5 并联谐振等效电路

计算得到：

满足Peterson 谐振分布原理中的分频谐振比值范围，即有可能发生GIS 设备对地电容与TV之间的并联谐振，并且谐振频率为次基波。

进一步计算得到此时L1=23×103H，即谐振时TV 的等效电感由203 kH 降为23 kH，TV 工作在深度饱和区，励磁电流急剧增大，电压升高，并由于铁芯饱和使得二次测量电压发生畸变。

并联谐振时，仅在谐振相A 相发生谐振，其余相及其他设备并未参与谐振，故系统电压也未受影响，即在谐振环内出现大电流、端电压升高，谐振环外系统不受影响，这也与图3 现场实际录波相符。

4 A 相TV 解体分析

对异常的A 相TV 进行解体检查，发现器身屏蔽罩表面无放电痕迹，如图6（a）所示；高压内屏无放电、过热痕迹，一次引出线完好，无过热、放电痕迹，一次绕组中间部位菱格涂胶绝缘薄膜熔化，如图6（b）所示。综上，可以得到如下结论：

（1）TV 内无放电痕迹，未发生对地放电。

（2）TV 二次绕组接线端子无放电或过热痕迹，直阻无异常。

（3）TV 一次绕组存在大面积短路烧蚀现象，直阻下降约79%。

图6 A 相TV 解体检查情况

解体检查判定此时TV 已发生铁磁谐振现象，使一次绕组内的电流急剧增大，远远超过一次绕组导线的承受能力，从而引起一次绕组导线过热，进而熔化菱格涂胶绝缘薄膜且导致绕组变形、线圈短路，SF6气体在高温条件下分解产生白色絮状物。

5 结语

本文分析了一起500 kV 线路HGIS 限流串抗由运行转冷备用操作过程中的电压异常偏高事件，结论如下：

（1）线路断路器在热备用时将串抗改为冷备用后，线路B 相、C 相电压由0 升高至100 kV，原因系断路器热备用状态下的断口电容与GIS 设备对地杂散电容分压所致，此为正常现象。

（2）线路A 相TV 在串抗隔离开关拉开后电压异常升高至180 kV，原因为受操作冲击影响，TV 铁芯饱和，励磁电流急剧增大，TV 等效电感下降并与GIS 设备对地杂散电容间产生频率为基频的分频铁磁谐振，引起电压异常升高。

为防止操作过程中再次发生TV 铁磁谐振，可采取如下预控措施：在原有接线方式下，串抗由运行改冷备用、冷备用改运行和串抗旁路运行前需先操作线路断路器间隔至冷备用状态，避免热备用状态下系统电源通过断路器断口电容传递到串抗侧，阻断操作时的能量冲击，以避免线路TV 产生谐振的可能条件；将线路TV 安装位置移至串抗的线路侧，并将电磁式TV 改为电容式TV，可彻底阻断TV 发生铁磁谐振的基本条件，但将影响线路后备保护的定值整定方案。