淺析系統諧振過(guò)電壓及抑制措施
高壓系統諧振過(guò)電壓是電力系統常見(jiàn)的過(guò)電壓之一，是由于變電站倒閘操縱引起的，實(shí)在質(zhì)就是電磁式電壓互感器勵磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。發(fā)生鐵磁諧振事件，不但對大量電力設備和系統安全運行帶來(lái)危害，還嚴重危及人身安全，必須予以足夠重視和防范。  
  
1.引言
高壓系統鐵磁諧振過(guò)電壓是電力系統常見(jiàn)的過(guò)電壓之一，是中性點(diǎn)不接地系統中最常見(jiàn)，且造成事故最多的一種內部過(guò)電壓。而在中性點(diǎn)有效接地的高壓系統中，由于中性點(diǎn)電位基本固定，該類(lèi)過(guò)電壓發(fā)生的幾率要少得多，但在一些特殊情況下，仍有可能被激發(fā)，最常見(jiàn)的就是在變電站倒閘操縱過(guò)程中，出現的斷路器斷口電容器與電磁式電壓互感器及空載母線(xiàn)構成的串聯(lián)諧振回路，由于變電站倒閘操縱引起的操縱過(guò)電壓作用，電磁式電壓互感器勵磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。
2.故障現象
下面分析一下近期發(fā)生的由于PT飽和產(chǎn)生的有效接地系統的諧振過(guò)電壓如：2000年5月20日18時(shí)25分，某局某站220kV #2母線(xiàn)電壓互感器，在進(jìn)行對#2母線(xiàn)送電操縱過(guò)程中，發(fā)生爆炸事故；2001年3月13日某220kV某站，在運行方式由雙母線(xiàn)并列運行轉為Ⅱ母線(xiàn)單母線(xiàn)運行中，值班員進(jìn)行停Ⅱ母線(xiàn)操縱激發(fā)鐵磁諧振； 2001年3月28日220kV某站正常運行中，12時(shí)52分由于110kV乙母線(xiàn)單相接地，110kV母差保護動(dòng)作切除乙母線(xiàn)的過(guò)程中，觸發(fā)乙母線(xiàn)PT鐵磁諧振過(guò)電壓； 2001年4月15日，某220kV某站在進(jìn)行變電站送電操縱過(guò)程中，發(fā)生PT鐵磁諧振事件
3.故障分析
分析發(fā)生的歷次投切空母線(xiàn)激發(fā)的PT鐵磁諧振過(guò)電壓的過(guò)程，主要有以下兩種情況：
①投空母線(xiàn)開(kāi)關(guān)操縱前，合被投母線(xiàn)側刀閘引起的諧振過(guò)電壓；
②切空母線(xiàn)開(kāi)關(guān)分斷時(shí)激發(fā)的諧振過(guò)電壓。 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表|
它們主要的共同特點(diǎn)是：
·被操縱的母線(xiàn)是空母線(xiàn)，在母線(xiàn)上只掛有電磁式電壓互感器及避雷器，斷路器的斷口并聯(lián)有均壓電容器。
·母線(xiàn)電壓表上穩定地顯示出諧振過(guò)電壓的有效值，當關(guān)合充電斷路器的瞬間，諧振立即消失，母線(xiàn)電壓恢復到正常水平。
這些事件再次使我們清醒地熟悉到：投切空母線(xiàn)激發(fā)的PT鐵磁諧振過(guò)電壓可能對系統安全運行帶來(lái)的危害，特別是某局某站220kV #2母線(xiàn)電壓互感器由于長(cháng)時(shí)間諧振，電壓互感器長(cháng)時(shí)間承受過(guò)電壓及過(guò)負荷，導致爆炸，不但對大量電力設備和系統安全運行帶來(lái)危害，還嚴重危及人身安全，必須予以足夠重視和防范。 
下面分析一下諧振過(guò)電壓，進(jìn)一步探討一下高壓系統鐵磁諧振過(guò)電壓。有電感和電容原件向串聯(lián)可以構成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振條件為感抗和容抗相等，即：XL=XC,或ωL=1/ωC.因此可求出諧振頻率為f0=1/2  稱(chēng)為固有自振頻率。
對于復雜的電路，可以組合成一系列的具有不同的自振頻率的振蕩回路。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)操縱時(shí)，由于瞬變過(guò)程波形會(huì )引起某種變化，非正選的電源波形含有一系列的諧波。當電路中的自振頻率之一與電源諧波之一正好相等時(shí)，就出現這一頻率的諧振過(guò)電壓。
諧振是一種穩態(tài)現象，諧振過(guò)電壓的持續時(shí)間可能很長(cháng)，因此，這種過(guò)電壓一旦發(fā)生，往往造成嚴重的后果。

高次諧波表HWT-300

諧波測試儀HWT-1000

高次諧波檢測儀HWT-301
3.1線(xiàn)性諧振過(guò)電壓 
線(xiàn)性諧振市電力系統中最簡(jiǎn)單的一種諧振形式，其特點(diǎn)是電感和電容都為恒定的常數，當電源中某次的諧振的頻率正好與電路的自振頻率相等時(shí)，假如電阻為零，則諧振時(shí)電流為無(wú)窮大，電壓也為無(wú)窮大。實(shí)際上電阻不可能是零，則可能出現額定電壓K倍數的過(guò)電壓。
假如電路的自振角頻率ω0=2f0 不相等，固然也能出現串聯(lián)諧振過(guò)電壓，但是過(guò)電壓的數值較小。通過(guò)典型的實(shí)例計算證實(shí)，當電源諧波頻率小于0.7f0或大于1.25f0 時(shí)，諧振電壓數值一般小于額定電壓的兩倍，這也是線(xiàn)形諧振過(guò)電壓的一個(gè)特點(diǎn)。
3.2鐵磁諧振過(guò)電壓
鐵磁諧振過(guò)電壓的特點(diǎn)：在正常運行條件下，電感、電容串聯(lián)回路中串聯(lián)回路中一般感抗要大于容抗，由于出現某種因素電感兩端電壓有所升高，使電感鐵芯飽和，感抗減少，出現感抗和容抗相等，甚至感抗小于容抗，形成相位反轉，引起鐵磁諧振，當上述諧振現象的頻率即是工頻時(shí)，稱(chēng)為基波諧振過(guò)電壓。其他還有高磁諧波諧振和分次諧波諧振，下面舉例說(shuō)明：設有如圖1-1（a）所示之電感電容電路，圖1-1（b）中曲線(xiàn)UL（I）表示電感L上的電壓隨著(zhù)電流I變化的伏安特性曲線(xiàn)，直線(xiàn)UC（I）表示電容C上的電壓隨著(zhù)電流的I變化的伏安特性曲線(xiàn)�！鱱則表示電路中總的電壓降，它即是電感和電容上的壓降的代數和，根據電勢平衡條件應有E=△u。

大電流鉗表PROVA2003

電力諧波及漏電鉤表PROVA 23

電力諧波及漏電鉗表PROVA 21

諧波及漏電鉗表PROVA19

交直流瓦特鉗表PROVA 2009
  正常時(shí)，電路工作在a1點(diǎn)，電感上的壓降UL1要大于電容上的壓降UC1，電流落后于電源電壓。當電源電壓E小于△u曲線(xiàn)部分的最高點(diǎn)U`時(shí)，電路是穩定的。即使電源有某種程度的波動(dòng)，仍可回到工作點(diǎn)a1。但當電源電壓瞬間超過(guò)U`時(shí)，電感由于鐵芯和感抗下降，電感上的壓降UL（I）與電容上的壓降UC（I）之間的差值反而減小，即電源電壓E 越來(lái)越大于電路的總電壓降△u，使電流迅速增大。直到電流達到I2，在新的工作點(diǎn)a2重新穩定下來(lái)，這時(shí)無(wú)論是電容上的壓降UC（I）或電感上的壓降UL（I）都大大超過(guò)電源電壓。全電路從原來(lái)的呈現感性變?yōu)槌扇菪浴?
從上面的分析知，線(xiàn)形諧振時(shí)過(guò)電壓趨向無(wú)窮大，而鐵磁諧振時(shí)過(guò)電壓有某一固定的數值，這個(gè)數值完全由電路的參數和電源電壓的數值決。




上面的分析的是基波鐵磁諧振。實(shí)踐證實(shí)，還可能出現其他頻率的鐵磁諧振現象，假如諧振頻率即是工頻的整數倍，則稱(chēng)為高磁諧波諧過(guò)電壓；若諧振頻率即是工頻的分數倍，則稱(chēng)為分次諧波諧振過(guò)電壓。
上述發(fā)生的高壓系統鐵磁諧振過(guò)電壓多為分頻諧振過(guò)電壓，對分頻諧振，其母線(xiàn)上諧振過(guò)電壓水平將由母線(xiàn)PT的勵磁特性決定。經(jīng)分析上述發(fā)生的高壓系統鐵磁諧振過(guò)電壓多采用電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)計算分析以為，JCC5-220型電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，其分頻諧振過(guò)電壓一般不超過(guò)1.5P.u.。。而JDCF-220W1型電磁式電壓互感器系列產(chǎn)品，由于其大大改善了電磁式電壓互感器的勵磁飽和特性，進(jìn)步了其線(xiàn)性范圍，使其分頻諧振過(guò)電壓將可能超1.5P.u.，但一般也不超過(guò)2P.u.。對220 kV等級的電氣設備最高運行相電壓為146kV，2P.u.的過(guò)電壓水平相當于292 kV，而220 kV等級的電氣設備短時(shí)工頻耐受值為360 kV（1min），所以，該類(lèi)由于電磁式電壓互感器飽和特性造成的分頻諧振，在短時(shí)間內（1min）并不對一次電氣設備構成嚴重危害。 
但當PT在諧振期間工作在嚴重過(guò)負荷狀態(tài)，達PT額定電流的數十倍的負荷電流，將使PT發(fā)出異常聲響，該嚴重的過(guò)負荷現象假如持續時(shí)間過(guò)長(cháng)，使電磁式電壓互感器內部嚴重過(guò)熱，內部盡緣材料因過(guò)熱而嚴重老化，設備盡緣水平嚴重下降，在前面分析的鐵磁諧振過(guò)電壓作用下，將導致?lián)舸�，甚至設備爆炸。因此，高壓系統鐵磁諧振過(guò)電壓對電力系統及電氣設備帶來(lái)更大危害，應該盡量避免。
4.抑制措施
鑒于110kV及以上有效接地系統的PT飽和鐵磁諧振過(guò)電壓在各站已多次發(fā)生，其諧振過(guò)電壓的激發(fā)是具有隨機性的，嚴重時(shí)，母線(xiàn)PT損壞，甚至導致PT爆炸，危及二次保護設備及一次PT四周設備。必須對類(lèi)似事故有一個(gè)清醒的熟悉，提出反措如下： 
4.1嚴格執行調度規程
在運行方式上和倒閘操縱過(guò)程中，防止斷路器斷口電容器與空載母線(xiàn)及母線(xiàn)PT構成串聯(lián)諧振回路，以防止因諧振過(guò)電壓損壞設備。它包括兩個(gè)方面：
①應避免用帶斷口電容器的斷路器切帶電磁式電壓互感器的空載母線(xiàn)。 
②避免用帶斷口電容器的回路的刀閘對帶電磁式電壓互感器的空載母線(xiàn)進(jìn)行合閘操縱。 
具體可采用下述方式來(lái)實(shí)現：在切空母線(xiàn)時(shí)，先拉開(kāi)電壓互感器，對母線(xiàn)斷電；在投空母線(xiàn)時(shí)，先斷開(kāi)被送電母線(xiàn)PT，對母線(xiàn)送電，再合母線(xiàn)電壓互感器。 
4.2避免操縱過(guò)電壓
在進(jìn)行投切空母線(xiàn)操縱時(shí)，加強母線(xiàn)電壓監測，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，應立即合上帶斷口電容器的斷路器，切除回路電容，終止諧振，防止隱患發(fā)展形成事故。 
4.3中性接地點(diǎn)
增加母線(xiàn)對地電容或減少系統中電壓互感器壓中性點(diǎn)接地臺數，即增大母線(xiàn)的對地感抗，從而減少自振固有頻率，避免因系統由東而發(fā)生母線(xiàn)鐵磁諧振過(guò)電壓，如：在變電站基建設計時(shí)，采用電容式電壓互感器。在進(jìn)行變電站更換電壓互感器時(shí)，也應盡量選取電容式電壓互感器。 
4.4繼電保護
針對具體事故發(fā)生的情況，如在變電站母線(xiàn)發(fā)生單相接地，母差保護動(dòng)作，母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳閘后，假如主變開(kāi)關(guān)先于線(xiàn)路開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將不會(huì )引發(fā)諧振。因此，建議將只帶一條出線(xiàn)（線(xiàn)路開(kāi)關(guān)動(dòng)作搶在主變開(kāi)關(guān)前動(dòng)作的可能性較大），同時(shí)該出線(xiàn)為不帶電源的負載線(xiàn)路時(shí)，母線(xiàn)母差保護動(dòng)作次序調整為：母聯(lián)開(kāi)關(guān)首先開(kāi)斷后，先跳主變開(kāi)關(guān)，再跳出線(xiàn)開(kāi)關(guān)。 
4.5職員培訓
加強對變電運行職員的培訓，把握了解一些系統過(guò)電壓產(chǎn)生的條件及特征，在系統發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)采取正確的措施，避免系統異常發(fā)展成為事故。
綜上所述，對由于電磁式電壓互感器飽和特性造成的系統分頻諧振，假如我們能在諧振發(fā)生的瞬間，及時(shí)地發(fā)現并采取正確的措施，破壞諧振條件，就可避免諧振發(fā)展成事故。因此，加強對運行職員的培訓，把握了解一些系統過(guò)電壓產(chǎn)生的條件及特征，在系統發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)采取正確的措施，將是非常必要的。