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重载连接器

浅析电网过电压限制方法

发布日期:2022-04-17 点击率:71

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通过对江口电站谐振过电压事故浅析电网过电压限制方法

【作  者】:李茫、江伟
【摘  要】:主要介绍电网发生谐振过电压的特点以及抑制措施

【关键词】:江口电站、谐振过电压、电网过电压、自动调谐接地补偿装置

    江口电站10KV系统运行时间达到40天后,在投运一台照明变压器3分钟后,计算机监控系统突然告警“10KV系统母线1、2、3段接地”,并告警复归发出故障音响。随即,“10KV系统母线2段接地”故障信号每1秒钟持续告警、复归,3分钟后1、3段母线相继出现接地告警信号,共历时长达2小时,严重影响了系统正常运行,后经过运行人员检查后发现,2、3段电压互感器B相熔断器熔断,绝缘环氧树脂受热喷出,同时3条母线的其余电压互感器均有不同程度绝缘破损开裂现象。检查母线及新投运变压器,均无接地故障。二次接线也检查无故障。重新组合一组互感器投入运行,没有故障产生,三相电压平衡。由此判断此次事故应该是由于谐振过电压产生。

    一、电网过电压产生的条件、特点和危害

    电力供电系统或者说在电力供电电网上,过电压现象十分普遍。如果没有防范措施,随时都可能发生,也随时都可以发现。引起电网过电压的原因很多。主要可分为内部过电压和雷电过电压,内部过电压包括谐振过电压和操作过电压,其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁,其危害性较大。

    谐振过电压引起的事故是很频繁的,它在各级电网中都可能发生

    系统中许多元件是属于电感性的或电容性的,例如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件,补偿用的并联或串联电容器组,高压设备的寄生电容为电容元件。而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容。这些元件组成复杂的L-C振荡回路,在一定的能源作用下,特定参数配合的回胳中会出现谐振现象,引起电压的异常升高。

    谐振常属于稳态现象,因此其持续时间比操作过电压长得多,可以稳定地存在,直至进行新的操作破坏原回路的谐振条件为止。

    正是由于谐振过电压的持续时间长,所以其危害也大、在电力系统中,谐振过电压不仅危及电气设备的绝缘,还可能产生持续的过电流而烧断熔丝或设备,同时还会影响到过电压保护装置的工作条件,普通避雷器常因在谐振过电压下动作而又不能灭弧的情况下会遭到毁坏。

    二、谐振过电压的种类

    虽然在不同电压等级以及不同结构的电力系统中会产生情况各异的谐振过电压.但按其性质而言大致分为三种:

    1、线性谐振过电压

    线性谐振回路中的L和C都是常量,它们不随元件上的电流、电压而变化。主要指不带铁芯的电感元件(如输电线路的电感、变压器的漏感)或励磁特性接近线性的含铁芯电感元件(如消弧线园,其铁芯磁路中通常留有空气隙)和系统中的电容元件所引起的串联谐振回路。它在正弦交流电源的作用下,若电源频率和L-C自振频率相等或接近时,即会产生强烈的谐振现象,导致元件上产生很高的过电压。

    2、铁磁谐振过电压

    铁磁谐振往往和铁芯电感的饱和性相联系,由于铁心电感的磁通和电流之间的非线性关系,其电感值不再是常量,从而区别于线性谐振的许多特点,这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时,会产生铁磁谐振。电力系统中的铁磁谐振回路一般由空载变压器或电压互感器和系统的电容元件组合而成。

    3、参数谐振过电压

    参数谐振过电压是因为系统中的某些元件的参数在外力的作用下,发生周期性变化而诱发的。通常是由于电机旋转时电感大小的周期变化,如果该电机接有一定值的电容性负荷(如空载线路),当参数在一定的配合下,变化的电感周期使地把能量引入谐振系统,形成过电压。

    过电压一旦发生,往往造成电气设备的损坏和大面积的停电事故。电力生产运行的记载和事故分析表明,中低压电网中过电压事故大多数都是由谐振现象所引起的。由于谐振过电压作用时间较长,所引起谐振现象的原因又很多,因此在选择保护措施方面造成很大的困难。为了尽可能地防止谐振过电压的发生,在设计和操作电网设备时,应进行必要的估算和安排,以避免形成严重的串联谐振回路;或采取适当的防止谐振的措施。

    三、对江口电站谐振过电压的分析

    根据江口电站事故现象,可以分析是由于铁磁谐振过电压造成2段母线互感器损坏,从而诱发互感器内部产生间隙电弧接地造成事故扩大。大致分析如下。

    在中性点不接地系统中,常通过测量三相对地电压来监视绝缘。为此,发、变电站母线上接有Y0接线的电磁式电压互感器。于是,网络对地参数除了电力设备和导线(或母线)对地电容C0除外,又有了电压互感器的励磁电感L,见图a所示,网络的等值电路如图b示。

    正常运行时,ωL>1/ωC0网络对地阻抗呈容性且三相基本平衡,电网中性点对地电位偏移很小。但是,当系统进行某些操作(例如断路器合闸,接地故障消失),由于三相互感器在受到扰动后电感饱和程度不一样而形成三相对地阻抗不平衡,造成负载中性点与电源中性点之间的电位偏移。

    这种过电压表现为多种形式。若是基波谐振,可能出现两相对地电压很高,即形成“虚幻接地”现象,谐波谐振则导致三相电压同时抬高;在分频谐振时,出现相电压以低频(每秒一次左右)摆动,使电压互感器绕组中流过低频过电流,致使熔丝熔断或者电压互感器过热烧毁、甚至爆炸;在高频谐振时,可能引起电压互感器的绝缘破坏或避雷器爆炸。从江口事故现象来看,类似于基波和分频谐振。

    四、电网谐振过电压的限制方法

    在电力生产和电力运行的中低压电网中,故障的形式和操作方式是多种多样的,谐振性质也各不相同。因此,应该了解各种不同类型谐振的性质与特点,掌握其振荡的性质和特点,制订防振和消振的对策与措施。
目前,我国35kV及以下配电网,仍大部分采用中性点不接地方式运行,一部分采用老式的消弧(消谐)线圈接地。从电网的运行实践证明,中性点不接地系统中一方面由于电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压比较多,尽管采取了不少限制谐振过电压的措施,如:消谐灯、消谐器、TV高压中性点增设电阻或单只TV等,但始终没有从根本上得到解决,TV烧毁、熔丝熔断仍不断发生;另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后,允许维持一定的时间,一般为2h不致于引起用户断电,但随着中低压电网的扩大,出线回路数增多、线路增长,中低压电网对地电容电流亦大幅度增加,单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压,一般为3-5倍相电压甚至更高,致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿,并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。而采用老式消弧线圈接地方式的系统由于结构的限制,只能运行在过补偿状态,不能处在全补偿状态,所以脱谐度整定的比较大,约在20%~30%,对弧光过电压无抑制效果。并需要手动调节分接头,然而此时却不能随电网对地电容电流的变化及时将电压调整到最佳的工作位置,影响功能发挥,也不适应电网无人值班变电所的需要。

    因此,我们可以采用一种新型自动调谐原理的接地补偿装置,通过过补、全补和欠补的运行方式,来较好地解决此类问题。目前自动调谐接地补偿装置主要是由五大部分组成:接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻。接地变压器是作为人工中性点接入消弧线圈。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制,采用予调节方式,即在正常运行方式情况下,根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现。通过测量位移电压为主和中性点电流与电压之间的相位,能够准确的计算、判断、发出指令自动进行调整,显示有关参数:电容电流、电感电流、残流和位移电压等。还能追忆、报警、自动打印和信号远送,满足无人值班变电所的需要。

    自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或很小的脱谐度,主要是由于在消弧线圈的一次回路中串入了大功率的阻尼电阻,降低中性点谐振过电压的幅值使之达到相电压的5%~10%。因为如果当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时,即在谐振时中性点电压限制在允许值以下,这样就可实现全补偿方式,这是残流为最小的最佳工作方式。接地时残流很小,不会引起弧光过电压。所以,可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻,增大阻尼率的措施来达到。消弧线圈的脱谐率与电压及电网的阻尼率有关,当电网形成后其不对称电压基本是个固定值,消弧线圈为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生,要求脱谐率达到±5%以内,那么只有改变阻尼率,才能改变位移电压,因此应当在消弧线圈回路串入电阻,保证阻尼率,控制中性点位移电压。在低压电网中由于中性点不对称电压很小,为提高测量精度采用特制的中性点专用互感器,提高检测灵敏度;非线性电阻的采用对欠补偿下的断线过电压和传递过电压都有明显的抑制作用。在正常运行方式情况下,根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现。通过测量位移电压为主和中性点电流与电压之间的相位,能够准确的计算、判断、发出指令自动进行调整,满足无人值班变电所的需要。

    目前新型消弧线圈大部分采用有载调匝式调节方式,调节分接头数一般均大于9,加宽了调流范围,以便能够达到最小的脱谐度,配有有载开关并可以远方电动或自动操作,克服了老式线圈的一些缺点。
对由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压的限制,铁磁谐振过电压的限制目前虽然采取多种形式,取得了一些效果,但都不够理想。有的装了消谐器还是产生了谐振过电压,这是由于铁磁谐振过电压本身是一个非线性过程,现象比较复杂。我们知道分频谐振有1/2、1/3、1/6及1/8等,高频谐振有2、3次,还有基波谐振,有时几种谐振同时发生,消谐器不能有效的限制。而且在系统上有多台TV时,只在某一台TV的开口三角上装消谐器是很难奏效的,必须要使系统参数发生较大的变化才能将谐振过电压抑制住。

    如果在系统的中性点上接入消弧线圈破坏它的谐振条件,就能够比较有效地抑制谐振过电压的发生。其原理也很简单,TV的励磁感抗比较大(千欧至兆欧级),而消弧线圈的感抗(百欧级)比较小,这样谐振条件ωL=1/ωC很难满足,谐振就不会发生。另一方面无消弧线圈时单相接地发生间歇性电弧时电容上多次充放电造成TV烧毁、熔丝熔断;有了消弧线圈后,电容对小感抗放电,TV中电流就很小,不会烧毁了。所以在中性点接入消弧线圈,对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的限制作用,能够彻底解决此类问题。
参考文献::
1    [1]解广润《过电压及保护》北京:电力工业出版社,1980.
[2]陈维贤《电网过电压教程》北京:电力工业出版社,1996.

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