10?kV不接地電網(wǎng)的過電壓消除方法

宋 強，楊 瑋，劉大剛

(1.國網(wǎng)河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454000；2.國網(wǎng)河南省電力公司管理培訓中心，河南 鄭州 450007)

10?kV不接地電網(wǎng)作為城鎮(zhèn)中壓配電網(wǎng)的主干，起著承上啟下的橋梁作用。電壓互感器采集的電壓供繼電保護和計量、測量、遙信使用，正確的二次電壓對準確計量起著關鍵作用。當電網(wǎng)有操作或接地故障時，電壓互感器一次線圈中出現(xiàn)涌流，涌流可能使鐵芯深度飽和；其電感值隨鐵芯的飽和而減小，而電壓互感器一次電流持續(xù)增大，持續(xù)的電流會導致電壓互感器一次保險燒壞，甚至會損壞電壓互感器。當電感降至ωL=1/ωC時，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振，導致電網(wǎng)3相對地電壓不穩(wěn)定：2相電壓升高，1相電壓降低。這和系統(tǒng)單相非金屬性接地故障的現(xiàn)象完全一致，使運行人員難以區(qū)分是故障還是過電壓，從而導致弱絕緣設備損壞，造成事故，嚴重影響設備的安全運行。

1 不接地電網(wǎng)的過電壓事故

(1)?2010-02-11，某變電站 10?kV 電壓互感器曾在系統(tǒng)接地時C相擊穿炸裂，當時該站未裝設消弧線圈等有效制止諧振過電壓的設備。燒毀產(chǎn)品為天津互感器廠生產(chǎn)，事故后更換為河南信陽電器有限公司生產(chǎn)的JDZX9-10型產(chǎn)品，但電壓互感器中性點沒有安裝消諧器，至今運行良好。

(2)?2011-08-02，某變電站 10?kV Ⅰ段干式電壓互感器在系統(tǒng)接地時B相爆炸，當時該站未裝設消弧線圈等有效制止諧振過電壓的設備。燒毀產(chǎn)品為天津互感器廠生產(chǎn)，事故后更換為蘇州三友互感器廠生產(chǎn)的JDZX11-10C型產(chǎn)品，并在PT中性點安裝了防止鐵磁諧振的消諧器，至今運行良好。

(3)?2012-02-17，某變電站 10?kV Ⅱ段電壓互感器3相燒毀。該電壓互感器為上海華一集團振州高壓互感器廠生產(chǎn)的REL-10型產(chǎn)品，投運僅50天即發(fā)生事故。當時消弧線圈控制部分不能正常工作，但該電壓互感器中性點安裝了消諧裝置，事故前有接地現(xiàn)象。根據(jù)故障錄波圖分析，系統(tǒng)先發(fā)生單相接地，在接地現(xiàn)象消失電壓互感器磁通突變飽和而出現(xiàn)過電壓，燒毀單相電壓互感器后發(fā)展為相間短路。

(4)?2013-04-19，某變電站 10?kV Ⅱ段電壓互感器故障。該電壓互感器為浙江泰成互感器有限公司生產(chǎn)的REL-10型產(chǎn)品，絕緣水平為12/42/75 kV。當時10?kV電網(wǎng)存在接地現(xiàn)象；從現(xiàn)場燒損的情況來看，應為接觸不良造成電壓互感器發(fā)熱，絕緣燒毀。該電壓互感器于2010年3月投運，投運僅1個月。

分析以上幾起10?kV電壓互感器燒損情況，存在以下共性：

(1)?都是中置柜中干式電壓互感器；

(2)?所在母線系統(tǒng)都沒有安裝消弧線圈或非正常運行；

(3)?都是非全絕緣電壓互感器；

(4)?在燒損前都有接地現(xiàn)象發(fā)生；

(5)?所有燒損的電壓互感器都是交接試驗合格且投運時間不長就發(fā)生事故，最長的運行近1年半，最短的僅1個月。不同之處是前期發(fā)生故障的電壓互感器中性點沒有安裝中性點消諧器，近期發(fā)生故障的電壓互感器中性點已經(jīng)安裝了中性點消諧器，但消諧器的消諧功能不佳。

2 不接地電網(wǎng)的過電壓理論分析

電壓互感器的工作原理和變壓器相同，但容量小，類似一臺小容量變壓器，且結構上要求有較高的安全系數(shù)；其二次側所接測量、計量儀表和繼電保護回路的電壓線圈阻抗很大，近于空載狀態(tài)下運行。電力網(wǎng)中的故障以單相接地為主，特別是對于某些35?kV及以下電壓的電力網(wǎng)，當其單相接地電流不大時，接地電弧均能自行熄滅，接地故障隨之消失。但是，在10?kV電網(wǎng)中接地電流大于30?A時，將產(chǎn)生穩(wěn)定電弧，此電弧電流大小與接地電流成正比，從而形成持續(xù)的電弧接地電流。當接地電流小于30?A大于5?A時，將產(chǎn)生一種周期性熄滅與復燃的間歇性電?。贿@是由電網(wǎng)中的電感和電容形成的振蕩回路所致。間歇性電弧的產(chǎn)生將導致電網(wǎng)電壓不對應地升高，引起過電壓；其幅值可達2.5-3.0倍的相電壓，足以危及電氣設備的絕緣。

中性點不接地電網(wǎng)的內(nèi)部過電壓主要包括以下3種。

(1)?電弧接地過電壓。此種過電壓分為瞬間、間歇和穩(wěn)定3種。穩(wěn)定電弧接地過電壓是接地電弧在短間隙中穩(wěn)定燃燒所引起的，和前兩者不同的是它的作用時間較長，可達數(shù)十分鐘甚至更長。根據(jù)實際測量結果，其幅值為3倍左右，最大值不超過3.5倍。

(2)?電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓。此種過電壓的產(chǎn)生源于高次諧波、工頻和低次諧波等3種原因。第1種在投入空母線時產(chǎn)生，幅值較高，可使母線和主變壓器的絕緣發(fā)生閃絡，以及電壓互感器燒毀等。后2種多在運行中出現(xiàn)，幅值一般為2.0-3.0倍，作用時間可達幾分鐘或數(shù)十分鐘；待高壓保險熔斷或電壓互感器燒毀后，電網(wǎng)電壓即恢復正常。

(3)?單相接地時或切斷空載線路接地消失時的過電壓。一方面由于10?kV母線發(fā)生單相接地瞬間，母線電壓急劇變化，使電壓互感器本身磁通變化比較快，造成電壓互感器鐵芯過飽和，勵磁電流急劇增加，從而引起工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓，造成高壓保險熔斷，甚至電壓互感器燒毀。另一方面當單相接地消失的瞬間，非接地相向接地相電壓互感器高壓線圈放電，導致電壓互感器鐵芯飽和，而引起工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓，造成高壓保險熔斷，甚至電壓互感器燒毀。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，此時若切斷空載線路，便可產(chǎn)生5.0倍的過電壓，同樣會造成電壓互感器燒毀。

3 消除過電壓的方法

3.1 10 kV系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地

在中性點經(jīng)消弧線圈接地運行的電網(wǎng)中，上述的內(nèi)部過電壓均可得到有力抑制，乃至完全消除。

(1)?電弧接地過電壓一般可限制到2.5-2.8倍，瞬間電弧接地過電壓可降到2.3倍，穩(wěn)定電弧接地過電壓則很難產(chǎn)生。

(2)?電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓，只要電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地運行，便可被根除。

(3)?斷線諧振過電壓，只要消弧線圈過補償運行，就可以將其限制到對絕緣無害的程度。而自動跟蹤補償安裝的消弧線圈，可偏離諧振點運行或具有串聯(lián)限壓電阻，能夠增強對此種過電壓的限制。

3.2 電壓互感器中性點加裝消諧器

安裝在10?kV?PT中性點的消諧器作用：一方面用于阻尼電壓互感器引起的鐵磁諧振；另一方面在單相接地故障消失時，限制電壓互感器一次繞組回路中的涌流，以防止涌流燒壞電壓互感器或電壓互感器高壓熔絲。

4 消除過電壓的分析

2013年某變電站消弧線圈大修更換期間，10?kV電壓互感器高壓保險頻繁熔斷，由于該電壓互感器為全絕緣，未出現(xiàn)電壓互感器燒損現(xiàn)象。消弧線圈更換后投運以來，很少再出現(xiàn)10?kV電壓互感器高壓保險熔斷的現(xiàn)象。

某變電站10?kV電壓互感器中性點安裝消諧器后，對電壓互感器鐵芯飽和引起的過電壓有一定的限制作用；但其他一些變電站的10?kV電壓互感器中性點同樣安裝了消諧器，效果卻不是十分理想。針對上述情況，可采取以下措施消除和抑制鐵磁諧振。

(1)?從源頭考慮，新設計變電站應注重消弧線圈的作用，以減少過電壓出現(xiàn)的幾率。當采用消弧線圈以后，單相接地時的電流分布將發(fā)生重大的變化，相當于在接地點又增加了一個電感分量的電流IL。由于IC∑和IL相位大約相差180°，因此從接地點流回的總電流將因消弧線圈的補償而減小。在設計未考慮消弧線圈的作用時，應加快未安裝消弧線圈的變電站安裝消弧線圈的工作，盡早將消弧線圈投入運行，以確保設備和電網(wǎng)安全運行。

(2)?一次消諧。在電壓互感器一次側的中性點與地之間串接非線性消諧器，一方面作用于電壓互感器引起的鐵磁諧振；另一方面在單相接地故障消失時，限制電壓互感器一次繞組回路中的勵磁涌流，以有效保護電壓互感器高壓熔斷器。電壓互感器中性點串入的電阻消諧器等價于每相接地時的接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地故障時，由于中性點對地帶有一定電位，故能相應減少非故障相電壓互感器繞組的電壓，使電壓互感器飽和程度降低，杜絕各種諧波引起的諧振現(xiàn)象。新近發(fā)生燒損的電壓互感器中性點都安裝有消諧器，可是消諧功能在實際應用中卻不是很好，所以一方面盡量采用全絕緣的電壓互感器；另一方面可將電壓互感器的中性點不經(jīng)過消諧器接地，而通過單只電壓互感器接地，即采用4PT消諧法。

(3)?二次消諧。在電壓互感器開口三角形繞組開口端加裝非線性阻尼電阻R(R<1?Ω)，可有效抑制各種諧波引起的諧振現(xiàn)象。系統(tǒng)發(fā)生諧振時，XC=XL,增加阻尼電阻，可保證中性點的位移電壓U小于15?%相電壓，維持系統(tǒng)的正常運行。通?？刹捎萌缦?種方法來增加阻尼電阻。

一是在電壓互感器開口三角形繞組開口端加裝燈泡，可起到零序阻尼的作用，方法簡單，易于實施。但安裝后運行效果卻不理想，高壓保險熔斷還是較多，對非金屬性接地所激發(fā)的諧振無法抑制；同時在系統(tǒng)單相持續(xù)性接地時，由于此燈泡吸收大量的容量，要求開口三角形繞組具有足夠大的容量。

二是在電壓互感器開口三角形繞組開口端加裝可控硅多功能消諧裝置。經(jīng)微電腦控制，當電壓互感器發(fā)生各種諧振時，能瞬時多次短接電壓互感器開口三角形繞組進行消諧。經(jīng)運行證明，可控硅多功能消諧裝置具有良好的消諧效果；但其最大的缺點是不能限制電壓互感器一次涌流，電壓互感器高壓熔斷器熔斷還是得不到有效控制。

(4)?加強電壓互感器的全過程管理。在設備訂貨時，10?kV電壓互感器選擇電容式電壓互感器，并選擇比較可靠的、運行經(jīng)驗比較好的廠家，以減少電壓互感器異常及事故的幾率。設備投運后，嚴格監(jiān)視電壓波動，嚴格執(zhí)行電壓互感器管理，加強巡視，確?，F(xiàn)場消弧線圈正常運行，避免電壓互感器事故的發(fā)生。

電力系統(tǒng)是不斷發(fā)展擴大的，電網(wǎng)的對地電容亦將隨之增大，使原有的消弧線圈過補償可能變?yōu)榍费a償運行，因此系統(tǒng)需要實時跟蹤消弧線圈補償容量，必要時予以增加。消除中性點不接地系統(tǒng)的過電壓，要綜合考慮，根據(jù)實際情況，結合系統(tǒng)的運行方式，采取針對性的措施。

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