淺談220kV 變電站變電運行過電壓的防范措施

何耀輝

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭515000）

0 引言

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展，電壓等級不斷提高，220kV 變電站逐漸成為城市電力傳輸?shù)闹袠?，在堅強電網(wǎng)的建設(shè)中有著不可替代的地位。但變電站過電壓始終是高壓變電站無法回避的問題，變電站運行中出現(xiàn)的過電壓極有可能危及變電站設(shè)備，甚至是運行人員的人身安全。因此，減少過電壓的發(fā)生，減輕過電壓事故帶來的危害，對于高壓變電站運行來說尤為重要。

1 過電壓分類

過電壓是一種電磁擾動現(xiàn)象，根據(jù)過電壓產(chǎn)生的根源可分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。本文主要研究的是變電站運行過程中產(chǎn)生的過電壓，所以將內(nèi)部過電壓作為主要研究對象。內(nèi)部過電壓根源是電網(wǎng)本身，是由于能量在系統(tǒng)內(nèi)部不合理地轉(zhuǎn)化或傳遞引起的，根據(jù)原因不同，可以分為暫態(tài)過電壓和操作過電壓。

1.1 暫態(tài)過電壓分類和特點

暫態(tài)過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓。工頻過電壓是指在電力系統(tǒng)中因為運行方式改變或系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的大于最大運行相電壓，頻率與工頻相同或相近的電壓，其過電壓倍數(shù)一般不超過2倍。對于220kV 及以下電壓等級而言，變電站設(shè)計絕緣強度足以承受工頻過電壓，因此其對變電站運行影響較小。諧振過電壓則是因為系統(tǒng)中的儲能元件在滿足特定條件時發(fā)生諧振現(xiàn)象而出現(xiàn)的過電壓。諧振過電壓包括線性諧振、鐵磁諧振和參數(shù)諧振，通常諧振過電壓持續(xù)時間長，且幅值較大，因此容易導(dǎo)致PT 繞組過熱損壞，甚至是出現(xiàn)母線故障，會嚴(yán)重影響變電站的正常運行。

1.2 操作過電壓分類和特點

操作過電壓主要是由倒閘操作引起的在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的過渡階段出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象。眾所周知，變電站運行會有各類操作，因此操作過電壓出現(xiàn)幾率較大，且由于其不確定性和特定情況下的高過電壓倍數(shù)，對于變電站運行和人員安全都將產(chǎn)生不小的威脅。

2 過電壓的原因分析以及防范措施

2.1 諧振過電壓

變電站運行過程中出現(xiàn)的諧振過電壓主要是線性諧振和鐵磁諧振。

線性諧振是指系統(tǒng)中的線性或接近線性的電感元件與系統(tǒng)中的電容構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)，發(fā)生諧振現(xiàn)象。當(dāng)電力系統(tǒng)中的電源頻率與系統(tǒng)固有頻率相同或相近時，就有可能發(fā)生線性諧振，從而產(chǎn)生過電壓，在不對稱運行狀態(tài)下更容易出現(xiàn)。線性諧振的發(fā)生有一個緩慢的發(fā)展過程，其影響過電壓幅值的關(guān)鍵因素是損耗電阻。

與線性諧振不同，鐵磁諧振是指系統(tǒng)中的非線性電感元件與系統(tǒng)中的電容構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)諧振。鐵芯電感元件中電感非線性，當(dāng)電流達(dá)到某個值后，鐵芯因為趨于飽和而出現(xiàn)電感值趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，此時如果發(fā)生電源電壓短時間內(nèi)升高或系統(tǒng)受到電流沖擊等情況時，就有可能滿足鐵磁諧振的激發(fā)條件，使系統(tǒng)進(jìn)入諧振狀態(tài)。鐵磁諧振具有自保持的特點，因此其產(chǎn)生的過電壓持續(xù)時間較長，容易破壞設(shè)備絕緣，引起設(shè)備發(fā)熱甚至爆炸，產(chǎn)生分頻、高次諧波分量，對系統(tǒng)造成諧波污染等，因此鐵磁諧振對變電站安全運行影響極大，也是變電站過電壓防范工作的重點。與線性諧振相比，鐵磁諧振是激發(fā)后突然發(fā)生的，還伴隨有反傾現(xiàn)象（在三相系統(tǒng)中，可能使工頻三相相序改變），其限制過電壓的主要因素是電感本身的飽和程度。

通過上述關(guān)于諧振過電壓原因的分析，可以根據(jù)其諧振特點來做好防范措施：（1）斷路器設(shè)備選擇和維護(hù)。在不對稱運行中，諧振過電壓更容易發(fā)生，因此應(yīng)選用同期性較好、滅弧能力較強的斷路器，同時在維護(hù)檢修過程中要特別注意其三相同期性。此外，選擇斷路器斷口均壓電容值較小的設(shè)備，也能降低諧振發(fā)生的概率。（2）選用合適的電壓互感器。在選擇PT時，選擇鐵芯勵磁特性較好的設(shè)備，可以減少鐵芯飽和現(xiàn)象的發(fā)生。或者選用電容式電壓互感器，該種互感器不存在飽和問題，所以能從根本上防止鐵磁諧振的發(fā)生。（3）改變接地方式。選擇在電壓互感器一次繞組的中性點對地接入電阻，或者在特殊情況下，可將系統(tǒng)中性點經(jīng)電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地等。（4）改變諧振參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時，如果電容或電感值發(fā)生單一變化，系統(tǒng)電路就不再符合諧振條件，因此改變電路參數(shù)也是一項有效措施。以串接消諧電阻為例，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，消諧電阻的阻值較大，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時，消諧電阻會減小，從而起到破壞諧振參數(shù)的作用。而運行人員如果能在發(fā)生諧振過電壓后迅速做出判斷，選擇合適的線路，立即執(zhí)行拉合線路操作，改變諧振參數(shù)，破壞諧振，無疑將大大減小過電壓危害。（5）正確的操作順序和運行方式。變電站在投運后，其對應(yīng)參數(shù)基本固定，此時頻繁的開關(guān)操作就有可能使系統(tǒng)滿足諧振過電壓的激發(fā)條件。因此，正確的操作順序和安全的運行方式十分重要。首先是正確的操作順序，以母線停電為例，應(yīng)先拉開母線PT 的隔離開關(guān)，再拉開母聯(lián)斷路器；而送電時操作順序相反。其次是熟悉運行方式，在操作過程中必須防止斷路器斷口電容與電壓互感器之間發(fā)生諧振。

2.2 操作過電壓

變電站運行過程中，容易引起過電壓的操作主要有分合空載線路和切除空載變壓器這兩種，因此本文主要討論在這兩種情況下的過電壓防范措施。

分空載線路產(chǎn)生的過電壓主要是由斷路器重燃導(dǎo)致的，通過振蕩將能量傳遞到線路或者電容器上，不斷積累產(chǎn)生過電壓；合空載線路的過電壓則是因為電容、電感在系統(tǒng)振蕩過程中產(chǎn)生的自由電壓疊加到穩(wěn)態(tài)電壓上而出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象。針對上述過電壓，主要防范措施如下：（1）采用不重燃斷路器，或帶有并聯(lián)分閘電阻的斷路器，其機理都是降低恢復(fù)電壓，避免重燃，在切除空載線路時，這一措施可以有效降低產(chǎn)生過電壓的可能性。（2）加裝并聯(lián)電抗器和靜止補償裝置，削弱電容效應(yīng)，限制穩(wěn)態(tài)電壓，從而起到降低總電壓的作用。（3）將ZnO避雷器安裝在線路的首段和末端，可以限制分合閘時的過電壓幅值，確保其在設(shè)備可承受范圍內(nèi)。切除空載變壓器會產(chǎn)生過電壓，則是因為流過電感的電流被斷路器強行切斷時不是過零點，導(dǎo)致電感中殘余的磁場能量被轉(zhuǎn)化為電場能量，使得電壓升高，即所謂的“截流”現(xiàn)象。針對“截流”而出現(xiàn)的過電壓，主要防范措施如下：（1）改善變壓器鐵芯。通過選擇高導(dǎo)磁材質(zhì)的鐵芯，可以減小磁化電流，限制空載電流大??；同時在變壓器大修中，也要做好對鐵芯的檢修工作。（2）選擇合適的斷路器。斷路器滅弧能力越強，其截流產(chǎn)生的過電壓最大值越大，因此選擇合適的斷路器十分必要。（3）變壓器繞組采用糾結(jié)式繞組。采用糾結(jié)式繞組，可以增加變壓器繞組的縱向電容，進(jìn)一步增大實際相鄰的匝間電位差，以達(dá)到電壓在各線匝之間均勻分布的目的。（4）采用帶并聯(lián)電阻的開關(guān)。從原因分析可知，切除空載變壓器會產(chǎn)生過電壓與電感中的能量被強行轉(zhuǎn)化為電場能量，通過并聯(lián)電阻，相當(dāng)于形成了能量釋放回路，可以將能量釋放后再完成分閘操作，這樣就減少了殘余能量，即減少了電場能量的產(chǎn)生，過電壓幅值也就被限制了。

3 結(jié)語

引起220kV 變電站過電壓的原因很多，需要采取的措施也不盡相同。因此，變電站在設(shè)計之初就應(yīng)當(dāng)做好過電壓的防范工作，各項參數(shù)配合合理；運行過程中，針對不同情況有相應(yīng)的防范措施，同時加強運行人員專業(yè)培訓(xùn)，使其能夠迅速處理過電壓事故，控制過電壓帶來的不利影響。

［1］張紹林.變電站過電壓分析及防護(hù)措施［D］.華北電力大學(xué)，2013.

［2］劉靜.220kV 變電站運行操作中的過電壓分析與防范措施［J］.中國電業(yè)：技術(shù)版，2012（4）：23－25.

［3］李莉.變電站過電壓分析與防控［J］.機電信息，2011（36）：26－27.

［4］朱國軍.電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓分析［J］.科技與企業(yè)，2011（11）：54.