二灘水電站6千伏廠用電系統(tǒng)過電壓事件分析

向 欣 欣， 呂 杰 明， 劉 道 源

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘水電站6千伏廠用電系統(tǒng)過電壓事件分析

向 欣 欣， 呂 杰 明， 劉 道 源

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

經(jīng)過仿真及分析表明，二灘水電站6kV廠用電系統(tǒng)單相接地(包括間歇性接地)和感應(yīng)雷擊均可以導(dǎo)致PT鐵磁諧振。通過波形上看，PT鐵磁諧振會(huì)導(dǎo)致PT一次側(cè)電壓升高，而引起PT擊穿和熔斷器熔斷的主要原因?yàn)镻T諧振一次側(cè)過流。另外，單相接地故障和感應(yīng)雷擊引起的PT鐵磁諧振均為1/2分頻諧振，這與二灘電站廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(參數(shù))有關(guān)。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對固定，二灘電站6kV廠用電系統(tǒng)PT只會(huì)發(fā)生1/2分頻諧振，我們可以利用這一特性辨識6kV廠用電系統(tǒng)單相接地故障和鐵磁諧振故障。

二灘水電站；廠用電；鐵磁諧振；過電壓

1 概 述

在6kV不接地系統(tǒng)中,為了監(jiān)視系統(tǒng)中各相對地絕緣狀況及計(jì)量和保護(hù)的需要, 在母線上均裝設(shè)電磁式電壓互感器，并在該電壓互感器柜內(nèi)安裝有6kV氧化鋅避雷器。該系統(tǒng)絕緣是按線電壓水平設(shè)計(jì)的，即使某一相發(fā)生接地，線電壓的大小和相位仍然對稱。在發(fā)生單相接地時(shí)，允許短時(shí)運(yùn)行而不切斷故障設(shè)備，從而提高了供電可靠性。如果某一相直接可靠接地，故障相的電壓值為零，其它兩相對地電壓會(huì)升高為線電壓，是相電壓的倍。如果某一相發(fā)生間歇性電弧接地而沒有直接接地，故障相仍然還有一定的電壓，電弧多次不斷地熄滅和重燃，在系統(tǒng)對地的電容上不斷地進(jìn)行充電，電荷多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓。間歇性接地可能使相對地電壓升高到相電壓的2.5～3.0倍。這種過電壓對系統(tǒng)的安全威脅很大，可能使其他兩相的對地絕緣擊穿，造成兩相接地短路故障。根據(jù)當(dāng)前對這類事故的原因分析，可大致分為雷擊過電壓、諧振過電壓、操作過電壓三類，為抑制和消除各類廠用電過電壓帶來的危害,對二灘水電站廠用電過電壓產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)合廠用電運(yùn)行方式采取有效的防范措施，減少和避免廠用電事故。

2 過電壓產(chǎn)生的原因

電力系統(tǒng)過電壓是指超過電力系統(tǒng)最高工作電壓的電壓。電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備均在其額定電壓下工作，額定電壓是電器設(shè)備的長期工作電壓，在實(shí)際生活中往往由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部環(huán)境的種種因素會(huì)造成系統(tǒng)的電壓升高，造成設(shè)備損壞等一系列事故。

過電壓屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動(dòng)現(xiàn)象，電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)或電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過電壓的根本原因。電力系統(tǒng)過電壓主要分為兩種情況：一種是外部過電壓，主要由雷電引起，亦稱為雷擊過電壓；另一種是內(nèi)部過電壓，由操作、故障或其他原因引起電磁能量的振蕩、集聚和傳播。

2.1 外部過電壓

由雷擊造成的過電壓稱為外部過電壓，是由大氣中的雷云對地面放電而引起的，雷電放電所產(chǎn)生的雷電流高達(dá)數(shù)十、甚至數(shù)百千安，從而會(huì)引起巨大的電磁效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)。通常的雷擊點(diǎn)在地面場強(qiáng)最大的地方，也就是電荷最集中的地方。所以地面上導(dǎo)電良好的地方或者地形特別突出的地方最容易成為雷擊的目標(biāo)。雷擊過電壓持續(xù)時(shí)間一般只有數(shù)10ms左右，具有脈沖特性。

2.2 內(nèi)部過電壓

電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓實(shí)質(zhì)上是由電網(wǎng)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化或傳遞所產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓升高，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)內(nèi)部存在大量的電感和電容等非線性儲(chǔ)原件，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，非線性原件的狀態(tài)不能及時(shí)發(fā)生改變，導(dǎo)致磁場能和電場能不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換和振蕩，從而引發(fā)過電壓，現(xiàn)有的電氣設(shè)備通流能力和穩(wěn)定性有限，不能有效的防護(hù)過電壓。內(nèi)部過電壓主要分為諧振過電壓、工頻過電壓和操作過電壓。

2.2.1 諧振過電壓

諧振過電壓只在交流電路中存在，由于系統(tǒng)中接地的電磁式電壓互感器具有易飽和非線性特點(diǎn)，隨著電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)、運(yùn)行方式等的變化，系統(tǒng)中的電感和電容就可能會(huì)形成各種振蕩回路，從而引起諧振過電壓。

這種過電壓一般持續(xù)時(shí)間較長，如不采取有效的預(yù)防和消除措施，常常會(huì)長時(shí)間自保持，從而引起電壓互感器長時(shí)間過勵(lì)磁而燒毀，或引起電網(wǎng)中相對絕緣薄弱環(huán)節(jié)設(shè)備的燒毀，甚至誘發(fā)相間短路和其它更為嚴(yán)重的電力系統(tǒng)事故[1]。在諧振發(fā)生時(shí)將產(chǎn)生數(shù)倍于額定電壓的過電壓現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣損壞，甚至還會(huì)影響保護(hù)裝置的正常工作條件。 在一般情況下將系統(tǒng)中的電阻和電容原件視為線性原件，而電感原件則可以分為三類：一類是線性的，第二類是非線性的，第三類是電感值呈周期性變化的電感原件。根據(jù)電感的分類與之對應(yīng)的就是三種不同形式的諧振現(xiàn)象，分別是線性諧振過電壓、參數(shù)諧振過電壓和鐵磁諧振過電壓。

2.2.1.1 線性諧振過電壓

在這類系統(tǒng)中，電感、電容、電阻的值都可視為線性參數(shù)，不隨系統(tǒng)電流電壓的變化而變化。系統(tǒng)中電感和電容串聯(lián)組成振蕩回路，當(dāng)L-C回路的自振蕩頻率接近或等于系統(tǒng)電源頻率時(shí)，回路的感抗和容抗相等或相互接近而抵消，此時(shí)回路的電流只受電阻原件的影響，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振現(xiàn)象，線路上將會(huì)出現(xiàn)很高的過電壓。

圖1 串聯(lián)諧振回路

在諧振條件下，由公式可以看出，R是唯一的變量，當(dāng)回路中的阻值R越小，則振蕩電壓的幅值就越大。

2.2.1.2 參數(shù)諧振過電壓

系統(tǒng)中的某些電感原件會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，經(jīng)常是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)引起電感周期性變化產(chǎn)生的，例如當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶有長空載線路類的容性負(fù)載時(shí)即使激磁電流很小，也會(huì)使發(fā)電機(jī)的端電壓和電流急劇上升，最終產(chǎn)生很高的過電壓，此過程又稱為過勵(lì)磁。隨著周期性的變化，系統(tǒng)回路經(jīng)過電磁振蕩，不斷地把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能，因?qū)嶋H回路中存在一定的損耗，所以每次引入的能量應(yīng)當(dāng)足夠大，不僅可以補(bǔ)充回路中的能量損耗，并使回路中能量越積越多，電感電流和電容電壓越積越大，諧振發(fā)生后，回路中的電流和電壓幅值理論上能趨于無窮大。

2.2.1.3 鐵磁諧振過電壓

基本鐵磁諧振。諧振回路有帶鐵心的電感原件時(shí)，鐵心很容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，此時(shí)回路的電感參數(shù)隨著電流或磁通的變化而變化,變壓器的鐵心磁化曲線如圖2所示，當(dāng)鐵心的電流增加,鐵心開始飽和，磁通與電流的關(guān)系呈現(xiàn)非線性,當(dāng)磁通達(dá)到膝點(diǎn)(Knee Point)時(shí)，電流的增加只能增加鐵心中的少量磁通，即鐵心磁通達(dá)到了飽和，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

由于鐵磁諧振的頻率不同,所以可以是基波諧振(50 Hz工頻)、高次諧波諧振(諧振頻率等于工頻的整數(shù)倍如2次、3次、5次諧波)、也可以是分次諧波諧振(諧振頻率等于工頻的分?jǐn)?shù)倍如1/2、1/3、1/5、2/5次諧波)。發(fā)生諧振的頻率f0實(shí)際上是由振蕩回路的等值電感 (通常為對地電感)和等值電容 (通常為對地電容)來決定的,即：

圖2 變壓器鐵心磁化曲線

圖3 串聯(lián)鐵磁諧振電路的特性曲線

上面的公式也可以用電壓降總和的絕對值E=ΔU=|UL-UC|,ΔU與I的關(guān)系曲線在圖中亦有表示。

電動(dòng)勢E與ΔU的三個(gè)相交點(diǎn)就滿足上述平衡方程的點(diǎn)，但是三個(gè)點(diǎn)并不都是穩(wěn)定的點(diǎn)，例如在a點(diǎn)，系統(tǒng)電流增加，電壓降增加，即E<ΔU，使回路電流減小，回到穩(wěn)定狀態(tài)；系統(tǒng)電流減小，電壓降減小，即，使回路電流增加，回到穩(wěn)定狀態(tài)。用同樣的方法分析b、c兩點(diǎn)，其中b點(diǎn)是不穩(wěn)定的點(diǎn)。a點(diǎn)為電路的非諧振工作點(diǎn)，回路呈感性，回路電流及電感、電容上的電壓都不大，c點(diǎn)是諧振工作點(diǎn)，回路呈容性，不僅回路電流大，電感、電容上出現(xiàn)過電壓。從圖中可以看出，當(dāng)電動(dòng)勢E較小時(shí)，回路存在兩個(gè)穩(wěn)定的工作點(diǎn)a和c，若系統(tǒng)經(jīng)過沖擊擾動(dòng)如發(fā)生故障、斷路器跳閘等，這些擾動(dòng)可造成鐵心電感兩端的短時(shí)電壓升高、大電流的振蕩過程或電感中的涌流現(xiàn)象，回路將經(jīng)過強(qiáng)烈的擾動(dòng)建立起穩(wěn)定的諧振點(diǎn)c。這種需經(jīng)過過渡過程建立的諧振現(xiàn)象稱之為“激發(fā)”，而且一旦激發(fā)起來諧振狀態(tài)就可以保持很長時(shí)間不會(huì)衰減，系統(tǒng)由非諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài)的過程中系統(tǒng)電流由感性變?yōu)槿菪裕辔话l(fā)生180°的翻轉(zhuǎn)，這個(gè)現(xiàn)象稱為反傾。

雖然同為諧振，但是鐵磁諧振和線性諧振卻有很大的差異：首先是兩者產(chǎn)生諧振的參數(shù)條件不一樣，

對于一定的L0值，在很大的電容范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生諧振。

其次是線性諧振與電源電勢的大小及電路的瞬間變化無關(guān)，是隨著參數(shù)逐漸變化的，損耗電阻對限制過電壓起著決定性的作用。在鐵磁諧振回路中若施加電源E

在對地電容較小的配電網(wǎng)中，以工頻位移過電壓為主；而在對地電容較大的配電網(wǎng)中則以分頻諧振為主[2]。

3 案例

3.1 案例一: 2013年8月1日608MPTA相故障

事故概要：雷電波竄進(jìn)6kV廠用電系統(tǒng)造成6kV電壓互感器受損。

2013年8月1日，雷雨天氣下，室外雷電通過6kV架空線路進(jìn)入到6kV廠用電系統(tǒng)，進(jìn)而引發(fā)了6kV廠用電系統(tǒng)的分頻諧振。其事故波形圖如圖4。

圖4 2013年8月1日 故障時(shí)6 kV Ⅷ段電壓波形

事故現(xiàn)象：2013年8月1日下午4時(shí)34分雷電波經(jīng)架空線入侵6kVⅧ段(6kVⅧ段680DL為左岸架空線)，通過故障錄波數(shù)據(jù)顯示，A、B、C三相相電壓峰值分別達(dá)到12.795kV、11.512kV、11.577kV，A相電壓相比B、C相較高。由于基波50Hz分量以及50Hz分頻分量的存在，在圖1的波形圖上觀察到的電壓波形不再是均勻的周期正弦波，而是在50Hz正弦波的基礎(chǔ)上合成其他分頻分量的波形。另外，在電壓互感器開口三角的端口上感應(yīng)出周期分量來。觀察圖4，開口電壓的波形頻率為25Hz左右，正好為基頻的1/2左右。

事故分析：由于電壓互感器的電抗值XL=j×ω×L，而ω= 2×π×f，電路元件的電抗值與電路頻率有著直接的關(guān)系。在分頻電路中，由于頻率下降一半，電壓互感器的電抗值XL也隨之下降一半。本來在50Hz保持穩(wěn)定，不發(fā)生諧振的電路，由于電壓互感器的感抗值的改變，誘發(fā)了分頻鐵磁諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生。在諧振過程中，電壓互感器絕緣受到了破壞，進(jìn)而導(dǎo)致了設(shè)備損壞的事故發(fā)生。608PTA相絕緣燒損如圖5。

針對雷擊現(xiàn)象我們建立了仿真模型如圖6：假設(shè)A相為雷擊點(diǎn)得到相應(yīng)的仿真波形如圖7：

從圖7可以看出為遭受15kV感應(yīng)雷擊的A相一次側(cè)電壓波形，電壓振幅為4.1p.u。

從圖8可知感應(yīng)雷擊導(dǎo)致的諧振時(shí)流過電壓互感器一次側(cè)的電流約為3A，大于熔斷器允許長期運(yùn)行電流0.5A。

3.2 案例二2006年08月22日607PTB相受損

事故概要：6kV電動(dòng)機(jī)故障誘發(fā)了廠用電系統(tǒng)的故障，最終導(dǎo)致了607M上的電壓互感器發(fā)生分頻鐵磁諧振而受損。

事故現(xiàn)象：2006年8月22日#1滲漏排水泵61SB啟動(dòng)后，監(jiān)控系統(tǒng)上發(fā)“Uab電壓低限”報(bào)警，現(xiàn)場檢查6kVⅡ段上線 電 壓 為Uab、Ubc、Uca為6.2kV，相電壓Ua、Uc上升到6.2kV，Ub為0，6kVⅦ段上線電壓為Uab、Ubc、Uca為6.2kV，相電壓Ua、Ub上升到6.2kV，Uc為0。6kV607PT處有焦糊味且味道越來越重，現(xiàn)場退出6kVⅦ、Ⅷ備自投，將607PT拉至檢修位置后，選測6kVⅡ段母線電壓均正常，檢查發(fā)現(xiàn)607PTB相一次熔斷器熔斷且B相PT本體有約10公分裂紋。

圖5 608PT A相破損

圖6 仿真模型圖

事故分析：在08月22日事故發(fā)生后，8月23日61SB啟動(dòng)后，也發(fā)生同樣的現(xiàn)象。而在拉開602M和607M的連絡(luò)開關(guān)后，61SB的投運(yùn)都引起602M的電壓波動(dòng)。后來在602M只保留61SB和602PT進(jìn)行試驗(yàn)，通過波形發(fā)現(xiàn)C相存在放電現(xiàn)象，分解電機(jī)后發(fā)現(xiàn)鼠籠條彈出，導(dǎo)致鐵芯部分掃膛和定子繞組端部被刮擦，且一處線芯已露出，其他部位表面絕緣已被刮去大部分。此次事件中，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中裸露繞組線芯對彈出的鼠籠條放電，激發(fā)出基頻以外的分量，進(jìn)而誘發(fā)了廠用電系統(tǒng)的鐵磁諧振，使得607PTB相在鐵磁諧振中受損嚴(yán)重。

圖7 雷擊后PT鐵磁諧振A相一次側(cè)電壓波形(感應(yīng)雷擊電壓10 kV)

圖8 雷擊后PT諧振A相熔斷器電流

圖9 單相接地故障仿真型

由圖9、10、11可知系統(tǒng)單相接地或者間歇性接地后，鐵磁諧振會(huì)導(dǎo)致電壓互感器，振幅為3.5p.u。諧振時(shí)流過電壓互感器一次側(cè)的電流約為2.7A，大于熔斷器允許長期運(yùn)行電流0.5A，同時(shí)系統(tǒng)中性點(diǎn)電流也較大，而系統(tǒng)單相接地后的電流接近零。

4 結(jié) 語

二灘水電站發(fā)變組系統(tǒng)主要為單元接線形式，廠用電系統(tǒng)采用6kV、400V兩級電壓供電，由廠內(nèi)廠用電系統(tǒng)和廠外廠用電系統(tǒng)兩部分組成,廠用變壓器高壓側(cè)連接到發(fā)電機(jī)斷路器出口處。廠用變壓器將18kV電壓降至6kV電壓，為各機(jī)組自身輔助設(shè)備供電。廠用電母線采用單母線分段接線形式，且每段母線上配置有電壓互感器。在二灘水電站投運(yùn)的近10年中，屢次發(fā)生了廠用電系統(tǒng)過電壓現(xiàn)象，造成了設(shè)備損壞事件。引起廠用電系統(tǒng)過電壓現(xiàn)象的因素較多；如雷電天氣引起的雷擊過電壓、電氣系統(tǒng)參數(shù)匹配異常

圖10 PT 三相一次側(cè)電壓波形

圖11 PT鐵磁諧振A相熔斷器電流

引起的諧振過電壓等。為了提高廠用電系統(tǒng)的可靠性、減少過電壓現(xiàn)象對設(shè)備的損壞，所以有必要對廠用電系統(tǒng)過電壓的產(chǎn)生的機(jī)理、原因進(jìn)行分析研究。

仿真及分析表明，二灘水電站6kV廠用電系統(tǒng)單相接地(包括間歇性接地)和感應(yīng)雷擊均可以導(dǎo)致PT鐵磁諧振。通過波形上看，PT鐵磁諧振會(huì)導(dǎo)致PT一次側(cè)電壓升高，而引起PT擊穿和熔斷器熔斷的主要原因?yàn)镻T諧振一次側(cè)過流。另外，單相接地故障和感應(yīng)雷擊引起的PT鐵磁諧振均為1/2分頻諧振，這與二灘電站廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(參數(shù))有關(guān)。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對固定，二灘電站6kV廠用電系統(tǒng)PT只會(huì)發(fā)生1/2分頻諧振，我們可以利用這一特性辨識6kV廠用電系統(tǒng)單相接地故障和鐵磁諧振故障。

[1] 電網(wǎng)諧振過電壓防治的研究與探討，李志全，劉晨光，山東電力技術(shù) 2009第二期

[2] 10-35kV配網(wǎng)鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式及消除措施，劉新東，電工技術(shù)雜志，2000第六期

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-01-07

[TM622]；TM86；K

B

1001-2184(2017)01-0140-06

向欣欣(1991-)，男，重慶云陽人，畢業(yè)于河海大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，二灘水力發(fā)電廠從事運(yùn)行工作；

呂杰明(1986-)，男，四川南充人，畢業(yè)于四川大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，二灘水力發(fā)電廠從事運(yùn)行工作；

劉道源(1987-)，男，重慶墊江人，畢業(yè)于四川大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，二灘水力發(fā)電廠從事運(yùn)行工作.