農(nóng)村電網(wǎng)諧振過電壓及抑制措施研究

閆成博，許明清，張 冉，高皓男

濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600

0 引言

農(nóng)村變電站在升壓改造過程中，運行方式發(fā)生了部分變化，部分變電站母線接線方式發(fā)生了變化，系統(tǒng)對地電容也發(fā)生了變化，這些參數(shù)的改變使得系統(tǒng)即使發(fā)生了很小的擾動也有可能造成諧振過電壓事故。例如，由于電動修井機(jī)等大量電動農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)備接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的負(fù)荷性質(zhì)產(chǎn)生了影響，也會造成系統(tǒng)參數(shù)的改變，并有可能達(dá)到電網(wǎng)諧振的條件，從而產(chǎn)生諧振過電壓。

1 農(nóng)村電網(wǎng)采取抑制諧振過電壓措施的適用性分析

早期升壓改造變電站PT柜的空間偏小、無通風(fēng)網(wǎng)、PT容量小，導(dǎo)致發(fā)生一些變電站電壓互感器燒毀的事故。經(jīng)過與恒源電器的協(xié)商，現(xiàn)在已經(jīng)確定了新型的PT柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計定型，主要改進(jìn)部分是對鎧裝式PT柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，加裝了接地電容，采用了高勵磁阻抗及大容量的電壓互感器，既滿足了避雷器泄流要求，又減少了事故發(fā)生的概率。同時，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以避免熔斷器等元件因過熱造成弧光短路，有效防止事故擴(kuò)大化，縮小了停電范圍，保護(hù)了變電站供電的可靠性。另外，優(yōu)化后的PT柜檢修方便，避免了安全隱患[1-2]。

在日常的生產(chǎn)中，變電站采取了多種方式避免工作人員誤入電壓互感器室，一是在避雷器與電壓互感器間加裝隔板，防止工作人員觸碰PT時接觸到避雷器；二是在后門上加裝“主母線不停電時，禁止進(jìn)入電壓互感器室”的警告標(biāo)識，以提醒工作人員；三是在后門上掛上明鎖。但這些方式都不能從根本上解決安全隱患。為了解決上述問題，同時保證電壓互感器、避雷器的保護(hù)有效性，經(jīng)過研究對某10（6）kV PT柜進(jìn)行了改進(jìn)。

PT柜寬為1 000 mm，采用隔離手車，其他元件固定安裝，柜體前后門均達(dá)到五防要求。前門采用接地開關(guān)連鎖機(jī)構(gòu)，后門安裝掛鎖及電磁鎖。電纜室內(nèi)增設(shè)強(qiáng)制降溫風(fēng)機(jī)，安裝于后門上，避雷器、高壓熔斷器及電壓互感器固定安裝于電纜室內(nèi)。采用4PT方案，即A、B、C三相電壓互感器為全絕緣，零序電壓互感器為半絕緣，消諧方式為二次消諧，互感器鐵芯之間安裝距離在50 mm以上。增加0.1 uF接地電容并聯(lián)于電壓互感器側(cè)，電容接線方式為星接，固定安裝在開關(guān)柜底部前室。高壓熔斷器之間裝設(shè)絕緣隔板，不需套熱縮管。避雷器按照系統(tǒng)額定電壓選用，固定安裝于高壓熔斷器上側(cè)。在主母線室下方安裝絕緣隔板，把主母線室及電纜室隔離開，以方便檢修。此方案在新建農(nóng)村變電所已投產(chǎn)運行，取得了良好的成效，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）抑制了諧振過電壓事故的發(fā)生，保證了設(shè)備的安全，消除了經(jīng)常引起運行中PT燒毀及一次高壓熔絲頻繁燒斷、一相或兩相限流電阻爆炸等事故發(fā)生的隱患，防止了因諧振過電壓導(dǎo)致的電壓互感器燒損，高壓熔絲熔斷及匝間短路或爆炸、避雷器爆炸、母線短路等事故的發(fā)生。

（2）提高了供電系統(tǒng)的可靠性，有效保障了農(nóng)村電網(wǎng)運行的可靠性，縮小了停電范圍和減短了停電時間，對提高供電的可靠性，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

（3）檢修工作方便安全，增大了柜體空間，方便了工作人員檢修維護(hù)，完善了電力安全措施，確保了人身安全。

2 電壓互感器開口三角加裝二次消諧器

采用二次消諧器的方法實際上是在PT開口三角加裝消諧電阻，其作用類似于在一次側(cè)中性點加消諧電阻。諧振系數(shù)K取1.5時，電網(wǎng)不具備諧振條件，但由于其釋放電能的通道是經(jīng)過PT繞組，PT繞組對電流是有限制的。理論研究表明，該方法不能很好地解決抑制諧振過電壓的問題，但是在實際運用中可以對諧振過電壓起到一定的抑制作用。

經(jīng)事故統(tǒng)計可知，消諧器損壞的變電站主要有勝三變、西32變、東璜一號變、草南變等，消諧器應(yīng)用較為穩(wěn)定的為WNXIII系列，該系列消諧器經(jīng)過多年的運行實踐證明，可以完成其他型號消諧器的功能，并且運行可靠。中區(qū)供電公司華建變發(fā)生了PT燒毀事故，該站以往采用的是加裝零序電壓互感器和二次消諧器的方式，在很長的一段時間內(nèi)沒有發(fā)生PT事故，但在2020年5月由于改變了一次運行方式而發(fā)生了一起嚴(yán)重的PT燒損故障。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，加裝零序電壓互感器的方法與加裝二次消諧器的方法發(fā)生沖突，這兩種方法同時使用，二次消諧器再次發(fā)生PT燒毀事故。

3 中性點零序PT及一次消諧器的選型

目前市場上很多電壓互感器的質(zhì)量性能并不能很好地滿足農(nóng)村電網(wǎng)的需要。根據(jù)實際工作的需要，項目組聯(lián)系了不同的電壓互感器廠家了解目前電壓互感器的生產(chǎn)及使用狀況，并對零序電壓互感器進(jìn)行了初步的試驗檢測。通過試驗檢測，為進(jìn)一步完善中性點所適用的電壓互感器積累了可靠而有效的數(shù)據(jù)。

使用電壓互感器的一個基本原則是保證所使用PT的勵磁特性的一致性。對于一組單相PT的勵磁特性，在額定一次電壓下，勵磁電流如果相互間相差30%以上會出現(xiàn)三相電壓不平衡，則會導(dǎo)致鐵磁諧振發(fā)生的概率增加。為此，在推廣項目的過程中，對于三臺一組的PT，嚴(yán)格要求其廠家、型號和出廠批次，從客觀上增強(qiáng)PT本身性能，避免諧振發(fā)生。目前經(jīng)常使用的新式的電壓互感器采用環(huán)氧樹脂澆注全封閉內(nèi)式結(jié)構(gòu)，適用于額定頻率為50 Hz、額定電壓為6 kV、10 kV的電力系統(tǒng)中，供電壓、電能計量、測量及繼電保護(hù)使用[3]。

6～35 kV中性點不接地電網(wǎng)中的電磁式電壓互感器，當(dāng)母線空載或出線較少時，因合閘充電或在運行時接地故障消除等原因，電壓互感器會過飽和，可能產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，出現(xiàn)相對的電壓不穩(wěn)定、接地指示誤動作、PT高壓保險絲熔斷等異常現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致PT燒毀，繼而引發(fā)其它事故。在電網(wǎng)接地消失時，會在PT一次繞組中出現(xiàn)數(shù)安培的涌流，將PT的0.5 A熔絲熔斷，一次消諧器可以有效地限制PT一次繞組的涌流。

4 自動調(diào)諧及接地選線消弧線圈成套裝置在農(nóng)村變電站中的應(yīng)用

高頻諧波電流源下，存在發(fā)生諧振的可能性，但可以看出，激發(fā)諧振的條件變得很高，即穩(wěn)定裕度很好，實際中不可能出現(xiàn)那么大的擾動量。擾動量為額定值的3倍以上，實際諧波電流源的電流值不會超過工頻值。因此，采用接地變壓器加裝消弧線圈的方法，是可以抑制諧振過電壓的發(fā)生。

實際運行經(jīng)驗也表明，消弧線圈對抑制間隙性弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓、降低線路的事故跳閘率、減少人身傷亡及設(shè)備的損壞都有明顯的作用。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）中也明確規(guī)定：3～10 kV架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有35 kV、66 kV電網(wǎng)，當(dāng)單相接地故障電流大于10 A時，中性點應(yīng)裝設(shè)消弧線圈；3～10 kV電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電流大于30 A時，中性點應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。

根據(jù)消弧線圈的運行及補(bǔ)償方式，目前主要有預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩種方式。消弧補(bǔ)償與零序電流選線不能同時兼容。消弧線圈投入補(bǔ)償后，使得接地電流顯著降低，以零序電流作為接地故障選線判據(jù)的手段因判據(jù)不足而失效。因而很多應(yīng)用場合就在發(fā)生單相接地的初期令消弧線圈退出補(bǔ)償，等待完成接地故障選線后再投入運行，而此時恰恰是產(chǎn)生弧光過電壓的危險期。

在總結(jié)消弧線圈控制裝置多年運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，目前農(nóng)村變電站中采用WXHK系列消弧線圈自動調(diào)諧及接地選線控制器，該裝置已經(jīng)在基東變、基地變、海洋變、城中變、興河變等農(nóng)村變電站中應(yīng)用。在電網(wǎng)正常運行時，通過實時測量流過消弧線圈電流的幅值，計算出電網(wǎng)當(dāng)前方式下的對地電容電流，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的最小殘流值，由控制器調(diào)節(jié)有載調(diào)壓分接頭到所需要的補(bǔ)償檔位。當(dāng)發(fā)生接地故障后，補(bǔ)償接地時的電容電流，使故障點的殘流可以限制在設(shè)定的范圍之內(nèi)，有效保護(hù)電網(wǎng)，減少跳閘等事故的發(fā)生[4-5]。

5 結(jié)束語

項目組根據(jù)研究成果對農(nóng)村變電站進(jìn)行了改造。通過組織實施，目前已經(jīng)在坨四變、坨七變、河50變、哨頭變、東辛變、辛四變、物探變等變電站中進(jìn)行了改造，在海洋變和興河變加裝了消弧線圈。改造后，農(nóng)村變電站抑制諧振過電壓效果明顯，降低了諧振過電壓造成的事故率。2020年發(fā)生諧振過電壓事故2次，燒毀電壓互感器5只，燒毀電壓互感器保險38次；互感器高壓保險事故率降低71.85%，電壓互感器事故率降低80.77%，因諧振過電壓問題導(dǎo)致的母線事故率降低81.8%。