220kV系统发生串联谐振过电压分析及对策

220kV系统发生串联谐振过电压分析及对策

李云江

（内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司内蒙古呼伦贝尔021025）

摘要：依据串联谐振过电压产生的条件，结合某220kV变电所发生的串联谐振过电压现象。分析确定其谐振过电压的性质,并提出解决串联谐振过电压的预防措施。

关键词：接地系统；串联谐振；过电压；分析；措施

电气系统中的诸多元件可以构成一系列不同自振频率的振荡回路，在一定条件下，可能出现持续时间按较长的谐振过电压现象，从而导致设备绝缘击穿、电压互感器高压侧熔丝熔断、避雷器爆炸以及电压互感器烧毁，如果不采取有效的预防措施，将会威胁系统内电气设备安全运行，甚至更为严重的电力系统事故。在铁磁谐振现象中，串联铁磁谐振发生的几率相对不高，且易与并联铁磁谐振现象混淆。因此结合运行工作现场，分析串联铁磁谐振产生的原因和对系统的影响，提出预防措施十分必要。

1电力系统发生铁磁谐振过电压原因

电气系统中有许多电感、电容元件，例如电力变压器、互感器、发电机、电抗器等的电感；线路导线的对地电容、补偿用的串联和关联电容器组、各种高压设备的等值电容。

电力系统发生的铁磁谐振分为并联铁磁谐振和串联铁磁谐振二大类。所谓并联铁磁谐振是指中性点不接地系统或小电流接地系统中，母线系统的对地电容3CE与母线电磁式电压互感器TV的非线性电感L相等或接近时，便发生并联铁磁谐振，也叫电流谐振。所谓串联铁磁谐振是指中性点接地系统中，母线电磁式电压互感器TV非线性电感L与断路器的断口均压电容组成谐振回路，当系统中电气参数发生扰动，使回路的容抗与感抗接近时，便发生串联谐振，产生谐振过电压，又称电压谐振。

一般电力系统中并联铁磁谐振发生较多，现场工人比较重视，对其产生原理比较清楚，具有有效的应对措施；而串联铁磁谐振发生的几率相对不高，弄不清其产生机理，易与并联铁磁谐振现象混淆。所以需要对大电流接地系统发生串联铁磁谐振现象、原因及预防措施进行分析。

图1串联谐振回路示意图

2串联铁磁谐振过电压事故案例

某发电厂220kV系统为双母线并联运行方式，2003年，进行220kV北母线停电操作，将220kV北母线所有线路、变压器等电气元件倒至220kV南母线运行，当拉开母联断路器对母线进行停电时，220kV北母线出现过电压：UAB=175kV，UBC＞280kV，UCA=250kV，同时北母线TV有电晕放电且声音较大，一分钟后，合上母联断路器，北母线电压显示230kV，异常现象消失。

3220kV北母线发生串联谐振原因分析

在大电流接地系统中，因电源变压器的中性点是直接接地的，当母联断路器QW断开后，并联在断路器触头的断口电容C与母线的电压互感器TV的非线性电感L构成串联谐振回路，如图1所示。当此串联谐振回路受到外界条件激发，回路中的非线性感抗或电源频率的变化达到等于容抗时，即XL=XC，就发生了铁磁谐振现象。

（1）系统正常运行时，电源相电压UP，在L-C串联电路的工作点在图2上曲线的a点，Ia很小，Ia在L、C上的电压降很小，U(•)P=U(•)L+U(•)C，电路呈感性，不会发生铁磁谐振。

（2）如果有外部激励条件下，如拉合断路器、频率变化等，将引起母线TV铁芯饱和，电感L变小，在串联电路中，工作点由a点变至b点并跳跃至c点，此时电路呈现电容性，即Ic。Ia，Ic将使L、C上的电压降远高于电源电压，其有效值一般可达UP正常值的1.6～3倍。

L-C串联回路在外界条件激发下，非线性电感L变化范围足够大时，串联谐振就可能发生。串联铁磁谐振是TV电感感抗与断路器断口电容容抗相互抵消的结果。实践证明，当断路器的断口电容C≤450pF时，基本不产生铁磁谐振。因为此时UC与UL曲线无交点。当断路器的断口电容C≥900pF时，就有可能发生铁磁谐振。串联铁磁谐振的性质可以是工频的也可以是分频的，系统的一相、两相或者三相都可能出现过电压现象。

图2串联铁磁谐振回路伏安特性图

4.采取的预防措施

4.1避免串联铁磁谐振发生应从设备、技术条件和操作方法上几方面考虑：

（1）选择特性优良的TV；

（2）采用合理的运行方式和操作方法；

（3）改变系统中的感抗和容抗比例，躲开谐振区。

4.2现场防止串联谐振动具体措施

（1）在设备上可以采用电容式电压互感器、在TV绕组开口三角并联消谐管或阻尼电阻等。

（2）对于电气参数在串联谐振范围的系统，倒闸操作时可以改变操作顺序：①母线停电时，可以先拉开母线TV的隔离开关QS，切断L-C回路，消除可能产生谐振的条件；②具备条件的可以在操作前，投入一条电缆线路、空载变压器或空载线路等以改变系统参数；③实际上也可以通过拉开空母线的母联断路器两侧隔离刀闸来切断L-C串联回路后，再断开母线断路器。送电时的操作顺序则相反。

（3）电源向母线升压操作时，应先合上断路器，使断口电容短接，再升电压；升压结束需要停电时，先将电压降至零，再拉开断路器。

（4）当母线差动等保护动作使母联断路器跳闸，一条母线停电时，也要及时拉开母联断路器或母线的电压互感器，以切断L-C回路。

（5）当母联断路器断开，一条母线热备用时，运行中应加强监视，发现异常，及时汇报并处理。对热备用母线，如果发现母线电压有指示时，应首先考虑是否发生了串联铁磁谐振，此时应尽快合上母联断路器（将C短接），或拉开母线电压互感器的隔离开关。

（6）在系统方式和操作过程中出现开关断口电容与空母线电磁式电压互感器造成的串联谐振，不管是合开关时，还是拉开关后出现的谐振过电压，最直接有效的办法就是迅速拉开或者合上主开关或母联开关。如果无法实现迅速汇报调度，合上备用线路开关。由于谐振时电压互感器一次绕组电流很大，应禁止停电压互感器或直接取下一次侧熔断器的方法来消除谐振。

（7）当变压器向接有电压互感器的空载母线合闸充电时，应将变压器中性点接地或经消弧线圈接地，防止出现位移电压，产生铁磁谐振过电压。

5结束语

经过理论分析，结合现场试验，本文总结的预防串联铁磁谐振技术措施，具有可行性、有效性，可借鉴性高。另外，为避免突发谐振过电压造成严重后果，建议在设计初和后期操作时进行必要的计算和安排，避免形成不利的谐振回路，亦或者采取一定的附加措施，如加装阻尼电阻等，以防止谐振产生，或降低谐振过电压的幅值和持续时间，进而确保电气设备安全可靠，机组能够安全稳定运行。

参考文献：

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