220KV變電站運行過電壓分析及抑制對策

宋義林

(廣東電網(wǎng)公司物流服務(wù)中心，廣東 廣州 510600)

隨著我國電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，220kV變電站已成為城市供電的樞紐。在220kV變電站運行操作過程中，避免不了發(fā)生操作過電壓或者諧振過電壓等情況，極可能危及設(shè)備的正常運行，甚至可能威脅到操作人員的人身安全。

1 變電站的過電壓

所謂過電壓是指在電力系統(tǒng)中，出現(xiàn)電壓升高或者電位差升高的現(xiàn)象，從而對絕緣產(chǎn)生危害，通常將操作、故障過渡時所出現(xiàn)的持續(xù)時間較短的過電壓定義為操作過電壓。操作或者是故障所形成回路自振和非線性設(shè)備的飽和、參數(shù)周期性變化等引起的非線性諧振所產(chǎn)生的過電壓，這種過電壓現(xiàn)象即為諧振過電壓。諧振過電壓屬于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，通常會持續(xù)較長的時間，甚至?xí)掷m(xù)到出現(xiàn)新的操作將諧振條件破壞才會停止。很多情況都會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，比如故障的發(fā)生與排除、線路的分合閘、負(fù)載突變等。

1.1 低壓系統(tǒng)中過電壓的產(chǎn)生

一般220kV變電站的接線方式是三相四線制或者三相五線制，中性點接地和變壓器中性點同時接地，并連接接地軌道以及總等電位銅排。TN低壓電網(wǎng)有一點是直接接地的，電氣設(shè)備外露的部分通過TNC、TNS以及TNCS等三種方式，通過保護(hù)線連接接地線。

根據(jù)不同的用途，變電站的接地形式通常分為保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地以及工作接地；接地是否與規(guī)范要求相符會對設(shè)備安全、人身安全產(chǎn)生直接的影響。

根據(jù)工程的指標(biāo)要求，電力系統(tǒng)接地網(wǎng)的接地電阻不大于4歐。變電站開始運行到后續(xù)的擴建改造，整個過程會使接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)很大的變化。通常一個變電站要保留完整的地網(wǎng)實際聯(lián)絡(luò)圖和每年的試驗參數(shù)不是很現(xiàn)實。接地網(wǎng)屬于隱性工程，從工程設(shè)計開始，到安裝、選材以及最終的驗收，都需要較強的責(zé)任心。如果地網(wǎng)埋入地下后，存在選材不合理、焊接不牢靠、無法滿足熱穩(wěn)定要求等隱患，即使在投運幾年后也很難準(zhǔn)確的檢測出來。

1.2 低壓系統(tǒng)中接地防護(hù)問題產(chǎn)生的原因

首先，變電站工程的建設(shè)通常是包工包料，再加之缺乏有效的監(jiān)督機制，變電站的接地網(wǎng)往往存在焊接工藝的隱患，比如沙石土壤或者地質(zhì)干燥的區(qū)域，往往無法保證接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；或者焊接焊點熱穩(wěn)定截面承受接地故障電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)參數(shù)無法得到有效保證等。

其次，變電站在擴建時存在新舊地網(wǎng)連接的現(xiàn)象，但是舊地網(wǎng)未能重新打磨焊接，并且未對新舊聯(lián)絡(luò)點做出記錄。

再次，在變電站的工作現(xiàn)場，集成芯片、模塊由于靜電而損壞等問題。此外，應(yīng)用微機保護(hù)也要求系統(tǒng)的抗電磁干擾、抗靜電干擾等性能更高。而對于電纜屏蔽系統(tǒng)僅僅依靠一層金屬屏蔽層是不夠的，仍然需要良好的接地系統(tǒng)。

2 空載變壓器操作過電壓及其抑制對策

2.1 原理分析

所謂的變壓器空載運行是指變壓器的一次繞組與電源相連，而二次繞組開路的工作狀態(tài)。一旦變壓器處于空載運行的狀態(tài)，一次繞組與交流電壓連接后，會在繞組中產(chǎn)生電流，這種電流即為空載電流，也叫花子勵磁電流。一旦空載變壓器被切除以后，因為空載電流相對較小，而斷路器切斷小電流的過程中開關(guān)中會出現(xiàn)很強的游離作用，這種情況下如果電流不為零，則容易出現(xiàn)強制熄弧的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即為截流，截流就會在變壓器上產(chǎn)生過電壓。

2.2 防范措施

在操作空載變壓器過程中，會產(chǎn)生一種無法避免的物理現(xiàn)象，即截流，由于斷路器的截流而產(chǎn)生操作過電壓的問題，可采取如下措施進(jìn)行防范：

(1)改善鐵芯

改善鐵芯對空載電流有一定的降低作用。因為磁化電流、鐵損電流共同組成空載電流，而磁化電流會產(chǎn)生磁通，鐵芯損耗引起鐵損電流，所以變壓器的鐵芯就是降低空載電流的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步改進(jìn)鐵芯結(jié)構(gòu)，提高鐵芯的質(zhì)量是兩種基本措施，可利用冷軋晶粒代替硅鋼片，因為冷軋晶粒的導(dǎo)磁系統(tǒng)比較高。在大修變壓器時，要嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢修鐵芯。

(2)繞組采取糾結(jié)式

220 kV變壓器是芯式變壓器，如果其繞組方式為糾結(jié)式繞組，則變壓器的寄生電容就會有所增大。糾結(jié)式繞組是把繞組中另一線匝直接插入到電氣上相鄰的線匝之間，使得繞組的縱向電容有所增加，而實際相鄰的匝間電位差也會進(jìn)一步增大，從而在出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象時，起始電壓可以在各線匝之間均勻的分布。

(3)采用帶并聯(lián)電阻的開關(guān)

在截流的一瞬間電感中的磁場能會轉(zhuǎn)化為電能，對電容進(jìn)行充電。這時如果開關(guān)與電阻并聯(lián)就可以釋放電感中的磁場能量。在截流前帶并聯(lián)電阻的開關(guān)閉合后，就短接了開關(guān)并聯(lián)電阻，在截流后開關(guān)再斷開，電感中的電勢就會對電阻形成電流，從而電感中的磁場能量就會被消耗掉。

3 母線系統(tǒng)諧振過電壓的分析及其抑制對策

3.1 原理分析

形成鐵磁諧振最根本的原因是由于變壓器或者電壓互感器等鐵磁電感，在故障暫態(tài)過程或者分閘操作過程中，鐵芯會發(fā)生飽和作用，滿足了諧振條件。由于鐵磁電感呈非線性的特點，其大小由鐵芯的飽和程度來決定，而其飽和程度又由暫態(tài)過程中TV三相繞組所承受的電壓幅值來決定，因此電壓越高鐵芯就越飽和，此時電感就會越小。母線系統(tǒng)所發(fā)生的鐵磁諧振分為兩種情況，即串聯(lián)鐵磁諧振與并聯(lián)鐵磁諧振。

220 kV變電站包含了多個系統(tǒng)，包括大電流接地系統(tǒng)與小電流接地系統(tǒng)，還有中性點不接地系統(tǒng)等。在實際操作過程中，TV的非線性電感只要有足夠大的變化范圍，就存在發(fā)生串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振，以及產(chǎn)生過電壓的可能。過電壓的表現(xiàn)通常如下：電壓互感器出現(xiàn)異常響聲、母線電壓一相或者兩相出現(xiàn)升高的現(xiàn)象、電壓互感器開口三角形電壓有所升高等，這些過電壓問題可能會造成系統(tǒng)的絕緣處被擊穿，或者母線電壓互感器過電流被燒毀。

3.2 防范措施

通過以上原理分析，對改善鐵磁諧振，可采取以下三種相應(yīng)措施，包括：改變諧振回路參數(shù)、取掉均壓電容、改變操作順序或運行方式。其具體操作可以從兩種途徑加以解決：

(1)倒閘操作

首先要注意操作步驟的正確性。當(dāng)母線停電時，先把母線TV隔離開關(guān)拉下來，再拉下母聯(lián)斷路器；送電時則執(zhí)行相反的操作順序。當(dāng)電源向母線升壓時，要先將斷路器合下再進(jìn)行升壓，當(dāng)升壓結(jié)束停電時，要先把電壓降至歸零，再拉下斷路器。如果母線差動保護(hù)動作跳閘而造成一條母線停電，則要把母聯(lián)斷路器的隔離開關(guān)及時拉下，或者拉下母線TV的隔離開關(guān)。其次要注意運行方式的改變。通常相關(guān)的電力調(diào)度規(guī)程中都會做出明確的規(guī)定：在進(jìn)行母線倒閘操作的過程中，值班人員要避免斷路器斷口電容和電磁式電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振。一旦出現(xiàn)鐵磁諧振的情況，要馬止采取一切措施來破壞諧振條件，比如改變一次接線方式或者切斷諧振回路電源等。第三，在操作過程中增加電容。可以通過其他方法增加系統(tǒng)中的電容值，比如外接電容、投入空載線路、投入空載變壓器、投入消弧線圈、接入電纜線路、分段斷路器、拉合母聯(lián)以及投入空載線路等措施，以便躲開諧振區(qū)。第四，可以采取短接TV開口三角形繞組或者裝設(shè)消諧裝置的方法。相關(guān)工作人員除了要根據(jù)操作規(guī)程做正常處理外，還可以按照實際情況瞬間短接TV開口三角形繞組，或者設(shè)置諸如消諧管、阻尼電阻等消諧設(shè)備，從而消除諧振，這種作法可以非常有效的消除諧振，特別是分頻諧振。第五，在倒母線操作過程中，斷開母聯(lián)開關(guān)后要馬上對停運母線電壓進(jìn)行檢查，查看其是否為零，如果母線電壓高于感應(yīng)電壓，則要將斷開的母聯(lián)開關(guān)馬上合上；如果在母線停運了很長時間后才發(fā)現(xiàn)母線諧振，要及時停運母線，并帶上一個不帶電源的元器件以便可以消除諧振。

(2)技術(shù)設(shè)備

首先要詳細(xì)、全面的了解系統(tǒng)參數(shù)。第一步先查閱、測量或者計算系統(tǒng)的對地電容參數(shù)以及TV勵磁特性，對其是否處于諧振范圍內(nèi)做出判斷。通過實踐可以證明，斷路器的斷口均壓電容C≤450pF，此時產(chǎn)生鐵磁諧振的可能性很小；如果斷路器的斷口均壓電容C≥900pF，則產(chǎn)生鐵磁諧振的機率就會大大增加。其次要對設(shè)備做進(jìn)一步的改善，系統(tǒng)中采用電容式電壓互感器，能夠由本質(zhì)上徹底消除產(chǎn)生鐵磁諧振的條件。第三，在設(shè)備檢修的過程中要嚴(yán)格把握檢修質(zhì)量，確保在倒閘操作過程中，斷路器三相是同期動作，從而斷路器的滅弧能力以及動作的同期性均會有所提高，這樣對操作過電壓有一定的限制作用。第四，減少TV的接地點數(shù)。通常TV接地有兩種接地方式，即工作接地與保護(hù)接地。第五，采取避雷設(shè)備加以保護(hù)。如果在電氣設(shè)備的輸入端，比如變壓器或者電壓互感器等安裝避雷設(shè)備，并進(jìn)行可靠的接地，則防止操作過電壓的效果也非常好。第六，如果是小電流接地系統(tǒng)，采取經(jīng)消諧電阻或者消弧線圈的接地方式來取代TV中性點直接接地的方式，也可以防止操作過電壓。此外，還可以在TV開口三角形繞組上并聯(lián)消諧管或者設(shè)置阻尼電阻，阻值通常在10～100Ω范圍內(nèi)。

結(jié)語

對于不同的過電壓應(yīng)采取具有針對性且合理、科學(xué)、有效的防范措施，全面考慮絕緣配合的可靠性和保護(hù)器自身的安全性。因此，掌握過電壓發(fā)生的原因及防止措施從而有效地采取防范措施對于保障變電站的安全運行具有重要的意義。

[1]劉青．寶能220kV GIS變電站雷電侵入波過電壓的研究[J].高壓電器，2009(4)

[2]王泳．變電站低壓系統(tǒng)的過電壓保護(hù)[J].大眾用電，2010(3)

[3]汪 湲 ， 沈 倩 ． 關(guān)于220 kV東門變電站操作過電壓的分析及抑制對策[J].山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報，2011(5)