二灘水電站6千伏廠用電系統過電壓事件分析

向 欣 欣， 呂 杰 明， 劉 道 源

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘水電站6千伏廠用電系統過電壓事件分析

向 欣 欣， 呂 杰 明， 劉 道 源

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

經過仿真及分析表明，二灘水電站6kV廠用電系統單相接地(包括間歇性接地)和感應雷擊均可以導致PT鐵磁諧振。通過波形上看，PT鐵磁諧振會導致PT一次側電壓升高，而引起PT擊穿和熔斷器熔斷的主要原因為PT諧振一次側過流。另外，單相接地故障和感應雷擊引起的PT鐵磁諧振均為1/2分頻諧振，這與二灘電站廠用電系統結構(參數)有關。由于系統結構相對固定，二灘電站6kV廠用電系統PT只會發生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不接地系統中,為了監視系統中各相對地絕緣狀況及計量和保護的需要, 在母線上均裝設電磁式電壓互感器，并在該電壓互感器柜內安裝有6kV氧化鋅避雷器。該系統絕緣是按線電壓水平設計的，即使某一相發生接地，線電壓的大小和相位仍然對稱。在發生單相接地時，允許短時運行而不切斷故障設備，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升高為線電壓，是相電壓的倍。如果某一相發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，在系統對地的電容上不斷地進行充電，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。根據當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生的機理進行研究，結合廠用電運行方式采取有效的防范措施，減少和避免廠用電事故。

2 過電壓產生的原因

電力系統過電壓是指超過電力系統最高工作電壓的電壓。電力系統中的各種電氣設備均在其額定電壓下工作，額定電壓是電器設備的長期工作電壓，在實際生活中往往由于系統內部和外部環境的種種因素會造成系統的電壓升高，造成設備損壞等一系列事故。

過電壓屬于電力系統中的一種電磁擾動現象，電力系統中電路狀態或電磁狀態的突然變化是產生過電壓的根本原因。電力系統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，雷電放電所產生的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而會引起巨大的電磁效應、機械效應。通常的雷擊點在地面場強最大的地方，也就是電荷最集中的地方。所以地面上導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。雷擊過電壓持續時間一般只有數10ms左右，具有脈沖特性。

2.2 內部過電壓

電力系統內部過電壓實質上是由電網內部能量轉化或傳遞所產生的電網電壓升高，因為電力系統內部存在大量的電感和電容等非線性儲原件，當系統狀態發生改變時，非線性原件的狀態不能及時發生改變，導致磁場能和電場能不斷發生轉換和振蕩，從而引發過電壓，現有的電氣設備通流能力和穩定性有限，不能有效的防護過電壓。內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，由于系統中接地的電磁式電壓互感器具有易飽和非線性特點，隨著電網的結構、容量、參數、運行方式等的變化，系統中的電感和電容就可能會形成各種振蕩回路，從而引起諧振過電壓。

這種過電壓一般持續時間較長，如不采取有效的預防和消除措施，常常會長時間自保持，從而引起電壓互感器長時間過勵磁而燒毀，或引起電網中相對絕緣薄弱環節設備的燒毀，甚至誘發相間短路和其它更為嚴重的電力系統事故[1]。在諧振發生時將產生數倍于額定電壓的過電壓現象，導致設備的絕緣損壞，甚至還會影響保護裝置的正常工作條件。 在一般情況下將系統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。根據電感的分類與之對應的就是三種不同形式的諧振現象，分別是線性諧振過電壓、參數諧振過電壓和鐵磁諧振過電壓。

2.2.1.1 線性諧振過電壓

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

圖1 串聯諧振回路

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 參數諧振過電壓

系統中的某些電感原件會出現周期性的變化，經常是由于電機的轉動引起電感周期性變化產生的，例如當同步發電機帶有長空載線路類的容性負載時即使激磁電流很小，也會使發電機的端電壓和電流急劇上升，最終產生很高的過電壓，此過程又稱為過勵磁。隨著周期性的變化，系統回路經過電磁振蕩，不斷地把機械能轉化為電磁能，因實際回路中存在一定的損耗，所以每次引入的能量應當足夠大，不僅可以補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，鐵心很容易出現飽和現象，此時回路的電感參數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，當鐵心的電流增加,鐵心開始飽和，磁通與電流的關系呈現非線性,當磁通達到膝點(Knee Point)時，電流的增加只能增加鐵心中的少量磁通，即鐵心磁通達到了飽和，當滿足一定的條件時，就會產生鐵磁諧振現象。

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數倍如1/2、1/3、1/5、2/5次諧波)。發生諧振的頻率f0實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的關系曲線在圖中亦有表示。

電動勢E與ΔU的三個相交點就滿足上述平衡方程的點，但是三個點并不都是穩定的點，例如在a點，系統電流增加，電壓降增加，即E<ΔU，使回路電流減小，回到穩定狀態；系統電流減小，電壓降減小，即，使回路電流增加，回到穩定狀態。用同樣的方法分析b、c兩點，其中b點是不穩定的點。a點為電路的非諧振工作點，回路呈感性，回路電流及電感、電容上的電壓都不大，c點是諧振工作點，回路呈容性，不僅回路電流大，電感、電容上出現過電壓。從圖中可以看出，當電動勢E較小時，回路存在兩個穩定的工作點a和c，若系統經過沖擊擾動如發生故障、斷路器跳閘等，這些擾動可造成鐵心電感兩端的短時電壓升高、大電流的振蕩過程或電感中的涌流現象，回路將經過強烈的擾動建立起穩定的諧振點c。這種需經過過渡過程建立的諧振現象稱之為“激發”，而且一旦激發起來諧振狀態就可以保持很長時間不會衰減，系統由非諧振狀態變為諧振狀態的過程中系統電流由感性變為容性，相位發生180°的翻轉，這個現象稱為反傾。

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

對于一定的L0值，在很大的電容范圍內都可能產生諧振。

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，是隨著參數逐漸變化的，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中，以工頻位移過電壓為主；而在對地電容較大的配電網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6kV廠用電系統造成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架空線路進入到6kV廠用電系統，進而引發了6kV廠用電系統的分頻諧振。其事故波形圖如圖4。

圖4 2013年8月1日 故障時6 kV Ⅷ段電壓波形

事故現象：2013年8月1日下午4時34分雷電波經架空線入侵6kVⅧ段(6kVⅧ段680DL為左岸架空線)，通過故障錄波數據顯示，A、B、C三相相電壓峰值分別達到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保持穩定，不發生諧振的電路，由于電壓互感器的感抗值的改變，誘發了分頻鐵磁諧振現象的產生。在諧振過程中，電壓互感器絕緣受到了破壞，進而導致了設備損壞的事故發生。608PTA相絕緣燒損如圖5。

針對雷擊現象我們建立了仿真模型如圖6：假設A相為雷擊點得到相應的仿真波形如圖7：

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

從圖8可知感應雷擊導致的諧振時流過電壓互感器一次側的電流約為3A，大于熔斷器允許長期運行電流0.5A。

3.2 案例二2006年08月22日607PTB相受損

事故概要：6kV電動機故障誘發了廠用電系統的故障，最終導致了607M上的電壓互感器發生分頻鐵磁諧振而受損。

事故現象：2006年8月22日#1滲漏排水泵61SB啟動后，監控系統上發“Uab電壓低限”報警，現場檢查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，檢查發現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日事故發生后，8月23日61SB啟動后，也發生同樣的現象。而在拉開602M和607M的連絡開關后，61SB的投運都引起602M的電壓波動。后來在602M只保留61SB和602PT進行試驗，通過波形發現C相存在放電現象，分解電機后發現鼠籠條彈出，導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，在電動機轉子轉動過程中裸露繞組線芯對彈出的鼠籠條放電，激發出基頻以外的分量，進而誘發了廠用電系統的鐵磁諧振，使得607PTB相在鐵磁諧振中受損嚴重。

圖7 雷擊后PT鐵磁諧振A相一次側電壓波形(感應雷擊電壓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可知系統單相接地或者間歇性接地后，鐵磁諧振會導致電壓互感器，振幅為3.5p.u。諧振時流過電壓互感器一次側的電流約為2.7A，大于熔斷器允許長期運行電流0.5A，同時系統中性點電流也較大，而系統單相接地后的電流接近零。

4 結 語

二灘水電站發變組系統主要為單元接線形式，廠用電系統采用6kV、400V兩級電壓供電，由廠內廠用電系統和廠外廠用電系統兩部分組成,廠用變壓器高壓側連接到發電機斷路器出口處。廠用變壓器將18kV電壓降至6kV電壓，為各機組自身輔助設備供電。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。在二灘水電站投運的近10年中，屢次發生了廠用電系統過電壓現象，造成了設備損壞事件。引起廠用電系統過電壓現象的因素較多；如雷電天氣引起的雷擊過電壓、電氣系統參數匹配異常

圖10 PT 三相一次側電壓波形

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的可靠性、減少過電壓現象對設備的損壞，所以有必要對廠用電系統過電壓的產生的機理、原因進行分析研究。

仿真及分析表明，二灘水電站6kV廠用電系統單相接地(包括間歇性接地)和感應雷擊均可以導致PT鐵磁諧振。通過波形上看，PT鐵磁諧振會導致PT一次側電壓升高，而引起PT擊穿和熔斷器熔斷的主要原因為PT諧振一次側過流。另外，單相接地故障和感應雷擊引起的PT鐵磁諧振均為1/2分頻諧振，這與二灘電站廠用電系統結構(參數)有關。由于系統結構相對固定，二灘電站6kV廠用電系統PT只會發生1/2分頻諧振，我們可以利用這一特性辨識6kV廠用電系統單相接地故障和鐵磁諧振故障。

[1] 電網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 2009第二期

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

(責任編輯：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，畢業于河海大學電氣工程及其自動化專業，助理工程師，二灘水力發電廠從事運行工作；

呂杰明(1986-)，男，四川南充人，畢業于四川大學電氣工程及其自動化專業，工程師，二灘水力發電廠從事運行工作；

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