避免500 kV GIS開關站PT諧振的運行操作方法

周勇，黃華，賴見令

（長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川宜賓644612）

避免500 kV GIS開關站PT諧振的運行操作方法

周勇，黃華，賴見令

（長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川宜賓644612）

針對某電站500 kV GIS開關站進線PT及母線PT在對應設備停電過程中曾多次發生PT鐵磁諧振，本文對PT鐵磁諧振產生的原因進行了分析，認為根本原因是設備參數匹配不合理，同時與開關的停電操作順序也有一定的關系，傳統停電操作順序為依次先將停電范圍內開關轉熱備用，再依次將設備轉冷備用；本文提出了一種新的開關停電操作順序，逐一將開關由運行轉冷備用。通過對兩種開關操作順序下PT鐵磁諧振情況進行對比，采用新的停電操作順序，PT諧振得到比較明顯的改善，要么諧振強度減小，要么諧振時間縮短，本文提出的避免500 kV GIS開關站PT諧振的運行操作方法有較好的可實施性。

開關站；諧振；操作順序

0 引言

PT發生鐵磁諧振時，會產生持續的低頻電壓，該低頻電壓在PT上可能產生很大的勵磁電流，可能造成PT損壞，危及設備及人身安全，所以在運行當中，應盡可能避免PT發生鐵磁諧振。某電站500kV GIS開關站分為左岸和右岸，左、右岸自投運以來，500 kV GIS開關站進線PT及母線PT在對應設備停電過程中曾多次發生PT鐵磁諧振，嚴重危脅設備正常運行。某電站500 kV GIS開關站自投運以來，開關停電操作順序都是采用傳統的停電操作順序，即依次將停電范圍內開關轉熱備用，再依次將設備轉冷備用，我們接下探討一下采用傳統的開關停電操作順序，某電站500 kV GIS開關站PT鐵磁諧振情況。限于篇幅，本文僅討論某電站左岸500 kV GIS開關站PT鐵磁諧振情況。

1 某電站左岸500 kV GIS開關站PT鐵磁諧振現狀

1.1 某電站左岸500 kV GIS開關站進線PT鐵磁諧振情況

某電站左岸4B高壓側進線開關為5031、5032兩臺開關。電站2013～2014年度歲修期間，4B轉檢修態后，500 kV GIS開關站恢復成串運行，50316進線刀閘保持拉開（如圖1所示）。2014年4月15日，4B檢修完畢對其送電過程中，在第一步即對4B高壓側進線短引線停電時，4B高壓側進線電壓互感器J4YH發生鐵磁諧振。發生鐵磁諧振時其故障錄波圖見圖2。

圖1 J4YH主接線

4B高壓側進線短引線停電開關操作順序為傳統操作順序，即依次將5032、5031由運行轉熱備用，再依次將5032、5031轉冷備用。在5031轉熱備用后，B相出現1/3次諧波振蕩，直到5031轉冷備用后才消失。諧振期間，B相全波有效值約433 kV，基波有效值約313 kV，最大瞬時值達到690 kV，諧振電壓比正常運行電壓大很多。

圖2 J4YH故障錄波圖

1.2 某電站左岸500 kV GIS開關站母線PT鐵磁諧振情況

某電站左岸開關站1 M連接5011、5021、5031，3臺開關（如3所示），2014年2月16日，1 M停電時，1 M母線PT發生鐵磁諧振，發生鐵磁諧振時其故障錄波圖見圖4。

圖3 1M主接線圖

圖4 1M故障錄波圖

1 M停電時開關操作順序為傳統操作順序，即先依次將5011、5021、5031轉熱備用，再依次將5011、5021、5031轉冷備用，當5031轉熱備用后，母線頻率降至16.674 Hz，A相出現1/3次諧波振蕩，直到5011轉冷備用后才消失。諧振期間，A相全波有效值約244 kV，基波有效值約142 kV。

2 原因分析

電磁式電壓互感器PT本質上是一個帶鐵心回路的非線性電感L，500 kV GIS開關站設備各元件，如母線、導線、斷路器斷口均壓電容器等都有一定的電容量C，在某些特定場合，這種由電感、電容組成的串聯LC回路會滿足諧振條件，在PT上產生持續的低頻電壓，該低頻電壓在PT上可能產生很大的勵磁電流，導致互感器線圈長時過熱燒損或在運行操作時因電壓沖擊而擊穿。

某電站500 kV GIS開關站進線PT和母線PT發生鐵磁諧振時，其等效電路如圖5所示。

圖5 PT等效電路圖

在圖5中，Es為電源電壓，CB為斷路器，Cs為斷路器斷口均壓電容，Ce為500 kV GIS母線或進線短引線部分對地電容，Re和Lcu分別表示電磁式PT一次線圈的電阻和電感。

2.1 理想過程

斷路器CB剛斷開時，電容Ce上的殘留電荷就會對電感Lcu進行放電，考慮回路上的損耗，電磁能量將在電容Ce和電感Lcu之間往復、相互轉化且逐漸消耗，因此電容Ce上的電壓是一種低頻振蕩衰減波形（如圖6所示）。

圖6 衰減振蕩電壓

2.2 考慮PT鐵心飽和

PT是一個帶鐵心回路的線圈，存在磁飽和現象，其磁化曲線和磁導率曲線如圖7所示。

圖7 鐵磁材料基本磁化曲線和磁導率曲線

由圖7可知，隨著外磁場強度H逐漸增大，磁感應強度B將不再隨之繼續增大，即出現飽和，此時鐵磁材料的磁導率μ將達到最大值μmax，隨著H繼續增大，μ將反而變小。

根據電磁學原理，線圈電感L為：

其中，N—線圈匝數，μ—磁導率，S—磁路的等效截面積，Len—等效磁路長度。

對于PT而言，N、S、Len都是常數，因此電感L與磁導率μ有單值線性關系。在鐵心飽和時，磁導率μ將急劇變小，電感L也會迅速變小，PT表現為非線性電感特性。

當LC回路中出現低頻電壓時，將導致PT鐵心出現飽和，PT等效電感L急劇下降，因此PT繞組中會產生很大的勵磁電流，最大可能達正常電流的幾百甚至幾千倍，造成PT過熱，鐵心飽和時，其電流變化趨勢如圖8所示。

2.3 考慮感應電壓影響

圖9 分頻諧振電壓

對圖5繼續進行分析，在斷路器CB斷開后，PT上將一直承受電源Es通過Cs、Ce產生的感應電壓Es·Cs/（Cs+Ce），若該感應電壓足夠大且與低頻衰減振蕩電壓相疊加，如果兩者的相位相近，就可能使低頻電壓的幅值升高且持續存在，即PT產生了鐵磁諧振，發生鐵磁諧振時其二次電壓波形如圖9所示。

2.4 諧振頻次分析

發生串聯諧振的條件是：在諧波源產生的nr次諧波的作用下，串聯回路的感抗與容抗相等，即：

XL為基波感抗，XC為基波容抗，f1為基波頻率，ω1為基波角頻率。

鐵磁諧振發生時，諧振頻率既可能與電源頻率相同（基頻諧振），也可能是電源頻率的整數倍（高頻諧振），或者是電源頻率的分數倍（分頻諧振）。一般來說，電力系統中發生的鐵磁諧振發生基頻諧振與分頻諧振的可能性更大。

500 kVGIS設備對地電容較大，則基波容抗較小。而PT線圈基波感抗比容抗大，電感在諧振回路中起主導作用，由公式（2）可得500 kV GIS PT鐵磁諧振是分頻諧振的可能性更大，且以1/3、1/5、1/7倍工頻為主。

通過以上對PT諧振產生原因的分析，可以看出PT產生諧振的誘因是PT上一直承受電源Es通過斷路器斷口電容Cs、母線或進線短引線對地電容Ce產生的感應電壓Es·Cs/（Cs+Ce）較大。致使感應電壓較大的根本原因在于設計時500 kV GIS設備參數匹配不合理，其次，開關停電的傳統操作順序也有一定關系，依次將所有停電開關轉熱備用再依次轉冷備用，這樣使得多個開關在熱備用時，多個開關斷口電容相并聯，使開關斷口等效電容Cs變大，從而使感應電壓Es·Cs/（Cs+Ce）較大。基于此分析，筆者認為可以改變一下開關停電的操作順序，逐一將停電范圍內的開關由運行轉冷備用，這樣就可以減少熱備用開關斷口電容的并聯個數，從而減少感應電壓，避免或削弱鐵磁諧振。此方法在某電站500 kV GIS開關站開關操作當中實施，從實施效果來看，新操作方法對PT鐵磁諧振的改善比較明顯，相應PT未出現諧振或諧振持續時間和強度在可接受范圍內。

3 新操作方法對500 kV GIS開關站PT鐵磁諧振的改善

3.1 500 kV GIS開關站4B進線PT鐵磁諧振改善情況

在電站2014～2015歲修期間，2015年4月18日，4B檢修完畢對其送電時，第一步為對其對應短引線停電，其開關操作順序采用新操作順序，4B高壓側進線電壓互感器J4YH雖發生鐵磁諧振，但其強度較小，其故障錄波圖見圖10。

圖10 J4YH故障錄波圖

4B高壓側進線短引線停電時，先將5032開關由運行轉冷備用，再將5031開關由運行轉冷備用，由故障錄波圖可看出，當5031轉熱備用后，A、C相出現了1/3次諧波振蕩，直到5031轉冷備用后才消失。A相全波有效值約357kV，基波有效值約224kV，最高瞬時值539 kV；C相全波有效值約347 kV，基波有效值約219 kV，最高瞬時值506 kV。

采用新操作順序，4B高壓側進線電壓互感器J4YH雖然A、C兩相發生了鐵磁諧振，但其強度減小。

3.2 500 kV GIS開關站1M PT鐵磁諧振改善情況

某電站左岸開關站1 M連接5011、5021、5031，3臺開關，2015年3月22日，1M停電時，其開關操作順序采用新操作順序，1 M母線PT僅出現操作過電壓，0.3 s后恢復至穩定感應電壓，未發生鐵磁諧振，其故障錄波圖見圖11。

圖11 1M電壓故障錄波圖

1 M停電操作時，先將5011開關由運行轉冷備用，再把5021開關由運行轉冷備用，最后把開關5031由運行轉冷備用，在5031轉熱備用后，A、C兩相出現了操作過電壓未發生鐵磁諧振，且操作過電壓持續0.3 s后恢復至穩定感應電壓，約70 kV。

采用新操作順序，1 M母線PT未發生鐵磁諧振，僅出現操作過電壓，且操作過電壓持續時間很短，操作過電壓幅值很小。

采用新操作順序，某電站右岸4 M母線PT雖B相發生鐵磁諧振，但諧振強度較小。

左右岸兩種操作順序下其PT諧振情況的對比見表1。

表1 某電站左岸500 kV開關站PT諧振情況對比表

由以上分析，可以得出如下結論：

（1）某電站左岸500 kVGIS進線短引線停電時，采用傳統操作順序和本小組提出的操作順序，進線PT都會發生鐵磁諧振，進線開關轉冷備用后，諧振現象消失，但采用本小組提出的操作順序，諧振電壓的幅值會減小很多，且通過減小進線開關在熱備用狀態的時間有利于減小諧振持續時間。

（2）某電站左岸開關站母線停電時，采用傳統操作順序，母線PT會出現鐵磁諧振，采用本小組提出的操作順序，母線PT則不會出現鐵磁諧振。

4 總結

本文結合某電站500 kV GIS開關站PT發生鐵磁諧振的背景，在分析PT鐵磁諧振的基礎上，提出了逐一將停電范圍內開關由運行轉冷備用的新開關操作順序，從新老開關操作順序下PT鐵磁諧振情況對比來看，新開關操作方法對PT鐵磁諧振有比較明顯的改善，此方法的優點是，不需要500 kV GIS開關站相應區域設備長時間停電，不需要額外增加任何設備，簡單可行。

由以上分析可以看出，采用新開關順序，進線短引線和母線在停電時，其PT仍會發生小強度的鐵磁諧振，諧振持續的時間受停電操作中最后一個開關處于熱備用狀態的時間影響，實際操作中應盡可能縮短最后一個開關處于熱備用狀態的時間。所以對新開關操作順序還應作更嚴格的規定：

（1）主變高壓側隔離刀閘必須在串內開關冷備用態下操作。

（2）主變高壓側隔離刀閘在分閘狀態，進行進線短引線停電操作時，應先將中開關由運行轉冷備用，再將邊開關由運行轉冷備用。注意盡快拉開邊開關串聯刀閘，縮短開關熱備用時間。

（3）母線停電操作時，應逐一將母線所接開關由運行轉冷備用，拉開最后一組開關時，母線其他開關處于冷備用狀態。注意盡快拉開該開關串聯刀閘，縮短開關熱備用時間。

TM451

B

1672-5387（2017）04-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.006

2016-12-12

周勇（1985-），男，工程師，從事水電廠設備運行工作。