斷線諧振造成控制回路開關電源燒損的分析

陽 衛

（國網四川映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰611830）

1 概述

斷線諧振是電力系統中，尤其是中性點非直接接地系統中一種常見的鐵磁諧振現象[1]。理論上，線路只要發生斷線故障，即存在發生基頻及以上高次諧波諧振的可能性[2]。據統計，由于開關非全相操作、熔絲非全相熔斷、大風冰雹的破壞等原因造成的斷線諧振事故十分頻繁，斷線諧振產生的過電壓曾多次引起設備損壞事故[3]。

雙河水電站位于四川省九寨溝縣，1號機、2號機及1號主變構成擴大單元接線，10.5 kV廠壩線從該單元母線引出后，經隔離變14 T分別為雙河、青龍兩站大壩和九力大廈（集控中心）供電（圖1）。由于閘門的操作周期長且啟閉時間短，而九力大廈（集控中心）也只是一些辦公負荷，線路長期長時間都是在輕載負荷下運行，存在發生斷線諧振的條件和可能[2]。

如圖1所示，在隔離變14 T負荷側安裝有一臺戶外柱上真空開關14和一組高壓跌落熔斷器141，線路至九力大廈和青龍電站大壩的分支還各有大約1.6 km、0.7 km的一段是用電纜敷設。

由于受高山河谷地帶陣性大風的影響，高壓跌落熔斷器141在運行中時有被大風非全相吹落現象的發生。2017年9月8日11:23，熔斷器的B相被大風吹落，造成線路發生斷線諧振現象，并導致青龍電站3孔閘門的控制回路中共有5只輸入電源接在B相的開關電源被燒壞。

圖1 10.5 kV廠壩線路簡圖

2 現象描述

2.1 故障前運行方式

10.5 kV廠壩線路是雙河、青龍兩站大壩用電及九力大廈（集控中心）的工作電源，兩站大壩還各有一回外來備用電源，壩區400 V母線備自投均啟用。

兩站閘門的控制回路均采用雙開關電源互為備用的不間斷供電方式，開關電源的輸入電源為交流200～240 V，輸出直流24 V電源，為閘門控制、PLC和傳感器等供電。不同的是，雙河電站3孔閘門開關電源均取自A相電源供電，而青龍電站則有所不同，其中：

1號泄洪閘的兩個開關電源分別取自B、C兩相電源供電，沖沙閘、2號泄洪閘開關電源均取自B相電源供電。

2.2 故障現象

事后從集控中心上位機事件簡報上看，從11：23：28.748開始，上位機不停報青龍電站閘門控制PLC電源消失和復歸信號。

11：23：28.748報沖沙閘、2號泄洪閘PLC運行停止信號，11：27：53.978報PLC運行動作信號，電壓趨勢顯示400 V母線B相電壓在96～234 V。

11：28：27.772報沖沙閘、2號泄洪閘 PLC運行停止信號，11：28：50.552報沖沙閘PLC運行動作信號，但隨即報運行停止信號，此時400 V母線B相電壓在0～299 V向上變化，0 V持續時間大約有2 s。

大壩值守人員發現工作電源變壓器有“嘩啦啦……”較大異音，通信裝置的充電柜“故障”燈點亮后，于11：31：52.900人為將壩用電倒為外來備用電源供電，在壩用電源的切換過程中，上位機報1號泄洪閘PLC停止和恢復信號。

而在雙河電站大壩，值守人員也發現了工作電源變壓器和通信裝置充電柜的運行異常，于11：27：29.618人為將壩用電倒為外來電源供電。

3 故障分析

3.1 開關電源燒損原因分析

從故障現象來看，由于隔離變負荷側B相跌落保險的掉落，造成了10.5 kV廠壩線配電網發生了斷線諧振現象，反應到各配變的低壓側，壩區400 V系統電壓出現了異常。

由于閘門控制回路的PLC均由開關電源供電，所以PLC的運行停止和運行動作實際上反映了當時開關電源的運行情況。

通過查詢青龍電站壩區400 V母線各相電壓的變化趨勢，發現呈現下列現象：

（1）總體來看，在 11：23：34～11：31：52 斷線諧振發生期間，400 V母線三相電壓的總體變化如下：

A 相 101～246 V，B 相 96～250～0～301 V，C 相229～234 V。A相電壓呈現由小變大的發展趨勢，B相電壓則波動較大，由開始的96 V，延續1 s后變成250 V，又經過大約10 s下降為0 V，再持續約2 s后向上發展到301 V，C相電壓變化幅度不大，基本符合正常值要求。

11：23：28.748，當 B 相高壓跌落保險剛剛掉落時，B相電壓就迅速下降到96 V，導致電源接在B相的沖沙閘、2號泄洪閘開關電源因欠壓失振中斷了供電，閘門PLC停止工作，但電壓隨即恢復，PLC恢復運行，而1號泄洪閘則由于1號開關電源接在C相，PLC由1號開關電源供電，沒有信號。

（2）11：28：27.772～11：28：50.554 期間：

11：28：33，B相電壓出現 0 V，沖沙閘、2號泄洪閘PLC又中斷供電，約2 s后電壓恢復，但此時只有沖沙閘PLC恢復運行，并隨即出現運行停止信號，這時候2號泄洪閘兩個開關電源應該已經燒壞。

（4）11：31：42.185～11：28：52.900 期間：

11：28：52.900，壩用電倒為外來電源供電。壩用電源切換時，1號泄洪閘PLC首次出現運行停止和恢復信號，沖沙閘、2號泄洪閘無任何信號，說明切換前兩個閘門的開關電源這時候均已燒壞。

綜合上述分析，由于反復受到異常諧振電壓造成的浪涌電流（最大甚至可能超過100 A）的沖擊影響[4]，并在這種波動范圍大的高電壓、大電流工況持續作用下，由B相電源供電的沖沙閘、2號泄洪閘開關電源及1號泄洪閘2號開關電源最終損壞。

事后，通過對燒壞的開關電源進行拆解檢查，發現其輸入端熔斷器、壓敏電阻大多有炸裂現象，印證了上述分析。

3.2 備自投拒動原因分析

兩站壩區400 V母線備自投采用進線互投方式，即正常運行方式以10.5 kV廠壩線為工作電源，為400 V兩段母線供電，外來電源備用。

工作電源“無壓”判據為進線Uab、Ubc的電壓均要降低到20 V（二次側），兩者為“與”的關系。經檢查，在斷線諧振期間，進線Uab由開始的79 V，經過大約10 s變成0 V，持續約2 s即向上發展，最高至488 V，而Ubc相則一開始就由239 V向上發展，最高為485 V，折算成二次電壓為62～128 V。所以，備自投沒有動作。

3.3 通信裝置故障原因分析

斷線諧振造成了壩區400 V系統三相電壓過低、過高和不平衡的現象，而通信裝置的充電柜有“缺相”、“欠壓”（360 V）、“過壓”（420 V）等保護。因此，充電柜的“故障”信號燈點亮。

4 防范措施

配電網中的鐵磁諧振是多種多樣的，而斷線諧振是不容忽視的一種[5]，本文描述的10.5 kV線路的斷線諧振事件，導致電站閘門控制回路開關電源的燒損，致使閘門操作失靈，對安全生產構成嚴重威脅。但是，要徹底根除配電網里的斷線諧振，又的確是比較困難的。因此，有必要加強對斷線諧振的防范措施。

（1）開關電源等電子元器件的集成化程度很高，它們對電源質量的要求也很高，有條件的話可以考慮由直流或UPS電源供電，暫不能實現時，應將兩個開關電源分別由兩相電源供電，降低損壞風險。

（2）配電網線路如果已經安裝有柱上真空開關，就應該用隔離刀閘來代替回路中的高壓跌落熔斷器，避免發生類似斷線現象。

（3）當配電網回路中發生斷線缺相運行時，總是會伴隨著一些如本文描述的故障外部征象，如變壓器發出異常聲音，通信裝置聲光報警，室內照明燈光忽明忽暗等，值班人員一旦發現上述現象，就應該迅速采取相應的措施。

（4）加強對線路的運維管理，包括巡視和檢修，及時發現和排除影響線路安全運行的各種隱患，如危石、樹木等，預防斷線的發生。