淺談電力系統諧振消除方法的研究
General 更新 2024年06月03日
【論文關鍵詞】電力系統 諧振 方法
【論文摘要】電力系統鐵磁諧振一直影響著電氣裝置和電網的安全執行，特別是對中性點不直接接地系統，鐵磁諧振所佔的比例較大，因此對此類鐵磁諧振問題研究得較多。本文針對電力系統諧振消除方法進行探討和分析，並提出一些意見，為相關工作者提供參考。
0.引言
電力系統中過電壓現象較為普遍。引起電網過電壓的原因主要有諧振過電壓、操作過電壓、雷電過電壓以及系統執行方式突變，負荷劇烈波動引起系統過電壓等。其中，諧振過電壓出現頻繁，其危害很大。過電壓一旦發生，往往造成系統電氣裝置的損壞和大面積停電事故發生。據多年來電力生產執行的記載和事故分析表明，中低壓電網中過電壓事故大多數是由於諧振現象引起的。日常工作中發現，在颳風、陰雨等特殊天氣時，變電站35kV及以下系統發生間歇性接地的頻率較高，當接地使得系統引數滿足諧振條件時便會發生諧振，同時產生諧振過電壓。諧振會給電力系統造成破壞性的後果：諧振使電網中的元件產生大量附加的諧波損耗，降低發電、輸電及用電裝置的效率，影響各種電氣裝置的正常工作；導致繼電保護和自動裝置誤動作，並會使電氣測量儀表計量不準確；會對鄰近的通訊系統產生干擾，產生噪聲，降低通訊質量，甚至使通訊系統無法正常工作。
諧振是一種穩態現象，因此，電力系統中的諧振過電壓不僅會在操作或事故時的過渡過程中產生，而且還可能在過渡過程結束後較長時間內穩定存在，直到發生新的操作諧振條件受到破壞為止。所以諧振過電壓的持續時間要比操作過電壓長得多，這種過電壓一旦發生，往往會造成嚴重後果。執行經驗表明，諧振過電壓可在各種電壓等級的網路中產生，尤其在35kV及以下的電網中，由諧振造成的事故較多，已成為系統內普遍關注的問題。因此，必須在設計時事先進行必要的計算和安排，或者採取一定附加措施（如裝設阻尼電阻等），避免形成不利的諧振迴路，在日常工作中合理操作防止諧振的產生，降低諧振過電壓幅值和及時消除諧振。在6~35kV系統操作或故障情況下，系統振盪迴路中往往由於變壓器、電壓互感器、消弧線圈等鐵芯電感的磁路飽和作用而激發起持續性的較高幅值的鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振可以是基波諧振、高次諧波諧振、分次諧波諧振，其共同特徵是系統電壓升高，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸；或產生高值零序電壓分量，出現虛幻接地現象和不正確的接地指示；或者在PT中出現過電流，引起熔斷器熔斷或互感器燒壞；母線PT的開口三角繞組出現較高電壓，使母線絕緣監視訊號動作。各次諧波諧振不同特點主要在於：
②基波諧振時，兩相電壓升高，超過線電壓，但一般不超過3倍相電壓，一相電壓降低但不等於零。
③高次諧波諧振時，三相電壓同時升高或其中一相明顯升高，超過線電壓，但不超過3~3.5倍相電壓。
2.例項分析
2.1事故前系統執行方式
事故前，某110kV變電站有110kV單母分段、35kV單母分段、10kV單母分段執行，10kVI母接511所變、513負荷I線、514負荷II線、518電容器、519電容器執行；10kV母線II段接521電容器、522電容器，電壓及負荷均正常；10kV母線II段PT執行。
2.2事故經過
2010年6月21日23時12分，監控語音報警此變電站“10kV母線I段接地”、“10kV母線II段接地”訊號，監控屏顯示10kV母線II段電壓值為：
Ua=6.21kV；Ub=7.03kV；
Uc=7.80kV；3Uo=64.11V。
23時14分，511所變發出“開關分閘”、“511開關電流II段”動作、復歸、“511站用保護測控裝置告警”、“511開關過負荷告警”、“逆變電源交流失電”復歸訊號。511所變開關變為“分”位；同時513負荷I線、514負荷II線、518電容器、519電容器發出“線路保護測控裝置告警”、“PT斷線”訊號；521電容器、522電容器發出“保護裝置告警”、“電容器PT斷線”等訊號。隨後，後臺顯示10kV母線II段電壓值持續升高，23時15分升高為：
Ua=8.94kV；Ub=9.91kV；
Uc=12.00kV；3Uo=119.97V。
排程值班員於23時18分下令遙控斷開514負荷II線開關，電壓恢復正常。22日01時50分，巡線人員彙報：514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上，操作人員已將分支拉開……。故障排除後合上514負荷II線開關，送電正常，後未見異常情況。
2.3事故原因分析
例項中所涉及變電站的514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上後，三相系統對稱性被破壞，出現零序電流、中性點偏移和對地電位U0，即開口三角有了零序電壓，零序電壓疊加在二次側三相電壓上，就出現了二次側三相電壓不平衡現象。事故起因：514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上，然後10kV母線接地，系統引數發生變化滿足諧振條件，諧振發生之後10kV母線II段三相電壓及零序電壓迅速升高，由電壓波形及數值可知是發生高次諧波諧振（鐵磁諧振）。正是諧振導致繼電保護和自動裝置誤動作發出一系列錯誤訊號。此狀況下，需要仔細判斷真假訊號，以便很好地進行事故處理。例項中的事故發生後，當班排程員作出了諧振的準確判斷，並根據工作經驗進行接地選線，迅速查找出故障線路，並將其切除。
3.諧振事故解決方法
PT在正常工作時，鐵芯磁通密度不高，不飽和；但如果在電壓過零時突然合閘、分閘或單相接地消失，這時鐵芯磁通就會達到穩態時的數倍，處於飽和狀態，這時，某一相或兩相的激磁電流大幅度增加，當感抗與容抗引數匹配恰當（滿足諧振條件）時，即會發生諧振，即鐵磁諧振。發生諧振時，會在電感和電容兩端產生2～3.5倍額定電壓的過電壓和幾十倍額定電流的過電流，通過PT的電流遠大於激磁電流，嚴重時會燒壞PT及其它裝置。
3.1防止諧振過電壓的一般措施
①提高斷路器動作的同期性。由於許多諧振過電壓是在非全相執行條件下引起的，因此提高斷路器動作的同期性，防止非全相執行，可以有效防止諧振過電壓的發生。
②在並聯高壓電抗器中性點加裝小電抗。用這個措施可以阻斷非全相執行時工頻電壓傳遞及串聯諧振。
③破壞發電機產生自勵磁的條件，防止引數諧振過電壓。
3.2防止諧振過電壓的具體措施
①35kV系統中性點經消弧線圈（加裝消諧電阻）接地，並在過補償方式下執行，它的電壓作用在零序迴路中。
②儘量減少6~35kV系統並聯執行的PT臺數。
a.凡是6~35kV母線分段的變電所，若母線經常不分段執行，應將一組PT退出作為備用；
b.電力客戶的6~10kVPT一次側中性點一律為不接地執行③更換伏安特性不良的6~35kVPT。
④6~35kV一次側中性點串聯阻尼電阻或二次側開口三角形繞組並聯阻尼電阻或消振器。
⑤6~10kV母線裝設一組Y形接線中性點接地的電容器組。
⑥在10kVPT高壓側中性點串聯單相PT。在實際工作中諧振的發生往往伴隨著接地故障，很多時候甚至就是由接地引起的，消除諧振常常採取的有效方法是改變系統執行方式以改變系統引數，破壞諧振條件。改變系統執行方式經常通過以下途徑實現：
a.投退電容器。
b.增投線路。
c.若變電站有一臺以上數目的主變，可視具體執行情況將原本並列（分列）執行的變壓器分列（並列）。
d.母線並解列。
若上述方法不能消振，應採用尋找線路單相接地故障的方法進行選線，選出故障線路後，立即將其切除。選線原則參照系統單相接地故障處理方法。此方法是最有效最能解決問題的，但往往不一定能準確及時判斷出接地線路，以致延誤消振時間，所以，工作中為及時消除諧振一般先考慮選擇上述四種途徑。
4.總結
針對某110kV變電站諧振事故，利用諧振原理與知識，分析了此次事故發生的原因，並結合實際工作經驗對諧振過電壓給出了多種控制措施和方法，以便具體工作中借鑑和運用，有效提高系統執行穩定性，提高供電安全性和可靠性。
【參考文獻】
［１］於麗敏，徐其軍，李京．WGYC－1A 型微機式過壓過激磁保護特性分析[J].東北電力技術，2002
淺談電力工程中輸電線路施工管理
試論電力系統的無功功率和電壓控制
【論文摘要】電力系統鐵磁諧振一直影響著電氣裝置和電網的安全執行，特別是對中性點不直接接地系統，鐵磁諧振所佔的比例較大，因此對此類鐵磁諧振問題研究得較多。本文針對電力系統諧振消除方法進行探討和分析，並提出一些意見，為相關工作者提供參考。
0.引言
電力系統中過電壓現象較為普遍。引起電網過電壓的原因主要有諧振過電壓、操作過電壓、雷電過電壓以及系統執行方式突變，負荷劇烈波動引起系統過電壓等。其中，諧振過電壓出現頻繁，其危害很大。過電壓一旦發生，往往造成系統電氣裝置的損壞和大面積停電事故發生。據多年來電力生產執行的記載和事故分析表明，中低壓電網中過電壓事故大多數是由於諧振現象引起的。日常工作中發現，在颳風、陰雨等特殊天氣時，變電站35kV及以下系統發生間歇性接地的頻率較高，當接地使得系統引數滿足諧振條件時便會發生諧振，同時產生諧振過電壓。諧振會給電力系統造成破壞性的後果：諧振使電網中的元件產生大量附加的諧波損耗，降低發電、輸電及用電裝置的效率，影響各種電氣裝置的正常工作；導致繼電保護和自動裝置誤動作，並會使電氣測量儀表計量不準確；會對鄰近的通訊系統產生干擾，產生噪聲，降低通訊質量，甚至使通訊系統無法正常工作。
諧振是一種穩態現象，因此，電力系統中的諧振過電壓不僅會在操作或事故時的過渡過程中產生，而且還可能在過渡過程結束後較長時間內穩定存在，直到發生新的操作諧振條件受到破壞為止。所以諧振過電壓的持續時間要比操作過電壓長得多，這種過電壓一旦發生，往往會造成嚴重後果。執行經驗表明，諧振過電壓可在各種電壓等級的網路中產生，尤其在35kV及以下的電網中，由諧振造成的事故較多，已成為系統內普遍關注的問題。因此，必須在設計時事先進行必要的計算和安排，或者採取一定附加措施（如裝設阻尼電阻等），避免形成不利的諧振迴路，在日常工作中合理操作防止諧振的產生，降低諧振過電壓幅值和及時消除諧振。在6~35kV系統操作或故障情況下，系統振盪迴路中往往由於變壓器、電壓互感器、消弧線圈等鐵芯電感的磁路飽和作用而激發起持續性的較高幅值的鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振可以是基波諧振、高次諧波諧振、分次諧波諧振，其共同特徵是系統電壓升高，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸；或產生高值零序電壓分量，出現虛幻接地現象和不正確的接地指示；或者在PT中出現過電流，引起熔斷器熔斷或互感器燒壞；母線PT的開口三角繞組出現較高電壓，使母線絕緣監視訊號動作。各次諧波諧振不同特點主要在於：
②基波諧振時，兩相電壓升高，超過線電壓，但一般不超過3倍相電壓，一相電壓降低但不等於零。
③高次諧波諧振時，三相電壓同時升高或其中一相明顯升高，超過線電壓，但不超過3~3.5倍相電壓。
2.例項分析
2.1事故前系統執行方式
事故前，某110kV變電站有110kV單母分段、35kV單母分段、10kV單母分段執行，10kVI母接511所變、513負荷I線、514負荷II線、518電容器、519電容器執行；10kV母線II段接521電容器、522電容器，電壓及負荷均正常；10kV母線II段PT執行。
2.2事故經過
2010年6月21日23時12分，監控語音報警此變電站“10kV母線I段接地”、“10kV母線II段接地”訊號，監控屏顯示10kV母線II段電壓值為：
Ua=6.21kV；Ub=7.03kV；
Uc=7.80kV；3Uo=64.11V。
23時14分，511所變發出“開關分閘”、“511開關電流II段”動作、復歸、“511站用保護測控裝置告警”、“511開關過負荷告警”、“逆變電源交流失電”復歸訊號。511所變開關變為“分”位；同時513負荷I線、514負荷II線、518電容器、519電容器發出“線路保護測控裝置告警”、“PT斷線”訊號；521電容器、522電容器發出“保護裝置告警”、“電容器PT斷線”等訊號。隨後，後臺顯示10kV母線II段電壓值持續升高，23時15分升高為：
Ua=8.94kV；Ub=9.91kV；
Uc=12.00kV；3Uo=119.97V。
排程值班員於23時18分下令遙控斷開514負荷II線開關，電壓恢復正常。22日01時50分，巡線人員彙報：514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上，操作人員已將分支拉開……。故障排除後合上514負荷II線開關，送電正常，後未見異常情況。
2.3事故原因分析
例項中所涉及變電站的514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上後，三相系統對稱性被破壞，出現零序電流、中性點偏移和對地電位U0，即開口三角有了零序電壓，零序電壓疊加在二次側三相電壓上，就出現了二次側三相電壓不平衡現象。事故起因：514負荷II線機磚廠支線奶牛廠變壓器引線熔斷後搭在變壓器外殼上，然後10kV母線接地，系統引數發生變化滿足諧振條件，諧振發生之後10kV母線II段三相電壓及零序電壓迅速升高，由電壓波形及數值可知是發生高次諧波諧振（鐵磁諧振）。正是諧振導致繼電保護和自動裝置誤動作發出一系列錯誤訊號。此狀況下，需要仔細判斷真假訊號，以便很好地進行事故處理。例項中的事故發生後，當班排程員作出了諧振的準確判斷，並根據工作經驗進行接地選線，迅速查找出故障線路，並將其切除。
3.諧振事故解決方法
PT在正常工作時，鐵芯磁通密度不高，不飽和；但如果在電壓過零時突然合閘、分閘或單相接地消失，這時鐵芯磁通就會達到穩態時的數倍，處於飽和狀態，這時，某一相或兩相的激磁電流大幅度增加，當感抗與容抗引數匹配恰當（滿足諧振條件）時，即會發生諧振，即鐵磁諧振。發生諧振時，會在電感和電容兩端產生2～3.5倍額定電壓的過電壓和幾十倍額定電流的過電流，通過PT的電流遠大於激磁電流，嚴重時會燒壞PT及其它裝置。
3.1防止諧振過電壓的一般措施
①提高斷路器動作的同期性。由於許多諧振過電壓是在非全相執行條件下引起的，因此提高斷路器動作的同期性，防止非全相執行，可以有效防止諧振過電壓的發生。
②在並聯高壓電抗器中性點加裝小電抗。用這個措施可以阻斷非全相執行時工頻電壓傳遞及串聯諧振。
③破壞發電機產生自勵磁的條件，防止引數諧振過電壓。
3.2防止諧振過電壓的具體措施
①35kV系統中性點經消弧線圈（加裝消諧電阻）接地，並在過補償方式下執行，它的電壓作用在零序迴路中。
②儘量減少6~35kV系統並聯執行的PT臺數。
a.凡是6~35kV母線分段的變電所，若母線經常不分段執行，應將一組PT退出作為備用；
b.電力客戶的6~10kVPT一次側中性點一律為不接地執行③更換伏安特性不良的6~35kVPT。
④6~35kV一次側中性點串聯阻尼電阻或二次側開口三角形繞組並聯阻尼電阻或消振器。
⑤6~10kV母線裝設一組Y形接線中性點接地的電容器組。
⑥在10kVPT高壓側中性點串聯單相PT。在實際工作中諧振的發生往往伴隨著接地故障，很多時候甚至就是由接地引起的，消除諧振常常採取的有效方法是改變系統執行方式以改變系統引數，破壞諧振條件。改變系統執行方式經常通過以下途徑實現：
a.投退電容器。
b.增投線路。
c.若變電站有一臺以上數目的主變，可視具體執行情況將原本並列（分列）執行的變壓器分列（並列）。
d.母線並解列。
若上述方法不能消振，應採用尋找線路單相接地故障的方法進行選線，選出故障線路後，立即將其切除。選線原則參照系統單相接地故障處理方法。此方法是最有效最能解決問題的，但往往不一定能準確及時判斷出接地線路，以致延誤消振時間，所以，工作中為及時消除諧振一般先考慮選擇上述四種途徑。
4.總結
針對某110kV變電站諧振事故，利用諧振原理與知識，分析了此次事故發生的原因，並結合實際工作經驗對諧振過電壓給出了多種控制措施和方法，以便具體工作中借鑑和運用，有效提高系統執行穩定性，提高供電安全性和可靠性。
【參考文獻】
［１］於麗敏，徐其軍，李京．WGYC－1A 型微機式過壓過激磁保護特性分析[J].東北電力技術，2002
試論電力系統的無功功率和電壓控制