220KV变电站运行过电压分析及抑制对策

时间：2024-05-17

宋义林

(广东电网公司物流服务中心，广东广州 510600)

随着我国电网技术的发展，220kV变电站已成为城市供电的枢纽。在220kV变电站运行操作过程中，避免不了发生操作过电压或者谐振过电压等情况，极可能危及设备的正常运行，甚至可能威胁到操作人员的人身安全。

1 变电站的过电压

所谓过电压是指在电力系统中，出现电压升高或者电位差升高的现象，从而对绝缘产生危害，通常将操作、故障过渡时所出现的持续时间较短的过电压定义为操作过电压。操作或者是故障所形成回路自振和非线性设备的饱和、参数周期性变化等引起的非线性谐振所产生的过电压，这种过电压现象即为谐振过电压。谐振过电压属于稳态现象，通常会持续较长的时间，甚至会持续到出现新的操作将谐振条件破坏才会停止。很多情况都会出现过电压现象，比如故障的发生与排除、线路的分合闸、负载突变等。

1.1 低压系统中过电压的产生

一般220kV变电站的接线方式是三相四线制或者三相五线制，中性点接地和变压器中性点同时接地，并连接接地轨道以及总等电位铜排。TN低压电网有一点是直接接地的，电气设备外露的部分通过TNC、TNS以及TNCS等三种方式，通过保护线连接接地线。

根据不同的用途，变电站的接地形式通常分为保护接地、防雷接地、防静电接地以及工作接地；接地是否与规范要求相符会对设备安全、人身安全产生直接的影响。

根据工程的指标要求，电力系统接地网的接地电阻不大于4欧。变电站开始运行到后续的扩建改造，整个过程会使接地网的结构出现很大的变化。通常一个变电站要保留完整的地网实际联络图和每年的试验参数不是很现实。接地网属于隐性工程，从工程设计开始，到安装、选材以及最终的验收，都需要较强的责任心。如果地网埋入地下后，存在选材不合理、焊接不牢靠、无法满足热稳定要求等隐患，即使在投运几年后也很难准确的检测出来。

1.2 低压系统中接地防护问题产生的原因

首先，变电站工程的建设通常是包工包料，再加之缺乏有效的监督机制，变电站的接地网往往存在焊接工艺的隐患，比如沙石土壤或者地质干燥的区域，往往无法保证接地电阻的标准参数；或者焊接焊点热稳定截面承受接地故障电流所产生的热效应参数无法得到有效保证等。

其次，变电站在扩建时存在新旧地网连接的现象，但是旧地网未能重新打磨焊接，并且未对新旧联络点做出记录。

再次，在变电站的工作现场，集成芯片、模块由于静电而损坏等问题。此外，应用微机保护也要求系统的抗电磁干扰、抗静电干扰等性能更高。而对于电缆屏蔽系统仅仅依靠一层金属屏蔽层是不够的，仍然需要良好的接地系统。

2 空载变压器操作过电压及其抑制对策

2.1 原理分析

所谓的变压器空载运行是指变压器的一次绕组与电源相连，而二次绕组开路的工作状态。一旦变压器处于空载运行的状态，一次绕组与交流电压连接后，会在绕组中产生电流，这种电流即为空载电流，也叫花子励磁电流。一旦空载变压器被切除以后，因为空载电流相对较小，而断路器切断小电流的过程中开关中会出现很强的游离作用，这种情况下如果电流不为零，则容易出现强制熄弧的现象，这种现象即为截流，截流就会在变压器上产生过电压。

2.2 防范措施

在操作空载变压器过程中，会产生一种无法避免的物理现象，即截流，由于断路器的截流而产生操作过电压的问题，可采取如下措施进行防范：

(1)改善铁芯

改善铁芯对空载电流有一定的降低作用。因为磁化电流、铁损电流共同组成空载电流，而磁化电流会产生磁通，铁芯损耗引起铁损电流，所以变压器的铁芯就是降低空载电流的关键因素。进一步改进铁芯结构，提高铁芯的质量是两种基本措施，可利用冷轧晶粒代替硅钢片，因为冷轧晶粒的导磁系统比较高。在大修变压器时，要严格根据相关的质量标准检修铁芯。

(2)绕组采取纠结式

220 kV变压器是芯式变压器，如果其绕组方式为纠结式绕组，则变压器的寄生电容就会有所增大。纠结式绕组是把绕组中另一线匝直接插入到电气上相邻的线匝之间，使得绕组的纵向电容有所增加，而实际相邻的匝间电位差也会进一步增大，从而在出现过电压现象时，起始电压可以在各线匝之间均匀的分布。

(3)采用带并联电阻的开关

在截流的一瞬间电感中的磁场能会转化为电能，对电容进行充电。这时如果开关与电阻并联就可以释放电感中的磁场能量。在截流前带并联电阻的开关闭合后，就短接了开关并联电阻，在截流后开关再断开，电感中的电势就会对电阻形成电流，从而电感中的磁场能量就会被消耗掉。

3 母线系统谐振过电压的分析及其抑制对策

3.1 原理分析

形成铁磁谐振最根本的原因是由于变压器或者电压互感器等铁磁电感，在故障暂态过程或者分闸操作过程中，铁芯会发生饱和作用，满足了谐振条件。由于铁磁电感呈非线性的特点，其大小由铁芯的饱和程度来决定，而其饱和程度又由暂态过程中TV三相绕组所承受的电压幅值来决定，因此电压越高铁芯就越饱和，此时电感就会越小。母线系统所发生的铁磁谐振分为两种情况，即串联铁磁谐振与并联铁磁谐振。

220 kV变电站包含了多个系统，包括大电流接地系统与小电流接地系统，还有中性点不接地系统等。在实际操作过程中，TV的非线性电感只要有足够大的变化范围，就存在发生串联谐振或者并联谐振，以及产生过电压的可能。过电压的表现通常如下：电压互感器出现异常响声、母线电压一相或者两相出现升高的现象、电压互感器开口三角形电压有所升高等，这些过电压问题可能会造成系统的绝缘处被击穿，或者母线电压互感器过电流被烧毁。

3.2 防范措施

通过以上原理分析，对改善铁磁谐振，可采取以下三种相应措施，包括：改变谐振回路参数、取掉均压电容、改变操作顺序或运行方式。其具体操作可以从两种途径加以解决：

(1)倒闸操作

首先要注意操作步骤的正确性。当母线停电时，先把母线TV隔离开关拉下来，再拉下母联断路器；送电时则执行相反的操作顺序。当电源向母线升压时，要先将断路器合下再进行升压，当升压结束停电时，要先把电压降至归零，再拉下断路器。如果母线差动保护动作跳闸而造成一条母线停电，则要把母联断路器的隔离开关及时拉下，或者拉下母线TV的隔离开关。其次要注意运行方式的改变。通常相关的电力调度规程中都会做出明确的规定：在进行母线倒闸操作的过程中，值班人员要避免断路器断口电容和电磁式电压互感器发生铁磁谐振。一旦出现铁磁谐振的情况，要马止采取一切措施来破坏谐振条件，比如改变一次接线方式或者切断谐振回路电源等。第三，在操作过程中增加电容。可以通过其他方法增加系统中的电容值，比如外接电容、投入空载线路、投入空载变压器、投入消弧线圈、接入电缆线路、分段断路器、拉合母联以及投入空载线路等措施，以便躲开谐振区。第四，可以采取短接TV开口三角形绕组或者装设消谐装置的方法。相关工作人员除了要根据操作规程做正常处理外，还可以按照实际情况瞬间短接TV开口三角形绕组，或者设置诸如消谐管、阻尼电阻等消谐设备，从而消除谐振，这种作法可以非常有效的消除谐振，特别是分频谐振。第五，在倒母线操作过程中，断开母联开关后要马上对停运母线电压进行检查，查看其是否为零，如果母线电压高于感应电压，则要将断开的母联开关马上合上；如果在母线停运了很长时间后才发现母线谐振，要及时停运母线，并带上一个不带电源的元器件以便可以消除谐振。

(2)技术设备

首先要详细、全面的了解系统参数。第一步先查阅、测量或者计算系统的对地电容参数以及TV励磁特性，对其是否处于谐振范围内做出判断。通过实践可以证明，断路器的断口均压电容C≤450pF，此时产生铁磁谐振的可能性很小；如果断路器的断口均压电容C≥900pF，则产生铁磁谐振的机率就会大大增加。其次要对设备做进一步的改善，系统中采用电容式电压互感器，能够由本质上彻底消除产生铁磁谐振的条件。第三，在设备检修的过程中要严格把握检修质量，确保在倒闸操作过程中，断路器三相是同期动作，从而断路器的灭弧能力以及动作的同期性均会有所提高，这样对操作过电压有一定的限制作用。第四，减少TV的接地点数。通常TV接地有两种接地方式，即工作接地与保护接地。第五，采取避雷设备加以保护。如果在电气设备的输入端，比如变压器或者电压互感器等安装避雷设备，并进行可靠的接地，则防止操作过电压的效果也非常好。第六，如果是小电流接地系统，采取经消谐电阻或者消弧线圈的接地方式来取代TV中性点直接接地的方式，也可以防止操作过电压。此外，还可以在TV开口三角形绕组上并联消谐管或者设置阻尼电阻，阻值通常在10～100Ω范围内。