一起变电所母线电压互感器铁磁谐振事故的分析

作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 69 更新时间：2008-9-24 10:07:29
袁　毅
佛山电力工业局，广东省佛山市，528000 1　引言
目前，我国电力系统变电所母线上的电压互感器绝大部分是电磁感应型的，110kV及以上等级的断路器大部分都带有断口均压电容器。这些母线上的设备运行中,当达到某种参数条件时，就会发生电压互感器铁磁谐振，产生过电压，损坏设备，造成事故。220kV佛山站110kV侧母线电压互感器发生的铁磁谐振事故就是一个典型的例子，类似的事故在国内有不少报导。因此，有必要对此类事故进行分析和研究，以采取有效的防范措施，杜绝此类事故的发生。
2　事故过程
220kV佛山变电站位于广东珠江三角洲区域的佛山市市区内，是一个有30多年历史的枢纽变电站。该站现有150MVA的三线圈变压器2台，220kV出线3回，110kV出线9回，110kV配电装置的电气结线为双母线带旁路专用母联结线。
1997年5月3日，佛山变电站110kV配电装置技改工程竣工投产。启动投产前的运行方式如图1所示：空出110kVⅡ段母线及2号主变压器准备对110kV佛城线、佛张线、佛庄线充电，母联开关B5处于分闸位置，1号主变压器接在110kVⅠ段母线上带其余110kV出线供电。

图1　谐振时等效回路
开始操作时，电源通过2号主变压器对110kVⅡ段母线、12PT、佛城线、佛庄线、佛张线充电，充电完成后切断2号变中开关B1、佛城线开关B4、佛庄线开关B2、佛张线开关B3。上述开关两侧的刀闸没有拉开，12PT刀闸没有拉开。
14时56分，对侧110kV站通过佛庄线充电至本站110kVⅡ段母线，准备12PT电压互感器与11PT电压互感器核对相序，此时发现Ⅱ段母线电压表指针大幅度摆动，UAB、UBC电压达150kV以上，12PT A相电压互感器的金属膨胀器盖弹出。立即切断佛庄线开关B2，启动委员会研究认为12PT电压互感器可能受到过电压冲击，决定停止启动操作，将2号变中开关B1转至110kVⅠ段母线备用，操作顺序是先合上2号变中1021刀闸后拉开1022刀闸。
15时35分，合上2号变中1021刀闸时发现Ⅱ段母线电压表指针剧烈摆动，12PT电压互感器爆炸起火，立即手动切断1号主变三侧开关后事故消除。此次事故使8个110kV变电站失压。
事故后检查发现：12PT A相电压互感器JCC6-110爆炸损毁，其内部线圈有短路痕迹；B相和C相电压互感器内部线圈的绝缘也遭破坏，局放试验测量结果大于1000PC；1号主变变中侧中性点接地软铜线熔断；12PT电压互感器上方的架空线B相与C相有短路痕迹，烧毁了多只绝缘子；12PT避雷器FCZ-110的B相和C相计数器各动作1次；1号主变变中101开关SW4-110　B相和C相的断口油呈碳黑色；1号主变变中零序过流保护和相间过流保护动作；故障录波器动作，录取到过电压和故障电流。
3　事故分析
事故发生的当日天气晴朗，不存在雷暴过电压击毁12PT电压互感器的可能性；佛山变电站的110kV出线线路长度仅为3～15km，也不存在切除空载长线路过电压的可能性。因此，极大可能是12PT电压互感器发生铁磁谐振而产生过电压。
因为2号变中102开关对3回110kV出线间隔充电完成后，均未拉开开关两侧刀闸，使开关断口的均压电容器与12PT电压互感器并联在一起。佛庄线的对侧变电站充电至本站110kVⅡ段母线时，很明显12PT电压互感器发生了谐振，因为从母线电压表上读到的过电压达1.4倍的额定电压，A相电压互感器的膨胀器盖弹出证实了其受到了过电压的冲击。本来决定停止启动操作是正确的，但是2号变中102开关转换至110kVⅠ段母线备用过程中操作顺序错误，致使1号主变的电源电压过通2号变中的1021刀闸和1022刀闸充电至110kVⅡ段母线上时，12PT电压互感器再次发生谐振，使A相电压互感器爆炸引发了本次事故。
事故时回路的等效电路图如图2所示。由图1、图2可知，12PT电压互感器的电感L与开关断口的均压电容器C形成并联回路(线路对地的分布电容很大、主变的电感很小均可忽略不计)。在额定电压下，电压互感器的一次侧电流约为26～78mA，母线上4个开关断口电容器对地电流约为72mA，当e接近或等于L时，并联谐振发生。过电压使电压感互器铁芯磁路饱和，励磁电流大增，过电流烧毁了线圈的绝缘，引起线圈匝间短路，最终扩大到接地短路，接地短路电流和巨大的热量使A相电压互感器发生爆炸。

E*：电源电压V*N；L电压互感器电感：C开关断口电容900PF
图2　谐振时等效回路
由于A相接地而使B相和C相电压升高，这一升高的电压与谐振过电压叠加在一起，促使避雷器放电间隙动作，因此，避雷器计数器各动作1次。
A相电压互感器爆炸的火球(金属性电弧)上窜至B相和C相架空线之间，触发了B、C相间短路，烧毁多只架空线的绝缘子瓷瓶。
A相电压互感器接地相当于母线接地，巨大的接地短路电流在继电保护动作切闸之前将过流容量不足的1号主变110kV侧中性点接地铜软线熔断，接地故障电流随之消失。
1号变中101开关B相和C相切断故障电流，开关断口油呈碳黑色；由于接地点熔断，A相开关无切断过故障电流。
1号主变变中零序过流保护动作，在延时4s的动作过程中因接地故障电流消失而返回，最后由相间过流保护动作使101开关跳闸。
从故障录波图分析，可以清楚地看到由谐振过电压引发的A相电压互感器接地短路，继而扩大至B、C相间短路的事故全过程，从而证实了上述的分析。
4　防止电压互感器发生谐振的措施
为了防止运行中电磁感应式电压互感器发生谐振，关键要是防止运行母线上LC并联回路的生成。采取下列措施之一就可以防止电压互感器谐振的发生。
(1)选用电容式电压互感器替代电磁感应式电压互感器。
(2)选用不带断口电容器的断路器。
(3)母线倒闸操作时，切断开关后随即拉开开关的两侧刀闸。
(4)在谐振初期，当发现母线电压突然升高时，迅速拉开电压互感器刀闸，或迅速切断电源回路的开关。
(5)母差保护动作切除母线上开关元件后，迅速拉开电压互感器刀闸。
(6)中性点非直接接地的电网的电压互感器经消谐器接地。
5　结语
(1)本次电压互感器谐振事故的发生，是由于启动方案的操作步骤中没有考虑防止电压互感器谐振的措施，谐振发生后操作处理又不当而引发了事故。
(2)目前电力系统中多使用电磁式电压互感器和带断口电容器的断路器。一般来说，母线电压互感器与3个以上断路器断口电容器并联运行就有可能发生铁磁谐振。
(3)由于电压互感器的电感是非线性的，这种铁磁谐振的特点是产生的过电压不算很高，约1.5倍UN，但产生的过电流却很大，足以烧毁电压互感器内部线圈的绝缘而引发事故。
(4)只要采取本文第4点中介绍的一些措施，就能防止电压互感器谐振事故的发生。
 
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