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摘要：过电压分两类，外部过电压和内部过电压。外部过电压又称雷电过电压。内部过电压是电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压，分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压[1]。本文结合作者工作经历，对工作中见识到的部分内部过电压进行分析，旨在为技术人员提供一些现场实际情况的解决方案，其中包含部分谐波问题、合闸线圈小型化引起合闸非同期问题、主变中性点问题的处理。

关键词：电力系统；内部过电压；系统低负荷状态；合闸线圈小型化；中性点接地系统；谐波分量；非同期合闸

引言：

2018年某日，晴，某220kV变电所1#主变重瓦斯保护动作，35kV侧线圈烧毁；为了尽快恢复这次非计划性停运造成后果，紧急更换了原厂，无励磁调压主变，最终导致该区域，缺少了一种极重要的电压控制方式。经过专家分析，该次主变爆炸事故，为谐波分量引起内部过电压。

1 电力系统产生环境部分介绍

1.1 谐波分量

谐波分量是指一个周期电气量的傅立叶级数中次数大于1的整数倍分量。引起谐波分量异常原因很多，包括：发电源质量不高产生谐波；输配电系统产生谐波；用电设备产生的谐波[2]。

1.2 电力生产的特点

由于高压，大负荷电力系统中，没有直接存储电能的设备（电力电容非大负荷/抽水储能非直接电能存储）。并且电能传输速度等于光速，所以电力系统，是一个发电/输电/变电/配电/用电这一系列工作，近乎同时完成的系统。

这使得电力信息检测设备，无法检测出各类电力信息的传递过程。我们只知道该信息出现了，却不知到它是从哪里传递出来的。让我们来举个不恰当的例子：比如我们玩一个传话游戏，十个人排成排，相互隔离开，由第一个人说出一句话，只告诉第二个人，由第二个人转述给第三个人… 最后一个人若转述出来的话，与第一个人不同了，我们可以通过每个人身边的摄像头，回查具体是那个人转述错误。但是换到电力系统，电能传递过程，第一个人传话的同时，后面十人也一样开始同样的传话，并且最终能通过摄像头（记录设备）记录下来的，只有通过了十人传话的最后句话。哪怕摄像头装在第一个人那里，也只能记录下十个人传话的最后一句。这就是发/输/变/配/用系统同时性的含义。或者说，这句话不能只由第一人定了，而是全部十人共同定下。快到同一瞬间全部成员完成沟通，并统一口径。使得测控设备无法记录下，谁说出那部分错误话语。只是记录下了最后话语，该话语是否符合要求，还是通过与正弦波对比，查看其中不同之处的方法来确定的。

1.3 电力设备安全运行几个要素

电力系统安全运行，主要体现在电压、电流、稳定性（足够容量/准确的频率/无功平衡等）。这里容易直接引起设备损坏的，主要是电流和电压。

很多人会将高电压/大电流作为一个整体来考虑。觉得电力设备是需要能够承受高电压/大电流的作用下正常工作。这样考虑对于专业人员来说是不可取的！因为电压与电流对电力设备影响，或者说需求是不同的。电压主要体现在绝缘上。电流主要体现在散热及突变引起的强大应力上。也就是电力设备要求的动稳定及热稳定。

若将电力设备在系统中运行比做船在海中航行，那么流过设备电流相当于船的负载。而设备承受的电压，犹如水面了。大家有没有听过这么一个故事；说一艘海船空载返航时，遇上风浪；船长果断下令往船体里注水。因为，空载的船是极不稳定的，容易侧翻。

电压也是有这个特点的，在电力负载轻的情况下，电压容易受到外部条件影响，出现大幅变化，从而导致设备部分绝缘击穿。

尤其是中性点不接地系统，这种现象更为明显；因为系统中性点，就是所有设备共用的船锚。

2 部分偏远地区电力系统现状

目前部分偏远地区，尤其是110kV及以下电力设备，绝缘有一定裕度的大环境下[3]。电力系统运行，过于侧重于电力系统电流特性，略微忽略了电压特性。使得部分过电压导致绝缘破坏类故障。

3 导致过电压的因素谐波问题

3.1 谐波在现场实际体现

由于电力系统，发/输/变/配/用同时性，其中，各类设备众多。在中小型变电现场，所记录的谐波分析，基本上来源于故障录波系统。其中的波形文件。电压/电流波形中，与正弦波形有差异部分。

故障录波器，记录下的谐波状态，只是当前系统整体的电压出现谐波，或某支路电流出现谐波，如前文第2节所述，只知道该谐波是从那个发电/输电/变电/用电系统中出现的，而来源于具体那个设备，不得而知。使得部分系统中，长期存在小量谐波分量，难以定位并找出解决方案。

3.2 部分可能存在发电系统谐波问题的设备举例

1991年，要求各市县小型电网必须并入电力系统，统一调度。当地水利局下属部分乡镇自用水利发电站。却始终无法并网运行。水利局成立小水电股负责技术问题。其技术负责人通过检查发现，由于部分发电机制造工艺不足，及设备运行环境问题，引起中性点电压在波动，并伴有谐波分量。使得无法完成同期条件。技术负责人通过自制发电机中性点消弧线圈，增加谐波分量阻抗，使得谐波分量大幅降低。临时解决无法并网问题。完成并网后，小水电股立即被撤销，无法完成后续参数细化调整工作。对于该部分老旧发电设备引入的谐波分量，可以通过退役或细化调整已达到降低直至消除。

3.3 犹如一团乱麻的谐波分量

因为上述原因，具体谐波情况，犹如一团乱麻。知道谐波来源于众多设备中，看到了电压/电流波形的非正弦化。但具体来源于哪里，更多的只是推演、工作经验总结及部对应上时间及系统地址①的事件。如上面例子，这部分老旧电站未并网的情况下，自己独立运行，才能发现其中是会产生谐波的。但是并入整个电力系统并网后，谐波电压同时出现在整个系统中，谐波电流可以监测到，每个含有测量TA的分支。但其中也涉及数百上千个设备，具体来源的却也很难确定。

4 容易被忽略的，短路阻抗过低及中性点运行方式

4.1 关于低负荷情况下，不平衡负载对电压影响

电力运行如行船，负载是负重，过电压是风浪。负重过度容易沉没，但负载过轻，在遇到风浪时，容易侧翻（绝缘击穿）

如前文第1.3节所述一般情况下，人们认为高电压大电流是出现危险的前提。但，其实电力系统，电压电流是制约安全运行的两个独立因素。电压直接对设备绝缘构成威胁，而电流更多的是对设备散热及机械稳定性构成威胁（动稳定/热稳定）。而其中，系统负载低的情况下，更容易发生电压问题，却很容易被忽视。

4.2 低负载情况下，负载不平衡引起电压变化案例：

某110kV变电所改造，其中涉及了一新设备，就是35kV的电容式电压互感器。当设备投运时，对35kV母线及各出线设备至线路压变，进行冲击合闸试验。上电后，发现系统电压呈现单相接地状态。C相电压几乎为零，而AB相电压上升至线电压。现场检查，却未发现有接地点。经过现场技术负责人研究，觉得可能是电容式线路压变引起。系统空载运行时，几个电容式线路压变增加的负载，就引起了系统不平衡。使得整个电压系统呈现单相接地状态。后退出线路压变，系统电压恢复正常。再后续，带上几条空载线路从新投入线路压变，系统电压也是正常的！说明，有一定负载的情况下（哪怕一两条空载线路引入的容抗），整体电压不会因为一点点的负载不均衡而严重变化。

所以，系统不平衡引起的电压问题，它只考虑各相负载的平衡性，跟负载大小无关。反而，在较大负载的情况下，负载变化不明显，更容易稳定。

4.3 关于部分中性点接地系统相关故障引起过电压

中性点是船锚，失去中性点，更容易引起绝缘问题。

4.3.1 中性点接地对系统的作用

正常情况下，负载平衡，中性点理论上是处在零电位的[4]。但以下几种情况将会导致中性点电位改变：

1） 由于三相负载不平衡，将会在中性点产生偏差的电位，如上所述，尤其是负载较轻的情况下，小量的负载变化，就会引起中性点电位偏差。

2） 系统单相接地，将在中性点产生一个与接地相反向的电位。即中性点上升为相电压。

由于110kV以上电力设备，绝缘强度成为制约设备制造成本的一个主要因素，为了防止单相接地，非接地相对地电压上升引起绝缘损坏，所以110kV及以上系统中性点必须接地。

而一个系统中，如果两台以上主变通过母分或母联设备并列时，若两台或多台主变长期中性点均接地，将会产生不能允许的环流。所以正常运行时，若多台主变并列，将会只留下一台主变中性点接地，其他主变将中性点接地闸刀分闸，以防止环流。

但是，在特殊情况下，短时出现系统无中性点接地运行，就可能会带来严重后果。

4.3.2 失去中性点后，因负载不平衡，引起中性点电压偏离，电压波动故障扩大案例

某220kV变电所，某间隔110kV正母闸刀未合闸到位，开关合上后，闸刀刀口烧弧（此时只是刀口烧弧）。

故障时，双主变110kV系统通过母联开关并列运行，中性在#2主变侧。故障设备投入正母运行，正母上共两间隔投运，一个为故障间隔，一个为#1主变110kV间隔。

首先故障位置为，两相未接触到位的闸刀刀口，通电后，出现烧弧现象，两团火球持续燃烧数分钟，未继续扩大，也无熄灭迹象，达到了稳定状态。

后随着110kV母联分闸，正母系统内失去中性点，只剩下单电源（1#主变110KV侧）带单负荷（故障所在间隔）运行。这种单负载系统，负载任何变化就是整个系统负载的变化了。烧弧两相，阻抗明显增加，三相负载极不平衡，中性点电压上升，高阻抗相对地电压升高。

闸刀刀口烧弧，弧光/大量热量/金属雾气导致附近空气绝缘明显下降。在遇上了被母联切除后失去中性点锚定，烧弧相对地电压升高。立即导致弧光对地再次击穿，引起接地故障，母差保护动作跳开110kV正母所有开关。

对比，在系统未失去中性点时，只是闸刀刀口处烧弧；失去中性点后，立即转变成接地短路故障，可以很好说明，中性点是行船的锚。尤其在低负载，或单一负载情况下，它保证了系统各相电压各自独立，不受负载情况而改变。

4.4 目前电力系统运行的习惯，偏好控制短路阻抗，却增加了低负载运行的风险

目前，电力运行方案，喜欢将各侧联络开关断开，将系统分成若干个小系统。这样，将各电源分配到不同母线，减少了母线上联络电源数量，从而减少母线的短路阻抗[5]。减少故障短路电流，降低动/热稳定性及开关分闸开断电流的需求。想为电气设备提供更好的运行环境。

由于，电力负载，是随着用户需求不停改变的！如前文第1.2节所述 所以，发电用电是同时进行，其中发电量是随着用电情况调整的！也就是短路阻抗和负载，也是在不停改变中的。期间，总体呈现峰谷电态势。

而其中，分列运行的母线，有如下因素使得低负载情况更容易发生。

首先总负载与电源就被一分为二。各母线上各自承担的负载，相当于减半了。

其次，各母线上的间隔数量也是原来的一半，比如并列运行整体有10条出线，那么只要有1条出线有一定负载，那么并列的所有母线均是有足够负载的。但若分列成两条母线，每条母线上，仅有5条出线，若出现上面那种情况，那么该出线未链接的另外一条母线，就会出线负载不足的情况。

而轻负载情况下，尤其是小电流接地系统（中性点未引出，或不接地）将会引起电位稳定性问题，严重时，对设备绝缘产生威胁。

所以，系统运行的时候，除了防止在可能出现的用电高峰期的短路阻抗过低，而选择分列运行外。还应该防止可能出现的，用电低谷期某段母线阻抗过高，而重新并列运行。

5 合闸线圈小型化，非同期合闸问题重燃

5.1 合闸线圈小型化，合闸动力出现不足迹象

5.1.1 开关控制回路多次断线，多为合闸线圈长期励磁未返回引起发热烧毁案例

某间隔，近年来多次出现控制回路断线，现场检查发现，小型化合闸线圈因为长期励磁烧毁！

更换后，正常运行一段时间，又出现控制回路断线。并且，合闸线圈最终还是会因为发热烧毁。

多次更换合闸线圈，问题仍然未解决，说明其他地方也存在问题，那么在这里还有什么问题呢？正常情况下，开关合闸，是测控装置，为合闸线圈供电，通过合闸线圈推动合闸机械扣，开关合闸成功后测控装置返回，停止对合闸线圈供电。

而合闸线圈烧毁，说明合闸线圈一直在通电状态，而开关始终未合闸，从而最终线圈长时间通电，发热烧毁。

不难发现，这部分开关合闸过程，必然是一个合闸线圈励磁时间较长的较艰难的过程，才会使得合闸线圈烧毁或控制回路断线，那么为何会如此？

5.1.2 开关分合闸线圈相同，但合闸线圈工作于大负担下，相对裕度不足

首先，开关合闸释能脱扣器，通过杠杆原理，所需的机械力大为降低了。让使用小型化的合闸线圈成为可能。但是相对的，合闸线圈的行程变长了，需要持续工作的时间也变长了。

其次，正常情况下，开关分/合闸的可靠性要求是不同的。合闸不成功对比分闸不成功后果完全不同。合闸机械结构更趋向于，保证不会因震动或其他原因造成开关误合。这就要求，开关合闸机械卡扣需要更加稳固，而打破这个稳固的合闸线圈，需要提供更大的驱动力。

第三，使用小型化的合闸线圈，节约成本和空间，同时也减少了直流系统负担。但是这里存在几个问题：1）开关机构体积限制，使得合闸释能脱扣器杠杆不可能做得很大。使得合闸线圈仍需提供较大推动力。2）同样，因为合闸机构的要求，需要保证没有合闸指令，可靠的不合闸。这点，使得开关合闸释能脱扣器工作在防止误脱扣的状态，又是需要开关合闸线圈提供住够的驱动力打破这个保护状态。3、由于部分设备工作环境不佳，机构出现卡涩加重脱扣难度。在杠杆原理，加长了行程的情况下，甚至出现，在合闸线圈驱动力不足的情况下，缓慢脱扣的恶劣现象。

5.1.3机械结构弹性空间，使得出现需要出力一定时间才完成合闸，即启动释能时间过长

正常情况下，使用小型化合闸线圈，由于提供的驱动力不足。在开关机械部分，出现老化/锈蚀/卡涩的情况下，容易出现合闸线圈长期励磁[6]，使得控制电源开关跳闸或合闸线圈烧毁。但机械结构有一个弹性空间，除了立刻合闸成功与一直不成功直至烧毁合闸线圈外，还存在一种情况，就是通过合闸线圈一段时间作用下，完成合闸释能脱扣。接下来，笔者想要重点描述该问题，及其给电力系统带来的风险！

5.2 合闸速度问题

首先，每次检修，对开关合闸速度是必然进行试验的。但是，设备随着运行，后续出现合闸速度下降，是无法在实际运行中被发现的。因为，现在自动装置同期合闸，从合闸指令到开关合闸完成，消耗的时间，正常情况下被认为是开关等待同期时间。

其次，现有不少保护，并未设置合闸超时闭锁功能。并且现行规程里，也未明确提出继保装置需要设置合闸超时闭锁。

所以，就算遇到开关合闸时间过长，操作人员与大多数测控装置，是无法判断开关是因为等待同期而未及时合闸，还是启动释能时间过长引起。

5.3 合闸启动释能时间太长，即开关合闸耗时过长，导致无法在同期期间完成合闸

1）传统合闸速度，指开关测控装置，接受到合闸指令，到开关三相合闸到位为止的时间。其中，包括以下几个时间阶段：①接收（KK开关指令/遥控指令/保护指令/自动装置指令）合闸指令并检同期后，给合闸线圈供电。②合闸线圈得电励磁。③合闸线圈驱动合闸释能脱扣。4、开关合闸储能机构释放储能，将开关动静触头闭合（灭弧/先行的分闸储能）。现在，我们只讨论，合闸线圈得电励磁，到成功释放合闸脱扣。本文称其为启动释能时间。

2）传统大功率合闸线圈，得电励磁后，获得极大的电动力。这个电动力住够驱动开关合闸释能脱扣，并且有住够的裕度，哪怕设备长期在较恶劣环境运行，也能保证可靠/及时的完成。但随着合闸线圈小型化后，这个裕度明显不足。导致启动释能时间过长。当开关需要完成两个系统并列时。将可能会出现非同期合闸的危险情况。

3）开关同期合闸，是通过开关两侧TV，判断两侧电压处在同期状态。说到同期状态大家自然联想到如下：①并列开关两侧的电压相等，最大允许偏差20%以内。②并列开关两侧电源的频率相同，一般规定：频率相差0.5Hz内即可进行并列。③并列开关两侧电压的相位角相同。这些没错，但实际上，开关同期合闸时，两侧并不是一直就满足全部条件的。两侧相位差，从0°到360°是一直在变化的。以频率差固定为0.5Hz为例。频差变化一个周期，需要2秒时间。如下图一，可知，同期条件是不停变化的。以0.5HZ频率差来说，每两秒时间内，只有0.3秒的同期时间。其他时间都是不同期的！尤其时间为1秒那个时刻，两个波形是完全反向的。那么，若是因设备卡涩，启动释能时间正好耽误了这1秒，那么结果会是如何？无独有偶，在多年的工作中，让笔者遇到了这么一次。

5.3.4 非同期合闸，引起架空线路闪络事故

事故当日，天气为小雨后的黄昏。乡下110kV变电站，10kV线路由检修该运行后，等待线路环网柜并网期间。突然发现值班室内灯光闪灭后恢复。主变发出不均匀嗡嗡声，持续近10秒后环网柜并列完成。后续检查变电所监控摄像头记录，发现10kV出线架空方向，在那个时刻出线严重闪络，照亮整个后山。

事故当时，10kV系统的唯一操作，就是线路环网柜进行并网操作。并且无雷电活动现象。那么为什么会出现架空线路闪络？首先，架空线路闪络，一定是线路过电压引起的。而10kV系统是小电流系统，是允许单相接地情况下运行2小时的。所以架空线路绝缘，是按照避开单相接地，相电压上升为线电压设计的。虽然雨后空气绝缘性能有下降[7]，但此次过电压，必然是产生了远大于10kV过电压。那么这个过电压从何而来？

首先，当地由于前面所述，存在谐波问题，原先很多间隔，同期要求设置为：压差15%/频差0.1HZ/初相角15°；但这样压根就无法完成同期条件。后续多数开关同期设置成最低要求（上文）。当遇到合闸线圈启动释能时间异常问题出现，正好耽误了1秒时间，使得两侧系统电压正处在反向状态。（如图2）

如图2，当开关因合闸线圈小型化，遇到合闸机构卡涩，引起反向序情况下合闸。同时遇到开关合闸不同期，正常情况下，开关不同期需要控制在5mS之内。但同样的，遇到较差运行环境，开关合闸脱口卡涩问题，往往也会伴随开关同期问题。当同期问题超过20mS；现行50HZ频率下，已经足够系统电压走过一个周期了。

目前，为了限制短路电流，很多大电流系统，选择了分列运行，用以降低系统短路电流。但有得必有失。分列运行降低了短路电流，同样的负载不足情况下，中性点电位虚浮。遇到了上面情况，两个系统中性点根据各自运行方式，出现偏移。系统阻抗小些的，偏移小。系统阻抗大的，偏移大。最终，在高阻系统中未合闸两相的两相电压上升超过线电压。最终导致架空线路闪络事故。

虽然，同时遇到上述情况概率极小。但的确在技术及规程许可的范围内，出现了闪络事故。当然，天气条件不佳，所以绝缘薄弱点在架空线路上。若是天气晴好。那么整个系统的绝缘薄弱点会在哪里？该类型故障，是否能够躲过变压器低压侧避雷器？具体情况，尚需要技术人员计算推演。

但正如前面所述，开关合闸过程中，因为同期因素的不确定性，开关合闸时间是不能反映是否存在启动释能时间异常问题的。而测控装置，同期指令后，是否附带同期指令后完成合闸时间过长闭锁功能，相关规程未给出明确需求。同时，非必要的降低短路阻抗，使得大电流系统长期处在较高阻抗状态，及部分中性点设置不合理等原因，也值得思考下。

6 结论与建议

1） 通过对已经发现出现谐波问题（如3.2节所提出，及其他用心的电力从业者发现，故录排查等）或容易出现谐波问题的设备进行检修调整，通过优化谐波问题，从而将系统更容易进入同期状态，这样可以设置更严格的开关同期合闸条件，使得开关获得更多的同期时间。

2） 多关注系统负载情况，不仅在可能出现高负载时，将系统分列运行。还应该在可能出现低负载情况下，及时将母线并列。

3） 关注系统运行方式，保证高压系统有一个中性点可靠的接地。

4） 可以通过合闸线圈保护器，对合闸线圈进行保护。保证合闸线圈，一次通电最多持续0.2秒，无论开关是否完成合闸，均切断合闸线圈电源，直到本次合闸指令消除为止。

参考文献：

[1]《电能质量电压波动和闪变》GB12326

[2]《电能质量公用电网谐波》GB/T14549

[3]《高压输变电设备绝缘配合》 GB311.1

[4]《电能质量三相电压不平衡》GB/T15543

[5]《电力装置继电保护和自动装置设计规范》GB50062

[6]《模拟电子技术基础》

[7]《高压架空线路和发电厂，变电所环境污区级别及外绝缘选取原则》GB/T16434

作者简介：吴俊烽（1980.05-），男，浙江丽水龙泉，本科，技师/工程师，电力运维正值，研究：主要研究电力安全运行