某大型水電站20 kV系統(tǒng)一點(diǎn)接地后鐵磁諧振現(xiàn)象分析

，， ，

(1.國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625000；2. 錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000)

0 引 言

電力系統(tǒng)中存在著許多電容和電感元件，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電容和電感元件可能構(gòu)成各種振蕩回路，在一定的條件下會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中某些部分或元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓。諧振是一種穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的現(xiàn)象，諧振過電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧振過電壓時(shí)，會(huì)危及電氣設(shè)備的絕緣、燒毀系統(tǒng)中的電壓互感器及影響保護(hù)裝置的可靠性。在35 kV 及以下電壓等級(jí)的中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，當(dāng)線路電容和母線上的電磁式電壓互感器參數(shù)配合不當(dāng)時(shí)，易引起鐵磁諧振，激發(fā)起零序性質(zhì)的工頻過電壓或諧波諧振過電壓，其大小和頻率可從母線上的電壓互感器開口三角繞組測(cè)量出來。這種鐵磁諧振不僅引起虛幻接地，有時(shí)還會(huì)釀成事故，燒毀電氣設(shè)備[2]。

1 事故現(xiàn)象分析

1.1 事故現(xiàn)象

某大型水電站A相發(fā)生定子一點(diǎn)接地后定子接地保護(hù)動(dòng)作，跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器，隨即發(fā)現(xiàn)主變壓器保護(hù)柜A、B相均報(bào)TV異常信號(hào)，且無法復(fù)歸，查看故障錄波波形如圖1，發(fā)現(xiàn)A、B相電壓正常，C相電壓僅為34.5 V，測(cè)量主變壓器保護(hù)柜端子電壓與故障錄波數(shù)據(jù)一致，由于發(fā)電機(jī)20 kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，大致猜測(cè)為TV回路出現(xiàn)故障，在主變壓器低壓側(cè)TV柜測(cè)量電壓同樣與故障錄波數(shù)據(jù)一致，帶電拉開主變壓器低壓側(cè)C相TV后取下一次保險(xiǎn)，用萬用表測(cè)量通斷后發(fā)現(xiàn)TV保險(xiǎn)燒毀，換上同型號(hào)保險(xiǎn)后故障現(xiàn)象消失。

圖1 保險(xiǎn)燒毀后主變壓器低壓側(cè)TV故障錄波波形

1.2 事故原因分析

由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)為不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)A相發(fā)生定子接地后B、C相電壓升為線電壓，此時(shí)存在一定的可能性導(dǎo)致主變壓器低壓側(cè)C相TV保險(xiǎn)擊穿，但考慮到發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地為常見故障，且經(jīng)查證TV一次保險(xiǎn)型號(hào)為RN2-20 kV/0.5 A，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地后相電壓升高為線電壓20 kV后并不會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)燒毀。

經(jīng)查看故障錄波波形后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器后主變壓器低壓側(cè)TV產(chǎn)生諧振。且一次系統(tǒng)諧振電壓最大值頻繁大于20 kV，諧波分析發(fā)現(xiàn)其中二次諧波占主要成分，且鐵磁諧振一直存在。直至當(dāng)主變壓器低壓側(cè)C相TV一次保險(xiǎn)燒毀后鐵磁諧振逐漸消失。

圖2 定子一點(diǎn)接地后主變壓器低壓側(cè)TV故障錄波波形

圖3 主變壓器低壓側(cè)TV鐵磁諧振故障錄波波形

圖4 主變壓器低壓側(cè)TV鐵磁諧振諧波成分分析

圖5 主變壓器低壓側(cè)C相一次保險(xiǎn)燒毀后鐵磁諧振消失故障錄波波形

2 鐵磁諧振原因分析

為了分析并聯(lián)諧振產(chǎn)生的必要條件，把電力系統(tǒng)內(nèi)如圖6所示的三相交流系統(tǒng)一般的TV回路簡(jiǎn)化為如圖7所示的電阻R、系統(tǒng)電感L、電容C的并聯(lián)回路[1]。

圖6 TV在電力系統(tǒng)中的接線原理圖

圖7 并聯(lián)諧振回路

圖7中L為電感系統(tǒng)電抗和TV電抗的電抗和，R為電抗本身的電阻，IL為感性電流，IC為容性電流，ω為系統(tǒng)角頻率。由于并聯(lián)電路在諧振時(shí)，電壓U和總電流I是同相的，圖7中電感支路的復(fù)導(dǎo)納為

(1)

電容支路的復(fù)導(dǎo)納為

Yc=jwC

(2)

并聯(lián)諧振電路的總復(fù)導(dǎo)納是兩條支路的復(fù)導(dǎo)納之和為

(3)

當(dāng)并聯(lián)諧振電路的總復(fù)導(dǎo)納中的電納等于0，即等效總復(fù)阻抗中的電抗等于0時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。設(shè)并聯(lián)諧振的角頻率為ω，則在并聯(lián)諧振時(shí)，由式(3)得

(4)

忽略電阻R對(duì)并聯(lián)諧振的影響，式(4)可簡(jiǎn)化為

wL=1/wC

(5)

正常時(shí)TV的勵(lì)磁阻抗很大，網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗仍呈容性，三相基本平衡，中性點(diǎn)的位移電壓很小，但當(dāng)系統(tǒng)在操作或有故障、擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)對(duì)地電壓有低頻自由分量出現(xiàn)，使TV對(duì)地電壓升高，TV一次線圈中出現(xiàn)涌流。涌流可能使鐵心深度飽和，其電感值隨鐵心的飽和而減小，這時(shí)，有可能出現(xiàn)兩種情況：一是TV的一次電流繼續(xù)增大，燒斷TV一次側(cè)的熔斷器或燒壞TV；另一種情況是當(dāng)電感降至ωPL= 1/ωPC時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鐵磁諧振。諧振使得電網(wǎng)三相對(duì)地電壓不穩(wěn)定，常使兩相電壓升高，另一相對(duì)地電壓降低。

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電網(wǎng)電壓、相位維持不變，故障相電壓下降為近似零值，非故障相上升為額定電壓近似值的1.732 倍，當(dāng)系統(tǒng)接地故障消除后，非接地相在過電壓期間，由于線路電容的作用，已對(duì)線路充入電荷，這部分電荷在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，只能對(duì)電壓互感器的高壓繞組電感線圈放電，而流入大地，在這個(gè)電壓瞬變過渡過程中，非接地相電壓互感器一次繞組勵(lì)磁電流突然出現(xiàn)數(shù)倍于額定電流的峰值電流，可將一次電壓互感器保險(xiǎn)熔斷甚至燒毀TV。另外除三相電壓互感器外，其余的主變壓器、配電變壓器中性點(diǎn)均不接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)周波重燃多次的弧光斷續(xù)接地時(shí)，電壓互感器成為系統(tǒng)對(duì)地放電的通道。其放電電流可達(dá)2 A 左右，是一般電壓互感器一次額定電流200 倍左右，這樣重燃多次斷續(xù)放電，可能造成電壓互感器因劇烈發(fā)熱而燒毀[3]。

3 TV鐵磁諧振治理措施

隨著中國(guó)電力事業(yè)的飛速發(fā)展，配電系統(tǒng)鐵磁諧振的治理辦法也得到了飛速的發(fā)展，其形式和方法多種多樣，但從其防止鐵磁諧振原理可分4類。

(1) 降低鐵心的磁通密度來改善互感器的伏安特性單相三線圈電壓互感器，主要用于系統(tǒng)單相接地保護(hù)。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì)引起工頻電壓升高，鐵心出現(xiàn)過激磁。用于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的電壓互感器，過激磁達(dá)1.5倍，為使鐵心不致過飽和，正常工作磁通密度應(yīng)選得低些；用于中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)的電壓互感器，過激磁達(dá)1.9倍，而且還要考慮防止鐵磁諧振，為此，正常工作磁通密度應(yīng)選得更低些。并且將鐵軛截面比鐵柱放大5%～10%，使其磁通密度再低些。采用伏安特性好的TV，當(dāng)系統(tǒng)在操作或有故障、擾動(dòng)時(shí)，TV鐵心不易飽和，從而有效地抑制鐵磁諧振。

(2)調(diào)整線路參數(shù)中C與L的配合

由上面的分析得到，當(dāng)系統(tǒng)的感抗大于或等于系統(tǒng)容抗的倒數(shù)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，所以在35 kV以下的母線上加裝一組對(duì)地電容器可避免諧振；當(dāng)系統(tǒng)容抗的倒數(shù)不小于電感線圈在鐵心飽和時(shí)的系統(tǒng)感抗時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，所以可以在電感回路中串接電感元件避免諧振，但這樣降低了系統(tǒng)負(fù)載的功率因數(shù)，不可取；此外投入事先規(guī)定的某些線路或設(shè)備，改變線路參數(shù)中C與L的配合，消除鐵磁諧振。

(3)系統(tǒng)中性點(diǎn)改為消弧線圈接地

眾所周知，鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生最根本的原因是電源中性點(diǎn)對(duì)地絕緣和電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)直接接地。因此，如將電源中性點(diǎn)改為經(jīng)接地變壓器、消弧線圈接地方式，該系統(tǒng)零序回路的電感參數(shù)將主要由接地變壓器、消弧線圈的零序阻抗決定。而零序阻抗遠(yuǎn)小于TV的勵(lì)磁阻抗，相對(duì)地穩(wěn)住了系統(tǒng)中性點(diǎn)電位，即使TV勵(lì)磁阻抗發(fā)生突變，也不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振。

(4)在電壓互感器開口三角端子上或在一次線圈中性點(diǎn)上接入適當(dāng)阻尼電阻這種方法是消除鐵磁諧振最簡(jiǎn)單最有效的措施，這種辦法在工業(yè)化應(yīng)用方面得到了很大的發(fā)展，其方法多種多樣，具體有以下幾種。

①TV中性點(diǎn)經(jīng)消諧器和小電阻接地

中性點(diǎn)串入的電阻等價(jià)于每相對(duì)地接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地時(shí)，由于中性點(diǎn)對(duì)地帶有一定電位，故能相應(yīng)減少非故障相TV繞組的電壓，使TV的飽和程度降低，不至于發(fā)生鐵磁諧振。但是電阻的接入使TV開口三角繞組輸出電壓相應(yīng)降低，會(huì)影響接地指示裝置的靈敏性。除了要考慮R≥6%X(TV阻抗)外，還要考慮電阻的熱容量。當(dāng)直接采用線性電阻時(shí)，往往由于電阻元件的容量及絕緣水平選擇不當(dāng)，使引線燒斷，電阻燒毀，沿面閃絡(luò)等。若采用RXQ-10型消諧器，其內(nèi)部由SiC非線性電阻片與線性電阻(6～7 kΩ)串接，在低壓時(shí)呈高阻值，使諧振在初始階段不易發(fā)展起來。在線路出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間單相接地時(shí)，消諧器上將出現(xiàn)千余伏電壓，電阻下降至稍大于6～7 kΩ，使其不至于影響接地指示裝置的靈敏度，同時(shí)非線性電阻片的熱容量相當(dāng)大，可滿足放電電流的要求。

②在TV開口三角繞組接電阻。由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會(huì)導(dǎo)致一次側(cè)電流增大，也就是說TV的容量要相應(yīng)增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但TV的過載現(xiàn)象越嚴(yán)重，在諧振或單相接地時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)甚至?xí)?dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或TV燒毀。一般來說接入10 kV TV開口三角繞組的電阻取16.5～33 Ω。

③TV中性點(diǎn)串單相TV。在中性點(diǎn)串單相TV這種裝置，在線路單相接地時(shí)能夠使TV各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會(huì)飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低TV一次側(cè)電流，同時(shí)亦保持了接地指示裝置對(duì)零序電壓幅值和相位的靈敏度。

④在TV開口三角繞組并聯(lián)多功能微機(jī)消諧器當(dāng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，TV開口三角出現(xiàn)伴有不同頻率成分的零序電壓。將該電壓輸入微機(jī)，微機(jī)裝置根據(jù)不同頻率、不同電壓值，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是接地故障還是諧振故障。若為諧振故障則根據(jù)不同頻率輸出脈沖，控制可控硅導(dǎo)通，自動(dòng)吸收諧振能量，動(dòng)態(tài)消除鐵磁諧振。

4 總 結(jié)

首先闡述了發(fā)電機(jī)注入式和基波+三次諧波定子接地保護(hù)原理，并根據(jù)錦屏電廠實(shí)際情況計(jì)算出保護(hù)范圍，再對(duì)一次典型的接地故障進(jìn)行分析，從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流和零序電壓著手，驗(yàn)證了保護(hù)動(dòng)作的正確性；最后結(jié)合故障點(diǎn)位置，計(jì)算出接地電阻的阻值，與現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)測(cè)量值一致，為故障檢修提供了依據(jù)。

[1] 高國(guó)芳.電力系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振原因分析及治理措施[J].電工電氣，2009(11)：40-42.

[2] 王兵峰，劉儉勤.羊湖電廠10 kV 系統(tǒng)電壓互感器引起的鐵磁諧振及消諧方法[J].水力發(fā)電，2001(3)：11-13.

[3] 張凱，王建恩，韋宏偉.電力系統(tǒng)鐵磁諧振的產(chǎn)生及消除措施[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(13)：14.