電磁式電壓互感器鐵磁諧振案例與消諧改進(jìn)措施

于愛民，杜寧寧

（1.華電青島發(fā)電有限公司，山東青島266031；2.華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)中心，濟(jì)南250014）

電磁式電壓互感器鐵磁諧振案例與消諧改進(jìn)措施

于愛民1，杜寧寧2

（1.華電青島發(fā)電有限公司，山東青島266031；2.華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)中心，濟(jì)南250014）

電磁式電壓互感器鐵磁諧振引起的過電壓是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中最常見的一種內(nèi)部過電壓故障。對(duì)某電廠一起鐵磁諧振停機(jī)事故進(jìn)行分析，依據(jù)電磁式電壓互感器鐵磁諧振的發(fā)生原因，提出微機(jī)消諧裝置在消除間歇性接地故障造成的鐵磁諧振時(shí)存在的局限性，并從一次設(shè)備選型、微機(jī)消諧裝置的完善、繼電保護(hù)配置角度提出防止鐵磁諧振的技術(shù)措施。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；電壓互感器；鐵磁諧振；微機(jī)消諧

0引言

電磁式電壓互感器（TV）鐵磁諧振引起的過電壓是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中最常見、造成事故最多的一種內(nèi)部過電壓故障［1］。在發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)中電壓互感器多為電磁式電壓互感器，廠用電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)發(fā)生單相接地允許繼續(xù)運(yùn)行2 h，并不立刻切除故障點(diǎn)［2］。此時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)變化，接地相電壓降低，非故障相電壓升高，TV鐵芯可能飽和滿足鐵磁諧振條件產(chǎn)生過電壓。尤其當(dāng)單相接地為間歇性電弧接地時(shí)，接地點(diǎn)的間歇性電弧在熄滅瞬間，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常，電弧重燃后系統(tǒng)電壓再次變化。鐵磁諧振和過電壓會(huì)引起TV一次高壓熔絲熔斷，甚至造成TV過熱燒毀或絕緣擊穿損壞［3］。

1 電壓互感器鐵磁諧振案例分析

1.1 廠用電系統(tǒng)概況

廠用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)如圖1所示，設(shè)置6 kV工作A、B兩段母線，每段均采用單母線雙進(jìn)線接線形式，工作電源引自3號(hào)高壓廠用變壓器，備用電源引自6 kV廠用電備用段。3號(hào)高壓廠用變?yōu)镾F9-20000／15型雙卷變壓器，接線組別Dd12；6 kV母線TV為電磁型電壓互感器，型號(hào)為JDZJ-6；裝設(shè)于母線TV二次開口三角處的消諧裝置為某公司生產(chǎn)的微機(jī)電力諧振診斷消除裝置；1號(hào)綜合變接于6 kV工作A段6308開關(guān)，容量1 600 kVA，電纜型號(hào)為YJLV-6／10 kV 3×95 mm2，長(zhǎng)度為1 400 m左右，直埋敷設(shè)。

圖1 6kV廠用電系統(tǒng)主接線

1.2事件簡(jiǎn)述

2013-06-13T23∶11∶00，1號(hào)綜合變6 kV電纜發(fā)生間歇性接地故障并激發(fā)電壓互感器鐵磁諧振。由于6 kV廠用電為不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地時(shí)可短時(shí)間維持運(yùn)行，繼電保護(hù)只發(fā)出接地信號(hào)。放電初期諧振情況并不嚴(yán)重，隨著間歇性放電的重復(fù)發(fā)生，6 kV工作A、B段TV一次側(cè)飽和電流迅速增大，在此過程中消諧裝置未能抑制諧振的發(fā)生，使TV三相一次保險(xiǎn)相繼熔斷。低電壓保護(hù)動(dòng)作，相繼切除風(fēng)機(jī)、水泵等重要輔機(jī)，鍋爐MFT。

6 kV工作A、B段廠用電快切裝置“失壓”啟動(dòng)廠用電源切換，6kV工作A、B段進(jìn)線電源開關(guān)6301、6302跳閘，備用電源開關(guān)6303、6304合閘。切換后6 kV廠用電備用段母線PT B相一次保險(xiǎn)再次熔斷。

1.3 故障錄波器記錄波形分析

調(diào)閱發(fā)變組故障錄波器波形記錄曲線，如圖2、圖3所示，以故障錄波器啟動(dòng)時(shí)刻的相對(duì)時(shí)標(biāo)順序分析事件的發(fā)生過程。

圖2 C相第1次瞬時(shí)性接地波形

圖3 A段PT B相發(fā)生鐵磁諧振波形

10 ms，6 kV工作A段1號(hào)綜合變6 kV電纜C相發(fā)生第1次瞬時(shí)性接地故障；故障期間6 kV A、B相非故障相對(duì)地電壓最高值約83 V；接地故障激發(fā)6 kV工作A段B相TV鐵磁諧振。

3 127 ms，6 kV工作A段1號(hào)綜合變6 kV電纜C相發(fā)生第2次瞬時(shí)性接地故障。接地時(shí)A相電壓有效值最高約129 V，并導(dǎo)致6 kV工作A段TV B相鐵磁諧振加劇。

13 245 ms，6 kV工作A段1號(hào)綜合變6 kV電纜C相發(fā)生第3次瞬時(shí)性接地故障。故障激發(fā)6 kV工作B段B相TV鐵磁諧振，導(dǎo)致B相TV一次熔絲在13 500 ms左右熔斷。因鐵磁諧振過電流，6 kV工作A段TV B相一次熔絲在15 000 ms左右熔斷。

17 953 ms，6 kV工作A段C相第4次瞬時(shí)性接地故障。故障導(dǎo)致6 kV工作A段C相TV、6 kV工作B段C相、A相TV鐵磁諧振，一次熔絲相繼熔斷。18 843 ms，6 kV工作A、B段廠用電源切換。

22 734 ms，1號(hào)綜合變6 kV電纜C相故障點(diǎn)重復(fù)接地，導(dǎo)致相同位置電纜B相絕緣損壞擊穿。故障時(shí)A相電壓最高達(dá)127 V；故障熄弧后，6 kV備用段TV A相電壓互感器發(fā)生諧振。

23 156 ms，1號(hào)綜合變6 kV電纜B相第2次瞬時(shí)性接地故障，故障持續(xù)時(shí)間約166 ms；非故障A相電壓持續(xù)保持在120～130 V之間。

30 841 ms，B相第3次接地故障，并轉(zhuǎn)換為永久性接地；A、C相電壓升高至120 V左右，B相電壓降低至30 V左右；接地導(dǎo)致備用段母線TV 3相均發(fā)生鐵磁諧振，波形嚴(yán)重畸變。三相電壓均含有較高數(shù)值的三次諧波，幅值約20～23 V。

根據(jù)故障錄波波形推論：故障初為1號(hào)綜合變6 kV電纜C相瞬時(shí)性接地，第1次接地即激發(fā)6 kV工作A段B相TV鐵磁諧振；第3次接地激發(fā)6 kV工作B段B相TV鐵磁諧振，一次熔絲熔斷；第4次接地導(dǎo)致6 kV工作A段C相、6 kV工作B段A相、C相TV鐵磁諧振，30 ms內(nèi)一次熔絲相繼熔斷。1號(hào)綜合變6 kV電纜C相故障點(diǎn)重復(fù)接地，導(dǎo)致相同位置電纜B相絕緣損壞擊穿。B相故障經(jīng)2次瞬時(shí)性接地后，在第3次轉(zhuǎn)換為永久性接地故障。

1.4 諧波含量分析

利用故障錄波器分析軟件對(duì)6 kV A段B相TV鐵磁諧振波形諧波含量進(jìn)行分析。因故障錄波器分析軟件不具備分頻諧波分析手段，僅對(duì)高次諧波含量進(jìn)行分析。6 kV A段母線B相TV鐵磁諧振諧波含量見表1。由表1可見，此次鐵磁諧振波形主要為基波，另外含有大量的奇次諧波，3次諧波約占20%。

表1 6kV A段母線B相PT鐵磁諧振諧波含量V

1.5 瞬時(shí)性接地重復(fù)發(fā)生對(duì)系統(tǒng)鐵磁諧振的影響

第1次瞬時(shí)性接地故障導(dǎo)致6 kV A段、B段母線基波零序電壓持續(xù)15 V以上約30 ms，非故障相對(duì)地電壓最高值約83 V，最高零序電壓值69.485 V；第2次瞬時(shí)性接地故障導(dǎo)致6 kV A段、B段母線基波零序電壓持續(xù)15 V以上約60 ms，A相電壓有效值最高約129 V，最高零序電壓值124.598 V。第1次瞬時(shí)性接地故障并不嚴(yán)重，隨著接地故障的重復(fù)發(fā)生，非故障相過電壓及零序電壓呈增大趨勢(shì)。

根據(jù)高次諧波分析結(jié)果可知，鐵磁諧振波形除基波外含有大量3次諧波。圖4為第1次瞬時(shí)性接地后6 kV A段TV B相諧振波形3次諧波含量趨勢(shì)圖，3次諧波由最初的4～5 V，上升到12～15 V，穩(wěn)定在5～6 V。

圖4 第一次接地PT鐵磁諧振3次諧波趨勢(shì)

圖5為第2次瞬時(shí)性接地前后3次諧波含量趨勢(shì)圖，3次諧波由5～6 V，經(jīng)3 120 ms第2次瞬時(shí)性接地激發(fā)上升到20～21 V，最終穩(wěn)定在12～13 V。

圖5 第二次接地PT鐵磁諧振3次諧波趨勢(shì)

根據(jù)圖4、圖5分析，瞬時(shí)性接地故障消失后，發(fā)生諧振的TV 3次諧波持續(xù)存在，且隨著瞬時(shí)性接地故障的激發(fā)幅值呈增大趨勢(shì)，鐵磁諧振隨著接地故障的激發(fā)逐漸加劇。

2 微機(jī)消諧裝置的局限性分析

為了防止在單相接地時(shí)由于裝置誤動(dòng)使TV長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷而燒毀的情況發(fā)生，微機(jī)消諧裝置需要區(qū)分諧振和單相接地故障。目前，微機(jī)消諧裝置對(duì)基波諧振和單相接地故障判據(jù)的主要區(qū)別在于零序電壓U0的高低。通常，基頻諧振定為U0≥150 V時(shí)，當(dāng)30 V≤U0＜145 V時(shí)定為單相接地故障［4］。

根據(jù)波形分析，第1次接地故障最高零序電壓值僅為69.485 V，第2次瞬時(shí)性接地故障最高零序電壓值約124.598 V。對(duì)這種工頻位移電壓不是很高的情況裝置無法動(dòng)作，在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的間歇電弧過電壓激發(fā)下，流過TV高壓繞組的電流不斷增大，最終使勵(lì)磁特性欠佳、鐵芯易飽和TV的熔絲熔斷。

由于6 kV廠用電系統(tǒng)非常龐大，系統(tǒng)對(duì)地電容較大，間歇性瞬時(shí)接地故障重復(fù)發(fā)生，配置的微機(jī)消諧裝置即使正確投入，也不能抑制間歇性接地故障的重復(fù)發(fā)生。

17 953 ms發(fā)生的6 kV工作A段C相第4次瞬時(shí)性接地故障，在30 ms內(nèi)導(dǎo)致6 kV工作A段母線C相TV、6 kV工作B段母線C相、A相TV一次熔絲相繼熔斷。對(duì)這種互感器因瞬時(shí)飽和涌流而造成熔絲熔斷的事故也無能為力。

3 改進(jìn)措施

3.1 二次消諧裝置改進(jìn)方案

二次消諧裝置在正確區(qū)分基波諧振、接地故障方面存在局限性。接地故障、鐵磁諧振都會(huì)有零序電壓產(chǎn)生，單純依靠零序電壓數(shù)值的高低來判斷是否發(fā)生鐵磁諧振，投入二次消諧裝置，從實(shí)例分析無法達(dá)到正確判斷的目的。建議增設(shè)接地電容電流判據(jù)，以達(dá)到正確區(qū)分接地故障和鐵磁諧振的目的。即：基波零序電壓、三次諧波電壓、接地電容電流均大于動(dòng)作值，判斷為接地故障；若電容電流消失，基波零序電壓、三次諧波電壓仍存在，判斷為瞬時(shí)接地激發(fā)鐵磁諧振?？蓪⑽C(jī)消諧裝置與小電流選線裝置合二為一，或聯(lián)網(wǎng)信息共享，達(dá)到正確區(qū)分接地故障和鐵磁諧振的目的。

3.2 采用接地保護(hù)投入跳閘的方式

隨著發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的增大，接地電容電流增大，當(dāng)電容電流數(shù)值大到一定程度，瞬時(shí)性接地故障不容易熄弧。接地故障的重復(fù)發(fā)生使系統(tǒng)不平衡電壓逐漸增大，鐵磁諧振呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

建議不接地系統(tǒng)高壓廠用電母線上各個(gè)饋線裝設(shè)高靈敏的接地故障保護(hù)裝置，裝置由反映零序電流或零序方向的元件構(gòu)成，為便于判斷瞬時(shí)性接地故障，裝置應(yīng)具有記憶瞬時(shí)性接地的功能。當(dāng)系統(tǒng)的單相接地電流在10 A及以上時(shí)，電動(dòng)機(jī)回路的單相接地保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘，饋線在15 A及以上時(shí)也應(yīng)動(dòng)作于跳閘。對(duì)于接地故障電流不滿足上述要求的系統(tǒng)，也有電廠采用接地保護(hù)投入跳閘正確動(dòng)作的案例。高靈敏微機(jī)接地保護(hù)投入跳閘，可及時(shí)判斷切除故障線路，避免由于接地故障導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓造成相間短路，同時(shí)，故障線路的切除，改變了系統(tǒng)電容參數(shù)，破壞諧振條件，避免諧振的進(jìn)一步發(fā)展。

對(duì)較頻繁發(fā)生電壓互感器鐵磁諧振的系統(tǒng)，消除諧振最可靠的辦法是改變TV的鐵磁元件，更換勵(lì)磁性能好、抗飽和能力強(qiáng)的大容量TV，最好是更換成電容式電壓互感器，目前呈容性的抗諧振TV已在國(guó)內(nèi)大量生產(chǎn)，且已有成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［5］。

4 結(jié)語(yǔ)

從一起6 kV電壓互感器鐵磁諧振典型案例分析可以得出，微機(jī)消諧裝置在消除間歇性接地故障造成的鐵磁諧振時(shí)存在局限性，從微機(jī)消諧裝置自身完善和繼電保護(hù)裝置兩方面提出改進(jìn)建議。可采用勵(lì)磁性能好、抗飽和能力強(qiáng)的大容量TV、完善微機(jī)消諧裝置和繼電保護(hù)出口方式采取措施，有效防止發(fā)生電壓互感器鐵磁諧振。

［1］翁利民，陳靈欣，靳劍峰.配電網(wǎng)電壓互感器鐵磁諧振的特點(diǎn)與抑制［J］.繼電器，2004，32（20）：40-42.

［2］楊學(xué)昭，劉苡瑋.10 kV系統(tǒng)電壓互感器防止鐵磁諧振過電壓的二次接線改進(jìn)［J］.繼電器，2006，34（23）：72-73.

［3］任業(yè)生.10 kV系統(tǒng)TV防鐵磁諧振過電壓的二次接線改進(jìn)［J］.電工技術(shù)，2006（11）：33-34.

［4］劉春華.6 kV配電系統(tǒng)消除諧振過電壓的改進(jìn)措施［J］.電世界，2013（6）：33-35.

［5］彭澤華，黑綏亞，何俊良.消諧裝置導(dǎo)致電壓互感器燒毀事故分析［J］.廣西電力，2010，33（4）：38-39.

Case Analysis on Electromagnetic Voltage Transformer Ferromagnetic Resonance and Suggestions on Harmonic Elimination

YU Aimin1，DU Ningning2
（1.Huadian Qingdao Power Company Limited，Qingdao 266031，China；2.Huadian Power International Corp Technical Service Center，Jinan 250014，China）

Overvoltage caused by electromagnetic voltage transformer ferroresonance is one of the most common internal overvoltage faults in ungrounded grid.Through case analysis of a typical ferroresonance in one power plant，on basis of the causes of ferromagnetic resonance，this paper points out the limitation of microcomputer in eliminating intermittent harmonic elimination of the ferromagnetic resonance caused by earth fault.To prevent ferroresonance，technical measures are put forward from various aspects such as equipment type selection，optimization of computer harmonic elimination，relay protection configuration.

isolated neutral system；potential transformer；ferromagnetic resonance；computer harmonic elimination

TM451

B

1007－9904（2015）08－0057－03

2015-03-25

于愛民（1970），女，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠電氣技術(shù)管理工作；

杜寧寧（1973），女，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠技術(shù)監(jiān)督管理工作。