電壓互感器鐵磁諧振引起的基波定子接地保護動作分析

陳海龍，李建強，張玉寶，王雙歌，張紅躍

（1.許繼電氣股份有限公司，河南省許昌市 461000；2.大唐三門峽電力有限責任公司，河南省三門峽市 472143）

電壓互感器鐵磁諧振引起的基波定子接地保護動作分析

陳海龍1，李建強2，張玉寶1，王雙歌1，張紅躍1

（1.許繼電氣股份有限公司，河南省許昌市 461000；2.大唐三門峽電力有限責任公司，河南省三門峽市 472143）

結合發(fā)電廠實際運行中出現的一例由于機端電磁式電壓互感器鐵磁諧振引起的“虛幻接地”現象造成基波定子接地保護動作，從保護原理、保護動作報告、錄波信息詳細分析了定子接地保護動作行為，并對TV鐵磁諧振原理、特點進行詳細分析，當系統(tǒng)參數符合基波諧振的條件，在外部原因的激發(fā)下引起基波諧振產生“虛幻接地”現象。最后提出機端TV鐵磁諧振的消諧措施及注意事項，以保證發(fā)電機組安全可靠運行。

TV鐵磁諧振；虛幻接地； 基波定子接地保護；消諧措施

0 引言

一般而言，鐵磁諧振較常發(fā)生于不接地系統(tǒng)，尤其在電磁式電壓互感器處尤為常見。電壓互感器鐵磁諧振過電壓也稱為電壓互感器鐵芯飽和過電壓，是一種內部過電壓現象，多發(fā)生于6～35kV 不接地系統(tǒng)中。[1]

在某種大的擾動或操作作用下，發(fā)電機組機端TV非線性鐵磁電感元件就可能飽和，從而與發(fā)電機組的對地電容形成特殊的單相或三相諧振回路，激發(fā)起持續(xù)的較高幅值的過電壓、過電流，這就是TV鐵磁諧振。

當發(fā)電機出口TV發(fā)生并聯諧振時，會造成 TV 過電壓，發(fā)生 TV 高壓保險熔斷甚至 TV 燒毀事件，繼而引發(fā)其他事故。另外，還會出現電磁式電壓互感器“虛幻接地”現象[1]，造成發(fā)電機基波定子接地保護動作事件，嚴重影響了電廠設備的安全穩(wěn)定運行。

1 基波定子接地保護動作分析

定子接地保護作為發(fā)電機定子回路單相接地故障保護[2]，當發(fā)電機定子繞組任一點發(fā)生單相接地時，該保護按要求的時限動作于跳閘。

1.1 基波定子接地保護原理

基波零序電壓原理保護發(fā)電機85%～95%的定子繞組單相接地。保護一般分兩段兩時限。

其中：3U0為基波零序電壓，一般取中性點電壓，如果中性點無TV，則取機端零序電壓，帶TV異常閉鎖；Uoph為基波零序電壓高定值段整定值；Uopl為基波零序電壓低定值段整定值。

低定值零序電壓原則上按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器或機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡基波零序電壓整定，工程應用中整定值須躲過系統(tǒng)高壓側和廠變低壓側接地短路時傳遞到發(fā)電機側的最大零序不平衡電壓。保護延時動作于跳閘。

高定值零序電壓一般整定為15～25V，保護短延時動作于跳閘，延時時間一般整定為0.3～1.0s。

1.2 基本定子接地保護動作分析

某電廠雙套基波零序電壓保護高定值段動作，保護定值及動作報告見表1～表3。

表1 基波定子接地保護定值單Tab.1 Stator grounding protection setting value

表2 A套基波定子接地保護動作報告Tab.2 A sets of stator grounding protection action report

表3 B套基波定子接地保護動作報告Tab.3 B sets of stator grounding protection action report

從動作報告可以看出基波零序電壓達到104V，雙套基波零序電壓高定值段動作完全滿足保護定值設置的要求。

保護裝置錄波信息如圖1所示。

圖1中機端自產3U0波形由機端三相電壓相加合成得到。從錄波圖中可以看出保護動作時刻機端A相電壓值為102V、機端B相電壓值為103V、機端C相電壓值為1V、發(fā)電機中性點零序電壓值為102V、機端零序電壓值為104V、機端自產零序電壓為177V。三相線電壓為100V，且對稱。根據以上波形信息可以得知，數據特征滿足典型機端C相金屬性接地故障。保護動作信息與錄波信息一致，基波零序電壓保護高定值段動作行為正確。

從保護動作信息看符合機端C相金屬性接地的規(guī)律。但停機后未找到故障點，對發(fā)電機C相繞組進行耐壓試驗， 試驗結果一切正常。之后， 對電壓互感器做勵磁特性后發(fā)電機組重新并網，測量一次電壓值、二次電壓值都正常，最終判斷問題出在機端電壓互感器上。

圖1 錄波信息圖Fig.1 The map of recording information

上述例子所出現的現象叫作“虛幻接地”，是由于當時的機端出現工頻位移過電壓而造成的， 并非機組出現了接地故障，這種現象通常發(fā)生在中性點不接地系統(tǒng)中，一般由TV鐵磁諧振引起。

2 TV鐵磁諧振原理

交流電路在一定的特定條件下，可能會發(fā)生電路中電能和磁能相互轉換的情況，此過程中外加的交流電源僅供電阻上的能量損耗，不再與電感線圈或電容器發(fā)生能量轉換，這種現象就稱為電路發(fā)生了諧振。根據諧振電路的不同，諧振可分為串聯諧振和并聯諧振。

2.1 串聯諧振

在電阻、電感和電容的串聯電路中，如果出現電路總電流和電路的端電壓同相位的現象，定義為電感元件與電容元件發(fā)生了諧振，這種電路稱之為串聯諧振電路。

發(fā)生串聯諧振時，電容兩端的電壓UC與電感兩端的電壓UL大小相等，相位相反，阻抗為最小值，串聯諧振回路中的電流為諧振電源電壓與電阻的比值，電感兩端的電壓值為：

如果感抗遠大于電阻時，可能出現UL遠大于電源電壓U的現象，就會在電壓互感器兩端產生諧振過電壓，造成TV的損壞。

2.2 并聯諧振

在電阻、電感和電容的并聯電路中，出現電路總電流和電路的端電壓同相位的現象，定義為電感元件與電容元件發(fā)生了諧振，這種電路稱為并聯諧振電路。

圖2 串聯諧振電路圖Fig.2 The circuit diagram of series resonant

圖3 并聯諧振電路圖Fig.3 The circuit diagram of parallel resonance

發(fā)生并聯諧振時，電路的端電壓和電路總電流同相位，輸入導納為最小值或者說輸入阻抗為最大值，并聯諧振回路中的電流為諧振電源電壓與電阻的比值，電感兩端的電流值為：

實際系統(tǒng)中R值一般很小，如果感抗遠大于電阻時，可能出現IL遠大于電源電流I的現象，嚴重威脅到互感器一次側的絕緣以及保險絲。因此，并聯諧振的危害比串聯諧振的危害大得多。

2.3 TV鐵磁諧振特點

由于TV鐵磁元件的非線性特性，電感值不是常數，因此諧振回路中并沒有固定的振頻率。因此，在同一個電氣回路中，既可能會產生諧振頻率等于基波（50Hz）的基波諧振，也可能產生高次諧波（如3次、6次諧波）和低頻諧波（如1/2、1/3次諧波）的諧振。根據H.A.Peterson諧振分布原理，電力系統(tǒng)中發(fā)生頻率不同的諧振與基波時系統(tǒng)對地電容的容抗XC和TV的感抗XL的比值有直接關系，當對地電容的容抗XC和TV的感抗XL比值關系不同時，會發(fā)生不同形式的諧振[3]。

1）低頻諧振：當比值為0.01～0.08時，發(fā)生低頻諧振。主要表現為：過電壓倍數較低，一般不超過2.5倍的相電壓；三相電壓同時升高，而且有周期性的擺動，線電壓正常。

2）基波諧振：當比值為0.08～0.8時，發(fā)生基波諧振。主要表現為：兩相電壓升高，一相電壓將低，線電壓正常；過電流很大，往往導致電壓互感器熔絲熔斷，甚至燒毀電壓互感器；過電壓倍數在3.2倍相電壓以內，伴有接地信號指示，即“虛假接地”現象。

3）高次諧波諧振：當比值為0.6～3.0時，發(fā)生高次諧波諧振。主要表現為：過電壓倍數較高；三相電壓同時升高，最大值達到相電壓的4～5倍，線電壓基本正常；過電流較小。

2.4 機端TV諧振分析

發(fā)電機組機端TV鐵磁諧振電路圖如圖4所示。

圖4 機端TV并聯鐵磁諧振示意圖Fig.4 The schematic diagram of terminal PT parallel resonance

圖中Cg為發(fā)電機相對地電容，其值可根據發(fā)電機出廠參數獲得，TV勵磁電感可通過勵磁特性試驗獲得。

機組機端TV的勵磁特性試驗如表4所示。

表4 電壓互感器的勵磁特性Tab. 4 The excitation characteristics of voltage transformer

已知發(fā)電機出口TV的變比k為10.5kV/0.1kV，選取TV二次電壓為57.7V時，在基波電壓作用下 TV的勵磁感抗值為：

發(fā)電機單相對地電容為 0.36μF 左右。因此，可以計算出在基波電壓作用下發(fā)電機的對地容抗為：

根據以上分析，可以看出此次定子接地保護高定值段動作的原因是機端TV發(fā)生基波鐵磁諧振，出現即“虛假接地”現象。諧振特征與定子接地特征一致，定子接地保護高定值段快速動作將機組解列停機，防止TV并聯基波諧振對一次設備特別是TV造成損傷。

3 TV鐵磁諧振消諧措施

為了保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，必須采取有效的措施消除 TV 發(fā)生鐵磁諧振。消除鐵磁諧振的產生，應從發(fā)電機系統(tǒng)的電氣參數著手，以破壞回路中發(fā)生鐵磁諧振時的參數匹配為主要手段。這樣就可以防止TV磁飽和，從而防止 TV 發(fā)生鐵磁諧振。在實際運行中，通?？梢圆扇∫韵麓胧┫F磁諧振[4]。

（1）選用勵磁特性相對比較好的TV。

當選用勵磁特性較好的TV后，TV 的鐵芯不易發(fā)生飽和，即并聯諧振就不會在一定的因素下形成，這樣就從根本上降低了TV發(fā)生并聯鐵磁諧振的概率。

（2）在TV的一次中性點處裝設非線性電阻。

當 TV 發(fā)生鐵磁諧振的瞬間，該非線性電阻的阻值會突然增大，這樣就會限制 TV 發(fā)生諧振時的電容電流，從而破壞諧振條件，以防止 TV 保險熔斷或TV 燒毀。

（3）在TV一次中性點裝設零序 TV（4TV）。

當 TV發(fā)生鐵磁諧振時，諧振產生的電容電流將流過零序 TV的一次繞組，由于零序TV的高阻抗能夠抑制電容電流，從而滿足破壞鐵磁諧振的條件。

（4）在TV的開口三角形繞組開口端并聯線性阻尼電阻或燈泡。

正常情況下，TV的二次側開口三角處繞組兩端沒有電壓，當TV發(fā)生鐵磁諧振時，開口三角形繞組將會產生較高的電壓，由于并聯的阻尼電阻或燈泡阻值較小，故開口三角形繞組兩端相當于短接，三角形繞組將流過零序電流，其產生的磁場對一次繞組起到了去磁的作用，這樣就能在諧振發(fā)生時突然改變TV一次繞組的感抗，從而抑制TV的鐵磁諧振。

（5）在TV開口三角形繞組并聯微機消諧裝置。

微機消諧裝置實時監(jiān)測電壓互感器 TV 開口三角處電壓和頻率，當TV發(fā)生鐵磁諧振時，裝置瞬時啟動無觸點可控硅元件，由于可控硅元件的阻值很小，開口三角形繞組將流過很大的零序電流，從而產生強大阻尼，對一次繞組起到了去磁的作用，同樣是改變了 TV 一次繞組的感抗，使鐵磁諧振瞬間消除。

4 結束語

TV鐵磁諧振的發(fā)生和類型同TV感抗以及機組（系統(tǒng)）對地電容大小存在密切聯系。當發(fā)生基波諧振時，會出現電磁式電壓互感器“虛幻接地”現象，其特征與定子繞組單相接地一致，造成發(fā)電機基波定子接地保護動作事件，嚴重影響了電廠設備的安全穩(wěn)定運行。鐵磁諧振的消諧措施主要有一次側加電阻消諧、4TV法消諧、微機消諧等。易發(fā)生鐵磁諧振的系統(tǒng)需要根據實際具體情況選擇合適的消諧方式，以保證機組設備的安全穩(wěn)態(tài)運行。

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陳海龍（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。E-mail：124951470@qq.com

李建強（1983—），男，工程師，主要研究方向：電廠繼電保護管理、研究。

蒲石河上水庫秋景（傅誠攝）

The Action Analysis of Stator Ground Protection Caused by TV Unreal Grounding

CHEN Hailong1, LI Jianqiang2, ZHANG Yubao1, WANG Shuangge1,ZHANG Hongyue1
(1.XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Datang Sanmenxia Electric Power Co., Ltd., Sanmenxia 472143, China)

Combined with the actual operation of power plant in one case due to the terminal electromagnetic voltage transformer ferroresonance “unreal grounding” phenomenon caused by the action of stator grounding protection， from the protection principle，protection action report， records the detailed analysis of the stator ground protection action， and detailed analysis on TV ferromagnetic resonance principle， characteristic， when the system parameters meet the fundamental resonant conditions， cause the fundamental resonance produced “unreal grounding” phenomenon in the stimulation of the external cause. Finally put forward the measures of eliminating harmonics terminal TV ferroresonance and the matters needing attention， to ensure safe and reliable operation of generating unit.

TV ferromagnetic resonance unreal grounding；harmonic stator grounding protection； elimination measures

TV736

A

470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.020

2016-03-06

2016-04-25