發(fā)變組沖擊跳閘鐵磁諧振故障仿真分析

朱學(xué)成，張德文，董爾佳，張洪達(dá)，申昱博

（國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150000）

0 引言

鐵磁諧振是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象［1-4］，目前雖然國內(nèi)外已在鐵磁共振理論分析和消除諧振過電壓的措施上取得了一些成就，但由于鐵磁諧振電路的復(fù)雜性，共振過程隨機(jī)性和多樣性，導(dǎo)致消除鐵磁諧振過電壓的措施都是有其適用范圍的，不能盲目使用消諧措施，否則不單消諧效果不好且還可能加重線路的諧振強(qiáng)度，構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)絕緣水平的威脅，影響系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行［5-9］。因此，探索鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生機(jī)理，綜合分析諧振的諧波抑制措施作用效果并進(jìn)行相互比較，基于已有的研究結(jié)果去探索更有效的消諧措施，對(duì)提高供電可靠性和維護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，并具有較大的理論和應(yīng)用價(jià)值［10-14］。

新變壓器在正式投運(yùn)前要進(jìn)行沖擊合閘試驗(yàn)，以此來檢查變壓器絕緣強(qiáng)度能否承受全電壓或操作過電壓的沖擊。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)將發(fā)生改變，可能會(huì)激發(fā)諧振的產(chǎn)生［15-20］。激發(fā)鐵磁諧振的電感多為帶鐵芯元件，具有飽和非線性特性，電感值隨著勵(lì)磁電流的變化而變化，在滿足一定的匹配條件時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重過電壓事故［21-24］。鐵磁諧振過電壓會(huì)導(dǎo)致電壓互感器一次高壓熔斷器熔斷，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿損壞或電壓互感器過熱燒毀［25-27］。在電網(wǎng)中，經(jīng)常有電磁式電壓互感器導(dǎo)致鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的情況。如果遇到合空載母線、導(dǎo)線接地短路、大風(fēng)、雷電等時(shí)，若不采取適當(dāng)?shù)拇胧涂赡芗ぐl(fā)諧振，產(chǎn)生過電壓而造成電壓互感器燒毀、避雷器爆炸，繼而造成停電事故的發(fā)生或電力系統(tǒng)設(shè)備的毀壞［28-31］。本文對(duì)某水電廠1號(hào)發(fā)變組倒送電沖擊跳閘故障進(jìn)行分析及仿真，分析鐵磁諧振產(chǎn)生原因及處理對(duì)策，為進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 故障概述

某水電廠拉開1 號(hào)機(jī)組出口3G 刀閘后，合上1 號(hào)主變220 kV 側(cè)1G 刀 閘。用1 號(hào)主變220 kV 側(cè)DL 開關(guān)，對(duì)1號(hào)主變沖擊合閘4次，每次間隔5～10 min，每次沖擊合閘后對(duì)所投運(yùn)設(shè)備進(jìn)行外觀檢查無異常，第4次沖擊合閘后，拉開1號(hào)主變220 kV 側(cè)DL 開關(guān)。1 號(hào)機(jī)一次系統(tǒng)圖如圖1 所示，Ⅰ母線、Ⅱ母線為220 kV，T1低壓側(cè)母線為13.8 kV。

圖1 1號(hào)機(jī)一次系統(tǒng)圖Fig.1 Primary system diagram of unit 1

該水電廠將1號(hào)發(fā)電機(jī)與發(fā)電機(jī)出口母線間軟連接斷引，合上機(jī)組3G刀閘，用1號(hào)主變220 kV側(cè)DL開關(guān)，對(duì)1號(hào)主變進(jìn)行第5次沖擊，沖擊過程中A、B套發(fā)變組保護(hù)（許繼WFB-800A）基波零序定子接地保護(hù)動(dòng)作出口跳開DL開關(guān)。

2020 年6 月22 日該水電廠將1 號(hào)機(jī)勵(lì)磁變斷引，用DL 開關(guān)對(duì)1 號(hào)主變進(jìn)行第6 次沖擊，沖擊過程中發(fā)變組A 套保護(hù)基波零序定子接地保護(hù)動(dòng)作跳開DL 開關(guān)。第6次沖擊發(fā)變組A套保護(hù)裝置錄取的電流波形如圖2所示。

圖2 第6次沖擊發(fā)變組A套保護(hù)裝置（動(dòng)作）錄取的電流波形Fig.2 Current waveform recorded by a set of protection device(action)of generator transformer unit in the sixth impact

2 沖擊跳閘故障分析

通過排查，1號(hào)主變高壓側(cè)、低壓側(cè)等部分在這幾次沖擊中均未有故障，是發(fā)電機(jī)端電壓互感器鐵芯電感飽和造成低壓系統(tǒng)產(chǎn)生分頻諧振，導(dǎo)致保護(hù)跳閘。

電磁式電壓互感器因合閘充電過程的激發(fā)，電壓互感器突然投入，電壓升高導(dǎo)致鐵芯電感飽和，可能引起鐵磁諧振過電壓。下面針對(duì)該系統(tǒng)部分參數(shù)進(jìn)行估算。

主變低壓側(cè)對(duì)地電容實(shí)際測試值為0.024 32 μF，取主變低壓側(cè)每相對(duì)地電容為0.008 107 μF，主變低壓側(cè)固體絕緣管型母線實(shí)測值為8.47*2=16.94 nF=0.016 94 μF。由于此電壓互感器于1996年出廠，較為老舊，拐點(diǎn)電壓偏低，取電壓互感器拐點(diǎn)處額定二次勵(lì)磁電壓61.84 V時(shí)勵(lì)磁電流為0.396 6 A，電壓互感器變比138，折算到一次側(cè)的勵(lì)磁電流為：

根據(jù)《GB/T 50064-2014 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.1.11 條第4 款第3 條：當(dāng)Xco是系統(tǒng)每相對(duì)地分布容抗，Xm為電壓互感器在線電壓作用下單相繞組的勵(lì)磁電抗時(shí)，可在10 kV 及以下的母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的星形接線電容器組或用一段電纜代替架空線路以減少Xco，使Xco小于0.01Xm?；ジ衅鞯膭?lì)磁電抗為（2YH、3YH兩組互感器并聯(lián)）：

主變低壓側(cè)固體絕緣管型母線、變壓器對(duì)地容抗為：

圖3 諧波的諧振區(qū)域（彼德遜諧振分區(qū)曲線）Fig.3 Resonance region of harmonics(Peterson resonance Partition Curve)

由圖3 可以看出，諧振區(qū)域與Xco/Xm密切相關(guān)，Xco/Xm約為0.01 至0.08 時(shí)，將發(fā)生1/2 次分 頻諧振，Xco/Xm約為0.08至0.8時(shí)，將可能發(fā)生基波諧振，Xco/Xm約為0.8 至3 時(shí)，諧振的性質(zhì)為高頻諧振。因此，判斷系統(tǒng)在反充電過程中存在發(fā)生1/2次分頻諧振的可能。

如果不計(jì)入新更換的主變低壓側(cè)固體絕緣管型母線，主變低壓側(cè)固體絕緣管型母線、變壓器組對(duì)地容抗為：

仍有發(fā)生基頻諧振的可能。

3 仿真模擬結(jié)果分析

3.1 故障模擬回放

對(duì)第6次沖擊時(shí)發(fā)變組故障錄波器錄取到的全過程發(fā)電機(jī)出口母線電壓進(jìn)行了回放模擬，通過諧波分析發(fā)現(xiàn)錄取到的電壓中含有較大25 Hz 諧波分量，仿真結(jié)果與一次設(shè)備參數(shù)計(jì)算結(jié)果一致，可以判定在第6 次沖擊時(shí)，主變低壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生了分頻諧振。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓諧波分析如圖4所示。

圖4 第6次沖擊發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓諧波分析Fig.4 Harmonic analysis of generator terminal voltage under the sixth impulse

3.2 鐵磁諧振仿真

根據(jù)現(xiàn)場發(fā)電機(jī)出口電壓互感器勵(lì)磁特性曲線和發(fā)電機(jī)出口母線實(shí)測參數(shù)在PSCAD 中搭建系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行變壓器沖擊仿真，沖擊仿真模型如圖5 所示。仿真得到的電壓互感器二次電壓波形和現(xiàn)場第6次沖擊錄波文件波形變化趨勢基本一直，且開口三角電壓在合閘500 ms 時(shí)為180 V 左右，與保護(hù)裝置故障報(bào)文吻合。沖擊仿真波形如圖6所示。

圖5 變壓器沖擊仿真模型Fig.5 Simulation model of transformer impulse

圖6 變壓器沖擊仿真波形Fig.6 Simulation waveform of transformer impulse

4 結(jié) 語

此次跳閘產(chǎn)生的原因主要是在變壓器沖擊過程中低壓側(cè)系統(tǒng)電感電容值匹配引起的鐵磁諧振造成了零序過電壓跳閘。由于1號(hào)發(fā)電機(jī)出口更換的管母具有較大的對(duì)地電容值，改變了一次系統(tǒng)的電感電容參數(shù)，在電壓突變沖擊的過程中易產(chǎn)生電壓1/2次分頻諧振，因此建議該廠1號(hào)機(jī)不采用從系統(tǒng)對(duì)主變進(jìn)行反充電操作，最好采用零起升壓方式進(jìn)行電壓核相檢查。

在正常運(yùn)行方式下由于發(fā)電機(jī)的接入破壞了鐵磁諧振產(chǎn)生條件，因此不易產(chǎn)生諧振過電壓。如果今后仍要采取主變反沖擊的試驗(yàn)方式建議在發(fā)電機(jī)電壓互感器處采取消諧措施，試驗(yàn)結(jié)束后再予以撤除。當(dāng)K13是互感器一次繞組與開口三角形繞組的變比時(shí)，可在電壓互感器的開口三角繞組裝設(shè)阻值R不大于Xm/K213的電阻或裝設(shè)其他專門消除此類鐵磁諧振的裝置。Xm為電壓互感器在線電壓作用下單相繞組的勵(lì)磁電抗。R 值為抑制諧振的總阻值，若分置于n臺(tái)互感器時(shí)，每個(gè)電阻值應(yīng)取nR。