煉鋼廠電網(wǎng)系統(tǒng)諧振過電壓的危害及抑制方法

張軍民

（寶武集團鄂城鋼鐵有限公司能源環(huán)保部，湖北 鄂州 436000）

1 3～66kV電網(wǎng)系統(tǒng)中性點接地方式

電網(wǎng)系統(tǒng)中性點節(jié)點方式較多，受實際網(wǎng)絡影響，不同的電網(wǎng)結構、電壓和電流水平下，需要采取不同的接地方式。實際上，企業(yè)3～66kV配電網(wǎng)中性點采用的接地方式主要有直接接地、不接地、小電阻接地、消弧線圈接地（諧振接地），這些中性點的接地方式都是小電流接地方式。

目前，企業(yè)3～66kV電網(wǎng)系統(tǒng)中性點接地方式主要依據(jù)GB50613-2010《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設計規(guī)范》規(guī)定：

（1）對于中壓配電網(wǎng)來說，當電容電流小于10A時采用不接地系統(tǒng)方式。

（2）10～150A時，采用消弧線圈接地。

（3）電容電流大于150A且全是電纜網(wǎng)絡時，采用小電阻接地。

在企業(yè)3～66kV配電網(wǎng)中，隨著電力電纜的大量應用于電網(wǎng)供電網(wǎng)絡中，電網(wǎng)對地電容電流顯著增加，3～66kV配電網(wǎng)中性點一般采用經(jīng)消弧線圈接地（諧振接地）的系統(tǒng)，這樣在發(fā)生單相接地故障時，允許帶接地故障保持運行。目前，煉鋼廠的電壓等級位于3～66kV的區(qū)間，接地方式主要是經(jīng)弧線圈的接地方式。

2 諧振過電壓產(chǎn)生原因及危害

企業(yè)3～66kV配電網(wǎng)中性點一般采用經(jīng)消弧線圈接地（諧振接地）的系統(tǒng)，消弧線圈自動調(diào)諧系統(tǒng)一般采用過補償方式，處于諧振點附近，就會有高的位移電壓，正常系統(tǒng)的不平衡電壓只有1%～3%的相電壓，安裝了消弧線圈后，這個不平衡電壓被放大了√(v2+d2)倍（V為脫諧度，d為阻尼率）。

當阻尼率一定，脫諧度較小時，則有很高的位移電壓，以致影響系統(tǒng)的運行。所以，過補償自動跟蹤補償消弧線圈正常運行時，接近全調(diào)諧狀態(tài)，脫諧度很小，需增加阻尼電阻器，將消弧線圈經(jīng)阻尼電阻器接地，使中性點位移電壓小于系統(tǒng)相電壓的15%。

當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點位移電壓為相電壓，中性點流過消弧線圈的額定電流，為保護阻尼電阻，必須將阻尼電阻短接，消弧線圈電感與系統(tǒng)對地電容構成了一個LC回路，發(fā)生單相接地故障時會產(chǎn)生瞬間諧振過電壓，其電壓幅值可能到達3.2p.u.，這么高的過電壓在系統(tǒng)電氣設備絕緣薄弱環(huán)節(jié)，從而導致系統(tǒng)同相或異相接地，發(fā)生異相接地時，就會產(chǎn)生相間短路。

如前所述，3～66kV配電網(wǎng)中性點一般采用經(jīng)消弧線圈接地（諧振接地）的系統(tǒng)，這樣在發(fā)生單相接地故障時，允許帶接地故障保持運行，這是其最大優(yōu)點。但是，小電流接地配電網(wǎng)的單相接地電流比較小，對于采用消弧線圈接地方式的配電網(wǎng)來說，故障線路的電流甚至比非故障線路還要低，再加上相當一部分故障是間歇性的，采用常規(guī)的基于穩(wěn)態(tài)零序電流的保護方法難以準確地檢測出故障線路。長期以來，企業(yè)都是通過人工倒換電源選擇故障線路，這增大了單相接地故障時允許帶接地故障保持運行的風險，一旦電流過零點時不能自動息弧，電網(wǎng)系統(tǒng)進而會產(chǎn)生危險的間歇性弧光過電壓，擊穿健全相發(fā)生相間短路，造成事故跳閘，影響整個電網(wǎng)的安全運行。

3～66kV電網(wǎng)系統(tǒng)中有許多鐵芯電感元件，如發(fā)電機、變壓器、電壓互感器、消弧線圈等。這些元件大部分為非線性元件，它和系統(tǒng)的電容元件組成了許多復雜的振蕩回路，如果滿足一定的條件，就可能激發(fā)起持續(xù)時間較長的鐵磁諧振過電壓，鐵磁諧振過電壓可以是基波諧振，可以是高次諧波諧振，也可以是分次諧波諧振。鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式可能是單相、兩相或三相對地電壓升高，或以低頻擺動，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸；或產(chǎn)生高值零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地指示；或在互感器中出現(xiàn)過電流，熔斷器一起熔斷或互感器燒毀；或者是使小容量的異步電動機發(fā)生反轉現(xiàn)象。

3 鄂鋼諧振過電壓事故發(fā)展過程

3.1 鄂鋼電網(wǎng)主要接線方式

鄂城鋼鐵能源動力廠發(fā)電機配電室PT采用如下接線方式，如圖1所示，在PT開口三角中接入消諧裝置（1RE元件)，接線方式持續(xù)穩(wěn)定運行了許多年，一直未發(fā)生事故。

3.2 鄂鋼諧振過電壓事故發(fā)展過程

2019年3月22日7時45分，鄂城鋼鐵能源動力廠220kV煉鋼變10kVII母線發(fā)生接地告警，當班人員立即向調(diào)度室匯報；當班調(diào)度人員接到匯報后，安排倒換運行方式查找接地線路，并安排供電車間人員進行線路巡查。與此同時，新建5#發(fā)電機組當班人員匯報發(fā)電機母線電壓互感器燒毀，其進線開關跳閘（過流 I 段動作），發(fā)電機解列。

10時11分，能源動力廠供電車間煉鋼變值班人員倒電源排查接地線路時，發(fā)現(xiàn)由220kV煉鋼變10kVII母線供寬板水處理配電室線路接地，經(jīng)確認為寬板水處理配電室旋流池3#水泵高壓電機定子線圈發(fā)生接地。

事故發(fā)展具體過程如表1所示。

4 事故原因定位及解決方法

圖1 接線方式示意圖

表1 2019年3月22日事故發(fā)展過程

事故發(fā)生后，結合現(xiàn)場損毀的電壓互感器、設計圖紙、柜內(nèi)接線綜合分析，此次事故的原因為：電壓互感器二次側輔助繞組短路，當10kV電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，電壓互感器二次側輔助繞組產(chǎn)生約100V電壓，短路繞組內(nèi)形成大短路電流，同時，電壓互感器未接地相電壓升高為線電壓，鐵芯磁通密度增大，鐵芯嚴重飽和，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，燒壞電壓互感器，引起相間短路，導致發(fā)動機出口斷路器及其配電室進線斷路器過流I段動作跳閘。

事故發(fā)生后，公司相關單位和部門及時組織PT備件材料，恢復損壞的設備，以盡快投運發(fā)電機組。在發(fā)電機母線電壓互感器零序電壓回路加裝消諧裝置，抑制諧振過電壓。

5 抑制諧振過電壓系統(tǒng)性策略方法

為抑制諧振過電壓，需要針對不同的接地方式，采用不同的應對策略方法。

在3～66kV電網(wǎng)有消弧線圈的電網(wǎng)系統(tǒng)中，應當選擇消弧線圈的脫諧度，以便避開諧振點。

在3～66kV不接地系統(tǒng)或消弧線圈接地系統(tǒng)偶然脫離消弧線圈的部分，當連接有接地的電磁式電壓互感器的空載母線（其上帶或不帶空載線路），因合閘充電或接地故障消除等原因的激發(fā)，使電壓互感器過飽和，則可能產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。為限制這類過電壓，可選取以下措施：

（1）選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器；

（2）減少同一系統(tǒng)中電壓互感器中性點接地的數(shù)量，除電源側電壓互感器高壓繞組接地外，其他電壓互感器中性點盡可能不接地；

（3）在互感器的開口三角形繞組中性點裝設消除鐵磁諧振過電壓的裝置。

從鄂鋼諧振過電壓事故恢復過程中，通過在電壓互感器的開口三角形繞組中性點裝設消除鐵磁諧振過電壓的裝置，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，能夠有效地抑制諧振過電壓，避免系統(tǒng)中絕緣薄弱的電氣設備被擊穿發(fā)生短路故障。

6 結語

在企業(yè)3～66kV電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于用電負荷處于不斷變化中，特別是由于新建、改建和擴建工程的陸續(xù)投產(chǎn)達產(chǎn)，電網(wǎng)的電容電流不斷增加，企業(yè)用電管理部門要密切關注電網(wǎng)系統(tǒng)的這種變化，適時調(diào)整消弧線圈的脫諧度，盡量避開諧振點。

新建、擴建工程項目中，在施工設計階段，要嚴格按照設計規(guī)范和要求進行施工圖紙(特別是電壓互感器二次回路圖紙）的審核工作。3～66k電網(wǎng)系統(tǒng)不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)，應采用性能良好的設備并提高運行維護水平，避免產(chǎn)生諧振過電壓。