淺析6kV電力系統(tǒng)PT鐵磁諧振過電壓的防范措施

中國石化海南煉油化工有限公司機動部 孟小斌

石油化工企業(yè)具有生產(chǎn)連續(xù)性以及溫度高壓力高、易燃易爆、有毒有害等特點，因此安全、可靠的供電系統(tǒng)對生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運行來說至關(guān)重要。石化企業(yè)供電系統(tǒng)中區(qū)域變電站電壓等級多為35kV、10kV 和6kV，普遍采用了系統(tǒng)中性點不接地運行方式，當空母線充電或系統(tǒng)內(nèi)有單相間歇性孤光接地故障時，容易造成系統(tǒng)諧振，從而引起過系統(tǒng)電壓，繼而產(chǎn)生保護誤動作等其它停電事故，影響生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運行。

海南煉化供電系統(tǒng)是由一座220kV 總變電站、四座35kV 區(qū)域變電站和23個裝置配電間組成，共有220kV、35kV、10kV、6kV、0.4kV 五個電壓等級，其中35kV、10kV、6kV 均為中性點不接地供電系統(tǒng)。因此，通過研究電力系統(tǒng)造成中性點不接地系統(tǒng)鐵磁諧振的原因，采取有針對性的措施消除諧振，對保證供配電系統(tǒng)的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)周期運行至關(guān)重要。

1 電壓互感器燒損事故經(jīng)過

2006年7月13 日19時12分，總變后臺監(jiān)控系統(tǒng)報警聲響，報警信息為“CS10變電站02A 段6kV母線02A 段接地”，值班人員立即到現(xiàn)場檢查，表計顯示02A 段6kV 母線三相電壓值為：Ua=6.56kV；Ub=6.47kV；Uc=1.32kV；零序電壓Uo=47V，同時發(fā)現(xiàn)PT 柜內(nèi)有異響，柜頂有濃煙冒出。由于當時該變電站供的生產(chǎn)裝置還未開工，值班人員立即斷開02A 段母線進線柜斷路器，進行停電處理，打開PT 柜02A03柜門，將PT 小車拉出，發(fā)現(xiàn)一相PT 繞組外殼已炸裂。

CS10區(qū)域變電站采用單母分段接線形式，4個電源分別引自220kV 總變電站35kV 母線，經(jīng)電纜變壓器組降壓至6kV，4個電源兩兩互為備用。6kV 02A 段帶有54個饋出回路，其中包含49個電動機回路和5個6/0.4kV 變壓器回路，當時02A 段母線所帶負荷裝置未投產(chǎn)，負載較輕。

在發(fā)生事故之前，CS10 6kV 02A 段母線只帶有較小的裝置施工負荷（大部分為電焊機及其他電動工具負荷），晚上工人下班，負荷很低，接近母線空載狀態(tài)。此時檢查污水變電所母線緊固情況，切除一臺6/0.4kV 變壓器，CS10變電站6kV 02A 段所帶電壓互感器、空載變壓器與母線組成的感抗和容抗相等，形成了諧振的激發(fā)條件，從而造成PT 鐵芯飽和，PT 將會產(chǎn)生過電壓，電氣設(shè)備絕緣被擊穿、電壓互感器燒毀。因原設(shè)計電壓互感器一次熔斷器容量選擇過大，未起到保護電壓互感器的作用，最終造成事故的發(fā)生。

2 產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓原理及危害

鐵磁諧振一般發(fā)生在鐵芯加電感的組合電路供電系統(tǒng)中。當電感元件帶有鐵芯時（如變壓器、電壓互感器等），可能會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時的電感為非常數(shù)，而是隨電流或磁通的變化而產(chǎn)生變化，在滿足一定條件的情況下就會產(chǎn)生鐵磁諧振。鐵磁設(shè)備元件的飽和特性，電感值以非線性特性呈現(xiàn)，所以鐵磁諧振又稱為非線性諧振。其原理如下：高頻諧振-基頻諧振-分頻諧振因非線性諧振伴隨著電力系統(tǒng)對地電容及PT 的起始勵磁電感增大而依次出現(xiàn)。PT 的電感L 與系統(tǒng)對地電容C 并聯(lián)，構(gòu)成如圖1所示的等值電路。

圖1 電壓互感器電感L 和系統(tǒng)對地電容C 的等值電路

圖1中，各相中PT 的勵磁特性相同，當所含鐵芯不飽和時，電感L1=L2=L3=L0（L0為鐵芯未飽和時的電感），電力系統(tǒng)中三相的各相對地電容基本一致，電源各相電勢為三相對稱的電源，中性點0的電位U0。U0=(EA·Y1+EB·Y2+EC·Y3)/(Y1+Y2+Y3)。式中，Y1為相對地導納，Y1=-j·1/ωLi+jωC0。正常運行時，EA+EB+EC=0、Y1=Y2=Y3，系統(tǒng)中性點電位U0為零。一般情況下1/ωLi＜ωC0，各相導納均是容性導納，不會出現(xiàn)諧振。當系統(tǒng)有一定異常情況發(fā)生，如單相弧光接地、雷擊、合閘操作等外部因素激發(fā)的情況下，使某一相或幾相鐵芯飽和，恰好使Y1+Y2+Y3近似零，滿足諧振條件，從而產(chǎn)生了諧振的現(xiàn)象。

由公式U0=(EA·Y1+EB·Y2+EC·Y3)/(Y1+Y2+Y3)得Y1+Y2+Y3近似于零的頻率就是回路的自振頻率，要看電力系統(tǒng)中的對地電容C0大小和PT 的勵磁特性Li。如果C0·Li非常大，回路產(chǎn)生的自振頻率ω 就低，容易產(chǎn)生分頻諧振。相反，如果C0·Li很小，回路的自振頻率ω 就高，容易造成高頻諧振。

由以上原理分析可知，鐵磁諧振過電壓分為工頻過電壓、分頻過電壓和高頻諧振過電壓，當電壓互感器自身的激磁電感非常大的時候，回路的自振頻率很低，在發(fā)生分頻諧振的情況；當系統(tǒng)中有多臺電壓互感器以及電壓互感器中鐵芯的激磁特性容易飽和時、并聯(lián)電感值相對較小、回路自振頻率又相對比較高的情況下，就容易出現(xiàn)高頻諧振現(xiàn)象。

工頻和高頻產(chǎn)生鐵磁諧振時造成的過電壓時幅值一般比較高甚至可達到系統(tǒng)額定電壓的3～4倍以上，初期暫態(tài)過程中的電壓幅值可能更高，可擊穿電氣設(shè)備的絕緣而造成短路或接地故障。三相對地電壓也因工頻諧振時產(chǎn)生的過電壓導致同時升高，或引起“間歇性接地“現(xiàn)象。分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻震蕩，勵磁感抗L 大幅下降，過電壓并不高。一般在2倍額定值以下，但感抗下降會使勵磁回路迅速達到飽和，勵磁電流陡增，大大超過額定值，導致PT 鐵芯劇烈振動，使PT 一次熔絲熔斷。造成的直接危害，是當PT 一次線圈通過大電流在一次熔斷器尚未起到保護作用是時可能使PT 炸裂。而電壓互感器一次熔斷器熔斷，將導致繼電保護裝置和自動裝置的誤動作或據(jù)動作，計量不準確，造成供電系統(tǒng)停電事故。

3 鐵磁諧振過電壓的幾種常用防范措施

3.1 在PT 開口三角側(cè)并接阻尼電阻

當電網(wǎng)運行正常時，PT 二次側(cè)因三相電壓平衡，繞組開口三角兩端沒有電壓，或僅有極小的不平衡電壓。當供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于此電阻阻值較小，故繞組兩端近似于短路，起到了改變PT 參數(shù)的作用。這一措施不僅能防止電壓互感器發(fā)生鐵芯磁飽和，且能有效地消耗諧振能量，破環(huán)諧振形成條件，避免諧振過電壓。但由于消諧原理的欠缺及裝置的不可靠性，該方式消諧效果不佳，從理論上講對頻率較低的鐵磁諧振，阻值應(yīng)設(shè)定的越小，但太小的電阻并在PT 二次繞組開口三角上會影響其正常運行，極端情況下也會造成PT 燒毀。另外因為鐵磁諧振的頻率往往隨著系統(tǒng)運行環(huán)境變化的，所以該方法就存在著較大的局限性。海南煉化改造前6kV 系統(tǒng)就是使用的這種防范措施。

3.2 在PT一次側(cè)繞組中性點與地之間串接一次消諧阻尼電阻裝置

阻尼電阻是為了防止回路構(gòu)成等幅震蕩，在線路中串聯(lián)電阻來抵消掉一部分能引起震蕩的能量。在低電位下阻尼電阻呈高阻狀態(tài)，起到限流作用，使諧振在起始階段不易形成，單相接地時，阻尼電阻上出現(xiàn)高電位，它的非線性電阻下降，但不影響接地保護的工作，同時還起到吸收諧振能量的作用。

3.3 在PT 開口三角側(cè)加裝微機消諧裝置

工作原理為：對電壓互感器二次繞組開口三角電壓（即U0）進行循輪回檢測。正常工作情況下，該電壓低于30V，裝置內(nèi)的大功率消諧元件（可控硅）處于高阻狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響。當電壓互感器二次繞組開口三角電壓高于30V，裝置判斷系統(tǒng)發(fā)生接地故障，消諧裝置開始對PT 開口三角電壓進行采集，通過系統(tǒng)運算和數(shù)字信號處理技術(shù)，然后對數(shù)據(jù)進行分析，判斷出當前電力系統(tǒng)的故障狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)存在某種頻率的鐵磁諧振，裝置處理器立即導通可控硅，讓鐵磁諧振能量在強大的阻尼下迅速抵消。

二次微機消諧裝置具有自動跟蹤和自動調(diào)諧、追憶、報警、自動打印和后臺通訊功能，可滿足電力監(jiān)控值班的需求。當電力系統(tǒng)故障判斷為系統(tǒng)存在工頻位移過電壓或鐵磁諧振過電壓后，處理器就開始執(zhí)行消諧程序，激發(fā)高頻脈沖群，使并接在PT二次繞組開口三角形兩端的兩只可控硅晶閘管交替過零觸發(fā)導通，將開口三角形繞組短接（若系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地，則不起動消諧裝置），使PT 飽和過電壓立刻消除。

3.4 其他

加強線路巡視和檢修，防止出現(xiàn)不對稱短路現(xiàn)象；選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器、或使用電容式電壓互感器后，我公司升級后選用大連第一互感器有限公司的JDZX16-6W 型電壓互感器；改變系統(tǒng)運行方式。在系統(tǒng)中只投入一組電壓互感器，系統(tǒng)空載運行且供電線路距離又相對較短時，這種情況下可將部分備用或停電線路投入運行，用來增加分布電容來防止諧振的情況發(fā)生。即改變電力系統(tǒng)的運行方式，從而改變了供電系統(tǒng)電氣運行參數(shù)，破壞了回路中產(chǎn)生鐵磁諧振的所需的參數(shù)匹配，從而避免諧振的發(fā)生。

海南煉化防止PT 鐵磁諧振的措施：針對CS10區(qū)域變6kV 電力系統(tǒng)PT 發(fā)生鐵磁諧振燒毀的問題，經(jīng)過分析研究決定，在三個區(qū)域變電站6kV 母線PT二次增設(shè)微電腦多功能消諧裝置的辦法，由電腦控制實現(xiàn)更精準的自動消諧方式，并將一次高分斷速溶熔斷器由2A 改成1A。海南煉化通過在6kV 系統(tǒng)PT 二次消諧進行改造升級后，6kV 電力系統(tǒng)從此再也沒有發(fā)生過PT 鐵磁諧振過電壓燒毀或爆炸事故。

綜上，在中性點不接地供電系統(tǒng)的運行方式下倒閘操作，系統(tǒng)中有單相接地或受到外部電網(wǎng)擾動等情況時，易使系統(tǒng)對地電容與電感構(gòu)成振蕩回路，滿足條件后激發(fā)鐵磁諧振，造成鐵磁諧振過電壓。應(yīng)在PT日常操作維護、母線運行方式調(diào)整、設(shè)備選型等方面充分考慮，加強對運行人員的培訓，及早發(fā)現(xiàn)并正確處理，盡可能避免或阻止電磁諧振的構(gòu)成條件，提高供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行。