6 kV系統電磁式電壓互感器引起的諧振過電壓及其防范措施

李書碩,馬成久

（1.中電投蒙東能源鴻駿自備電廠,內蒙古 通遼 029200;2.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

發電廠6 kV廠用電系統特點是系統中性點不接地,當系統發生單相接地時,可以短時間運行1～2 h,但必須發出報警信號。電壓互感器中性點接地,互感器鐵心的非線性電感與系統對地電容構成諧振回路。由于設計選型的原因,互感器磁路易飽和,在系統波動或單相接地的誘發下,電壓異常升高相的互感器磁路過飽和,當互感器電感與系統電容參數相匹配便會發生諧振。諧振發生時,在TV一次產生很大的電流,其值遠大于正常的一次鉛絲額定電流,導致鉛絲熔斷,TV燒損,造成二次電壓消失,進行廠用電切換。若熔絲選擇不當,可能使TV爆炸,形成母線三相短路,發電機的安全運行直接受到威脅。諧振時,其諧振過電壓最大可達3倍相電壓,對絕緣比較薄弱的電動機等設備是嚴峻的考驗,易造成設備損壞。

元寶山電廠3號機組6 kV廠用電系統曾發生過多次諧振,造成互感器熔絲頻繁熔斷、互感器本體燒損。3號機組（600 MW）廠用電6 kV系統分為4段,中性點不接地,電壓互感器中性點側是接地系統。該系統如果參數配置不當,將發生諧振過電壓。3號機組6 kV系統曾采用安裝MES98型電力諧振消除裝置、在互感器開口三角繞組上串接電阻等方法進行衰減消諧,但效果不明顯,目前已采取有效措施,解決了諧振問題。

1 鐵磁諧振過電壓的產生

在6 kV中性點不接地電網中,為監視三相對地電壓,電磁式電壓互感器通常接在6 kV母線上。其初級線圈接成星形,中性點直接接地,其等值電路如圖1所示。

圖1 電磁式電壓互感器等值電路

電磁式電壓互感器為3個單相電壓互感器構成。當通過鐵心的電流I較小時,可以認為通過鐵心的磁鏈φ和I成正比。反映這一比值的勵磁電感L=φ/I基本保持不變,為固定的常數,這時勵磁電感L可以看成線性電感。當通過線圈的電流I增大到超過一定數值時,鐵心開始飽和,鐵心中的φ不再繼續隨電流I線性增大。φ和I的關系呈非線性,線圈勵磁電感L不再是固定的常數,隨電流I的增大而減小,電磁式電壓互感器的伏安特性如圖2所示。

圖2 電磁式電壓互感器的伏安特性

電網正常運行時,電磁式電壓互感器線圈電壓為電網額定電壓,通過線圈電流I較小,互感器鐵心不飽和,其勵磁電感很大,為一常數。與電容C并聯后的導納Y呈容性,即電容電流在于電感電流（容抗小于感抗）,且各自Y基本相等,電網三相對地負載基本平衡。電網中性點位移電壓U= （EaY1+EbY2+EcY3）/（Y1+Y2+Y3）很小,基本為0。

當電網出現擾動,如向只帶有電磁式電壓互感器的空母線充電、進行投切空載線路、線路發生單相瞬間弧光接地及接地故障消失、電網有雷電感應、電網負荷輕、電壓有時發生傳遞過電壓等都可使電網對地電壓產生不同程度的瞬間升高,使相應的電壓互感器勵磁電流突然增大,鐵心飽和,導致線圈勵磁電感L相應減小。由于三相鐵心飽和程度不同,相應相線圈勵磁電感L1、L2、L3可能由原來的平衡變為不平衡。某相的導納Y1有可能由原來的容性變為感性,使總導納Y1+Y2+Y3減小,導致電網中性點位移電壓U0=（EaY1+EbY2+ EcY3）/（Y1+Y2+Y3）增大。如果電網參數配合不當,恰好使總導納接近于0,產生串聯電磁諧振,電感電容元件電壓及回路電流突然大幅度躍增。此時,由發電機正常電勢決定的電源變壓器繞組電勢Ea、Eb、Ec維持不變,電壓互感器初級線圈直接接地。電網對地電壓的變動表現為電網中性點位移電壓U0急劇上升,此時三相對地電壓等于各相電源電勢E和中性點位移電壓U0的矢量和,矢量疊加的結果如果是兩相對地電壓升高,一相電壓降低,諧振頻率等于工頻,這就是基波鐵磁諧振的表現形式,與電網發生單相接地時的現象相仿,又稱為虛幻接地。

2 發生鐵磁諧振過電壓的條件

在中性點不接地的廠用系統中,產生諧振必須具備2個條件,一是電磁的擾動（如廠用系統單相接地或開關操作等）,由于擾動,使TV至少有一相出現飽和;二是電感和電容的適當搭配,不同量值的搭配會產生不同形式的諧振,如圖3所示。

當XCO/XL在0.6～3.0時,產生的諧振為3次諧波諧振;當XCO/XL在0.1～0.6時,產生的諧振為基波諧振;當XCO/XL在0.01～0.1時,產生的諧振為1/2分頻諧振。

圖3 不同諧波的共振區域

為進一步了解電磁式電壓互感器鐵心線圈勵磁電感L的非線性對諧振過電壓的影響,最方便有效的方法是作圖法。圖4為電阻R、電容C和鐵心電感L的串聯電路。首先暫不考慮電阻R,電感L和電容C上的電壓隨電流變化的曲線UL、UC（伏安特性）如圖5所示。UC（UC=1/ωC）是一條直線,對于鐵心電感,在電流I較小,鐵心未飽和前,UL基本為一條直線,其未飽和電感為一固定的常數L0。當電流I增大到超過一定數值時,鐵心飽和后,電感下降,UL不再是直線。因此,回路產生鐵磁諧振的必要條件是諧波下回路容抗小于并且接近于非線性勵磁電感的初始感抗。

分次諧波諧振：ωL0/n＞（1/ωC）/n

基波諧振：ωL0=1/ωC

高次諧波諧振：nωL0＞1/nωC

只有滿足以上條件,當鐵心未磁飽和時,回路的自振頻率低于電源頻率,不會發生線性諧振;當鐵磁飽和而電感值減小時,回路的自振頻率可能接近或等于電源的諧振頻率。伏安特性曲線UL和UC才可能相交而互換上下位置,根據基爾霍夫第二定律E=UL+UC,UL和UC相差180°,E=ΔU= |UL-UC|,與ΔU曲線交于a1、a2、a3。

當電源電壓小于ΔU0時,電感L基本是線性,能夠滿足E=UL+UC,因此a1是穩定工作點,回路呈感性。當擾動使電壓瞬間超過ΔU而達到工作點a1時,由于磁飽和電感L下降,I×（W1-1/ ωC）＜E,使電流I增加,電感L減小。a2不是穩定工作點,將自動達到串聯諧振點e。理論上此時過電壓將趨于無窮大,但這種諧振不能穩定存在,由于非線性電感的飽和特點,隨著電流的增加,電感L將繼續減小,回路又自動偏離諧振條件而躍變到新的穩定工作點a3。這樣,過電壓就不會同線性諧振那樣趨于無窮大而將受到限制,此時回路呈容性。因此,產生諧振的充分條件是E+ΔE≧ΔU0。

3 鐵磁諧振特點

a.電磁式電壓互感器鐵心伏安特性的非線性是產生鐵磁諧振過電壓的根本原因。對于勵磁特性較差的電壓互感器,在額定電壓下已使鐵心工作點接近于飽和區,由它組成的諧振回路易發生諧振。

b.鐵心的非線性會限制諧振過電壓的幅值,因此,這種諧振過電壓基本不超過3U0。

c.電壓互感器上的初始電感L愈小,感抗愈接近容抗,則UL和UC相交點的電流I愈小,激發諧振需要的擾動電壓就愈小,產生諧振過電壓的概率也就愈大,電網正常工作點的穩定區就愈小。

d.電壓互感器的鐵心電感伏安特性愈接近線性狀態,則UL的交點愈往后移,雖然諧振過電壓的幅值會愈高,但產生諧振所要的激發電流I也就愈大,產生諧振過電壓的機會也就愈小,電網穩定工作區就愈大,如果電壓互感器鐵心的伏安特性線性度很高,實際電網不可能產生這樣足夠強烈的激發,也就消除了發生諧振的可能性。

e.當電壓互感器固定后,電容C的大小對諧振也有很大影響,電容C愈大,電壓UC和UL之間的差別愈大,二者交點愈往后移,相應交點的電流就愈大,雖然諧振過電壓的幅值會愈高,但產生諧振所需的激發就愈強烈,發生諧振的幾率也就愈小。電網正常工作的穩定區也就愈大,因此,增大C也有可能消除諧振。

f.隨著電網規模的縮小,電容C減小,電壓E值升高,鐵心電感非線性程度加深,XL/XC增大,電網依次可能發生1/2次諧波諧振和3次諧波諧振。

g.1/2次諧波最容易發生。其勵磁電流較大,可達額定勵磁電流的幾十倍以上,易引起高壓熔絲熔斷,互感器燒壞。由于受互感器鐵心飽和程度的影響,這種諧振過電壓幅值一般不超過2倍額定電壓,表現形式為三相對地輪流升高,忽高忽低地頻繁擺動。

h.3次諧波較少發生。對易發生1/2次諧振的電網,一般不發生3次諧波諧振。反之亦然。

i.電阻R的存在使L和C兩端的過電壓有所降低,諧振工作點a3向前移動,諧振范圍減小,諧振過電壓幅值降低。

4 限制和消除鐵磁諧振過電壓措施

a.改變參數

改變參數是指改變諧振回路儲能元件電感、電容的參數,從而破壞諧振條件,增加激發諧振難度,達到消除諧振目的。

①選用勵磁特性好、在最高線電壓下鐵心不易磁飽和的電壓互感器,使非諧振工作狀態點a3遠離非線性區,或選用電容式電壓互感器。

②增大電網對地電容,使XC/XL≤0.1。如投入備用線路,母線上裝設一組三相對地電容器。

③把電壓互感器一次繞組中性點經過1臺單相電壓互感器（JDJ-10）的一次繞組接地,以增大勵磁電感,達到消諧目的。并把主電壓互感器的二次輔助繞組由開口三角形接成無封閉三角形,以有效地消除3次諧波的影響。同時把絕緣監察電壓繼電器線圈接在這臺單相互感器的二次繞組上,動作值整定為25 V。通過實際運行證明,該措施對抑制諧振和減少熔斷器不正常熔斷有一定的效果。對于用戶變電所的電壓互感器一次繞組中性點可采用不接地方式。

④采取臨時的倒閘措施（投入消弧線圈等）。

b.增加阻尼

①在電壓互感器二次開口三角形接地線繞組兩端接一低阻值電阻R。當電網發生諧振有零序電壓出現時,電阻R有電流流過,通過變比關系,此R相當于接在電源變壓器中性點或看成接至互感器高壓Y0接線的繞組上,當R小于某值時,中性點位移電壓將明顯下降,表明諧振得到抑制。因電阻R所接繞組為開口三角形接線,電網正常運行時R不消耗能量。MES型電力諧振診斷消諧裝置就是這一原理,當裝置檢測到有諧振產生時,立即啟動消諧電路（即加入消諧電阻）,使鐵磁諧振在強大的阻尼下迅速消失,同時給出指示。

按消除分次諧波諧振的要求選擇的R值最小,可同時滿足基波位移電壓和高次諧波諧振要求。對具有一般勵磁的互感器而言,消除分次諧波諧振的電阻R的上限值大約是35 kV級為7Ω,10 kV級為30Ω。如勵磁特性很差,R值應更小些。

對于35 kV以下的電壓互感器,可采用在開口三角形接線繞組處長期接入普通照明白熾燈泡,白熾燈鎢絲阻值在冷熱狀態下的非線性變化能基本滿足消除諧振的要求。對于35 kV互感器開口繞組可長期接入500～1 000W的燈泡,對于6～10 kV互感器可接入200～500W的燈泡。但對于單相接地引起接地消失之后再次激發的諧振和其他原因引起的間隔時間較短的諧波諧振,可能會由于白熾燈先已發熱而使電阻顯著增大,以致有時不能起消除諧振（主要是分頻諧振）的作用,這是該方法的固有缺點。運行經驗證明,由2只反并聯的晶閘管和相應的觸發電路組成的消諧裝置,接于開口三角形接線繞組兩端,也是目前較為流行的消諧方法。

②電壓互感器一次繞組中性點經電阻R0接地。當R0足夠大時,可限制一次繞組激磁涌流,避免互感器鐵心飽和,有效防止或消除諧振。顯然,R0值越高,消諧效果越好,若R0趨近∞即相當于中性點絕緣,諧振就根本不會發生。但考慮到互感器通常是分級絕緣,中性點絕緣的試驗電壓只有2 kV,長期運行電壓不宜超過1 kV,還要考慮接地指示的靈敏度及絕緣監視情況,因此,R0值不能選得過大。對于35 kV互感器,R0值可取30 kΩ, P容量約為200W。R0可由陶瓷電阻制成或采用由高溫閥片和線性電阻組成的消諧振器,閥片有利于限制中性點電壓。

③電網中性點采取經電阻接地運行方式,中性點電阻對大多可能出現的諧振過電壓有抑制作用,該方法越來越受運行部門歡迎。

5 發電機組6 kV廠用電系統諧振分析

a.元寶山電廠3號機廠用電系統電氣參數測量

為了對3號機廠用電系統電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振有一定的了解,對3A1,3A2,3B1, 3B2四段6 kV母線使用V-A法進行各段負荷對地電容、母線電壓互感器V-A特性測量,并用電容表進行校核。實際對地電容值比表1中的數值大些,因為測量時有些負荷未能停電沒有測量,廠用變壓器和啟動變壓器至母線的電纜也沒有加入測量。每段對地電容數據如表1所示。

表1 6 kV母線各段對地電容

母線電壓互感器改進前實測V-A特性數據如表2所示。

表2 TV改進前后的伏安特性

b.分析計算

通過現場測得的參數,對TV諧振現象做進一步分析,為簡便起見,以3B2母線為例進行計算。現場實測3B2母線三相對地電容為5.31μF,不包括廠用變壓器（或啟動變壓器）至母線電纜及2～3個未能停電的負荷。所以實際電容值應乘以系數k,取k=1.5,因此,三相對地電容為

3 C0=1.5×5.31=8.00μF

單相對地電容：C0=1/3×8.00=2.66μF

單相對地容抗：XCO=1/ωC0=1 200Ω

表2給出了TV的伏安特性,將這些數據繪成曲線并加以延伸,可得100 V時的電流為23 A,可計算出TV的勵磁阻抗：

XL=602×100/23=15 600Ω

容抗與感抗之比：

XCO/XL=1 200/15 600=0.077

當3B2段母線上一組接地TV運行,廠用電滿負荷時,產生的諧振屬于分頻諧振,其過電壓值不高（小于2倍相電壓）,對電氣設備的絕緣危害不大,但流過TV一次繞組的電流很大,可使TV熔絲熔化,甚至將TV燒損。當3B2上有2組接地TV運行時：XCO/XL=0.154,在這種情況下產生的諧振為基波諧振。

經分析計算,說明3號發電機6 kV廠用電系統的諧振屬于基波或分頻諧振,其最大過電壓可達3倍最大相電壓,對電動機絕緣有一定威脅;其流過TV一次繞組的最大過電流是TV額定電流的百倍以上,可使熔絲熔化,若熔絲選擇不當,還可能使TV爆炸,形成母線短路,對發電機的運行構成威脅。

c.采取的措施

依據過電壓和絕緣配合的行業標準DL/T 620—1997,中性點絕緣系統的每相對地電容的容抗XCO與電壓互感器在線電壓下的激磁阻抗XL的比值大小判斷能否發生諧振。當XCO/XL大于0.01時可能發生鐵磁諧振。

消除諧振通常采取TV一次繞組經過電阻接地、在TV開口三角裝消諧器、TV一次繞組中性點不接地、改變參數等方法。前兩種方法雖然可以對諧振現象起到阻尼作用和抑制作用,使過電壓與過電流的幅值降低,但不能從根本上防止產生諧振,TV及其他設備的絕緣仍然受到威脅。第三種方法雖然可以防止諧振產生,但當系統單相接地時,TV開口三角無電壓輸出,不適合電廠實際接線情況。

因此,防止諧振可從改善TV伏安特性著手,即選用伏安特性優良的TV,并在TV一次繞組中性點接入第4個同型號的TV（TV的3+1消諧措施）,將原互感器的額定電壓由6 000/3/100/3/ 100/3改為6 000/100,并在互感器的一次繞組中性點再加裝1個同型的互感器。

產生諧振的根本原因是TV鐵心飽和,將TV的額定電壓由原來的6 kV/3改為6 kV,改善了TV的伏安特性,使TV在運行中不出現飽和現象,兩種TV的伏安特性如表3所示。

改進后考慮中性點的作用,每相感抗：

表3 TV改進前后的伏安特性

XL=4×602×100/0.31=4 640 000Ω

如果仍以3B2段母線為例,在單臺接地TV運行,所有電纜全部運行的條件下：

XCO/XL=1 200/4 640 000=0.000 26

由圖3可以看出,此時的參數搭配情況處在遠離諧振區域的地方,最嚴重情況是兩組接地TV運行,1/3的電纜充電,這時：

XCO=3×1 200=3 600Ω

XL=1/2×4 640 000=2 320 000Ω

容抗與感抗之比：XCO/XL=0.001 5,可見,此時的運行狀況仍在諧振區之外。

用JDZ-6代替JDJZ-6并在TV一次繞組中性點接入第4個同型號的TV是從根本上防止產生諧振的有效方法,系統零序電壓信號從中性點TV二次取得。

3號發電機6 kV母線系統采用JDZ-6型TV的中性點加TV（即TV3+1）的消諧措施后,沒再發生諧振,經受了系統不同運行方式和6 kV系統單相接地故障的考驗,說明采取的措施得當,從根本上消除了發生鐵磁諧振的條件。