某大型水電站20 kV系統一點接地后鐵磁諧振現象分析

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(1.國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625000；2. 錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000)

0 引 言

電力系統中存在著許多電容和電感元件，當系統進行操作或發生故障時，這些電容和電感元件可能構成各種振蕩回路，在一定的條件下會產生串聯諧振現象，從而導致系統中某些部分或元件出現嚴重的過電壓。諧振是一種穩態性質的現象，諧振過電壓持續時間較長，當電力系統出現諧振過電壓時，會危及電氣設備的絕緣、燒毀系統中的電壓互感器及影響保護裝置的可靠性。在35 kV 及以下電壓等級的中性點不接地電網中，當線路電容和母線上的電磁式電壓互感器參數配合不當時，易引起鐵磁諧振，激發起零序性質的工頻過電壓或諧波諧振過電壓，其大小和頻率可從母線上的電壓互感器開口三角繞組測量出來。這種鐵磁諧振不僅引起虛幻接地，有時還會釀成事故，燒毀電氣設備[2]。

1 事故現象分析

1.1 事故現象

某大型水電站A相發生定子一點接地后定子接地保護動作，跳開發電機出口斷路器，隨即發現主變壓器保護柜A、B相均報TV異常信號，且無法復歸，查看故障錄波波形如圖1，發現A、B相電壓正常，C相電壓僅為34.5 V，測量主變壓器保護柜端子電壓與故障錄波數據一致，由于發電機20 kV系統為不接地系統，大致猜測為TV回路出現故障，在主變壓器低壓側TV柜測量電壓同樣與故障錄波數據一致，帶電拉開主變壓器低壓側C相TV后取下一次保險，用萬用表測量通斷后發現TV保險燒毀，換上同型號保險后故障現象消失。

圖1 保險燒毀后主變壓器低壓側TV故障錄波波形

1.2 事故原因分析

由于發電機中性點為不接地系統，當發電機A相發生定子接地后B、C相電壓升為線電壓，此時存在一定的可能性導致主變壓器低壓側C相TV保險擊穿，但考慮到發電機定子一點接地為常見故障，且經查證TV一次保險型號為RN2-20 kV/0.5 A，當發電機定子一點接地后相電壓升高為線電壓20 kV后并不會導致保險燒毀。

經查看故障錄波波形后發現發電機定子接地保護動作跳開發電機出口斷路器后主變壓器低壓側TV產生諧振。且一次系統諧振電壓最大值頻繁大于20 kV，諧波分析發現其中二次諧波占主要成分，且鐵磁諧振一直存在。直至當主變壓器低壓側C相TV一次保險燒毀后鐵磁諧振逐漸消失。

圖2 定子一點接地后主變壓器低壓側TV故障錄波波形

圖3 主變壓器低壓側TV鐵磁諧振故障錄波波形

圖4 主變壓器低壓側TV鐵磁諧振諧波成分分析

圖5 主變壓器低壓側C相一次保險燒毀后鐵磁諧振消失故障錄波波形

2 鐵磁諧振原因分析

為了分析并聯諧振產生的必要條件，把電力系統內如圖6所示的三相交流系統一般的TV回路簡化為如圖7所示的電阻R、系統電感L、電容C的并聯回路[1]。

圖6 TV在電力系統中的接線原理圖

圖7 并聯諧振回路

圖7中L為電感系統電抗和TV電抗的電抗和，R為電抗本身的電阻，IL為感性電流，IC為容性電流，ω為系統角頻率。由于并聯電路在諧振時，電壓U和總電流I是同相的，圖7中電感支路的復導納為

(1)

電容支路的復導納為

Yc=jwC

(2)

并聯諧振電路的總復導納是兩條支路的復導納之和為

(3)

當并聯諧振電路的總復導納中的電納等于0，即等效總復阻抗中的電抗等于0時，電路發生并聯諧振。設并聯諧振的角頻率為ω，則在并聯諧振時，由式(3)得

(4)

忽略電阻R對并聯諧振的影響，式(4)可簡化為

wL=1/wC

(5)

正常時TV的勵磁阻抗很大，網絡對地阻抗仍呈容性，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小，但當系統在操作或有故障、擾動時系統對地電壓有低頻自由分量出現，使TV對地電壓升高，TV一次線圈中出現涌流。涌流可能使鐵心深度飽和，其電感值隨鐵心的飽和而減小，這時，有可能出現兩種情況：一是TV的一次電流繼續增大，燒斷TV一次側的熔斷器或燒壞TV；另一種情況是當電感降至ωPL= 1/ωPC時，就會導致鐵磁諧振。諧振使得電網三相對地電壓不穩定，常使兩相電壓升高，另一相對地電壓降低。

在中性點不接地系統中，當發生單相接地故障時，電網電壓、相位維持不變，故障相電壓下降為近似零值，非故障相上升為額定電壓近似值的1.732 倍，當系統接地故障消除后，非接地相在過電壓期間，由于線路電容的作用，已對線路充入電荷，這部分電荷在中性點不接地系統中，只能對電壓互感器的高壓繞組電感線圈放電，而流入大地，在這個電壓瞬變過渡過程中，非接地相電壓互感器一次繞組勵磁電流突然出現數倍于額定電流的峰值電流，可將一次電壓互感器保險熔斷甚至燒毀TV。另外除三相電壓互感器外，其余的主變壓器、配電變壓器中性點均不接地，當系統發生一個周波重燃多次的弧光斷續接地時，電壓互感器成為系統對地放電的通道。其放電電流可達2 A 左右，是一般電壓互感器一次額定電流200 倍左右，這樣重燃多次斷續放電，可能造成電壓互感器因劇烈發熱而燒毀[3]。

3 TV鐵磁諧振治理措施

隨著中國電力事業的飛速發展，配電系統鐵磁諧振的治理辦法也得到了飛速的發展，其形式和方法多種多樣，但從其防止鐵磁諧振原理可分4類。

(1) 降低鐵心的磁通密度來改善互感器的伏安特性單相三線圈電壓互感器，主要用于系統單相接地保護。系統發生單相接地故障時，會引起工頻電壓升高，鐵心出現過激磁。用于中性點直接接地系統的電壓互感器，過激磁達1.5倍，為使鐵心不致過飽和，正常工作磁通密度應選得低些；用于中性點不直接接地系統的電壓互感器，過激磁達1.9倍，而且還要考慮防止鐵磁諧振，為此，正常工作磁通密度應選得更低些。并且將鐵軛截面比鐵柱放大5%～10%，使其磁通密度再低些。采用伏安特性好的TV，當系統在操作或有故障、擾動時，TV鐵心不易飽和，從而有效地抑制鐵磁諧振。

(2)調整線路參數中C與L的配合

由上面的分析得到，當系統的感抗大于或等于系統容抗的倒數時，系統不會發生鐵磁諧振，所以在35 kV以下的母線上加裝一組對地電容器可避免諧振；當系統容抗的倒數不小于電感線圈在鐵心飽和時的系統感抗時，系統不會發生鐵磁諧振，所以可以在電感回路中串接電感元件避免諧振，但這樣降低了系統負載的功率因數，不可取；此外投入事先規定的某些線路或設備，改變線路參數中C與L的配合，消除鐵磁諧振。

(3)系統中性點改為消弧線圈接地

眾所周知，鐵磁諧振過電壓產生最根本的原因是電源中性點對地絕緣和電壓互感器一次繞組中性點直接接地。因此，如將電源中性點改為經接地變壓器、消弧線圈接地方式，該系統零序回路的電感參數將主要由接地變壓器、消弧線圈的零序阻抗決定。而零序阻抗遠小于TV的勵磁阻抗，相對地穩住了系統中性點電位，即使TV勵磁阻抗發生突變，也不會出現鐵磁諧振。

(4)在電壓互感器開口三角端子上或在一次線圈中性點上接入適當阻尼電阻這種方法是消除鐵磁諧振最簡單最有效的措施，這種辦法在工業化應用方面得到了很大的發展，其方法多種多樣，具體有以下幾種。

①TV中性點經消諧器和小電阻接地

中性點串入的電阻等價于每相對地接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地時，由于中性點對地帶有一定電位，故能相應減少非故障相TV繞組的電壓，使TV的飽和程度降低，不至于發生鐵磁諧振。但是電阻的接入使TV開口三角繞組輸出電壓相應降低，會影響接地指示裝置的靈敏性。除了要考慮R≥6%X(TV阻抗)外，還要考慮電阻的熱容量。當直接采用線性電阻時，往往由于電阻元件的容量及絕緣水平選擇不當，使引線燒斷，電阻燒毀，沿面閃絡等。若采用RXQ-10型消諧器，其內部由SiC非線性電阻片與線性電阻(6～7 kΩ)串接，在低壓時呈高阻值，使諧振在初始階段不易發展起來。在線路出現較長時間單相接地時，消諧器上將出現千余伏電壓，電阻下降至稍大于6～7 kΩ，使其不至于影響接地指示裝置的靈敏度，同時非線性電阻片的熱容量相當大，可滿足放電電流的要求。

②在TV開口三角繞組接電阻。由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會導致一次側電流增大，也就是說TV的容量要相應增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但TV的過載現象越嚴重，在諧振或單相接地時間過長時甚至會導致保險絲熔斷或TV燒毀。一般來說接入10 kV TV開口三角繞組的電阻取16.5～33 Ω。

③TV中性點串單相TV。在中性點串單相TV這種裝置，在線路單相接地時能夠使TV各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低TV一次側電流，同時亦保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏度。

④在TV開口三角繞組并聯多功能微機消諧器當發生鐵磁諧振時，TV開口三角出現伴有不同頻率成分的零序電壓。將該電壓輸入微機，微機裝置根據不同頻率、不同電壓值，自動識別系統是接地故障還是諧振故障。若為諧振故障則根據不同頻率輸出脈沖，控制可控硅導通，自動吸收諧振能量，動態消除鐵磁諧振。

4 總 結

首先闡述了發電機注入式和基波+三次諧波定子接地保護原理，并根據錦屏電廠實際情況計算出保護范圍，再對一次典型的接地故障進行分析，從發電機中性點零序電流和零序電壓著手，驗證了保護動作的正確性；最后結合故障點位置，計算出接地電阻的阻值，與現場檢查時測量值一致，為故障檢修提供了依據。

[1] 高國芳.電力系統電壓互感器鐵磁諧振原因分析及治理措施[J].電工電氣，2009(11)：40-42.

[2] 王兵峰，劉儉勤.羊湖電廠10 kV 系統電壓互感器引起的鐵磁諧振及消諧方法[J].水力發電，2001(3)：11-13.

[3] 張凱，王建恩，韋宏偉.電力系統鐵磁諧振的產生及消除措施[J].中國新技術新產品，2010(13)：14.