水電站發電機停機時主變壓器低壓側PT諧振分析及處理

李 建 清， 張 斯 宇， 靳 帥

(國家能源大渡河枕頭壩發電有限公司，四川 樂山 614700)

1 概 述

枕頭壩水電站為大渡河干流水電梯級規劃的第19個梯級，地處四川省樂山市金口河區，為徑流式水電站，安裝4臺180 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量720 MW，設計年發電量32.9億kWh。枕頭壩水電站4臺發電機采用發變組聯合單元接線接入四角型500 kV升壓站，經1回500 kV線路接入電網。每臺機組機端設置有4組電壓互感器，均布置在發電機出口電壓互感器柜內，供發電機保護、調速器、勵磁、發電機電度表等設備使用。

2 故障現象

2018年7月24日2∶36，按調令2F機組斷開出口斷路器DL2停機，隨后2.7 s主變低壓側PT二次消諧裝置諧振報警[1]、7.6 s主變保護低壓側零序過壓報警、11.2 s主變保護PT斷線；用萬用表檢查主變低壓側二次電壓A相57.2 V、B相52.6 V，C相34.8 V，零序電壓13.5 V，初步判斷主變低壓側PT一次熔斷器熔斷。主變停電后檢查發現低壓側2PT一次側B、C相熔斷器熔斷。通過故障錄波器波形分析(圖1)，在DL2斷開后8 s內測得三相電壓波動為：A相35.5-102.26 V、B相27.04-98.26 V、C相33.32-75.82 V，分析判斷主變低壓側2PT發生了分頻鐵磁諧振過壓。

圖1 2PT故障錄波圖

3 PT鐵芯飽和諧振過電壓分析

3.1 繞組接線形式

2FB繞組接線見圖2，2PT二次開口三角繞組并接微機消諧裝置。

圖2 2FB繞組接線圖

3.2 原因分析

2PT為電磁式，在正常情況下電感L=ψ/i為常數，鐵芯不飽和。在2F停機DL2斷開時，切除了發電機對地電容CF、1PT及消弧線圈電感XF，使主變低壓側不接地系統中電容電感突然發生變化，造成流經2PT的一次電流i增大，2PT鐵芯逐漸飽和，動態電感Ld=dψ/di反而減小，導致鐵磁諧振發生，非線性諧振回路的伏安特性(圖3)。由線性電容和鐵芯電感組成的回路中，電感電壓UL與電容電壓UC的和等于電源電壓。在電源電壓由正常值E開始不斷加大時，電路的工作點將沿曲線3自a點上升。當電源電壓超過m點的值U0以后，工作點m點突然跳到n點，并沿n～e段上升。n點與m點相比較，電容電壓UC很大，電感電壓UL也是增大的。這個過程就是電路工作狀態由感性經諧振到了容性的過程，產生了諧振過電壓。在鐵磁諧振發生后，即使電源電壓降低，而電路的工作點將沿曲線3的n～d段下降，在電壓恢復到正常工作電壓E時，電路將穩定在工作點c。此時的電容電壓UC與電感電壓UL都比正常工作點a大，即仍然有過電壓的存在。所以，鐵磁諧振的產生需要由電源電壓大于U0來激發，但激發過后電源電壓降到正常值E時，鐵磁諧振產生的過電壓仍繼續存在，并將保持。鐵磁諧振過電壓可高達3.5倍相電壓，且因頻率和相應的勵磁感抗均下降 ，勵磁電流往往會很大，最大勵磁電流可達額定勵磁電流的80倍，將導致PT一次保險熔斷，甚至過熱燒毀、噴油爆炸[2-3]。

圖3 非線性諧振回路的伏安特性

4 PT鐵芯飽和諧振過電壓防范措施及比較

中性點不接地系統的PT[4]，產生鐵芯飽和諧振的主要原因是諧波電源和諧振電路參數的匹配。由于電力系統故障形式多樣，目前，尚無有效措施對諧波電源加以限制。此外，由于故障形式不同，系統諧振參數也是隨機變化的。為抑制電磁式PT飽和引起的諧振過電壓，一般采取下列幾種防范措施能取得較好效果：

(1)在二次開口三角繞組并聯電阻RO或加裝專用消諧器。

(2)將PT高壓側中性點經高電阻R1接地。

(3)在母線上加裝對地電容。

(4)選用勵磁特性較好的電磁式PT或改用電容式CPT。

以上(3)、(4)項防范措施因涉及新增設備及技改，對枕頭壩水電站來說不具有操作性；(1)、(2)項措施存在一定的可行性，以下加以重點分析和比較[5-6]。

4.1 二次開口三角繞組并接電阻 R0或加裝專用消諧裝置

當PT發生諧振時，中性點出現位移電壓，使三相電壓不對稱，PT鐵芯嚴重飽和，出現零序磁通，PT一次繞組中將流過零序電流I10，在二次開口三角繞組兩端感應零序電壓U20。如果在二次開口三角繞組兩端接入一個電阻R0，將流過零序電流 I20，其對一次繞組產生去磁作用，從而抑制了諧振。R0愈小，I20愈大，去磁作用也愈顯著。如果將二次開口三角繞組兩端短接，即R0=0，諧振就不會發生。I10=I20/K2(K為PT一次繞組與二次開口三角繞組變比), I20=3×U20/ R0，則I10=3×U20/K2R0，所以,U10/I10=R=R0×K2/3。可見，二次開口三角繞組兩端接入電阻R0，就相當于在PT高壓側每相并聯一個(K2/3)R0的電阻,增大了回路的阻尼率。從消振效果來說 ,希望 R0盡可能小。但是R0太小，系統發生單相接地時，PT漏抗上的壓降太大，二次開口三角繞組兩端電壓過低，不能滿足繼電保護的要求。根據運行經驗，一般取R0≤0.4(Xm/K2)(Xm為PT等值電抗)。

專用消諧裝置原理與電阻類似，只是當消諧裝置檢測到發生諧振時，自動投入相應阻值的電阻[7]。

4.2 PT高壓側中性點經高電阻或非線性電阻R1接地

在PT一次繞組中性點經一個較大的電阻R1接地,利用該電阻限制PT一次繞組中的電流，是防止或消除PT鐵芯飽和諧振的一個有效而簡便的措施。當系統發生單相接地時，故障點流過電容電流，非故障相的電壓升高為線電壓，其對地電容C0上充以與線電壓相應的電荷。在接地故障期間，此電荷產生電容電流，以接地點為通路，在電源導線和大地間流通，由于PT激磁阻抗很大，故流過PT一次繞組的電流很小。但是，一旦接地故障消除，這個電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復到正常相電壓。由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經充電至線電壓下的電荷，就只能通過PT一次繞組經其接地的中性點泄入大地。在這一瞬變過程中，PT一次繞組中將流過一個很大的工頻沖擊電流，使PT鐵心嚴重飽和，激發諧振現象。如果在PT一次繞組中性點串一個足夠大的電阻R1接地，在單相接地故障消失時，就可阻尼流過一次繞組和中性點的沖擊振蕩電流，使其急劇衰減，避免鐵心飽和，防止鐵磁諧振的產生。單純從消振效果來看，中性點電阻R1越大越好，若該電阻為無限大，即PT高壓側中性點不接地，則諧振條件不成立，諧振根本不會發生。但是中性點電阻R1的選擇要受到中性點絕緣水平、接地指示器的靈敏度、正常電壓測量和電網運行方式的限制，不能選擇得太大。根據運行經驗，一般取R1≥0.06 Xm。

另一個辦法是將加高電阻方式調整為加裝非線性電阻消諧器。正常運行時，中性點電壓很低，消諧器呈高阻狀態，PT中性點接近不接地狀態，且消諧器自身具有隔離直流分量的作用，PT不易飽和，極大地減小諧振發生的幾率；當發生單相接地故障時，在中性點位移電壓作用下，消諧器進入非線性段呈低阻狀態，對PT測量準確度影響小[8-9]。

4.3 兩種防范措施的優缺點比較

PT飽和引起的鐵磁諧振，無論是串聯(一次側)方式還是并聯(二次側)方式，都能有效消除諧振[10-11]。

中性點不接地系統發生鐵磁諧振，并非只有PT飽和所致，還有其他原因也會引起諧振，較為常見的有斷線引起的諧振。這種諧振，若采用并聯方式，起不到限制一次電流的作用將很快燒毀PT。即使是較為先進的專用消諧裝置，因依據的二次開口三角繞組電壓和頻率，也不易分辨是PT飽和引起的諧振還是其他原因引起的諧振[12]。

因PT一次繞組的勵磁電流中含有一定的三次諧波分量，三相對稱系統中，三次諧波電流是零序方向，即三相PT中的三次諧波電流是同一方向，都流過PT一次繞組中性點與地之間的消諧電阻R1，必然在R1上產生三次諧波電壓。此電壓反映在二次開口三角繞組兩端，會使二次開口三角繞組兩端電壓升高(約5～10 V)，增加了PT二次側三次諧波電壓。同時，也會影響二次三相相電壓的測量。然而，采用在二次開口三角繞組并接電阻的方式不會發生此現象[13-15]。

5 解決方案

鑒于枕頭壩水電站主變低壓側全部采用封閉母線，發生單相接地或斷線的幾率較小，而發生PT飽和諧振的幾率要稍高，比較兩種方案優缺點并結合1PT高壓側中性點已通過非線性電阻R1接地實際情況，確定采用2PT高壓側中性點經非線性電阻R1接地，二次開口三角繞組兩端并接電阻 R0和保留微機消諧裝置方式。

枕頭壩水電站2PT二次開口三角繞組變比K=272.79，現場試驗并計算得2PT電抗Xm=18.69 MΩ，根據R0≤0.4(Xm/K2)計算得R0≤100.4 Ω。同時，兼顧消諧作用及對保護、測量的影響，選用R0=40 Ω、320 W的陶瓷線性電阻，且并聯微機消諧裝置。2PT高壓側中性點非線性電阻R1，選用非線性電阻消諧電阻器，1 mA電流標準電壓550～700 V，現場試驗實測650 V；10 mA電流標準電壓1 500～2 000 V，現場試驗實測1 510 V。

采用該方案后未發生PT諧振，運行情況良好。

6 結 語

雖然枕頭壩水電站的方案解決了停機時主變低壓側PT飽和諧振問題，但每個電站仍需根據現場試驗確定R0、R1參數。從上述分析可以看出，對電站主變低壓側不接地系統，最好在PT高壓側中性點經高電阻或非線性電阻R1接地，可根據PT的工頻勵磁電抗、中性點的絕緣水平等參數選擇合適的高電阻或非線性電阻R1。同時，在PT二次側開口三角繞組加裝質量性能穩定的二次微機消諧裝置，以實現諧振能量的消除；為防止二次微機消諧裝置失效，可在PT二次側開口三角繞組并聯一只阻值、功率適中的陶瓷線性電阻以確保安全運行。