某電廠電壓互感器鐵磁諧振案例的分析及對策

王 權(quán)，李 煒

（葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

鐵磁諧振是由于電磁式電壓互感器的勵磁感抗與電力系統(tǒng)的對地零序容抗構(gòu)成的諧振引起的中性點位移。鐵磁諧振在電力行業(yè)時有發(fā)生，若不及時處理或處理不當(dāng)，可能會引起系統(tǒng)對地電壓升高，進(jìn)而導(dǎo)致電力設(shè)備或線路中絕緣損壞，形成接地或短路故障，嚴(yán)重影響電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至危及電力系統(tǒng)[1]。為了避免發(fā)生鐵磁諧振，對電力設(shè)備進(jìn)行設(shè)計和操作時，應(yīng)進(jìn)行估算和分析，盡可能地避免正常運(yùn)維過程中發(fā)生諧振，或采取措施預(yù)防諧振。本文結(jié)合某電廠主變壓器倒掛時主變壓器低壓側(cè)電壓互感器鐵磁諧振的案例，對電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振及限制方法進(jìn)行了討論。

1 案例概述

某電廠6F單元電氣主接線示意圖如圖1所示，主接線已根據(jù)文章論述需要簡化。

圖1 6F單元主接線示意圖Figure 1 Schematic diagram of 6F unit main wiring（simplified）

2016年4月22日02：06運(yùn)行人員接到調(diào)令6F機(jī)組停機(jī)備用（廠變壓器開關(guān)24DL此前已斷開）。

02：11：37中控室發(fā)令6F機(jī)組空載，斷開806DL，拉開8061刀閘。

02：14：26中控室發(fā)令6F機(jī)組停機(jī)。

02：14：51監(jiān)控系統(tǒng)報“主變低壓側(cè)零壓報警”。

報警時6FB保護(hù)盤現(xiàn)場信號：

（1）南瑞繼保RCS-985保護(hù)裝置前面板上報警燈亮，液晶顯示屏報文顯示：“主變壓器低壓側(cè)開口三角零壓報警”；

（2）四方CSC-316M裝置無信號；

（3）中元華電錄波裝置面板上錄波燈亮，裝置持續(xù)啟動錄波。

2 檢查處理

2.1 806DL操作分閘時波形

02：11：37 806DL斷開，保護(hù)盤8JP故障錄波如圖2所示。從錄波圖中可以看到在806DL斷開前與斷開后，主變低壓側(cè)開口三角電壓并未見明顯異常，電壓值在3V以下，和平時運(yùn)行值一致。

2.2 3YH零序電壓開始發(fā)生異常時波形

6F機(jī)組處于停機(jī)備用狀態(tài)后，主變壓器6B倒掛，廠用變壓器24DL處于斷開狀態(tài)，6B低壓側(cè)未帶任何負(fù)荷，僅帶有3YH。806DL斷開約3min后，02：14：51 3YH開口三角電壓逐漸開始變化，波形如圖3所示。南瑞繼保RCS-985保護(hù)裝置主變壓器低壓側(cè)開口三角電壓報警，監(jiān)控系統(tǒng)報“主變壓器低壓側(cè)零壓報警”。

2.3 保護(hù)報警時電壓波形

用萬用表量測得3YH開口三角電壓約為86V，使用便攜式錄波儀查看波形，周期約為40ms，波形顯示如圖4所示。

圖4 3YH開口三角電壓波形圖Figure 4 Open-delta voltage waveform of 3YH

用萬用表量得3YH線電壓三相對稱，為96V左右，錄波儀上波形顯示如圖5所示，其有效值94.83V，周期為20ms。

圖5 3YH線電壓波形圖Figure 5 Line voltage waveform of 3YH

用萬用表量3YH測得A相、B相、C相相電壓都在74V左右，錄波儀波形顯示相電壓中含有較大的諧波分量，波形如圖6所示。

圖6 3YH各相電壓波形圖Figure 6 Phase Voltage waveform of 3YH

2.4 報警信號復(fù)歸

運(yùn)行人員于14：13：20合上廠用變壓器開關(guān)24DL，主變壓器低壓側(cè)零壓隨即恢復(fù)正常，主變壓器低壓側(cè)零壓報警信號隨即復(fù)歸，相關(guān)波形如圖7所示。

圖7 廠用變壓器開關(guān)24DL合上，3YH零壓恢復(fù)正常Figure 7 Factory switch 24DL closed，3YH zero voltage returned to normal

3 案例分析

3.1 保護(hù)配置情況

該電廠6FB現(xiàn)配置有兩套發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)，南瑞繼保的RCS-985，四方繼保的CSC-306D和CSC-316M，兩套保護(hù)均配備了主變壓器低壓側(cè)零壓報警保護(hù)，在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開時自動投入，用于監(jiān)視主變壓器低壓側(cè)系統(tǒng)單相接地故障。兩套保護(hù)主變壓器低壓側(cè)零壓報警保護(hù)定值均整定為40V，延時5s發(fā)信。該保護(hù)采集的零序電壓取自主變壓器低壓側(cè)電壓互感器（3YH）開口三角回路，未接入3YH三相相電壓，測控專業(yè)測量盤有采集3YH三相相電壓?，F(xiàn)場檢查二次采集測量回路和保護(hù)裝置均正常。

3.2 3YH電壓異常分析

根據(jù)檢查結(jié)果，報警時：3YH線電壓三相對稱，為正常值約96V，相電壓都在74V左右（正常值為57V），并且波形中含有較大的諧波分量，開口三角電壓約為86V，周期約為40ms。

對主變壓器低壓側(cè)相電壓、開口三角電壓進(jìn)行matlab頻譜分析，頻譜圖如圖8、圖9所示。從頻譜圖中可以看出，開口三角電壓頻率在25Hz左右，相電壓包含除了工頻以外還含有25Hz分頻諧波。

圖8 開口三角電壓波形頻譜圖Figure 8 Spectrum of open-delta voltage waveform

圖9 相電壓波形頻譜圖Figure 9 Spectrum of Phase voltage waveform

當(dāng)發(fā)生接地故障時電氣特征量為：故障相的電壓降低，非故障相的電壓升高。此次主變壓器低壓側(cè)零壓報警與主變壓器低壓側(cè)單相接地故障電氣特征量不符。

根據(jù)圖10中H.A.Peterson諧振分布原理，電力系統(tǒng)中發(fā)生不同頻率的諧振與基頻時系統(tǒng)對地電容的容抗XC0和互感器的感抗XL的比值有直接關(guān)系[2]～[5]：

圖10 H.A.Peterson諧振分布原理圖Figure 10 H.A.Peterson resonance area diagram

（1）當(dāng)比值為0.01～0.08時，發(fā)生分頻諧振，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)較低，一般不超過相電壓的2.5倍，三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，而且有周期性的擺動，線電壓指示數(shù)正常。

（2）當(dāng)比值為0.08～0.8時，發(fā)生基頻諧振，表現(xiàn)為：三相電壓兩相高、一相低，線電壓正常；產(chǎn)生很大的過電流會導(dǎo)致互感器熔絲熔斷，甚至燒毀電壓互感器；過電壓倍數(shù)在3.2倍相電壓以內(nèi)，伴有接地動作或告警，即虛假接地現(xiàn)象。

（3）當(dāng)比值為0.6～3.0時，發(fā)生高頻諧振，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)較高；三相電壓表同時升高，最大值達(dá)相電壓的4～5倍，線電壓基本正常且穩(wěn)定；諧振時過電流較小。

根據(jù)頻譜分析結(jié)果和現(xiàn)場檢查結(jié)果，此次主變壓器低壓側(cè)零壓報警與電壓互感器分頻諧振特征非常吻合，經(jīng)分析基本認(rèn)定主變壓器開口三角電壓異常為3YH分頻諧振導(dǎo)致。

4 解決方案及應(yīng)對措施

一般來說，常規(guī)電壓互感器勵磁阻抗很大，網(wǎng)絡(luò)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(dāng)系統(tǒng)處在操作中或有故障、受到擾動時，系統(tǒng)對地電壓會出現(xiàn)低頻自由分量，使電壓互感器對地電壓升高，電壓互感器一次線圈中出現(xiàn)涌流[6]。涌流可能會使鐵芯深度飽和，其電感值隨鐵芯的飽和而減小，當(dāng)電感降至ωL=1/ωC時，就會導(dǎo)致鐵磁諧振[7]。電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓互感器鐵磁諧振的條件為：

（1）系統(tǒng)的感抗不小于系統(tǒng)容抗的倒數(shù)；

（2）容抗的倒數(shù)大于或等于電感線圈在鐵心飽和時的感抗；

（3）系統(tǒng)處于操作中或有故障、受到擾動時，使系統(tǒng)對地電壓出現(xiàn)低頻自由分量。只有同時滿足以上三個條件，電壓互感器鐵磁諧振才會發(fā)生。

限制鐵磁諧振的措施和辦法是多種多樣的，可以用以下措施防止鐵磁諧振的發(fā)生。

4.1 變更運(yùn)行方式

發(fā)生鐵磁諧振需滿足三個條件，任何一個條件的改變都會阻礙鐵磁諧振的發(fā)生，因此當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)諧振后，變更當(dāng)前運(yùn)行方式（改變了系統(tǒng)參數(shù)中C和L的配合關(guān)系），可以破壞鐵磁諧振條件，達(dá)到消除鐵磁諧振的目的[8]。本文介紹的案例，當(dāng)6B倒掛且不帶廠用變壓器運(yùn)行時（廠用變壓器開關(guān)24DL斷開），系統(tǒng)參數(shù)C和L的配合正好符合3YH鐵磁諧振條件，故在擾動的激勵下發(fā)生了諧振；在運(yùn)行人員合上24DL開關(guān)帶廠用變壓器運(yùn)行后，諧振條件被破壞，諧振也隨即消除。

運(yùn)行人應(yīng)盡量避免在易發(fā)生諧振的方式下運(yùn)行，如若不可避免，應(yīng)注意對互感器電壓進(jìn)行監(jiān)視，若發(fā)現(xiàn)異常，立即通知維護(hù)人員協(xié)助處理，若電壓異常非接地故障引起，經(jīng)分析為鐵磁諧振現(xiàn)象，應(yīng)變更運(yùn)行方式。

4.2 消諧電阻

在電壓互感器的二次側(cè)開口三角繞組上接入阻值合適的消諧電阻，可以有效地防止互感器發(fā)生諧振，這種方法簡單實效。其大致原理為：消諧電阻接在開口三角繞組上，在諧振時能在開口三角繞組中產(chǎn)生額外勵磁電流，改變一次側(cè)等效電感，從而達(dá)到破壞諧振條件，防止發(fā)生諧振[8]。一般來說消諧電阻越小，抑制諧振效果越顯著，但同時要考慮單項接地故障時繞組過電流對互感器的影響[9]～[10]。

在開口三角接入消諧電阻，有三種方案可供現(xiàn)場選擇：①在開口三角長期接入，防止諧振；②在系統(tǒng)運(yùn)行方式變更為易諧振運(yùn)行方式之前通過空開接入，易諧振運(yùn)行方式變更后退出接入，防止諧振發(fā)生；③在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)諧振后投入，消除諧振。

4.3 微機(jī)消諧裝置

鐵磁諧振發(fā)生后，電壓互感器開口三角繞組內(nèi)會產(chǎn)生不同頻率的零序電壓。微機(jī)消諧裝置采集電壓互感器開口三角電壓，對其進(jìn)行特征量分析比對，自動識別出系統(tǒng)故障類型，接地故障還是發(fā)生了諧振。若裝置認(rèn)為發(fā)生了諧振，會根據(jù)諧振頻率發(fā)出相應(yīng)脈沖，控制可控硅吸收諧振能量，進(jìn)而消除諧振。

5 結(jié)語

鐵磁諧振在電力系統(tǒng)時有發(fā)生，發(fā)生后會產(chǎn)生大電流、過電壓，既影響電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，也嚴(yán)重威脅人身安全，采取措施對其進(jìn)行限制是十分必要的。

（1）根據(jù)鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理，我們可以在回路設(shè)計及設(shè)備選型時，選擇勵磁特性合適的電壓互感器，使其對地電容與一次側(cè)繞組電感比值避開[0.01，3.0]這個區(qū)間[11]，以防止電壓互感器鐵磁諧振的發(fā)生；

（2）諧波也能導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振，采取相應(yīng)措施限制諧波源，控制局部回路或系統(tǒng)參數(shù)在諧振范圍外，可預(yù)防和抑制諧振發(fā)生；

（3）變更運(yùn)行方式、裝設(shè)消諧電阻及消諧裝置等都可效消除諧振，具體選擇什么方式消諧應(yīng)根據(jù)實際情況綜合考慮。