淺析6kV電力系統(tǒng)PT鐵磁諧振過(guò)電壓的防范措施

中國(guó)石化海南煉油化工有限公司機(jī)動(dòng)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(diǎn)，因此安全、可靠的供電系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)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(jí)多為35kV、10kV 和6kV，普遍采用了系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，當(dāng)空母線充電或系統(tǒng)內(nèi)有單相間歇性孤光接地故障時(shí)，容易造成系統(tǒng)諧振，從而引起過(guò)系統(tǒng)電壓，繼而產(chǎn)生保護(hù)誤動(dòng)作等其它停電事故，影響生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)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(gè)裝置配電間組成，共有220kV、35kV、10kV、6kV、0.4kV 五個(gè)電壓等級(jí)，其中35kV、10kV、6kV 均為中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)。因此，通過(guò)研究電力系統(tǒng)造成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)鐵磁諧振的原因，采取有針對(duì)性的措施消除諧振，對(duì)保證供配電系統(tǒng)的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)周期運(yùn)行至關(guān)重要。

1 電壓互感器燒損事故經(jīng)過(guò)

2006年7月13 日19時(shí)12分，總變后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警聲響，報(bào)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(chǎng)檢查，表計(jì)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(shí)發(fā)現(xiàn)PT 柜內(nèi)有異響，柜頂有濃煙冒出。由于當(dāng)時(shí)該變電站供的生產(chǎn)裝置還未開(kāi)工，值班人員立即斷開(kāi)02A 段母線進(jìn)線柜斷路器，進(jìn)行停電處理，打開(kāi)PT 柜02A03柜門(mén)，將PT 小車(chē)?yán)觯l(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(gè)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(gè)電源兩兩互為備用。6kV 02A 段帶有54個(gè)饋出回路，其中包含49個(gè)電動(dòng)機(jī)回路和5個(gè)6/0.4kV 變壓器回路，當(dāng)時(shí)02A 段母線所帶負(fù)荷裝置未投產(chǎn)，負(fù)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(fù)荷（大部分為電焊機(jī)及其他電動(dòng)工具負(fù)荷），晚上工人下班，負(fù)荷很低，接近母線空載狀態(tài)。此時(shí)檢查污水變電所母線緊固情況，切除一臺(tái)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(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，電氣設(shè)備絕緣被擊穿、電壓互感器燒毀。因原設(shè)計(jì)電壓互感器一次熔斷器容量選擇過(guò)大，未起到保護(hù)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(guò)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(dāng)電感元件帶有鐵芯時(shí)（如變壓器、電壓互感器等），可能會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)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(huì)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(chēng)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(duì)地電容及PT 的起始勵(lì)磁電感增大而依次出現(xiàn)。PT 的電感L 與系統(tǒng)對(duì)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(duì)地電容C 的等值電路

圖1中，各相中PT 的勵(lì)磁特性相同，當(dāng)所含鐵芯不飽和時(shí)，電感L1=L2=L3=L0（L0為鐵芯未飽和時(shí)的電感），電力系統(tǒng)中三相的各相對(duì)地電容基本一致，電源各相電勢(shì)為三相對(duì)稱(chēng)的電源，中性點(diǎn)0的電位U0。U0=(EA·Y1+EB·Y2+EC·Y3)/(Y1+Y2+Y3)。式中，Y1為相對(duì)地導(dǎo)納，Y1=-j·1/ωLi+jωC0。正常運(yùn)行時(shí)，EA+EB+EC=0、Y1=Y2=Y3，系統(tǒng)中性點(diǎn)電位U0為零。一般情況下1/ωLi＜ωC0，各相導(dǎo)納均是容性導(dǎo)納，不會(huì)出現(xiàn)諧振。當(dāng)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(duì)地電容C0大小和PT 的勵(lì)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(guò)電壓分為工頻過(guò)電壓、分頻過(guò)電壓和高頻諧振過(guò)電壓，當(dāng)電壓互感器自身的激磁電感非常大的時(shí)候，回路的自振頻率很低，在發(fā)生分頻諧振的情況；當(dāng)系統(tǒng)中有多臺(tái)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(shí)、并聯(lián)電感值相對(duì)較小、回路自振頻率又相對(duì)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(shí)造成的過(guò)電壓時(shí)幅值一般比較高甚至可達(dá)到系統(tǒng)額定電壓的3～4倍以上，初期暫態(tài)過(guò)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(duì)地電壓也因工頻諧振時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓導(dǎo)致同時(shí)升高，或引起“間歇性接地“現(xiàn)象。分頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻震蕩，勵(lì)磁感抗L 大幅下降，過(guò)電壓并不高。一般在2倍額定值以下，但感抗下降會(huì)使勵(lì)磁回路迅速達(dá)到飽和，勵(lì)磁電流陡增，大大超過(guò)額定值，導(dǎo)致PT 鐵芯劇烈振動(dòng)，使PT 一次熔絲熔斷。造成的直接危害，是當(dāng)PT 一次線圈通過(guò)大電流在一次熔斷器尚未起到保護(hù)作用是時(shí)可能使PT 炸裂。而電壓互感器一次熔斷器熔斷，將導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作或據(jù)動(dòng)作，計(jì)量不準(zhǔn)確，造成供電系統(tǒng)停電事故。

3 鐵磁諧振過(guò)電壓的幾種常用防范措施

3.1 在PT 開(kāi)口三角側(cè)并接阻尼電阻

當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行正常時(shí)，PT 二次側(cè)因三相電壓平衡，繞組開(kāi)口三角兩端沒(méi)有電壓，或僅有極小的不平衡電壓。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(guò)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(duì)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(kāi)口三角上會(huì)影響其正常運(yùn)行，極端情況下也會(huì)造成PT 燒毀。另外因?yàn)殍F磁諧振的頻率往往隨著系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)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(lái)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(shí)，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(hù)的工作，同時(shí)還起到吸收諧振能量的作用。

3.3 在PT 開(kāi)口三角側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置

工作原理為：對(duì)電壓互感器二次繞組開(kāi)口三角電壓（即U0）進(jìn)行循輪回檢測(cè)。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(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響。當(dāng)電壓互感器二次繞組開(kāi)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(kāi)始對(duì)PT 開(kāi)口三角電壓進(jìn)行采集，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出當(dāng)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(dǎo)通可控硅，讓鐵磁諧振能量在強(qiáng)大的阻尼下迅速抵消。

二次微機(jī)消諧裝置具有自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)諧、追憶、報(bào)警、自動(dòng)打印和后臺(tái)通訊功能，可滿足電力監(jiān)控值班的需求。當(dāng)電力系統(tǒng)故障判斷為系統(tǒng)存在工頻位移過(guò)電壓或鐵磁諧振過(guò)電壓后，處理器就開(kāi)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(kāi)口三角形兩端的兩只可控硅晶閘管交替過(guò)零觸發(fā)導(dǎo)通，將開(kāi)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(dòng)消諧裝置），使PT 飽和過(guò)電壓立刻消除。

3.4 其他

加強(qiáng)線路巡視和檢修，防止出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)短路現(xiàn)象；選用勵(lì)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(jí)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(yùn)行方式。在系統(tǒng)中只投入一組電壓互感器，系統(tǒng)空載運(yùn)行且供電線路距離又相對(duì)較短時(shí)，這種情況下可將部分備用或停電線路投入運(yùn)行，用來(lái)增加分布電容來(lái)防止諧振的情況發(fā)生。即改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，從而改變了供電系統(tǒng)電氣運(yùn)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(duì)CS10區(qū)域變6kV 電力系統(tǒng)PT 發(fā)生鐵磁諧振燒毀的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析研究決定，在三個(gè)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的自動(dòng)消諧方式，并將一次高分?jǐn)嗨偃苋蹟嗥饔?A 改成1A。海南煉化通過(guò)在6kV 系統(tǒng)PT 二次消諧進(jìn)行改造升級(jí)后，6kV 電力系統(tǒng)從此再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)PT 鐵磁諧振過(guò)電壓燒毀或爆炸事故。

綜上，在中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)的運(yùn)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(dòng)等情況時(shí)，易使系統(tǒng)對(duì)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(guò)電壓。應(yīng)在PT日常操作維護(hù)、母線運(yùn)行方式調(diào)整、設(shè)備選型等方面充分考慮，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行人員的培訓(xùn)，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(yùn)行。