6kV中壓系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓原因分析及對策研究

范巖　董學(xué)武

摘 要：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)因鐵磁諧振過電壓而引起的故障、事故屢見不鮮。通過對鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的機(jī)理和消諧措施進(jìn)行分析，以期指導(dǎo)相關(guān)單位結(jié)合現(xiàn)場實際選擇針對性強(qiáng)、有效的消諧措施。

關(guān)鍵詞：諧振過電壓；非線性諧振；鐵磁諧振；消諧

中圖分類號：TM864 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.137

1 故障概況

某發(fā)電機(jī)組的6 kVB廠用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，高廠變低壓側(cè)分支母線PT、母線PT的高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)直接接地。

故障當(dāng)日，接于6 kVB段運(yùn)行的C給水泵電機(jī)發(fā)生單相接地、相間短路故障，跳閘動作，6 kVB段母線線電壓降至5.6 kVB，三相相電壓均為4 kV，發(fā)出6 kVB母線PT斷線、6 kVB母線接地報警。

檢查發(fā)現(xiàn)，給水泵發(fā)生差動保護(hù)、過流一段保護(hù)動作；高廠變低壓側(cè)B分支PT和6 kVB段PT電壓均為5.6 kVB。檢查過程中，6 kVB段母線PT間隔冒出濃煙，立即將6 kVB段停電，發(fā)現(xiàn)6 kVB母線PT A，B相燒毀，外絕緣爆裂。

更換PT、6 kVB段空母線送電時，再次發(fā)生鐵磁諧振的現(xiàn)象（母線電壓A相為3.46 kV，B相為4.02 kV，C相為3.47 kV，線電壓為6.3 kV），逐步將6 kVB段變壓器、電動機(jī)負(fù)荷送電，鐵磁諧振現(xiàn)象逐漸消失，母線電壓恢復(fù)正常。

故障原因：該6 kVB段母線PT在C給水泵電機(jī)發(fā)生接地故障時產(chǎn)生了鐵磁諧振，受諧振過電壓的長時間作用后燒損。

2 鐵磁諧振發(fā)生的原因

一般的電氣回路都可簡化為電阻R、感抗wL，容抗1/wc的串聯(lián)和并聯(lián)回路，具體如圖1所示。當(dāng)回路中的電感、電容值滿足wL=1/wc的情況時，該回路會出現(xiàn)諧振，并在電感元件和電容元件上產(chǎn)生過電壓和過電流。

鐵磁諧振回路的電感元件（比如空載變壓器、電壓互感器）均帶有鐵芯，其電感值隨鐵芯飽和程度（受電壓、電流變化的影響）而非線性變化（電流增加、鐵芯飽和和電感值逐漸減小，如圖2和圖3所示），稱為非線性諧振。

圖1 鐵磁諧振回路原理圖 圖2 帶鐵芯電感元件的非線性特性

電壓互感器類的電感元件在正常電壓下的鐵芯磁通密度不高、鐵芯不飽和；而當(dāng)系統(tǒng)遭受較大的擾動（比如單相接地發(fā)生或切除、帶電磁式PT的空母線充電或停電和雷擊感應(yīng)過電壓等）后，會立即引起某一相或兩相電壓突變。此時，母線將充上或釋放與突變電壓相應(yīng)的電荷；突變突然消失后，電壓將突變回原來的值，需要釋放或補(bǔ)充突變的電荷。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，只能通過PT的中性點(diǎn)構(gòu)成釋放回路，大量的電荷在短時間內(nèi)通過PT中性點(diǎn)，引起PT飽和，當(dāng)PT的勵磁電感與系統(tǒng)電容滿足匹配關(guān)系時，則會激發(fā)鐵磁諧振。

3 常用的消諧措施

常用的消諧措施有以下8種：①選用勵磁曲線起始飽和點(diǎn)高的PT。在一般的過電壓下，PT不會進(jìn)入飽和區(qū)，不易發(fā)生鐵磁諧振。雖然該方式可降低諧振發(fā)生的概率，但一旦發(fā)生諧振，過電壓、過電流會更大，造成的后果更嚴(yán)重。②母線加裝中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組。當(dāng)XC0/XL（XC0為線路對地分布電容的容抗值，XL為并聯(lián)運(yùn)行PT的單相繞組在額定線電壓作用下的綜合感抗值）<0.01時，可防止諧振，但如果電網(wǎng)連接有多個PT，則需要按比例增裝電容量，施工困難。此外，很難確定合適的XC0/XL值，以確保系統(tǒng)不發(fā)生事故，且還可能產(chǎn)生低頻過電流，進(jìn)而導(dǎo)致熔絲熔斷、PT燒毀。③PT高壓側(cè)中性點(diǎn)接入阻尼電阻R0. 這種方式等效為在PT每相繞組零序回路中對地串接電阻，起到消耗能量、阻尼和抑制諧振的作用，還能限制PT中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時流過PT的高幅值過電流和減小每相PT上的電壓，并改善其勵磁特性。④在同一系統(tǒng)中，盡量減少PT的臺數(shù)，尤其是限制中性點(diǎn)接地電壓互感器的臺數(shù)。⑤改用電容式電壓互感器（CVT）。CVT由電容分壓器和電磁單元構(gòu)成，這種方法對抑制諧振比較有效，但在配電網(wǎng)電壓等級范圍內(nèi)，CVT的成本通常大于電磁式PT；CVT的瞬變特性比電磁式的PT差，且測量精度差；CVT的運(yùn)行事故率遠(yuǎn)高于PT；在中性點(diǎn)不直接接地的系統(tǒng)中，CVT容易發(fā)生自諧振。⑥PT開口三角繞組短時接入阻尼電阻RΔ。這一措施不僅能防止PT鐵磁飽和，而且能有效消耗諧振能量，防止產(chǎn)生諧振過電壓。近年來，在此方法的基礎(chǔ)上，衍生了自動化程度更高的消諧裝置，動作較可靠，還可以記錄故障時的電壓、振蕩頻率等參數(shù)，利于事故分析。⑦系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地。中性點(diǎn)與大地間有了電氣連接，可對母線電壓有一定的鉗制作用，同時，還增大了系統(tǒng)零序回路的阻尼，有利于諧振的抑制，減少中性點(diǎn)電阻對PT鐵磁諧振的影響。在一定的條件下，可等效為PT開口三角繞組接電阻對PT諧振的影響。⑧系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地。消弧線圈能有效抑制諧振，但持續(xù)時間較長，且在消諧過程中，系統(tǒng)電壓振蕩較劇烈，通常消弧線圈對大電容電流系統(tǒng)諧振的消諧效果比較明顯，在系統(tǒng)電容電流不是很大的情況下，可優(yōu)先考慮選用PT開口三角短時投入電阻的消諧方式。

4 結(jié)論

上述消諧措施都能在一定程度上抑制諧振的產(chǎn)生或發(fā)展，各單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況綜合考慮，選用切實可行的解決方案在設(shè)計階段，盡量減少6 kVB中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地PT的

臺數(shù)，考慮系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)過大電阻接地的可行性。在本文介紹的案例中，每段母線配置了3臺PT，且隨著系統(tǒng)的變化增加了很多電纜，在母線電壓突變時容易產(chǎn)生鐵磁諧振；在配電系統(tǒng)發(fā)生大的改動后，應(yīng)及時測試系統(tǒng)的電容電流，按規(guī)定將“接地保護(hù)”投跳閘，在接地故障時能及時隔離故障點(diǎn)，避免出現(xiàn)鐵磁諧振；在母線PT間隔加裝“微機(jī)消諧控制器”，在出現(xiàn)鐵磁諧振時，可自動在PT的開口三角繞組中短時接入阻尼電阻，從而消除鐵磁諧振，本文所述案例的反事故措施就采用了該解決方案；盡量避免空母線和空載變壓器運(yùn)行，在發(fā)生鐵磁諧振，且設(shè)備無故障的緊急情況下，可通過改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式（比如投入備用變壓器、電動機(jī)等改變電網(wǎng)參數(shù)，以消除諧振）破壞諧振因素，從而恢復(fù)正常運(yùn)行；在日常工作中，應(yīng)按規(guī)定做好6 kVB中壓系統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置的檢修、預(yù)試工作，確保及時消除各類過電壓故障，避免損壞電氣一次設(shè)備。

〔編輯：張思楠〕