潘家口電廠鐵磁諧振現象分析及解決措施

馬志強

（國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

潘家口電廠鐵磁諧振現象分析及解決措施

馬志強

（國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

鐵磁諧振是電力系統自激振蕩的一種形式，是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起的持續性、高幅值諧振過電壓現象。本文以潘家口電廠3號主變低壓側接地保護動作報警的一次設備故障為案例，提出了為抑制這種電磁式電壓互感器飽和引起的零序性質的諧振過電壓，采取的解決措施。但是，任何措施都有其局限性，不是絕對可靠的，采用時還應根據實際條件加以選擇。

抽蓄機組；鐵磁諧振；解決措施；消諧裝置

1 鐵磁諧振過程簡述

2012年8月1日，潘家口電廠接調令3號機組停機，機組監控正常執行停機流程。23：34：26.970，3號機組出口開關03DL正常分閘，23：34：33.045，3號機組勵磁斷路器正常分閘；此時機組端電壓正常從出口開關03DL分閘開始經過3.3 s由13.8 kV減至0。23：38：33.000，3號機組轉速下降為“0”；23：38：45.000，3號發電機組出口換相刀閘03-3分閘后機組端電壓A相升至14 kV、B相升至1.6 kV、C相升至15 kV；23：38：39.593，機組保護盤過電壓保護動作跳閘，23：37：41.794，發電機定子90%、100%接地保護動作跳閘，23：38：59.000，3號主變低壓側接地保護動作報警。

對3號機組保護裝置進行了檢查，結果為：3號主變保護3UPP2盤PT31主變低壓側接地保護動作黃燈、紅燈均亮，主變低壓側復壓過流保護報警t2黃燈亮，主變低壓側復壓過流保護報警t1黃燈亮；3號機組保護PG31機組定子100%接地保護動作黃燈、紅燈均亮，PG33機組定子90%接地保護動作黃燈、紅燈均亮，機組定子100%接地保護動作黃燈、紅燈均亮，PG34機組過電壓保護動作黃燈、紅燈均亮。

根據故障錄波系統波形及保護動作情況，測得機組出口母線電壓互感器3YH、4YH、5YH二次側皆有電壓為51 V，拉開3號主變低壓側隔離刀閘03-2后，機組電壓波形正常；對3號機組單元一次設備進行檢查，發現3號主變低壓側7YH電壓互感器B、C一次熔斷器熔斷，3號機組出口開關A相主觸頭沒有分開（萬用表測得3號發電機出口開關03DLA相電阻為“0”）；測量3號機組定、轉子繞組絕緣檢查正常，3號主變色譜分析數據正常。

檢查發現3號機組停機后，發電機出口開關03DL B、C相在分位，03DL A相在“合”閘位，（二次接點返回位置3相皆在“分”位）。

2 事故原因分析

根據潘家口電廠的一次主接線圖，帶電磁式電壓互感器空母線電路如圖1，其等值電路如圖2所示。

圖1 潘家口電廠帶電磁式電壓互感器空母線電路圖

圖2 等值電路圖

根據上述事故描述，可將過程分為3個階段：

第1階段：3號機組出口開關03DL分閘

23：34：26.970，3號機組出口開關03DL正常分閘，3號機出口斷路器非全相分閘后，由于此時勵磁電壓還在、轉子轉速逐漸失步，此時在03DL電機側所有電流低于50 Hz頻率，包含PT電感電流和雜散電容電流，均由03DLA相提供。

由于主變低壓側中性點不接地，故該低頻電流也同時流入BC相電感和雜散電容，從而在其上產生拍頻。而拍頻的過程相當于03DL電機側B C相回路參數的變化，從而產生諧振；這部分諧振電流是由B C相提供的（A相與DL右側回路為并聯關系，故不提供），所以在B C相上產生較高電壓（線電壓仍然不變）。

第2階段：3號機組勵磁斷路器正常分閘

23：34：33.045，3號機組勵磁斷路器正常分閘。

第3階段：3號發電機機組出口換相刀閘03-3分閘

23：38：45.000，3號發電機組出口換相刀閘03-3分閘。

這個是明確的鐵磁諧振階段。拉開03-3后，發電機繞組電容退出，失去很大電容后，回路馬上達到諧振狀態，并從0開始起振。由于不同相PT特性有所差別，故電壓不同。從波形上看B相電壓啟動最晚，所以保護判斷為B相單相接地，其實為常說的虛幻接地。

3 解決措施及建議

為抑制這種電磁式電壓互感器飽和引起的零序性質的諧振過電壓，一般采取下列幾種措施將取得較好效果。但是，任何措施都有其局限性，不是絕對可靠的；采用時還應根據實際條件加以選擇。

（1）在剩余電壓繞組開口三角端子上并接一個電阻R或加裝專用消諧器。

（2）將互感器高壓側中性點經高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地。

（3）在母線上加裝對地電容，使之超過臨界值，使回路超過諧振區域。

（4）選用勵磁特性較好的（如適當降低鐵心磁密）電磁式電壓互感器或改用CVT。

（5）將電源變壓器中性點經過消弧線圈接地。以上解決措施3～5對于潘家口電廠可操作性很差。以下重點分析第1、2類解決措施。

3.1 措施1-PT開口三角端子上并接一個電阻R或加裝專用消諧器

對于措施1，該方案日本經常采用，我國配網中也多有應用，其原理是通過消耗諧振能量來抑制諧振，經驗表明，如參數選擇適當，在多數情況下能有效抑制諧振。但是帶來兩個問題：

（1）誤差方面

如果諧振抑制生效，雖然約數十周波能消除諧振現象，但在這過程中，與開口三角回路連接的電阻負載會使準確度發生暫時性地劣化。大約會從3P級降低到到6P級。

（2）開口三角回路電阻負載對回路發熱現象的分析

以發生單相接地事故時發熱為例，主變低壓側中性點不接地，所以發生單相接地事故與抑制諧振時的情況不同，最壞情況下，長達“2 h”處于過電壓的狀態下，電壓互感器剩余電壓繞組有可能無法承受外接負載電阻的情況下回路電流產生的發熱量。因此，需要在諧振抑制連接回路中串聯低壓斷路器用來保護。所以該措施工期長，投資較大。

3.2 措施2-PT高壓側中性點經高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地

根據以往研究，在電壓互感器高壓側中性點接入不同阻值的電阻R0后，可以引起諧振區域的變化，當R0增大時，諧振范圍縮小，超過一定值后，將不產生諧振。經理論計算，在運行電壓下，若R0≥6%為電壓互感器在額定線電壓作用下單相繞組的工頻勵磁電抗），可消除由于電壓互感器飽和引起的各種鐵磁諧振。

在電壓互感器高壓側中性點接入電阻R0，與開口三角端子上并接電阻RΔ一樣，能起到消耗諧振能量、阻尼和抑制諧振的作用；此外，還能限制互感器中的電流、減小互感器電壓，相當于改善其伏安特性。R0不能太小，否則作用有限；R0也不能太大，否則當發生單相接地故障時，開口三角電壓測量準確度降低，影響接地保護正確動作，而此時電壓互感器中性點升高，可能危及互感器中性點絕緣（原設計絕緣工頻耐壓水平5 kV）。

采用非線性電阻消諧器可以很好地解決上述問題。正常運行時，中性點電壓很低，消諧器呈高阻狀態，互感器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，電壓互感器不易飽和，極大地減小諧振發展的概率；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，對互感器測量準確度影響小。

4 電壓互感器高壓側中性點經可變電阻接地的方案分析

4.1 測量誤差、絕緣等參數分析

電壓互感器高壓側中性點接入電阻R0后，當發生單相接地故障時，開口三角電壓將有所降低，根據理論分析推導：

電壓互感器高壓側中性點電壓為：

開口三角電壓相對誤差為：

對健全相電壓測量引起的相對誤差為：

在潘家口電廠應用時擬采用HLX－10型非線性消諧器。其在本項目中應用時工作點直流殘壓為1 450 V。當R0為30 kΩ時，影響PT開口三角電壓降低將小于1%，不影響接地故障指示。PT中性點電壓約為2 000 V，不會危及PT中性點絕緣。

經試驗驗證，該消諧器允許在系統單相接地工況下持續工作2 h以上。同時，對PT本身而言，既不增加一次線圈也不增加二次開口三角負載。沒有發熱問題，也沒有因發熱帶來的接線截面改造的顧慮。

4.2 制定措施

綜上所述，結合潘家口蓄能電廠的實際情況，推薦使用措施2，即在PT高壓側中性點經非線性電阻消諧器接地。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消諧器，具體工程實施方案可現場考察后確定。

5 消諧器技術

5.1 作用原理

在中性點不接地系統中，經常由于電磁式電壓互感器的非線性勵磁特性和系統對地電容形成匹配，在一定條件下產生鐵磁諧振過電壓。造成PT保險熔斷、燒損，避雷器爆炸，嚴重地影響了系統的安全運行。

眾所周知，在中性點不接地系統中，只有高壓側中性點直接接地的PT才可能產生諧振。在某些“激發”條件下，造成某2相PT飽和，勵磁電感值下降，由于3相PT勵磁電感值不同，系統中性點出現零序電壓，3相PT中通過零序電流，并經3相對地電容構成回路，當3相PT并聯的等值零序電感與零序電容在某一頻率下的參數匹配時，即產生鐵磁諧振，諧振頻率將隨所接線路的增長，依次發生高次、基波、分頻諧振。

試驗研究結果表明，在PT高壓側中性點接入不同阻值的電阻R0后，可以引起諧振區域的變化。當R0值增大時，諧振范圍縮小，并成閉合形狀，超過某值后，諧振范圍為零。經計算在運行電壓下，若R0≥6%Xm（Xm為PT在額定線電壓下的工頻勵磁感抗），則可消除由PT飽和而引起的一切鐵磁諧振。

在PT高壓側中性點串電阻是等價于每相對地并接電阻，起到阻尼和抑制諧振的作用，實際上它還能限制PT中的電流，特別是限制斷續弧光接地時流過PT的高幅值過電流。相應地也能減少每相PT上的電壓，也就相當于改善其伏安特性。顯然R0不能太小，否則作用不大，但也不能太大，否則單相接地時，PT開口三角繞組電壓太低，影響接地指示靈敏度以及保護裝置的正確動作。

例如，10 kV系統在單相接地時，當R0為30 kΩ時，影響PT開口三角電壓降低將小于1%，影響不大。

考慮到上述因素，消諧器在低電壓下呈高阻，在單相接地時，HLX-10的R0＜30 kΩ，HLX-35的R0＜90 kΩ均不影響接地故障指示。

5.2 使用方法和技術要求

從長期的運行經驗來看，在中性點不接地系統，采用PT高壓側中性點串接非線性電阻消諧器是最成功的，它結構簡單，安裝方便，既可消除PT引起的各種諧振，還可限制弧光接地時流過PT的過電流。對PT本身不增加任何負擔。

在同一系統中接有多臺電壓互感器時，應在每組電壓互感器的高壓繞組中性點和地之間各裝一支消諧器。

5.3 技術指標

消諧器技術參數見表1所示。

表1 消諧器技術參數

消諧器的試驗查檢方案：投運前或預試檢查使用兆歐表檢驗即可。

表2 測量儀器及參數

6 技術實施方案

6.1 安裝位置選擇

根據潘家口電廠一次主接線圖，高壓側中性點直接接地的PT為4YH及7YH，而高壓側中性點直接接地的PT才可能產生諧振，所以需在4YH及7YH高壓側中性點安裝消諧器。2012年12月11日，4YH的中性點已經安裝了HLX－10型消諧器，位于主變低壓側的7YH處于帶電狀態，未能安裝。根據故障錄波器顯示的波形，12月12日02：19：10主變低壓側出現鐵磁諧振，此時因機組出口開關處于分閘狀態，4YH的中性點安裝的消諧器無法起到消諧作用，也不可能參與諧振。至02：22：10機組出口開關合閘后，發電機參數并入電路，破壞了諧振條件，諧振消失。因為主變低壓側出現鐵磁諧振，中性點電壓發生偏移，3U0出現很高的電壓值，致使100%接地保護動作。

12月12日出現的鐵磁諧振現象說明：

（1）在發電機出口開關斷開狀態時，僅僅在發電機出口4YH處安裝消諧裝置無法消除主變低壓側的鐵磁諧振。

（2）主變低壓側7YH高壓側中性點也必須安裝消諧裝置，消除鐵磁諧振。

6.2 安裝方案

將消諧器安裝在一個配電箱中，從PT高壓側中性點用高壓絕緣電纜引至消諧器，電纜外套金屬蛇皮管接地。

7 本次鐵磁諧振解決措施總結

（1）發電機出口4YH高壓側中性點必須安裝消諧裝置。

（2）在發電機出口開關斷開狀態時，僅僅在發電機出口4YH處安裝消諧裝置無法消除主變低壓側的鐵磁諧振，所以主變低壓側7YH高壓側中性點也必須安裝消諧裝置，消除鐵磁諧振。

（3）根據參數選擇配比，建議在4YH及7YH高壓側中性點安裝HLX-10型消諧器。

TM864

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1672-5387（2017）12-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.12.005

2017-11-01

馬志強（1982-），男，工程師，從事運維管理及物資采購工作。