火電廠10 kV系統中性點采用氧化鋅電阻產生的問題及對策

（國家電投西寧發電分公司，青海 西寧 810000）

1 分析以往事故發展過程、類型和特點

案例1：2019年12月20日18時56分08秒10 kV 1B段1號爐引風機B開關柜電纜頭接地短路，經過一段延時，1號爐引風機B開關報 “ABC Imax 21.70 A，過流I段動作”并跳閘，后經故障錄波波形檢查： A相發生了單相接地，接地相電壓接近0，不接地相電壓升高為10 kV左右，BC相電壓波形中含有諧波分量，經過41 s的發展，由單相接地發展成為三相短路后過流跳閘。

案例2：2017年03月27日21時30分電氣操作人員用進線開關給10 kV脫硫1B段空母線充電，發現進線開關柜上有“頻率異常”報警，母線電壓呈現三相交替升高，線電壓在12 kV～14 kV之間波動，母線PT伴有“諧振”報警，隨后10 kV脫硫1B段母線PT B相爆炸，分析判斷為分頻諧振。

案例3：啟備變空載運行時，低壓側A、B分支三相電壓不平衡，測控裝置伴有接地報警，繼續帶負荷后，三相電壓逐漸恢復平衡，接地報警消失。通過這些現象分析啟備變空載運行時發生基頻諧振。

案例4：2017年1月20日03時27分10 kV 1A段發生1號爐引風機A電機接線盒A相單相接地，10 kV 1A段工作電源PT報“接地報警”“綜保裝置故障”，10 kV 1A段母線電壓A相0.57 kV、B相10.64 kV、C相10.08 kV，10 kV脫硫1A段母線電壓三相電壓為0 kV。經檢查10 kV脫硫1A段母線電壓波動UAB由10.7 kV降低 0 kV，UBC和UAC由10.7 kV均升高 16.6 kV，經過24 s時間，10 kV脫硫1A段母線PT三相保險全部熔斷，根據現象判斷當時由于1號爐引風機A電機A相單相接地不穩定暫時消失激發了分頻諧振，PT一次側產生了過電流和過電壓現象，A相保險因過電流先熔斷，B、C相保險因過電流后熔斷，諧振終止。

根據以上案例，判斷該10 kV系統有以下4個特點：1）發生單相接地后，接地相電壓接近0，不接地相電壓升高為10 kV左右。2）從案例1看出該系統發生了A相接地故障后，經過了41 s后才跳閘的。當A相接地時，發生了間歇性電弧接地，間歇性弧光接地產生過電壓，B、C相電壓逐漸升高，在其絕緣薄弱處發生擊穿，發展成為三相短路。3）1號爐引風機B發生A相接地后，10 kV開關的零序保護未動作，當發展成三相短路后三相過流保護才動作跳閘，證明這個系統實際的零序電流比較小。4）從案例2、3、4看出，該系統容易發生鐵磁諧振過電壓。總結以上特點，判斷該系統有中性點不接地的系統特征。

2 分析原因

2.1 弧光接地過電壓的成因

當中性點不接地系統，單相接地故障電流與線路的對地電容和額定電壓成正比。單相接地時產生間隙性電弧與系統單相接地電流大小密切相關。如果系統小線路短，其單相接地電容電流小，一些瞬時性接地故障過后電弧自動熄滅系統會恢復正常。當系統大線路長時，例如10 kV電容電流超過10 A時，接地電弧將難以熄滅。

弧光接地過電壓又稱間隙性弧光接地過電壓，中性點不接地系統的中性點對地是絕緣的，系統對地電容中儲存的電荷沒有釋放的通路。以案例1來說，A相發生單相間隙性電弧接地后，故障點接地電弧在暫態高頻振蕩電流通過第1個零點時熄滅，B、C相分別發生了對地電容的高頻振蕩充電過程，由于B、C相上電荷沒有通路釋放，使B、C相上的電荷不斷增加，在B、C相上產生了位移電壓；以后每經過半個基頻周波，接地電弧重燃1次，B、C相電壓增高1次，由于相間電容的抑制作用，B、C相的過電壓幅值最高可達3.5倍相電壓，且含有諧波分量，由于電纜的容性電流比較大，A相間隙性的電弧逐漸發展成為持續的電弧，電弧的灼傷使靠近B、C相的絕緣受損，再加強上B、C相電壓升高，在這個受損的絕緣處發生擊穿，造成了三相短路。而我廠啟備變低壓側中性點的氧化鋅電阻不擊穿形成的不接地系統以及對地的電容提供了弧光接地過電壓形成的條件。

2.2 鐵磁諧振過電壓成因

電磁式PT低壓側負荷很小，高壓側勵磁阻抗很大，在合空載母線或者在接地故障消失后，它與導線對地電容或其他電氣設備的雜散電容間形成單相或三相諧振回路，并能激發出各種鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振過電壓的出現都是由于在電源中性點產生了位移電壓。

某火電廠廠高變、啟備變10 kV側中性點經60 Ω氧化鋅非線性電阻接地，由案例分析，這種氧化鋅電阻很難擊穿，系統表現為不接地系統，再加上10 kV脫硫母線PT 1次中性點直接接地，與系統對地電容就構成了諧振回路。

以某廠10 kV 1B段為例，如圖1（a）和圖1（b）所示為10 kV 1B段不接地系統與10 kV脫硫1B段母線PT構成的諧振回路。EA、EB、EC為A、B、C三相電源的電勢，C0為對地電容，L為PT的1次繞組電感，G為非線性諧波發生器。

2.3 高頻或者分頻諧振過電壓

在正常運行的三相電源中，不存在諧波分量，但在過渡過程中，因激發產生高頻或分頻諧振，此時維持回路諧波諧振的電源是非線性電感元件的非線性效應，將基頻電源能量轉化為諧波能量供給的[1]。此時，PT飽和引起的諧振回路如圖1（b）所示。當線路較短時，C0很小；由于PT鐵心的勵磁特性，電感L容易飽和；系統中有多臺PT并聯后電感L降低，回路頻率很高，就可能出現高頻諧振。當線路很長時，C0很大，回路頻率很低，則會出現分頻諧振。還有諧振與激發條件有關。

產生諧振時，三相對地電壓的有效值為中性點諧波位移電壓有效值的平方與基頻電源相電動勢有效值的平方之和的平方根。因此，三相對地電壓同時升高是PT飽和引起諧波諧振過電壓的特征。

分頻諧振是其中的1種，分頻諧振過電壓幅值最高為2倍的相電壓，因為頻率低，PT的感抗急劇下降，1次勵磁電流快速升高，1次熔斷器隨之熔斷，如果電流尚未達到熔斷值，但超過了PT額定電流，長時間過流運行也必然使PT燒毀。該廠主機10 kV母線至10 kV脫硫母線經過了很長的電纜連接，C0很大，出現分頻諧振，這是案例2中10 kV脫硫1B段母線PT B相爆炸的直接原因。

圖1 中性點不接地系統PT帶Yn連接的三相電路圖

當系統發生單相接地時，故障點會流過電容電流，非故障相相電壓升至線電壓并對對地電容充電荷。該電荷產生的電容電流以故障點為通路，以電源一導線一大地為回路。PT正常運行時勵磁阻抗大負載輕，1次側流過的電流小。一旦接地故障消失，接地的通路被阻斷，而非故障相在接地期間被充電至線電壓下的電荷，唯一的通道是經PT的1次繞組及其中性點流入大地。在這一瞬間，PT的1次繞組中將會流過1個幅值很高的低頻飽和電流，導致PT鐵心嚴重飽和，從而使PT的勵磁阻抗快速下降，與系統對地電容形成了諧振參數回路，引發鐵磁諧振過電壓。這是案例4中脫硫10 kV PT熔斷器熔斷的原因。

2.4 基頻諧振過電壓

三相電路在外界的“激發”作用下，例如斷路器合閘，就有可能使PT產生鐵磁諧振，造成電源中性點電壓發生位移，這個位移電壓與電源電壓疊加，如果位移電壓較大，三相對地電壓將同時升高；位移電壓較低，那么其中一相或二相對地電壓有可能低于相電壓，三相對地電壓出現了不平衡[1]。這也是案例3中啟備變空載時三相電壓不平衡的原因，造成虛假接地現象。

2.5 不接地系統單相接地后非故障相電壓的升高的原因

如圖2所示：Uab、Ubc、Uca為三相電源線電壓，Ua、Ub、Uc為相電壓，大小相等相角差120°；如果A相發生接地后，中性點由0移至0'，Ua=0 V，但是Ub=Uab、Uc=Uca增大了。

3 危害

3.1 中性點電壓抬高的危害

中性點不接地系統發生單相接地后，非故障相相電壓升高到線電壓可能對其絕緣有損傷。

3.2 弧光過電壓的危害

當不接地系統發生單相接地時，形成的間隙性弧光對非故障相的電纜絕緣造成灼傷同時產生的過電壓促使非故障相絕緣薄弱環節擊穿，從而造成事故擴大。

圖2 中性點不接地系統A相發生單相接地故障后的向量圖

3.3 諧振過電壓的危害

諧振過電壓會造成絕緣子閃絡或PT爆炸，甚至避雷器的爆炸。

3.4 保護不匹配的危害

由于中性點不接地系統屬于小電流接地系統，接地電流小，在發生單相接地故障時無法迅速確認故障線路，所以一般配備小電流接地選線裝置，但也很難做到100%選線正確。如果直接用中性點經60 Ω線性電阻接地系統的保護定值，可能會造成零序保護拒動，進而造成事故的擴大。這也正是我們廠零序保護很少動作切除故障的直接原因。

3.5 人身觸電的危害

對該廠來說，零序保護不能及時切除故障點，單相接地故障電流通過接地點向大地流散，在地面上形成分布電位，當有人靠近接地點時就有可能因跨步電壓而觸電。

4 改進的措施

4.1 限制弧光接地過電壓的措施

4.1.1 中性點直接接地

既能消除弧光過電壓，也能提高零序保護靈敏性，但是故障電流大會引起地電位的升高，對通信、電子設備和人身安全都構成威脅。

4.1.2 中性點經電阻接地

發生單相接地時，電阻泄放間歇性的弧光過電壓中的能量，中性點電位迅速下降，降低故障相的電壓恢復速度，減少重燃的可能，抑制了弧光過電壓，同時也降低了非故障相的過電壓[2]。

4.1.3 中性點采用消弧線圈接地

由于消弧線圈的電感電流補償了系統的電容電流，降低了故障點的電流，有利于接地電弧的熄滅。但是消弧線圈不能補償5次諧波接地電容電流[1]，并且可能對消除鐵磁諧振過電壓有反作用。

4.2 限制鐵磁諧振過電壓的措施

鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統中特有的過電壓，消諧的方法有2個：1） 改變電路中電感電容參數以破壞諧振條件。2） 吸收和消耗諧振能量來抑制諧振的產生。消除PT飽和引起的過電壓的措施有以下6個：1）選用伏安特性較好不易飽和的PT。2）選用不存在飽和的問題的電容式PT。3）母線側裝設1組三相對地電容器。4）在發生諧振時，及時投退某些負荷或設備。5）投入中性點消弧線圈。6）在零序回路中接入阻尼電阻：在PT的開口三角繞組中短時接入電阻；或者在PT一次繞組中性點對地接入非線性電阻。

某火電廠已采用第1項和第6項措施，更換了10 kV 1B段、10 kV 2B段備用電源進線PT，采用伏安特性較好不易飽和的PT，且二次側采用開口三角形繞組串入白熾燈；主機10 kV母線PT設計時一次繞組中性點對地接入非線性電阻，但是都對鐵磁諧振效果有限。對于運行來說，啟備變空載時，如果分支PT有異音判斷是諧振時，采用第4項措施及時退出PT再送1次，或者繼續帶負荷來改變系統電路參數，達到消除鐵磁諧振的目的。

4.3 有利于接地保護動作的措施

不接地系統發生單相接地后由于接地電容電流較小不易測量不利于零序保護正確動作，中性點中值電阻接地系統消除了接地電流小的問題，同時我廠的保護定值是按照10 kV系統中性點經60 Ω的線性電阻接地設計計算的零序阻抗，如果要讓零序保護正常動作，必須選擇60 Ω的線性電阻。

5 改造后的優點

10 kV系統中性點由60 Ω氧化鋅非線性電阻接地改造為經60 Ω的線性電阻接地后，由不接地系統改為經中值電阻接地，有以下弧光優點：1）抑制了弧光過電壓（見該文4.1.2解釋）。2）消除了鐵磁諧振過電壓。中性點經電阻接地相當于在PT的高壓繞組中串聯1只消諧電阻。3）限制斷線過電壓[1]。中性點經電阻接地后，電阻并聯在諧振回路上，對串聯諧振有抑制作用，從而限制了電源側的過電壓。4）由于限制了過電壓，不僅減少了對10 kV系統的電氣設備的損壞和絕緣老化，而且延長了設備使用壽命，提高了設備可靠性[3]。5）中性點經電阻接地后限制了短路電，減小了對故障點的燒傷[3]。6）有利于繼電保護的快速正確的動作切除故障點，避免了持續弧光過電壓造成的事故擴大和因跨步電壓造成人身觸電的風險。7）啟備變空載時對地三相電壓已恢復平衡，有利于啟備變安全運行。8）對廠用電切換來說，以前啟備變空載三相電壓不平衡引起備用電源與廠用電源電壓差大于并聯切換條件，不得不采用串聯切換，現在并聯切換就能切換，提高了廠用電切換的可靠性。