核電廠輔助電源系統(tǒng)鐵磁諧振分析及處理

馮玉輝 高 超

核電廠輔助電源系統(tǒng)鐵磁諧振分析及處理

馮玉輝 高 超

（中廣核集團(tuán)蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

某核電廠中壓電氣系統(tǒng)為6.6kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，以該電廠實(shí)際發(fā)生的一起輔助電源系統(tǒng)鐵磁諧振實(shí)例出發(fā)，通過(guò)建模計(jì)算，剖析在外部因素的激發(fā)下電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的根本原因，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施，為核電廠安全可靠運(yùn)行提供有力的外電源保障。

輔助電源；鐵磁諧振；電纜屏蔽；分析；處理

0 引言

目前，在我國(guó)35kV和10kV等中壓電氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“中壓系統(tǒng)”）中，運(yùn)行著大量的電磁式電壓互感器（PT），當(dāng)出現(xiàn)單相直接接地、單相弧光接地、母線空載時(shí)突然合閘等情況時(shí)，由于電壓互感器鐵心電感的非線性，很容易發(fā)生諧振[1]。核電廠中壓系統(tǒng)中電壓互感器數(shù)量與其他同等容量的中壓系統(tǒng)相比更多，意味著其發(fā)生鐵磁諧振的可能性更高。

經(jīng)驗(yàn)表明，電壓互感器飽和后的電感值與總的對(duì)地電容值達(dá)到參數(shù)匹配關(guān)系時(shí)，將會(huì)引發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象。該現(xiàn)象可能會(huì)造成系統(tǒng)過(guò)電壓，導(dǎo)致避雷器爆炸、高壓熔絲熔斷等事故[2]，嚴(yán)重威脅核電廠輔助電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須加以防治。

1 輔助電源系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振的分析及處理

諧振過(guò)電壓會(huì)危及電壓互感器絕緣，且因互感器鐵心是非線性元件，在發(fā)生分頻諧振時(shí)，互感器工作在嚴(yán)重飽和狀態(tài)下，其勵(lì)磁感抗下降，勵(lì)磁電流劇增，有時(shí)可達(dá)額定電流的幾十倍。

1.1 輔助電源系統(tǒng)諧振過(guò)電壓的產(chǎn)生

某核電廠的輔助電源系統(tǒng)（電壓等級(jí)為6.6kV）即輔助變壓器6.6kV配電盤(pán)系統(tǒng)（8LGJ）由兩段母線組成（Ⅰ母和Ⅱ母），詳細(xì)接線如圖1所示。8LGJ下游帶兩列應(yīng)急盤(pán)分別為4號(hào)機(jī)組6.6kV配電盤(pán)系統(tǒng)（4LGB）、3號(hào)機(jī)組6.6kV配電盤(pán)系統(tǒng)（3LGC），之間通過(guò)2路長(zhǎng)電纜連接，長(zhǎng)度約為800m。8LGJ Ⅱ母中壓系統(tǒng)共接入LGJ配電盤(pán)母線PT（8LGJ401TU）、3號(hào)機(jī)組LGC配電盤(pán)進(jìn)線PT（3LGC001TU）、4號(hào)機(jī)組LGB配電盤(pán)進(jìn)線PT（4LGB001TU）3組PT。其中，8LGJ401TU為母線PT，主要用于控制8LGJ Ⅱ母上游輔助變壓器進(jìn)行有載調(diào)壓以保證下游電壓的穩(wěn)定；3LGC001TU、4LGB001TU為核電廠2路應(yīng)急電源的進(jìn)線PT，用于監(jiān)視母線進(jìn)線電壓，當(dāng)電壓不滿足要求時(shí)發(fā)報(bào)警。

該核電廠輔助電源系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后（包括開(kāi)關(guān)操作），8LGJ的Ⅰ母、Ⅱ母多次發(fā)生PT二次諧振報(bào)警。其中，Ⅰ母PT二次諧振報(bào)警次數(shù)為11次，Ⅱ母PT二次諧振報(bào)警次數(shù)為3次，嚴(yán)重地影響到核安全電源的安全可靠運(yùn)行。某次發(fā)生系統(tǒng)諧振時(shí)系統(tǒng)電壓變化情況如圖2所示，零序電壓30一直波動(dòng)且不為0。

圖1 某核電廠輔助電源系統(tǒng)接線

圖2 系統(tǒng)諧振時(shí)系統(tǒng)電壓變化情況

1.2 輔助電源系統(tǒng)鐵磁諧振建模分析

核電廠輔助電源為電廠提供核安全電源，為盡快解決和處理這一影響核電廠安全運(yùn)行的嚴(yán)重威脅，進(jìn)行系統(tǒng)建模分析。對(duì)核電廠的電壓互感器、電纜進(jìn)行資料查詢及試驗(yàn)測(cè)量得到相關(guān)電氣元件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輔助電源系統(tǒng)電氣元件參數(shù)

針對(duì)LGJ系統(tǒng)諧振問(wèn)題，結(jié)合輔助電源系統(tǒng)可能存在的各運(yùn)行工況，評(píng)估系統(tǒng)各運(yùn)行工況參數(shù)匹配情況，其系統(tǒng)等效電路如圖3所示，其中，1為輔變到LGJ的進(jìn)線電纜電容；2、2分別為8LGJ401TU等效電容、電感；3為3LGC電纜電容；4、4分別為3LGC001TU等效電容、電感；5為4LGB電纜電容；6、6分別為4LGB001TU等效電容、電感。各運(yùn)行工況參數(shù)匹配相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 輔助電源系統(tǒng)等效電路

表2 輔助電源系統(tǒng)各運(yùn)行工況參數(shù)匹配計(jì)算結(jié)果

目前，業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)于鐵磁諧振進(jìn)行了大量的理論與仿真研究，主要包括對(duì)諧振電路進(jìn)行定性分析的相平面法[3]、圖解法[4]，對(duì)非線性電路穩(wěn)態(tài)分析的描述函數(shù)法、諧波平衡法[5]，分析非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的混沌理論[6]，以及計(jì)算機(jī)的數(shù)字仿真分析[7-9]。在對(duì)鐵磁諧振的理論研究中，非線性電路的穩(wěn)態(tài)分析是重要組成部分。依據(jù)邵特和彼得遜曲線（見(jiàn)圖4），核查輔助電源系統(tǒng)參數(shù)匹配合理性，并分析可能發(fā)生鐵磁諧振的原因。根據(jù)曲線可看出，當(dāng)對(duì)地容抗（X0）與系統(tǒng)感抗（Xe）的比值在不同區(qū)間時(shí)會(huì)發(fā)生不同性質(zhì)的諧振：分頻諧振（比值為0.01～0.08）、基頻諧振（比值為0.08～0.8）、高頻諧振（比值為0.6～3.0）。其中PT較多的電源系統(tǒng)中較容易發(fā)生分頻諧振，其表現(xiàn)為過(guò)電壓倍數(shù)較低，一般不超過(guò)單相電壓的2.5倍，三相電壓表的指示數(shù)值同時(shí)升高，且有周期性的擺動(dòng)，線電壓指示數(shù)值正常。

圖4 邵特和彼得遜曲線

經(jīng)表2分析可知，輔助電源系統(tǒng)各運(yùn)行工況參數(shù)均不在相關(guān)鐵磁諧振發(fā)生的區(qū)域，但部分系統(tǒng)工況接近于分頻諧振區(qū)域，在受外部擾動(dòng)或外部因素激發(fā)時(shí)，很可能發(fā)生分頻諧振。

大部分的諧振會(huì)造成相對(duì)地電壓升高，這對(duì)系統(tǒng)的絕緣是一種考驗(yàn)，同時(shí)，諧振產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值雖然不高，但因過(guò)電壓頻率往往遠(yuǎn)低于額定頻率，電壓互感器鐵心處于高度飽和狀態(tài)，極易對(duì)電壓互感器造成損壞，因此一旦發(fā)生諧振，不能因?yàn)殡妷夯蝿?dòng)不大而延誤時(shí)間，應(yīng)盡快處理[10]。

LGJ系統(tǒng)諧振產(chǎn)生后過(guò)一段時(shí)間會(huì)自行消失，給現(xiàn)場(chǎng)分析和解決該系統(tǒng)諧振問(wèn)題帶來(lái)了很大的困擾。分析表明，外部擾動(dòng)客觀存在，但其又界于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，要想能夠徹底解決這一系統(tǒng)諧振問(wèn)題，必須找到外部擾動(dòng)的來(lái)源。

1.3 根本原因查找及處理

操作3LGC進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)8LGJ401JS完成3LGC送電后，輔助電源系統(tǒng)再次出現(xiàn)系統(tǒng)鐵磁諧振，8LGJⅡ母三相電壓不平衡，A相為2.65kV，B相為4.75kV，C相為4.54kV。為了捕捉到引起系統(tǒng)諧振的外部擾動(dòng)來(lái)源，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的全范圍巡查，最終在電氣廠房（LX）3.8m電纜層房間發(fā)現(xiàn)3LGC配電盤(pán)進(jìn)線倉(cāng)001TB（3LGC001TB）下方的防火封堵層有間歇性放電現(xiàn)象，經(jīng)打開(kāi)防火封堵層后最終確認(rèn)3LGC001TB進(jìn)線B、C兩相8根電纜的屏蔽層引出線的匯總線線鼻子壓接不良，接地線在線鼻子內(nèi)存在部分松脫。3LGC001TB進(jìn)線電纜每相為4根單芯電纜，由于電纜敷設(shè)路徑較長(zhǎng)，根據(jù)國(guó)家規(guī)范采用電纜屏蔽層引出線一端接地、另一端電纜屏蔽層未引出懸空的方式運(yùn)行。在電纜屏蔽層接地端發(fā)生接觸不良時(shí)，電纜屏蔽線就會(huì)處于一種充電、放電的狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程，其間對(duì)周圍的電纜柵格造成懸浮性放電。經(jīng)檢查，電纜屏蔽層接地線鼻子處已明顯灼傷變色，如圖5所示。

圖5 電纜屏蔽層引出線壓接不良導(dǎo)致懸浮放電

3LGC001TB進(jìn)線B、C兩相電纜屏蔽層未可靠接地，相當(dāng)于電纜屏蔽層對(duì)地電容2被串入，其系統(tǒng)等效電路如圖6所示，圖中各相PT對(duì)地的非線性勵(lì)磁電感A、B、C與各母線對(duì)地相等的電容0間各自組成獨(dú)立的振蕩回路，其中，A、B、C為三相電源電勢(shì)，0為系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓，1為母線電纜線芯對(duì)屏蔽層電容，2為母線電纜屏蔽層對(duì)地電容。

圖6 電纜屏蔽層未可靠接地系統(tǒng)等效電路

由于電壓互感器鐵心電感線圈是一個(gè)非線性電感元件，當(dāng)加在線圈上的電壓增加，使通過(guò)線圈的電流增大時(shí)，勵(lì)磁電感值由于鐵心飽和而不斷下降，所以當(dāng)進(jìn)線B、C兩相屏蔽層未可靠接地并間歇性發(fā)生弧光接地時(shí)，使B相、C相電壓升高，致使互感器中兩相的勵(lì)磁電流增大而接近飽和區(qū)，由于外部擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)總感抗下降，也就引起X0與Xe的比值增大，系統(tǒng)被引入不穩(wěn)定的分頻諧振區(qū)間。系統(tǒng)中性點(diǎn)不再是地電位，而產(chǎn)生了位移電壓0，有

式中，A、B、C為0與非線性勵(lì)磁電感A、B、C并聯(lián)后的導(dǎo)納。

經(jīng)等效計(jì)算，A=2 782V、B=4 416V、C= 4 416V，與實(shí)際A=2.65kV、B=4.53kV、C=4.54kV基本一致。后對(duì)3LGC001TB進(jìn)線B、C兩相屏蔽層重新壓接并可靠接地后，重新對(duì)8LGJ401JS進(jìn)行送電，送電后電壓穩(wěn)定，三相電壓平衡，輔助電源系統(tǒng)未再發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

2 防止系統(tǒng)鐵磁諧振的措施

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電壓互感器產(chǎn)生鐵心飽和諧振的主要原因是諧振電路參數(shù)的不匹配。由于電氣系統(tǒng)故障形式不同，系統(tǒng)諧振參數(shù)也隨機(jī)變化，即使原參數(shù)匹配合格的系統(tǒng)也很可能由于外部擾動(dòng)或外部因素激發(fā)被引入不穩(wěn)定的系統(tǒng)諧振狀態(tài)，因此可通過(guò)有效手段將系統(tǒng)的參數(shù)匹配盡量遠(yuǎn)離可能產(chǎn)生的諧振區(qū)間。

1）正常運(yùn)行工況下，核電廠中的相關(guān)中壓電氣設(shè)備由廠用電進(jìn)行帶載，輔助電源長(zhǎng)期處于熱備狀態(tài)，基本屬于空載運(yùn)行。由于某核電廠的中壓電纜段較長(zhǎng)，電容量較大，空切或空送母線都可能引起外部擾動(dòng)，造成系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間，在中壓系統(tǒng)鐵磁諧振抑制措施完成前，可臨時(shí)通過(guò)改進(jìn)送電倒閘操作方式（如合閘充電前先斷開(kāi)母線PT，相當(dāng)于斷開(kāi)了諧振電感，待充電正常后再投入母線PT），有效避免由于倒閘操作可能引入的不穩(wěn)定因素，大大提高了核安全電源的可靠性。

2）采用加強(qiáng)電氣系統(tǒng)抗鐵磁諧振能力的措施：①選用勵(lì)磁特性飽和點(diǎn)較高的電磁式PT；②在PT的開(kāi)口三角形繞組中接入阻尼電阻；③電氣系統(tǒng)接入消諧器；④減少同一系統(tǒng)中PT中性點(diǎn)接地的數(shù)量；⑤在母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組。

3）并列了多組電壓互感器且?guī)чL(zhǎng)空載電纜的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在投運(yùn)或切除系統(tǒng)設(shè)備、外部因素改變等系統(tǒng)參數(shù)變化情況下較容易發(fā)生鐵磁諧振，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)和制定操作方式時(shí)一定要進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算。

4）系統(tǒng)內(nèi)所有電氣設(shè)備的健康狀態(tài)都會(huì)直接或間接影響電氣系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)完善設(shè)備運(yùn)維策略，積極消除設(shè)備隱患，避免由于個(gè)別電氣設(shè)備缺陷造成的系統(tǒng)擾動(dòng)。

3 結(jié)論

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在中性點(diǎn)不接地中壓電氣系統(tǒng)中，PT引起的鐵磁諧振現(xiàn)象是一種常見(jiàn)的故障，嚴(yán)重威脅電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行。與常見(jiàn)的系統(tǒng)參數(shù)匹配問(wèn)題造成的鐵磁諧振相比，外部因素（尤其是不穩(wěn)定狀態(tài)的外部擾動(dòng)）造成的鐵磁諧振缺陷，現(xiàn)場(chǎng)查找難度大、故障較隱蔽。本文通過(guò)對(duì)一起核電廠輔助電源系統(tǒng)鐵磁諧振案例的建模計(jì)算、缺陷查找過(guò)程進(jìn)行介紹，闡述了輔助電源系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振的機(jī)理，可為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

[1] 黃宗彬. 基于35kV母線的PT諧振分析[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(5): 143-145.

[2] 韓國(guó)強(qiáng), 劉相龍, 趙一龍, 等. 中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)并聯(lián)鐵磁諧振狀態(tài)頻域解析方法[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(10): 88-92, 102.

[3] JING Zhujun, XU Dashun, CHANG Yu, et al. Bifur- cations, chaos, and system collapse in a three node power system[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2003, 25(6): 443-461.

[4] 李云閣, 施圍. 應(yīng)用解析法分析中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的工頻鐵磁諧振-諧振判據(jù)和消諧措施[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(9): 141-145.

[5] 趙小軍, 張曉欣, 李慧奇, 等. 基于諧波平衡法的變壓器直流偏磁電路-磁路頻域耦合模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(9): 211-218.

[6] 劉凡, 孫才新, 司馬文霞, 等. 鐵磁諧振過(guò)電壓混沌振蕩的理論研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 21(2): 103-107.

[7] 石啟新, 談順濤. 基于Matlab的電壓互感器鐵磁諧振數(shù)字仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(8): 25-27, 49.

[8] 劉玉鳳, 宋成偉, 吳作元. 開(kāi)磁路電壓互感器防鐵磁諧振性能分析[J]. 變壓器, 2018, 55(8): 52-55.

[9] 葛棟, 魯鐵成, 王平. 配電網(wǎng)鐵磁諧振消諧機(jī)理仿真計(jì)算研究[J]. 高電壓技術(shù), 2003, 29(11): 15-17.

[10] 閆憲兵, 謝秀明, 馬玉會(huì). 6kV系統(tǒng)諧振的幾個(gè)典型事例分析[J]. 電氣技術(shù), 2009, 10(2): 74-76.

Analysis and treatment of ferromagnetic resonance in auxiliary power system of nuclear power plant

FENG Yuhui GAO Chao

(Suzhou Thermal Reaearch Institute Co., Ltd, China General Nuclear Power Group, Suzhou, Jiangsu 215004)

The medium voltage electrical system of a nuclear power plant is a 6.6kV neutral point ungrounded system. Based on an example of a ferromagnetic resonance of an auxiliary power system that actually occurs in the power plant, through modeling calculations, the cause of ferromagnetic resonance of voltage transformer excited by external factors is analyzed. The corresponding preventive measures are formulated, which provides a strong external power supply guarantee for the safe and reliable operation of nuclear power plants.

auxiliary power; ferromagnetic resonance; cable shielding; analysis; processing

2021-06-15

2021-08-04

馮玉輝（1983—），男，廣東省深圳市人，本科，高級(jí)工程師、高級(jí)技師，主要從事核電廠重大設(shè)備運(yùn)維管理工作。