一起配電網鐵磁諧振事件分析

陳慧，劉寧，張馨媛

（1. 超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2. 昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500）

0 前言

在中低壓等級的配電網中，鐵磁諧振是最常見的故障類型之一，嚴重威脅著中性點不接地系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。作為非線性共振的一種，鐵磁諧振現象由PT（PT）內部鐵芯飽和引起，往往發(fā)生在單相接地、線路受雷擊或倒閘操作等激發(fā)條件下[3-5]。當發(fā)生鐵磁諧振時，電力系統(tǒng)內會產生嚴重的過電壓或過電流，其中，過電壓會導致電力元件絕緣性受影響，過電流易導致PT高壓熔斷器絲熔斷。嚴重的鐵磁諧振可能會導致絕緣泄露、PT爆炸、避雷器爆炸等事故，對生產安全和人員安全構成巨大威脅[6-7]。因此，研究中低壓等級的中性點不接地系統(tǒng)中的鐵磁諧振現象，對提升配電網系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義。

近年來，不乏專家學者針對中性點不接地系統(tǒng)得鐵磁諧振問題提出和改進抑制方案，從機理來看，大致可以分為兩大類，即：通過改變電容及電感大小以破壞鐵磁諧振條件或利用阻尼作用消耗諧振能量[8]。如選用帶放電管地消諧器[9]、減少同一系統(tǒng)中PT并聯臺數、4PT接線、在互感器開口角回路加阻尼電阻或電子型電阻等[10]。

本文分析了一次發(fā)生在云南某配電系統(tǒng)的鐵磁諧振事件。首先，分析了鐵磁諧振的機理與分類；然后分析了本次諧振事件的經過，并利用快速傅里葉變換進行頻譜分析，確定了諧振類型；最后，通過對二次消諧裝置啟動條件的分析，解釋了二次消諧裝置未動作原因，并給出治理措施建議。

1 鐵磁諧振的機理及分類

1.1 鐵磁諧振機理

在電力系統(tǒng)中通過PT實現對母線電壓的監(jiān)測，為了保障PT的安全運行，PT的中性點通常需要直接接地。但在中性點非有效接地系統(tǒng)中，高壓線路對地會形成對地電容。PT接線方式為星形連接，從而其等效電路圖如圖1所示。

圖1 PT三相回路等效電路圖

圖中，EA、EB、EC分別表示三相電源電動勢，LA、LB、LC分別表示PT三相電感，C0為系統(tǒng)對地電容，設電容C0分別與A、B、C三相勵磁電感并聯后的等效導納為YA、YB、YC[11]。

PT具有非線性勵磁特性，鐵芯易飽和。因而在單相接地故障消失瞬間，其勵磁感抗會從兆歐級驟降至千歐級，與對地電容參數匹配，經過大地形成鐵磁諧振[12-13]。

1.2 諧振類型

電力系統(tǒng)的諧振以諧振電路為依據，可以分為串聯諧振和并聯諧振；以故障時間為依據，可以分為暫態(tài)諧振和穩(wěn)態(tài)諧振[14]；以諧振頻率為分類依據，可將鐵磁諧振分為分頻、高頻和基頻諧振。

1.2.1 諧振電路

串聯、并聯諧振的示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 串聯諧振電路

圖3 并聯諧振電路

XC表示基波時的容抗，XL表示感抗，N為諧波源的頻率與基波頻率的比值。當滿足式（1）時，就會導致諧振事件的發(fā)生[15]。

通過分析電路模型可以發(fā)現，串聯諧振和并聯諧振分別發(fā)生在系統(tǒng)電源不對稱運行和系統(tǒng)單相接地故障條件下。當發(fā)生串聯諧振時，諧波電流值為諧波源電壓與電阻的比值。而發(fā)生并聯諧振時，并聯回路中很小的諧波源就會可能引起很大的諧振電流，對PT產生更大的威脅，因此，并聯諧振的危害遠大于串聯諧振。

1.2.2 諧振過程

在中性點不接地系統(tǒng)中，等效電容充電完成后，由于負載阻抗大，只能通過PT一次側放電；PT鐵芯飽和后，又將電荷回送至電容，循環(huán)往復。即當不存在穩(wěn)態(tài)電源時，振蕩會發(fā)生衰減。當存在穩(wěn)態(tài)電源時，當其變化至與電源同頻時，在足夠大的擾動作用下，就有可能發(fā)生穩(wěn)態(tài)諧振。

1.2.3 諧振頻率

不同頻率鐵磁諧振的性質如表1所示[16-17]。

表1 不同頻率鐵磁諧振特征

發(fā)生基頻諧振時，可能出現兩種情形：其一是三相電壓值兩相高，一相低，類似單相接地。此時線電壓正常，過電流很大，易導致PT熔絲熔斷。其二是兩相對地電壓降低，一相對地電壓升高，中性點對地有電壓。二者相較之下，后面一種情況出現概率較小[18]。

2 鐵磁諧振事件分析

2.1 諧振過程

2022年6月超高壓曲靖局某配電系統(tǒng)發(fā)生了一次鐵磁諧振事件。圖4所示為10 kV Ⅱ段母線A、B、C三相的故障錄波數據。

通過分析故障錄波數據可將事故經過分為三個階段：事故發(fā)生前（-0.5-0 s）；激勵階段（0-0.6 s)和諧振階段（0.6s-3.5 s），由此可知，該諧振事件是單相接地故障消失后誘發(fā)的鐵磁諧振。

2.2 事故分析

1）事故發(fā)生前：圖4記錄了事故發(fā)生前0.5 s電網的正常波形，此時三相平衡且對稱，三相電壓之和為零，沒有出現中性點電壓偏移現象。

雖然中性點非有效接地系統(tǒng)產生的對地電容，與中性點直接接地的PT之間存在產生鐵磁諧振的可能性。但是，由于PT鐵芯在未發(fā)生飽和情況下，其阻抗值是兆歐級的，其阻抗值遠大于對地電容的容抗值，二者數量級相差巨大，PT近似斷路，并不構成諧振條件。

2）諧振激勵階段：在圖4中的0 s起，系統(tǒng)發(fā)生的單相接地事件，由于10 kV系統(tǒng)采用的是三角形接線，單相接地后表現為兩相電壓升高，一相電壓降低，此時系統(tǒng)中性點電壓發(fā)生了偏移，產生了零序分量。單相接地故障共持續(xù)了約0.6 s左右。

3）諧振階段：0.6 s以后，接地故障消失，C相接地點與大地間的回路斷開，A、B相電壓欲從當前所處數值快速重新回落至相電壓，大量剩余電荷通過PT中性點一次側快速釋放，使得流過PT的電流瞬間增大，PT鐵芯飽和，非線性勵磁電感感抗急劇減小至千歐級，與對地電容參數剛好達到諧振條件，經過大地形成鐵磁諧振。在諧振條件下，發(fā)生了諧振過電壓和過電流情況，造成A相熔斷器在事故發(fā)生后第1.47秒熔斷。

2.3 諧振類型

通過圖4可以看出，B相、C相電壓大幅度升高，過電壓峰值分別為18.09 kV、17.36 kV，約為正常工況下相電壓峰值8.388 kV的2.16倍、2.07倍。利用快速傅里葉變換（FFT）進行頻譜分析，得到諧振時間段的頻譜如圖5所示，主導次諧振頻率為50.17 Hz，可知該諧振類型為基頻諧振。

圖5 FFT頻譜分析

2.4 二次消諧未動作原因

二次消諧裝置的動作判別條件如表2所示。當PT開口三角電壓U0在小于等于10 kV條件進，微機消諧裝置內的消諧元件處于阻斷狀態(tài)，不影響系統(tǒng)運行；當發(fā)生故障時，以PT開口三角接線電壓U0為判據，依據所達到的電壓值做出故障判斷[19]：

表2 二次消諧裝置動作判別條件

進一步分析發(fā)現，雖然現場安裝了二次消諧設備，但該設備并未動作。為了分析二次消諧設備未動作的原因，本文依據三相PT的實時采樣值，得到PT開口三角電壓值，并繪制其波形圖，如圖6。通過波形圖，可直觀看出開口三角電壓U0的最大值在第1.43 s處出現，且U0最大值僅為46.6 kV，即消諧裝置判定本次事故為“接地”或“過電壓”，并未達到二次消諧裝置啟動條件。

圖6 PT開口三角電壓波形

3 治理措施建議

3.1 二次消諧裝置的定值優(yōu)化

通過故障錄波數據可知，該配電系統(tǒng)確實是發(fā)生了鐵磁諧振現象，但由于未達二次消諧裝置設定的“諧振”動作判斷閾值而未啟動二次消諧裝置。建議對二次消諧裝置的定值進行適當優(yōu)化調整。

3.2 加裝一次消諧裝置

為解決單獨采用二次消諧存在的事故誤判而導致的消諧裝置未動作問題，結合生產實際，可增設一次消諧裝置，改進消諧策略，采用一次與二次相結合的消諧方法。

若二次消諧未動作或無法徹底消除諧振，則轉而使用一次消諧裝置作為補充[20]。驅動一次消諧裝置動作，使中性點通過限壓器接地，利用其對諧振電流的阻尼作用消耗諧振能量，從而達到消諧目的。

3.3 更換PT熔芯

另外，可適當考慮提高熔斷器閾值的解決方法。可能考慮將一次熔芯的額定電流由0.5 A更改為1 A，這樣能提升PT的過載耐受能力，減少PT熔芯頻繁熔斷的情況。通常，對于PT容量低于30 VA或不滿足1.9Un拐點電壓性能的情況，仍建議采用0.5 A規(guī)格的熔芯。

4 結束語

本文分析了在生產實際中發(fā)生的一起鐵磁諧振事故案例，在該案例中現場配置了二次消諧裝置，但并未動作。本文詳細分析了該鐵磁諧振事件的整個過程，探討了二次消諧裝置未動作的原因，提出了治理措施建議。

1）該事件是由非金屬性單相接地故障誘發(fā)的一起基頻鐵磁諧振，諧振產生的過電壓幅值是相電壓的2.16倍，符合基頻鐵磁諧振牲。

2）現場安裝了二次消諧設備，但并未運作，其原因是PT開口三角電壓U0較小，未達到二次消諧的啟動條件，并最終導致A相熔斷器熔斷。

3）建議采用優(yōu)化二次消諧定值，采用一、二次消諧相結合，更換更大一些PT熔芯的解決方案，通過上述措施可以降低鐵磁諧振的危害，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。