馬志強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)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(xiàn)象分析及解決措施

馬志強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)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(tǒng)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(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象。本文以潘家口電廠3號(hào)主變低壓側(cè)接地保護(hù)動(dòng)作報(bào)警的一次設(shè)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(zhì)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(duì)可靠的，采用時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件加以選擇。

抽蓄機(jī)組；鐵磁諧振；解決措施；消諧裝置

1 鐵磁諧振過程簡(jiǎn)述

2012年8月1日，潘家口電廠接調(diào)令3號(hào)機(jī)組停機(jī)，機(jī)組監(jiān)控正常執(zhí)行停機(jī)流程。23：34：26.970，3號(hào)機(jī)組出口開關(guān)03DL正常分閘，23：34：33.045，3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁斷路器正常分閘；此時(shí)機(jī)組端電壓正常從出口開關(guān)03DL分閘開始經(jīng)過3.3 s由13.8 kV減至0。23：38：33.000，3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降為“0”；23：38：45.000，3號(hào)發(fā)電機(jī)組出口換相刀閘03-3分閘后機(jī)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(jī)組保護(hù)盤過電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，23：37：41.794，發(fā)電機(jī)定子90%、100%接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，23：38：59.000，3號(hào)主變低壓側(cè)接地保護(hù)動(dòng)作報(bào)警。

對(duì)3號(hào)機(jī)組保護(hù)裝置進(jìn)行了檢查，結(jié)果為：3號(hào)主變保護(hù)3UPP2盤PT31主變低壓側(cè)接地保護(hù)動(dòng)作黃燈、紅燈均亮，主變低壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)報(bào)警t2黃燈亮，主變低壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)報(bào)警t1黃燈亮；3號(hào)機(jī)組保護(hù)PG31機(jī)組定子100%接地保護(hù)動(dòng)作黃燈、紅燈均亮，PG33機(jī)組定子90%接地保護(hù)動(dòng)作黃燈、紅燈均亮，機(jī)組定子100%接地保護(hù)動(dòng)作黃燈、紅燈均亮，PG34機(jī)組過電壓保護(hù)動(dòng)作黃燈、紅燈均亮。

根據(jù)故障錄波系統(tǒng)波形及保護(hù)動(dòng)作情況，測(cè)得機(jī)組出口母線電壓互感器3YH、4YH、5YH二次側(cè)皆有電壓為51 V，拉開3號(hào)主變低壓側(cè)隔離刀閘03-2后，機(jī)組電壓波形正常；對(duì)3號(hào)機(jī)組單元一次設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)3號(hào)主變低壓側(cè)7YH電壓互感器B、C一次熔斷器熔斷，3號(hào)機(jī)組出口開關(guān)A相主觸頭沒有分開（萬用表測(cè)得3號(hào)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)03DLA相電阻為“0”）；測(cè)量3號(hào)機(jī)組定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣檢查正常，3號(hào)主變色譜分析數(shù)據(jù)正常。

檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組停機(jī)后，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)03DL B、C相在分位，03DL A相在“合”閘位，（二次接點(diǎn)返回位置3相皆在“分”位）。

2 事故原因分析

根據(jù)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(jù)上述事故描述，可將過程分為3個(gè)階段：

第1階段：3號(hào)機(jī)組出口開關(guān)03DL分閘

23：34：26.970，3號(hào)機(jī)組出口開關(guān)03DL正常分閘，3號(hào)機(jī)出口斷路器非全相分閘后，由于此時(shí)勵(lì)磁電壓還在、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸失步，此時(shí)在03DL電機(jī)側(cè)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(cè)中性點(diǎn)不接地，故該低頻電流也同時(shí)流入BC相電感和雜散電容，從而在其上產(chǎn)生拍頻。而拍頻的過程相當(dāng)于03DL電機(jī)側(cè)B C相回路參數(shù)的變化，從而產(chǎn)生諧振；這部分諧振電流是由B C相提供的（A相與DL右側(cè)回路為并聯(lián)關(guān)系，故不提供），所以在B C相上產(chǎn)生較高電壓（線電壓仍然不變）。

第2階段：3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁斷路器正常分閘

23：34：33.045，3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁斷路器正常分閘。

第3階段：3號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)組出口換相刀閘03-3分閘

23：38：45.000，3號(hào)發(fā)電機(jī)組出口換相刀閘03-3分閘。

這個(gè)是明確的鐵磁諧振階段。拉開03-3后，發(fā)電機(jī)繞組電容退出，失去很大電容后，回路馬上達(dá)到諧振狀態(tài)，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?jiǎn)?dòng)最晚，所以保護(hù)判斷為B相單相接地，其實(shí)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(zhì)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(duì)可靠的；采用時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)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(gè)電阻R或加裝專用消諧器。

（2）將互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地。

（3）在母線上加裝對(duì)地電容，使之超過臨界值，使回路超過諧振區(qū)域。

（4）選用勵(lì)磁特性較好的（如適當(dāng)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(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地。以上解決措施3～5對(duì)于潘家口電廠可操作性很差。以下重點(diǎn)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(gè)電阻R或加裝專用消諧器

對(duì)于措施1，該方案日本經(jīng)常采用，我國(guó)配網(wǎng)中也多有應(yīng)用，其原理是通過消耗諧振能量來抑制諧振，經(jīng)驗(yàn)表明，如參數(shù)選擇適當(dāng)，在多數(shù)情況下能有效抑制諧振。但是帶來兩個(gè)問題：

（1）誤差方面

如果諧振抑制生效，雖然約數(shù)十周波能消除諧振現(xiàn)象，但在這過程中，與開口三角回路連接的電阻負(fù)載會(huì)使準(zhǔn)確度發(fā)生暫時(shí)性地劣化。大約會(huì)從3P級(jí)降低到到6P級(jí)。

（2）開口三角回路電阻負(fù)載對(duì)回路發(fā)熱現(xiàn)象的分析

以發(fā)生單相接地事故時(shí)發(fā)熱為例，主變低壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，所以發(fā)生單相接地事故與抑制諧振時(shí)的情況不同，最壞情況下，長(zhǎng)達(dá)“2 h”處于過電壓的狀態(tài)下，電壓互感器剩余電壓繞組有可能無法承受外接負(fù)載電阻的情況下回路電流產(chǎn)生的發(fā)熱量。因此，需要在諧振抑制連接回路中串聯(lián)低壓斷路器用來保護(hù)。所以該措施工期長(zhǎng)，投資較大。

3.2 措施2-PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地

根據(jù)以往研究，在電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)接入不同阻值的電阻R0后，可以引起諧振區(qū)域的變化，當(dāng)R0增大時(shí)，諧振范圍縮小，超過一定值后，將不產(chǎn)生諧振。經(jīng)理論計(jì)算，在運(yùn)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(lì)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(cè)中性點(diǎn)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(dāng)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(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，開口三角電壓測(cè)量準(zhǔn)確度降低，影響接地保護(hù)正確動(dòng)作，而此時(shí)電壓互感器中性點(diǎn)升高，可能危及互感器中性點(diǎn)絕緣（原設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓很低，消諧器呈高阻狀態(tài)，互感器中性點(diǎn)接近不接地狀態(tài)，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(fā)展的概率；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在中性點(diǎn)位移電壓作用下，消諧器進(jìn)入非線性段呈低阻狀態(tài)，對(duì)互感器測(cè)量準(zhǔn)確度影響小。

4 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)可變電阻接地的方案分析

4.1 測(cè)量誤差、絕緣等參數(shù)分析

電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)接入電阻R0后，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，開口三角電壓將有所降低，根據(jù)理論分析推導(dǎo)：

電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓為：

開口三角電壓相對(duì)誤差為：

對(duì)健全相電壓測(cè)量引起的相對(duì)誤差為：

在潘家口電廠應(yīng)用時(shí)擬采用HLX－10型非線性消諧器。其在本項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)工作點(diǎn)直流殘壓為1 450 V。當(dāng)R0為30 kΩ時(shí)，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(diǎn)電壓約為2 000 V，不會(huì)危及PT中性點(diǎn)絕緣。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該消諧器允許在系統(tǒng)單相接地工況下持續(xù)工作2 h以上。同時(shí)，對(duì)PT本身而言，既不增加一次線圈也不增加二次開口三角負(fù)載。沒有發(fā)熱問題，也沒有因發(fā)熱帶來的接線截面改造的顧慮。

4.2 制定措施

綜上所述，結(jié)合潘家口蓄能電廠的實(shí)際情況，推薦使用措施2，即在PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻消諧器接地?？筛鶕?jù)PT的工頻勵(lì)磁電抗、中性點(diǎn)的絕緣水平等參數(shù)選擇合適的消諧器，具體工程實(shí)施方案可現(xiàn)場(chǎng)考察后確定。

5 消諧器技術(shù)

5.1 作用原理

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，經(jīng)常由于電磁式電壓互感器的非線性勵(lì)磁特性和系統(tǒng)對(duì)地電容形成匹配，在一定條件下產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。造成PT保險(xiǎn)熔斷、燒損，避雷器爆炸，嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

眾所周知，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，只有高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的PT才可能產(chǎn)生諧振。在某些“激發(fā)”條件下，造成某2相PT飽和，勵(lì)磁電感值下降，由于3相PT勵(lì)磁電感值不同，系統(tǒng)中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓，3相PT中通過零序電流，并經(jīng)3相對(duì)地電容構(gòu)成回路，當(dāng)3相PT并聯(lián)的等值零序電感與零序電容在某一頻率下的參數(shù)匹配時(shí)，即產(chǎn)生鐵磁諧振，諧振頻率將隨所接線路的增長(zhǎng)，依次發(fā)生高次、基波、分頻諧振。

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在PT高壓側(cè)中性點(diǎn)接入不同阻值的電阻R0后，可以引起諧振區(qū)域的變化。當(dāng)R0值增大時(shí)，諧振范圍縮小，并成閉合形狀，超過某值后，諧振范圍為零。經(jīng)計(jì)算在運(yùn)行電壓下，若R0≥6%Xm（Xm為PT在額定線電壓下的工頻勵(lì)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(cè)中性點(diǎn)串電阻是等價(jià)于每相對(duì)地并接電阻，起到阻尼和抑制諧振的作用，實(shí)際上它還能限制PT中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時(shí)流過PT的高幅值過電流。相應(yīng)地也能減少每相PT上的電壓，也就相當(dāng)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(shí)，PT開口三角繞組電壓太低，影響接地指示靈敏度以及保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。

例如，10 kV系統(tǒng)在單相接地時(shí)，當(dāng)R0為30 kΩ時(shí)，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(shí)，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(shù)要求

從長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，采用PT高壓側(cè)中性點(diǎn)串接非線性電阻消諧器是最成功的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)流過PT的過電流。對(duì)PT本身不增加任何負(fù)擔(dān)。

在同一系統(tǒng)中接有多臺(tái)電壓互感器時(shí)，應(yīng)在每組電壓互感器的高壓繞組中性點(diǎn)和地之間各裝一支消諧器。

5.3 技術(shù)指標(biāo)

消諧器技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 消諧器技術(shù)參數(shù)

消諧器的試驗(yàn)查檢方案：投運(yùn)前或預(yù)試檢查使用兆歐表檢驗(yàn)即可。

表2 測(cè)量?jī)x器及參數(shù)

6 技術(shù)實(shí)施方案

6.1 安裝位置選擇

根據(jù)潘家口電廠一次主接線圖，高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的PT為4YH及7YH，而高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的PT才可能產(chǎn)生諧振，所以需在4YH及7YH高壓側(cè)中性點(diǎn)安裝消諧器。2012年12月11日，4YH的中性點(diǎn)已經(jīng)安裝了HLX－10型消諧器，位于主變低壓側(cè)的7YH處于帶電狀態(tài)，未能安裝。根據(jù)故障錄波器顯示的波形，12月12日02：19：10主變低壓側(cè)出現(xiàn)鐵磁諧振，此時(shí)因機(jī)組出口開關(guān)處于分閘狀態(tài)，4YH的中性點(diǎn)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(jī)組出口開關(guān)合閘后，發(fā)電機(jī)參數(shù)并入電路，破壞了諧振條件，諧振消失。因?yàn)橹髯兊蛪簜?cè)出現(xiàn)鐵磁諧振，中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，3U0出現(xiàn)很高的電壓值，致使100%接地保護(hù)動(dòng)作。

12月12日出現(xiàn)的鐵磁諧振現(xiàn)象說明：

（1）在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開狀態(tài)時(shí)，僅僅在發(fā)電機(jī)出口4YH處安裝消諧裝置無法消除主變低壓側(cè)的鐵磁諧振。

（2）主變低壓側(cè)7YH高壓側(cè)中性點(diǎn)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(gè)配電箱中，從PT高壓側(cè)中性點(diǎn)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(jié)

（1）發(fā)電機(jī)出口4YH高壓側(cè)中性點(diǎn)必須安裝消諧裝置。

（2）在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開狀態(tài)時(shí)，僅僅在發(fā)電機(jī)出口4YH處安裝消諧裝置無法消除主變低壓側(cè)的鐵磁諧振，所以主變低壓側(cè)7YH高壓側(cè)中性點(diǎn)也必須安裝消諧裝置，消除鐵磁諧振。

（3）根據(jù)參數(shù)選擇配比，建議在4YH及7YH高壓側(cè)中性點(diǎn)安裝HLX-10型消諧器。

TM864

B

1672-5387（2017）12-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.12.005

2017-11-01

馬志強(qiáng)（1982-），男，工程師，從事運(yùn)維管理及物資采購(gòu)工作。