中压不接地系统铁磁谐振及抑制分析

郭保利 江建宁

摘要：本文以某电厂中压系统铁磁谐振导致电磁式电压互感器爆裂为案例，分析中压不接地系统在运行过程中发生铁磁谐振的原因、机理，通过对系统配置分析、故障期间设备的状态及干预手段、如何预防铁磁谐振发生等方面入手，总结铁磁谐的危害及预防手段，为中压系统可靠运行提供有效的经验反馈。

关键词：中压不接地系统；铁磁谐振；电磁式电压互感器

0 引言

在中性点不接地系统的线路发生单相电弧接地故障过程中, 或者是在进行正常的倒闸操作中,如投入空载母线时, 往往发现母线电压指示不正常, 接地指示误动作, 高压熔断器熔断等异常现象, 严重时会导致PT 烧毁, 继而引发其它事故。这些现象主要是由于系统受激发后，引发系统谐振，而使电压互感器长时间处于过励磁状态而烧毁。此类情况经常会使人误判为变电所内母线系统发生接地故障。这是新制造的和检修后的电气设备在投运时发生损坏的重要原因之一, 也是电压互感器烧毁及其高压保险频繁熔断的主要原因之一, 对电气设备的安全运行威胁较大。

1 案例背景

2019年7月5日22:19:38，某电厂1号机主控触发中压盘单相接地故障，中压系统绝缘电阻≤250 kΩ、中压系统绝缘电阻≤25k等大量报警。就地检查发现该配电盘间隔白色故障灯亮，综保装置报“接地故障”报警。22:43:55停运下游负荷后系统开始出现谐振，23:02:48系统电压恢复正常，23:28 主控停运该中压配电盘。

2 故障机理分析

电力系统中存在许多电容和电感原件，如变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路导线电感等均可以作为电感元件，线路导线的对地电容和相间电容、高压设备的杂散电容等均可作为电容元件。在电力系统的震荡回路中，电压互感器（PT）绕组作为电感原件，如果有某种大扰动、操作或单相接地故障，由于非故障相电压升高导致储存电荷增加，在故障消失后大量的电荷通过PT一次侧中性点唯一的接地点释放，引起铁芯饱和，此时若系统容抗、感抗恰好匹配，就可能引发系统谐振，系统过电压冲击叠加PT绕组过激磁持续发热，导致设备烧毁。实践表明，中性点不接地系统中由于单相接地或操作频繁发生铁磁谐振。

PT正常工作时，每相都相当于一个对地励磁电感，同时每相电感都相当于并联一组导线或空载母线的对地电容（见下图1等效电路）。

图1 等效电路

三相PT非线性特性如下图2所示，由图可见，当通过铁芯线圈的电流较小时，可以认为通过铁芯的磁链Ψ和电流I成正比，反映这一关系的励磁电感L=Ψ/I基本保持不变为一固定常数，这时励磁电感线圈可以看做线性电感。当线圈中的电流I增加到或超过某一数值时，铁芯中的磁链不再继续随电流增大而增加，铁芯开始饱和，Ψ和I的关系呈非线性，线圈的励磁电感L不再是一个常数，而是随着电流的增大而逐渐减小。

图2 PT电感非线性特性

如案例中提到的某电厂中压配电盘母线PT爆裂，就是由于母线C相发生接地故障，而厂用电系统为中性点不接地系统，所以C相电压瞬间降低，A/B两相电压瞬时上升，对地电容充上线电压相应的电荷， B/C两相PT铁逐步朝饱和方向移动，随着单相接地故障的消失（不接地系统单相接地故障前期发展多数为间歇性接地故障），A/B两相电压也回落到额定电压，此时A/B两相上多余电荷需要通过快速释放，对于中性点不接地系统，只有通过PT一次侧中性接地点形成回路释放，引发PT瞬间饱和，在PT感抗变化过程中，当系统容抗、PT感抗匹配时，形成并联谐振回路，可能引发铁磁谐振，绕组严重发热，直接导致A相PT发生爆裂。

3 事故过程分析

事后从故障录波系统中导出发生故障的系统母线的故障波形图，从波形中可以发现A相发生了接地（下游电机引线支撑绝缘子表面爬电引起接地），A相电压变为0，B、C相电压上升为线电压。

在切除单线接地故障后产生了分频谐振，由于消谐电阻较规范大，导致谐振持续时间较长，经持续约20min逐步衰减后分频谐振消失，电压恢复正常。

电压恢复正常15s后，B相电压先降低，随后过渡至A相电压降低，并逐渐降低至0.7kV，期间B、C相电压上升，分析此阶段为基波谐振。

如图3所示，谐振时励磁电流达到额定励磁电流的50.2倍左右，互感器工作在严重饱和的状态。此时过电压虽然被抑制（一般不超过2.0p.u.，本次故障中过电压倍数为1.73p.u.），但由于分频谐振的大电流持续时间很长，使互感器烧坏炸裂。

图3 波形图

小结：母线电压互感器先经历了分频谐振，在消谐电阻作用下分频谐振逐渐衰减消失电压恢复正常，电压恢复正常15s后出现了基波谐振，由于谐振持续时间较长过励磁热积累最终导致在电压互感器爆裂，电压互感器爆裂脱离系统后三相电压恢复正常。

4 消谐电阻合理性分析

参考《电力工程电气设计手册》和SDJ7-79《电力设备过电压保护设计技术规范》，为限制电压互感器饱和出现铁磁谐振过电压，可在电压互感器开口三角绕组增加阻尼电阻，以消耗能量。阻尼电阻应满足下式：

R≤0.4Xm

其中Xm为电压互感器在线电压下的每相励磁电抗换算到开口三角绕组两端的值。

参考此电压互感器励磁特性，按照C相电压互感器计算电阻为

R≤0.4Xm=0.4*

结论：本文中电厂现场实际安装消谐电阻阻值为60Ω＞35.5Ω，不满足规范要求。

5消谐措施的有效性分析

1. 在互感器开口三角绕组上加装谐电阻

电压互感器开口三角绕组为零序电压绕组，在此绕组的两端接上电阻R，相当于在互感器高压侧YN接线绕组上并联电阻，而这电阻只有在电网有零序电压时才起作用，正常运行时是不起作用的。也就是，零序电压绕组所接的R不会在正常运行时消耗电能，只在中性点电压发生偏移时才会起作用。

显然，R值越小，在励磁电感L上并联的电阻就越小，当R小于一定值时，通过模拟试验，可得出消除谐振偏移电压所需开口三角电阻的限值，其结果是消除分频谐振的电阻值最小，工频位移过电压次之，高频谐振最大。因此，只要满足分频谐振所需的电阻值，则其他两种也就同时满足了。

GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》建议：在电压互感器的开口三角形绕组装设阻值R 的电阻。其中，Xm为电压互感器在线电压下的单相绕组的励磁电抗值，K13为互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比。

若在开口三角形绕组接入阻值为27Ω的消谐电阻，则仿真波形如图4所示，消谐效果明显，可以抑制分频谐振。

图4 开口三角形装入27Ω消谐电阻后母线上的电压波形

2. 投入微机消谐装置

投入微机消谐装置，即开口三角绕组短接，R=0，则电压互感器饱和过电压就不存在了。如图5所示，在母线电压互感器上装设微机消谐装置，消谐效果更优，约2~3个周波即可消除谐振。

但若微机消谐装置长期接入，会烧毁电压互感器。因此投入微机消谐装置既要满足消除饱和过电压的要求，又要保证不超过互感器的容量允许范围。

图5 投入消谐装置后母线上的电压波形

小结：本文中中压系统母线电压互感器故障原因为其下游电机单相接地故障电机故障切除时引发铁磁谐振，最终导致PT损坏。经仿真分析，在此故障激发下在三相PT开口三角形上增加27Ω或在母线三相PT增加微机消谐装可以有效抑制铁磁谐振。仿真计算结果表明母线电压互感器故障原因分析清楚，仿真结果与实际故障工况吻合。

经仿真计算及现场离线试验验证，电厂选取某品牌微机消谐装置安装于中压系统，目前运行状况稳定。

6 结论

电厂厂用电系统大部分中压系统为不接地系统，在特定条件激发下，易发生铁磁谐振。谐振危害巨大，对电厂稳定运行造成极大影响。建议对电压互感器选型及厂用电配置进行核算，选取励磁特性较好的电压互感器产品。同时，建议配置微机消谐装置，，避免系统发生谐振引发严重的设备故障。

参考文献

[1]GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》