潘家口电厂铁磁谐振现象分析及解决措施

2017-12-28马志强

水电站机电技术 2017年12期

关键词：铁磁分闸中性点

马志强

（国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山064309）

潘家口电厂铁磁谐振现象分析及解决措施

马志强

（国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山064309）

铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式，是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。本文以潘家口电厂3号主变低压侧接地保护动作报警的一次设备故障为案例，提出了为抑制这种电磁式电压互感器饱和引起的零序性质的谐振过电压，采取的解决措施。但是，任何措施都有其局限性，不是绝对可靠的，采用时还应根据实际条件加以选择。

抽蓄机组；铁磁谐振；解决措施；消谐装置

1 铁磁谐振过程简述

2012年8月1日，潘家口电厂接调令3号机组停机，机组监控正常执行停机流程。23：34：26.970，3号机组出口开关03DL正常分闸，23：34：33.045，3号机组励磁断路器正常分闸；此时机组端电压正常从出口开关03DL分闸开始经过3.3 s由13.8 kV减至0。23：38：33.000，3号机组转速下降为“0”；23：38：45.000，3号发电机组出口换相刀闸03-3分闸后机组端电压A相升至14 kV、B相升至1.6 kV、C相升至15 kV；23：38：39.593，机组保护盘过电压保护动作跳闸，23：37：41.794，发电机定子90%、100%接地保护动作跳闸，23：38：59.000，3号主变低压侧接地保护动作报警。

对3号机组保护装置进行了检查，结果为：3号主变保护3UPP2盘PT31主变低压侧接地保护动作黄灯、红灯均亮，主变低压侧复压过流保护报警t2黄灯亮，主变低压侧复压过流保护报警t1黄灯亮；3号机组保护PG31机组定子100%接地保护动作黄灯、红灯均亮，PG33机组定子90%接地保护动作黄灯、红灯均亮，机组定子100%接地保护动作黄灯、红灯均亮，PG34机组过电压保护动作黄灯、红灯均亮。

根据故障录波系统波形及保护动作情况，测得机组出口母线电压互感器3YH、4YH、5YH二次侧皆有电压为51 V，拉开3号主变低压侧隔离刀闸03-2后，机组电压波形正常；对3号机组单元一次设备进行检查，发现3号主变低压侧7YH电压互感器B、C一次熔断器熔断，3号机组出口开关A相主触头没有分开（万用表测得3号发电机出口开关03DLA相电阻为“0”）；测量3号机组定、转子绕组绝缘检查正常，3号主变色谱分析数据正常。

检查发现3号机组停机后，发电机出口开关03DL B、C相在分位，03DL A相在“合”闸位，（二次接点返回位置3相皆在“分”位）。

2 事故原因分析

根据潘家口电厂的一次主接线图，带电磁式电压互感器空母线电路如图1，其等值电路如图2所示。

图1 潘家口电厂带电磁式电压互感器空母线电路图

图2 等值电路图

根据上述事故描述，可将过程分为3个阶段：

第1阶段：3号机组出口开关03DL分闸

23：34：26.970，3号机组出口开关03DL正常分闸，3号机出口断路器非全相分闸后，由于此时励磁电压还在、转子转速逐渐失步，此时在03DL电机侧所有电流低于50 Hz频率，包含PT电感电流和杂散电容电流，均由03DLA相提供。

由于主变低压侧中性点不接地，故该低频电流也同时流入BC相电感和杂散电容，从而在其上产生拍频。而拍频的过程相当于03DL电机侧B C相回路参数的变化，从而产生谐振；这部分谐振电流是由B C相提供的（A相与DL右侧回路为并联关系，故不提供），所以在B C相上产生较高电压（线电压仍然不变）。

第2阶段：3号机组励磁断路器正常分闸

23：34：33.045，3号机组励磁断路器正常分闸。

第3阶段：3号发电机机组出口换相刀闸03-3分闸

23：38：45.000，3号发电机组出口换相刀闸03-3分闸。

这个是明确的铁磁谐振阶段。拉开03-3后，发电机绕组电容退出，失去很大电容后，回路马上达到谐振状态，并从0开始起振。由于不同相PT特性有所差别，故电压不同。从波形上看B相电压启动最晚，所以保护判断为B相单相接地，其实为常说的虚幻接地。

3 解决措施及建议

为抑制这种电磁式电压互感器饱和引起的零序性质的谐振过电压，一般采取下列几种措施将取得较好效果。但是，任何措施都有其局限性，不是绝对可靠的；采用时还应根据实际条件加以选择。

（1）在剩余电压绕组开口三角端子上并接一个电阻R或加装专用消谐器。

（2）将互感器高压侧中性点经高阻抗（零序互感器或可变电阻）接地。

（3）在母线上加装对地电容，使之超过临界值，使回路超过谐振区域。

（4）选用励磁特性较好的（如适当降低铁心磁密）电磁式电压互感器或改用CVT。

（5）将电源变压器中性点经过消弧线圈接地。以上解决措施3～5对于潘家口电厂可操作性很差。以下重点分析第1、2类解决措施。

3.1 措施1-PT开口三角端子上并接一个电阻R或加装专用消谐器

对于措施1，该方案日本经常采用，我国配网中也多有应用，其原理是通过消耗谐振能量来抑制谐振，经验表明，如参数选择适当，在多数情况下能有效抑制谐振。但是带来两个问题：

（1）误差方面

如果谐振抑制生效，虽然约数十周波能消除谐振现象，但在这过程中，与开口三角回路连接的电阻负载会使准确度发生暂时性地劣化。大约会从3P级降低到到6P级。

（2）开口三角回路电阻负载对回路发热现象的分析

以发生单相接地事故时发热为例，主变低压侧中性点不接地，所以发生单相接地事故与抑制谐振时的情况不同，最坏情况下，长达“2 h”处于过电压的状态下，电压互感器剩余电压绕组有可能无法承受外接负载电阻的情况下回路电流产生的发热量。因此，需要在谐振抑制连接回路中串联低压断路器用来保护。所以该措施工期长，投资较大。

3.2 措施2-PT高压侧中性点经高阻抗（零序互感器或可变电阻）接地

根据以往研究，在电压互感器高压侧中性点接入不同阻值的电阻R0后，可以引起谐振区域的变化，当R0增大时，谐振范围缩小，超过一定值后，将不产生谐振。经理论计算，在运行电压下，若R0≥6%为电压互感器在额定线电压作用下单相绕组的工频励磁电抗），可消除由于电压互感器饱和引起的各种铁磁谐振。

在电压互感器高压侧中性点接入电阻R0，与开口三角端子上并接电阻RΔ一样，能起到消耗谐振能量、阻尼和抑制谐振的作用；此外，还能限制互感器中的电流、减小互感器电压，相当于改善其伏安特性。R0不能太小，否则作用有限；R0也不能太大，否则当发生单相接地故障时，开口三角电压测量准确度降低，影响接地保护正确动作，而此时电压互感器中性点升高，可能危及互感器中性点绝缘（原设计绝缘工频耐压水平5 kV）。

采用非线性电阻消谐器可以很好地解决上述问题。正常运行时，中性点电压很低，消谐器呈高阻状态，互感器中性点接近不接地状态，且消谐器自身具有隔离直流分量的作用，电压互感器不易饱和，极大地减小谐振发展的概率；当发生单相接地故障时，在中性点位移电压作用下，消谐器进入非线性段呈低阻状态，对互感器测量准确度影响小。

4 电压互感器高压侧中性点经可变电阻接地的方案分析

4.1 测量误差、绝缘等参数分析

电压互感器高压侧中性点接入电阻R0后，当发生单相接地故障时，开口三角电压将有所降低，根据理论分析推导：

电压互感器高压侧中性点电压为：

开口三角电压相对误差为：

对健全相电压测量引起的相对误差为：

在潘家口电厂应用时拟采用HLX－10型非线性消谐器。其在本项目中应用时工作点直流残压为1 450 V。当R0为30 kΩ时，影响PT开口三角电压降低将小于1%，不影响接地故障指示。PT中性点电压约为2 000 V，不会危及PT中性点绝缘。

经试验验证，该消谐器允许在系统单相接地工况下持续工作2 h以上。同时，对PT本身而言，既不增加一次线圈也不增加二次开口三角负载。没有发热问题，也没有因发热带来的接线截面改造的顾虑。

4.2 制定措施

综上所述，结合潘家口蓄能电厂的实际情况，推荐使用措施2，即在PT高压侧中性点经非线性电阻消谐器接地。可根据PT的工频励磁电抗、中性点的绝缘水平等参数选择合适的消谐器，具体工程实施方案可现场考察后确定。

5 消谐器技术

5.1 作用原理

在中性点不接地系统中，经常由于电磁式电压互感器的非线性励磁特性和系统对地电容形成匹配，在一定条件下产生铁磁谐振过电压。造成PT保险熔断、烧损，避雷器爆炸，严重地影响了系统的安全运行。

众所周知，在中性点不接地系统中，只有高压侧中性点直接接地的PT才可能产生谐振。在某些“激发”条件下，造成某2相PT饱和，励磁电感值下降，由于3相PT励磁电感值不同，系统中性点出现零序电压，3相PT中通过零序电流，并经3相对地电容构成回路，当3相PT并联的等值零序电感与零序电容在某一频率下的参数匹配时，即产生铁磁谐振，谐振频率将随所接线路的增长，依次发生高次、基波、分频谐振。

试验研究结果表明，在PT高压侧中性点接入不同阻值的电阻R0后，可以引起谐振区域的变化。当R0值增大时，谐振范围缩小，并成闭合形状，超过某值后，谐振范围为零。经计算在运行电压下，若R0≥6%Xm（Xm为PT在额定线电压下的工频励磁感抗），则可消除由PT饱和而引起的一切铁磁谐振。

在PT高压侧中性点串电阻是等价于每相对地并接电阻，起到阻尼和抑制谐振的作用，实际上它还能限制PT中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过PT的高幅值过电流。相应地也能减少每相PT上的电压，也就相当于改善其伏安特性。显然R0不能太小，否则作用不大，但也不能太大，否则单相接地时，PT开口三角绕组电压太低，影响接地指示灵敏度以及保护装置的正确动作。

例如，10 kV系统在单相接地时，当R0为30 kΩ时，影响PT开口三角电压降低将小于1%，影响不大。

考虑到上述因素，消谐器在低电压下呈高阻，在单相接地时，HLX-10的R0＜30 kΩ，HLX-35的R0＜90 kΩ均不影响接地故障指示。

5.2 使用方法和技术要求

从长期的运行经验来看，在中性点不接地系统，采用PT高压侧中性点串接非线性电阻消谐器是最成功的，它结构简单，安装方便，既可消除PT引起的各种谐振，还可限制弧光接地时流过PT的过电流。对PT本身不增加任何负担。

在同一系统中接有多台电压互感器时，应在每组电压互感器的高压绕组中性点和地之间各装一支消谐器。

5.3 技术指标

消谐器技术参数见表1所示。

表1 消谐器技术参数

消谐器的试验查检方案：投运前或预试检查使用兆欧表检验即可。

表2 测量仪器及参数

6 技术实施方案

6.1 安装位置选择

根据潘家口电厂一次主接线图，高压侧中性点直接接地的PT为4YH及7YH，而高压侧中性点直接接地的PT才可能产生谐振，所以需在4YH及7YH高压侧中性点安装消谐器。2012年12月11日，4YH的中性点已经安装了HLX－10型消谐器，位于主变低压侧的7YH处于带电状态，未能安装。根据故障录波器显示的波形，12月12日02：19：10主变低压侧出现铁磁谐振，此时因机组出口开关处于分闸状态，4YH的中性点安装的消谐器无法起到消谐作用，也不可能参与谐振。至02：22：10机组出口开关合闸后，发电机参数并入电路，破坏了谐振条件，谐振消失。因为主变低压侧出现铁磁谐振，中性点电压发生偏移，3U0出现很高的电压值，致使100%接地保护动作。

12月12日出现的铁磁谐振现象说明：

（1）在发电机出口开关断开状态时，仅仅在发电机出口4YH处安装消谐装置无法消除主变低压侧的铁磁谐振。

（2）主变低压侧7YH高压侧中性点也必须安装消谐装置，消除铁磁谐振。