发变组冲击跳闸铁磁谐振故障仿真分析

朱学成，张德文，董尔佳，张洪达，申昱博

（国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨150000）

0 引言

铁磁谐振是由于变压器、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［1-4］，目前虽然国内外已在铁磁共振理论分析和消除谐振过电压的措施上取得了一些成就，但由于铁磁谐振电路的复杂性，共振过程随机性和多样性，导致消除铁磁谐振过电压的措施都是有其适用范围的，不能盲目使用消谐措施，否则不单消谐效果不好且还可能加重线路的谐振强度，构成对系统绝缘水平的威胁，影响系统的安全和稳定运行［5-9］。因此，探索铁磁谐振过电压产生机理，综合分析谐振的谐波抑制措施作用效果并进行相互比较，基于已有的研究结果去探索更有效的消谐措施，对提高供电可靠性和维护系统的安全稳定运行意义重大，并具有较大的理论和应用价值［10-14］。

新变压器在正式投运前要进行冲击合闸试验，以此来检查变压器绝缘强度能否承受全电压或操作过电压的冲击。当系统发生故障或扰动时，系统运行参数将发生改变，可能会激发谐振的产生［15-20］。激发铁磁谐振的电感多为带铁芯元件，具有饱和非线性特性，电感值随着励磁电流的变化而变化，在满足一定的匹配条件时，系统将会发生铁磁谐振现象，导致系统发生严重过电压事故［21-24］。铁磁谐振过电压会导致电压互感器一次高压熔断器熔断，甚至导致绝缘击穿损坏或电压互感器过热烧毁［25-27］。在电网中，经常有电磁式电压互感器导致铁磁谐振过电压产生的情况。如果遇到合空载母线、导线接地短路、大风、雷电等时，若不采取适当的措施，就可能激发谐振，产生过电压而造成电压互感器烧毁、避雷器爆炸，继而造成停电事故的发生或电力系统设备的毁坏［28-31］。本文对某水电厂1号发变组倒送电冲击跳闸故障进行分析及仿真，分析铁磁谐振产生原因及处理对策，为进一步研究提供依据。

1 故障概述

某水电厂拉开1 号机组出口3G 刀闸后，合上1 号主变220 kV 侧1G 刀 闸。用1 号主变220 kV 侧DL 开关，对1号主变冲击合闸4次，每次间隔5～10 min，每次冲击合闸后对所投运设备进行外观检查无异常，第4次冲击合闸后，拉开1号主变220 kV 侧DL 开关。1 号机一次系统图如图1 所示，Ⅰ母线、Ⅱ母线为220 kV，T1低压侧母线为13.8 kV。

图1 1号机一次系统图Fig.1 Primary system diagram of unit 1

该水电厂将1号发电机与发电机出口母线间软连接断引，合上机组3G刀闸，用1号主变220 kV侧DL开关，对1号主变进行第5次冲击，冲击过程中A、B套发变组保护（许继WFB-800A）基波零序定子接地保护动作出口跳开DL开关。

2020 年6 月22 日该水电厂将1 号机励磁变断引，用DL 开关对1 号主变进行第6 次冲击，冲击过程中发变组A 套保护基波零序定子接地保护动作跳开DL 开关。第6次冲击发变组A套保护装置录取的电流波形如图2所示。

图2 第6次冲击发变组A套保护装置（动作）录取的电流波形Fig.2 Current waveform recorded by a set of protection device(action)of generator transformer unit in the sixth impact

2 冲击跳闸故障分析

通过排查，1号主变高压侧、低压侧等部分在这几次冲击中均未有故障，是发电机端电压互感器铁芯电感饱和造成低压系统产生分频谐振，导致保护跳闸。

电磁式电压互感器因合闸充电过程的激发，电压互感器突然投入，电压升高导致铁芯电感饱和，可能引起铁磁谐振过电压。下面针对该系统部分参数进行估算。

主变低压侧对地电容实际测试值为0.024 32 μF，取主变低压侧每相对地电容为0.008 107 μF，主变低压侧固体绝缘管型母线实测值为8.47*2=16.94 nF=0.016 94 μF。由于此电压互感器于1996年出厂，较为老旧，拐点电压偏低，取电压互感器拐点处额定二次励磁电压61.84 V时励磁电流为0.396 6 A，电压互感器变比138，折算到一次侧的励磁电流为：

根据《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》中4.1.11 条第4 款第3 条：当Xco是系统每相对地分布容抗，Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗时，可在10 kV 及以下的母线上装设中性点接地的星形接线电容器组或用一段电缆代替架空线路以减少Xco，使Xco小于0.01Xm。互感器的励磁电抗为（2YH、3YH两组互感器并联）：

主变低压侧固体绝缘管型母线、变压器对地容抗为：

图3 谐波的谐振区域（彼德逊谐振分区曲线）Fig.3 Resonance region of harmonics(Peterson resonance Partition Curve)

由图3 可以看出，谐振区域与Xco/Xm密切相关，Xco/Xm约为0.01 至0.08 时，将发生1/2 次分 频谐振，Xco/Xm约为0.08至0.8时，将可能发生基波谐振，Xco/Xm约为0.8 至3 时，谐振的性质为高频谐振。因此，判断系统在反充电过程中存在发生1/2次分频谐振的可能。

如果不计入新更换的主变低压侧固体绝缘管型母线，主变低压侧固体绝缘管型母线、变压器组对地容抗为：

仍有发生基频谐振的可能。

3 仿真模拟结果分析

3.1 故障模拟回放

对第6次冲击时发变组故障录波器录取到的全过程发电机出口母线电压进行了回放模拟，通过谐波分析发现录取到的电压中含有较大25 Hz 谐波分量，仿真结果与一次设备参数计算结果一致，可以判定在第6 次冲击时，主变低压侧系统发生了分频谐振。发电机机端电压谐波分析如图4所示。

图4 第6次冲击发电机机端电压谐波分析Fig.4 Harmonic analysis of generator terminal voltage under the sixth impulse

3.2 铁磁谐振仿真

根据现场发电机出口电压互感器励磁特性曲线和发电机出口母线实测参数在PSCAD 中搭建系统仿真模型，进行变压器冲击仿真，冲击仿真模型如图5 所示。仿真得到的电压互感器二次电压波形和现场第6次冲击录波文件波形变化趋势基本一直，且开口三角电压在合闸500 ms 时为180 V 左右，与保护装置故障报文吻合。冲击仿真波形如图6所示。

图5 变压器冲击仿真模型Fig.5 Simulation model of transformer impulse

图6 变压器冲击仿真波形Fig.6 Simulation waveform of transformer impulse

4 结 语

此次跳闸产生的原因主要是在变压器冲击过程中低压侧系统电感电容值匹配引起的铁磁谐振造成了零序过电压跳闸。由于1号发电机出口更换的管母具有较大的对地电容值，改变了一次系统的电感电容参数，在电压突变冲击的过程中易产生电压1/2次分频谐振，因此建议该厂1号机不采用从系统对主变进行反充电操作，最好采用零起升压方式进行电压核相检查。

在正常运行方式下由于发电机的接入破坏了铁磁谐振产生条件，因此不易产生谐振过电压。如果今后仍要采取主变反冲击的试验方式建议在发电机电压互感器处采取消谐措施，试验结束后再予以撤除。当K13是互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比时，可在电压互感器的开口三角绕组装设阻值R不大于Xm/K213的电阻或装设其他专门消除此类铁磁谐振的装置。Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗。R 值为抑制谐振的总阻值，若分置于n台互感器时，每个电阻值应取nR。