炼钢厂电网系统谐振过电压的危害及抑制方法

张军民

（宝武集团鄂城钢铁有限公司能源环保部，湖北 鄂州 436000）

1 3～66kV电网系统中性点接地方式

电网系统中性点节点方式较多，受实际网络影响，不同的电网结构、电压和电流水平下，需要采取不同的接地方式。实际上，企业3～66kV配电网中性点采用的接地方式主要有直接接地、不接地、小电阻接地、消弧线圈接地（谐振接地），这些中性点的接地方式都是小电流接地方式。

目前，企业3～66kV电网系统中性点接地方式主要依据GB50613-2010《城市配电网规划设计规范》规定：

（1）对于中压配电网来说，当电容电流小于10A时采用不接地系统方式。

（2）10～150A时，采用消弧线圈接地。

（3）电容电流大于150A且全是电缆网络时，采用小电阻接地。

在企业3～66kV配电网中，随着电力电缆的大量应用于电网供电网络中，电网对地电容电流显著增加，3～66kV配电网中性点一般采用经消弧线圈接地（谐振接地）的系统，这样在发生单相接地故障时，允许带接地故障保持运行。目前，炼钢厂的电压等级位于3～66kV的区间，接地方式主要是经弧线圈的接地方式。

2 谐振过电压产生原因及危害

企业3～66kV配电网中性点一般采用经消弧线圈接地（谐振接地）的系统，消弧线圈自动调谐系统一般采用过补偿方式，处于谐振点附近，就会有高的位移电压，正常系统的不平衡电压只有1%～3%的相电压，安装了消弧线圈后，这个不平衡电压被放大了√(v2+d2)倍（V为脱谐度，d为阻尼率）。

当阻尼率一定，脱谐度较小时，则有很高的位移电压，以致影响系统的运行。所以，过补偿自动跟踪补偿消弧线圈正常运行时，接近全调谐状态，脱谐度很小，需增加阻尼电阻器，将消弧线圈经阻尼电阻器接地，使中性点位移电压小于系统相电压的15%。

当系统发生单相接地时，中性点位移电压为相电压，中性点流过消弧线圈的额定电流，为保护阻尼电阻，必须将阻尼电阻短接，消弧线圈电感与系统对地电容构成了一个LC回路，发生单相接地故障时会产生瞬间谐振过电压，其电压幅值可能到达3.2p.u.，这么高的过电压在系统电气设备绝缘薄弱环节，从而导致系统同相或异相接地，发生异相接地时，就会产生相间短路。

如前所述，3～66kV配电网中性点一般采用经消弧线圈接地（谐振接地）的系统，这样在发生单相接地故障时，允许带接地故障保持运行，这是其最大优点。但是，小电流接地配电网的单相接地电流比较小，对于采用消弧线圈接地方式的配电网来说，故障线路的电流甚至比非故障线路还要低，再加上相当一部分故障是间歇性的，采用常规的基于稳态零序电流的保护方法难以准确地检测出故障线路。长期以来，企业都是通过人工倒换电源选择故障线路，这增大了单相接地故障时允许带接地故障保持运行的风险，一旦电流过零点时不能自动息弧，电网系统进而会产生危险的间歇性弧光过电压，击穿健全相发生相间短路，造成事故跳闸，影响整个电网的安全运行。

3～66kV电网系统中有许多铁芯电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈等。这些元件大部分为非线性元件，它和系统的电容元件组成了许多复杂的振荡回路，如果满足一定的条件，就可能激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压，铁磁谐振过电压可以是基波谐振，可以是高次谐波谐振，也可以是分次谐波谐振。铁磁谐振过电压的表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高，或以低频摆动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸；或产生高值零序电压分量，出现虚幻接地现象和不正确的接地指示；或在互感器中出现过电流，熔断器一起熔断或互感器烧毁；或者是使小容量的异步电动机发生反转现象。

3 鄂钢谐振过电压事故发展过程

3.1 鄂钢电网主要接线方式

鄂城钢铁能源动力厂发电机配电室PT采用如下接线方式，如图1所示，在PT开口三角中接入消谐装置（1RE元件)，接线方式持续稳定运行了许多年，一直未发生事故。

3.2 鄂钢谐振过电压事故发展过程

2019年3月22日7时45分，鄂城钢铁能源动力厂220kV炼钢变10kVII母线发生接地告警，当班人员立即向调度室汇报；当班调度人员接到汇报后，安排倒换运行方式查找接地线路，并安排供电车间人员进行线路巡查。与此同时，新建5#发电机组当班人员汇报发电机母线电压互感器烧毁，其进线开关跳闸（过流 I 段动作），发电机解列。

10时11分，能源动力厂供电车间炼钢变值班人员倒电源排查接地线路时，发现由220kV炼钢变10kVII母线供宽板水处理配电室线路接地，经确认为宽板水处理配电室旋流池3#水泵高压电机定子线圈发生接地。

事故发展具体过程如表1所示。

4 事故原因定位及解决方法

图1 接线方式示意图

表1 2019年3月22日事故发展过程

事故发生后，结合现场损毁的电压互感器、设计图纸、柜内接线综合分析，此次事故的原因为：电压互感器二次侧辅助绕组短路，当10kV电网系统发生单相接地时，电压互感器二次侧辅助绕组产生约100V电压，短路绕组内形成大短路电流，同时，电压互感器未接地相电压升高为线电压，铁芯磁通密度增大，铁芯严重饱和，产生铁磁谐振过电压，烧坏电压互感器，引起相间短路，导致发动机出口断路器及其配电室进线断路器过流I段动作跳闸。

事故发生后，公司相关单位和部门及时组织PT备件材料，恢复损坏的设备，以尽快投运发电机组。在发电机母线电压互感器零序电压回路加装消谐装置，抑制谐振过电压。

5 抑制谐振过电压系统性策略方法

为抑制谐振过电压，需要针对不同的接地方式，采用不同的应对策略方法。

在3～66kV电网有消弧线圈的电网系统中，应当选择消弧线圈的脱谐度，以便避开谐振点。

在3～66kV不接地系统或消弧线圈接地系统偶然脱离消弧线圈的部分，当连接有接地的电磁式电压互感器的空载母线（其上带或不带空载线路），因合闸充电或接地故障消除等原因的激发，使电压互感器过饱和，则可能产生铁磁谐振过电压。为限制这类过电压，可选取以下措施：

（1）选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器；

（2）减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量，除电源侧电压互感器高压绕组接地外，其他电压互感器中性点尽可能不接地；

（3）在互感器的开口三角形绕组中性点装设消除铁磁谐振过电压的装置。

从鄂钢谐振过电压事故恢复过程中，通过在电压互感器的开口三角形绕组中性点装设消除铁磁谐振过电压的装置，在系统发生单相接地时，能够有效地抑制谐振过电压，避免系统中绝缘薄弱的电气设备被击穿发生短路故障。

6 结语

在企业3～66kV电网系统中，由于用电负荷处于不断变化中，特别是由于新建、改建和扩建工程的陆续投产达产，电网的电容电流不断增加，企业用电管理部门要密切关注电网系统的这种变化，适时调整消弧线圈的脱谐度，尽量避开谐振点。

新建、扩建工程项目中，在施工设计阶段，要严格按照设计规范和要求进行施工图纸(特别是电压互感器二次回路图纸）的审核工作。3～66k电网系统不接地及消弧线圈接地系统，应采用性能良好的设备并提高运行维护水平，避免产生谐振过电压。