水电站发电机停机时主变压器低压侧PT谐振分析及处理

李 建 清， 张 斯 宇， 靳 帅

(国家能源大渡河枕头坝发电有限公司，四川 乐山 614700)

1 概 述

枕头坝水电站为大渡河干流水电梯级规划的第19个梯级，地处四川省乐山市金口河区，为径流式水电站，安装4台180 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量720 MW，设计年发电量32.9亿kWh。枕头坝水电站4台发电机采用发变组联合单元接线接入四角型500 kV升压站，经1回500 kV线路接入电网。每台机组机端设置有4组电压互感器，均布置在发电机出口电压互感器柜内，供发电机保护、调速器、励磁、发电机电度表等设备使用。

2 故障现象

2018年7月24日2∶36，按调令2F机组断开出口断路器DL2停机，随后2.7 s主变低压侧PT二次消谐装置谐振报警[1]、7.6 s主变保护低压侧零序过压报警、11.2 s主变保护PT断线；用万用表检查主变低压侧二次电压A相57.2 V、B相52.6 V，C相34.8 V，零序电压13.5 V，初步判断主变低压侧PT一次熔断器熔断。主变停电后检查发现低压侧2PT一次侧B、C相熔断器熔断。通过故障录波器波形分析(图1)，在DL2断开后8 s内测得三相电压波动为：A相35.5-102.26 V、B相27.04-98.26 V、C相33.32-75.82 V，分析判断主变低压侧2PT发生了分频铁磁谐振过压。

图1 2PT故障录波图

3 PT铁芯饱和谐振过电压分析

3.1 绕组接线形式

2FB绕组接线见图2，2PT二次开口三角绕组并接微机消谐装置。

图2 2FB绕组接线图

3.2 原因分析

2PT为电磁式，在正常情况下电感L=ψ/i为常数，铁芯不饱和。在2F停机DL2断开时，切除了发电机对地电容CF、1PT及消弧线圈电感XF，使主变低压侧不接地系统中电容电感突然发生变化，造成流经2PT的一次电流i增大，2PT铁芯逐渐饱和，动态电感Ld=dψ/di反而减小，导致铁磁谐振发生，非线性谐振回路的伏安特性(图3)。由线性电容和铁芯电感组成的回路中，电感电压UL与电容电压UC的和等于电源电压。在电源电压由正常值E开始不断加大时，电路的工作点将沿曲线3自a点上升。当电源电压超过m点的值U0以后，工作点m点突然跳到n点，并沿n～e段上升。n点与m点相比较，电容电压UC很大，电感电压UL也是增大的。这个过程就是电路工作状态由感性经谐振到了容性的过程，产生了谐振过电压。在铁磁谐振发生后，即使电源电压降低，而电路的工作点将沿曲线3的n～d段下降，在电压恢复到正常工作电压E时，电路将稳定在工作点c。此时的电容电压UC与电感电压UL都比正常工作点a大，即仍然有过电压的存在。所以，铁磁谐振的产生需要由电源电压大于U0来激发，但激发过后电源电压降到正常值E时，铁磁谐振产生的过电压仍继续存在，并将保持。铁磁谐振过电压可高达3.5倍相电压，且因频率和相应的励磁感抗均下降 ，励磁电流往往会很大，最大励磁电流可达额定励磁电流的80倍，将导致PT一次保险熔断，甚至过热烧毁、喷油爆炸[2-3]。

图3 非线性谐振回路的伏安特性

4 PT铁芯饱和谐振过电压防范措施及比较

中性点不接地系统的PT[4]，产生铁芯饱和谐振的主要原因是谐波电源和谐振电路参数的匹配。由于电力系统故障形式多样，目前，尚无有效措施对谐波电源加以限制。此外，由于故障形式不同，系统谐振参数也是随机变化的。为抑制电磁式PT饱和引起的谐振过电压，一般采取下列几种防范措施能取得较好效果：

(1)在二次开口三角绕组并联电阻RO或加装专用消谐器。

(2)将PT高压侧中性点经高电阻R1接地。

(3)在母线上加装对地电容。

(4)选用励磁特性较好的电磁式PT或改用电容式CPT。

以上(3)、(4)项防范措施因涉及新增设备及技改，对枕头坝水电站来说不具有操作性；(1)、(2)项措施存在一定的可行性，以下加以重点分析和比较[5-6]。

4.1 二次开口三角绕组并接电阻 R0或加装专用消谐装置

当PT发生谐振时，中性点出现位移电压，使三相电压不对称，PT铁芯严重饱和，出现零序磁通，PT一次绕组中将流过零序电流I10，在二次开口三角绕组两端感应零序电压U20。如果在二次开口三角绕组两端接入一个电阻R0，将流过零序电流 I20，其对一次绕组产生去磁作用，从而抑制了谐振。R0愈小，I20愈大，去磁作用也愈显著。如果将二次开口三角绕组两端短接，即R0=0，谐振就不会发生。I10=I20/K2(K为PT一次绕组与二次开口三角绕组变比), I20=3×U20/ R0，则I10=3×U20/K2R0，所以,U10/I10=R=R0×K2/3。可见，二次开口三角绕组两端接入电阻R0，就相当于在PT高压侧每相并联一个(K2/3)R0的电阻,增大了回路的阻尼率。从消振效果来说 ,希望 R0尽可能小。但是R0太小，系统发生单相接地时，PT漏抗上的压降太大，二次开口三角绕组两端电压过低，不能满足继电保护的要求。根据运行经验，一般取R0≤0.4(Xm/K2)(Xm为PT等值电抗)。

专用消谐装置原理与电阻类似，只是当消谐装置检测到发生谐振时，自动投入相应阻值的电阻[7]。

4.2 PT高压侧中性点经高电阻或非线性电阻R1接地

在PT一次绕组中性点经一个较大的电阻R1接地,利用该电阻限制PT一次绕组中的电流，是防止或消除PT铁芯饱和谐振的一个有效而简便的措施。当系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，非故障相的电压升高为线电压，其对地电容C0上充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间，此电荷产生电容电流，以接地点为通路，在电源导线和大地间流通，由于PT激磁阻抗很大，故流过PT一次绕组的电流很小。但是，一旦接地故障消除，这个电流通路被切断，而非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压。由于接地故障已断开，非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，就只能通过PT一次绕组经其接地的中性点泄入大地。在这一瞬变过程中，PT一次绕组中将流过一个很大的工频冲击电流，使PT铁心严重饱和，激发谐振现象。如果在PT一次绕组中性点串一个足够大的电阻R1接地，在单相接地故障消失时，就可阻尼流过一次绕组和中性点的冲击振荡电流，使其急剧衰减，避免铁心饱和，防止铁磁谐振的产生。单纯从消振效果来看，中性点电阻R1越大越好，若该电阻为无限大，即PT高压侧中性点不接地，则谐振条件不成立，谐振根本不会发生。但是中性点电阻R1的选择要受到中性点绝缘水平、接地指示器的灵敏度、正常电压测量和电网运行方式的限制，不能选择得太大。根据运行经验，一般取R1≥0.06 Xm。

另一个办法是将加高电阻方式调整为加装非线性电阻消谐器。正常运行时，中性点电压很低，消谐器呈高阻状态，PT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，PT不易饱和，极大地减小谐振发生的几率；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PT测量准确度影响小[8-9]。

4.3 两种防范措施的优缺点比较

PT饱和引起的铁磁谐振，无论是串联(一次侧)方式还是并联(二次侧)方式，都能有效消除谐振[10-11]。

中性点不接地系统发生铁磁谐振，并非只有PT饱和所致，还有其他原因也会引起谐振，较为常见的有断线引起的谐振。这种谐振，若采用并联方式，起不到限制一次电流的作用将很快烧毁PT。即使是较为先进的专用消谐装置，因依据的二次开口三角绕组电压和频率，也不易分辨是PT饱和引起的谐振还是其他原因引起的谐振[12]。

因PT一次绕组的励磁电流中含有一定的三次谐波分量，三相对称系统中，三次谐波电流是零序方向，即三相PT中的三次谐波电流是同一方向，都流过PT一次绕组中性点与地之间的消谐电阻R1，必然在R1上产生三次谐波电压。此电压反映在二次开口三角绕组两端，会使二次开口三角绕组两端电压升高(约5～10 V)，增加了PT二次侧三次谐波电压。同时，也会影响二次三相相电压的测量。然而，采用在二次开口三角绕组并接电阻的方式不会发生此现象[13-15]。

5 解决方案

鉴于枕头坝水电站主变低压侧全部采用封闭母线，发生单相接地或断线的几率较小，而发生PT饱和谐振的几率要稍高，比较两种方案优缺点并结合1PT高压侧中性点已通过非线性电阻R1接地实际情况，确定采用2PT高压侧中性点经非线性电阻R1接地，二次开口三角绕组两端并接电阻 R0和保留微机消谐装置方式。

枕头坝水电站2PT二次开口三角绕组变比K=272.79，现场试验并计算得2PT电抗Xm=18.69 MΩ，根据R0≤0.4(Xm/K2)计算得R0≤100.4 Ω。同时，兼顾消谐作用及对保护、测量的影响，选用R0=40 Ω、320 W的陶瓷线性电阻，且并联微机消谐装置。2PT高压侧中性点非线性电阻R1，选用非线性电阻消谐电阻器，1 mA电流标准电压550～700 V，现场试验实测650 V；10 mA电流标准电压1 500～2 000 V，现场试验实测1 510 V。

采用该方案后未发生PT谐振，运行情况良好。

6 结 语

虽然枕头坝水电站的方案解决了停机时主变低压侧PT饱和谐振问题，但每个电站仍需根据现场试验确定R0、R1参数。从上述分析可以看出，对电站主变低压侧不接地系统，最好在PT高压侧中性点经高电阻或非线性电阻R1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高电阻或非线性电阻R1。同时，在PT二次侧开口三角绕组加装质量性能稳定的二次微机消谐装置，以实现谐振能量的消除；为防止二次微机消谐装置失效，可在PT二次侧开口三角绕组并联一只阻值、功率适中的陶瓷线性电阻以确保安全运行。