不接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振

1、不接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振研究與探討王建明1 萬鳳霞1 張梅2(1. 中國水電顧問集團北京勘測設計研究院 北京 100024 2.國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心 北京 100080)【摘要】: 本文分析了不接地系統(tǒng)中電磁式電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生的機理，諧振發(fā)生所需的條件，諧振類型的判定方法和主要采用的消諧措施及其整定計算，并根據(jù)崗曲河一級水電站外來電源回路電壓互感器在電站安裝調(diào)試期燒毀的現(xiàn)象，計算出了系統(tǒng)的等效容抗和電磁式電壓互感器的勵磁電抗，分析了產(chǎn)生諧振的可能性并定量計算分析出了鐵磁諧振的類型，提出了合理可行的解決方案，并已在工程中應用，且一直安全運行至今?！娟P鍵詞】: 不接地

2、系統(tǒng)；電壓互感器；單相接地；鐵磁諧振；勵磁電抗；消諧裝置1 引言在我國電力系統(tǒng)中，3kV66kV系統(tǒng)中性點一般采用非有效接地方式，110kV 500kV 系統(tǒng)中性點采用有效接地方式。在中性點非有效接地系統(tǒng)中，3kV20kV 不直接連接發(fā)電機電壓回路的系統(tǒng)、35kV、66kV配電系統(tǒng)和發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生單相接地故障不要求瞬時切機且單相接地故障持續(xù)電流不超過允許值時，中性點采用不接地方式；當架空線路單相接地故障電流大于10A 或電纜線路單相接地故障電流大于30A 以及發(fā)電機單相接地故障電流超過規(guī)定值時，中性點采用經(jīng)消弧線圈接地方式；發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生單相接地故障要求瞬時切機時，中性點宜采用高電阻接地方式。

3、本文重點討論不接地系統(tǒng)中電磁式電壓互感器的鐵磁諧振問題，也可對中性點采用其他接地方式的系統(tǒng)的鐵磁諧振問題研究提供參考。在中性點不接地系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器(簡稱VT)飽和而引起的鐵磁諧振過電壓是出現(xiàn)最頻繁、造成事故最多、雖研究多年但仍一直還在繼續(xù)發(fā)生的一種過電壓。直到目前為止，由于系統(tǒng)結構的復雜性、運行參數(shù)的隨機性和單相接地等故障發(fā)生的不確定性，加之現(xiàn)有各種消諧裝置質量的參差不齊和安裝調(diào)試過程中的疏忽，在中性點不接地系統(tǒng)中由于電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過電壓仍是威脅電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。2 鐵磁諧振產(chǎn)生機理在中性點不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視系統(tǒng)對地絕緣，發(fā)電廠、變電站母線上的電磁式電

4、壓互感器一次繞組中性點一般直接接地。于是，網(wǎng)絡對地參數(shù)除了電力設備和導線對地電容C0之外，還有電壓互感器的勵磁電感L，如圖1所示。圖1中性點不接地系統(tǒng)電壓互感器接線圖三相電壓互感器的勵磁電感分別為LA、LB、LC，C0 表示單相對地電容，C0與LA、LB、LC并聯(lián)后的導納為YA、YB、YC。正常情況下，三相勵磁電感基本相等，中性點電位為零。當系統(tǒng)發(fā)生接地故障，未接地相電壓升高，母線對地電容充上與線電壓相應的電荷，接地故障消失時，線路對地電壓突變回原來的相電壓，大量電荷短時間內(nèi)要通過VT中性點釋放，引起VT飽和，造成L減小，三相對地負載不再平衡，中性點出現(xiàn)位移電壓，其值為:E0 = - (1)通

5、常電壓互感器的感性電抗大于電容的容性電抗，當電力系統(tǒng)操作或其他暫態(tài)過程引起VT暫態(tài)飽和而感抗降低就可能出現(xiàn)鐵磁諧振。如電網(wǎng)發(fā)生B相接地故障，則A相和C相電感LA 、LC減小，電感電流增大，可能使A相和C相導納變成感性，如圖2所示。感性導納和容性導納相互抵消，位移電壓E0大為增加，當參數(shù)配合適當時，總導納接近于零，此時將產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)不同的參數(shù)配合，可能會產(chǎn)生分頻、基頻和高頻諧振。圖2單相接地故障等效電路圖3 鐵磁諧振發(fā)生條件Shott H.S和Peterson H.A研究了產(chǎn)生各種諧波振蕩的條件，隨著比值XC0/ Xm的增大，依次發(fā)生1/3 次諧波、1/2 次諧波、基波、3次諧波甚至更高次

6、諧波的諧振。XC0 = 1/C0為系統(tǒng)每相容抗，Xm為電壓互感器的單相繞組在額定線電壓作用下的對地勵磁電抗，EX是電壓互感器事故前的運行相電壓，UX 是電壓互感器的額定線電壓。不同頻率諧振區(qū)的最低臨界電壓逐漸增大，1/2 次諧波諧振所需的電源電壓較低，高次諧波諧振所需的電壓較高，在實際運行條件下，分次諧波諧振現(xiàn)象最易發(fā)生。Peterson H.A等對鐵磁諧振進行了較全面的模擬實驗，繪制了諧振區(qū)域圖，如圖3所示。圖3 H.A.Peterson 諧振區(qū)域曲線根據(jù) Peterson H.A 的諧振區(qū)域曲線，電壓互感器的勵磁特性越好，諧振區(qū)域越向右移，即諧振所需要的阻抗參數(shù)XC0/Xm 越大；反之，越

7、向左移，即諧振所需XC0/Xm越小。當XC0/ Xm在 0.010.07 時，易產(chǎn)生1/2分頻諧振；當XC0/ Xm在 0.070.55 時，易產(chǎn)生基波諧振；當XC0/ Xm在 0.552.8 時，易產(chǎn)生3次諧波諧振；當XC0/ Xm0.006或XC0/ Xm2.8時，可以認為系統(tǒng)不發(fā)生鐵磁諧振。4 鐵磁諧振限制措施國內(nèi)外成熟的設計中都會有相應的消除鐵磁諧振的措施，使用最多的主要是電壓互感器高壓側中性點一次消諧和電壓互感器二次側開口三角二次消諧。電壓互感器消諧的原理大家都已經(jīng)非常熟悉而且也比較成熟，在此不再贅述，但各方都很少關注消諧電阻的選擇原理及計算方法，一般是根據(jù)電壓等級選擇成熟的產(chǎn)品，但

8、作為設計選型方有必要對其選擇計算方法作深入分析。電壓互感器的一次消諧電阻值既不能取得太大，也不能取得太小。如果取得太大，會影響二次側裝置的測量精確度和保護準確性；如果太小則起不到消諧和限制涌流的作用。二次消諧電阻也應該有合理的取值范圍，如果太大，起不到阻尼作用；如果太小，則會使電壓互感器發(fā)熱明顯，長期運行對設備不利。因此，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合(DLT620-1997)和水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則(DL/T5090-1999)都對一次、二次消諧電阻值提出了相應要求：(1) 在互感器開口三角繞組裝設電阻R0或裝設其他專門消除此類鐵磁諧振的裝置。R00.4 (2) K1

9、3為互感器一次繞組與開口三角繞組的變比。(2) 互感器高壓繞組中性點經(jīng)消諧電阻Rp.n接地。Rp.n0.06Xm (3)其中最關鍵的Xm為電壓互感器在線電壓作用下單相繞組的勵磁電抗。而Xm值跟電壓互感器自身參數(shù)及特性密切相關，工程前期設計中往往無法獲得相關信息，即使定廠后互感器生產(chǎn)商也很少能給出具體數(shù)值。在設備招標文件中一般都要求互感器出廠前需做勵磁特性試驗，接線如圖4所示：圖4. 電壓互感器勵磁特性試驗線路圖根據(jù)勵磁特性試驗數(shù)據(jù)可以計算得到電壓互感器二次側開口三角勵磁電抗：Xm= (4)5 案例分析云南崗曲河一級水電站位于滇西北迪慶州香格里拉縣境內(nèi)，電站裝機2×30MW。在電站安裝

10、調(diào)試期，外來電源回路B相電壓互感器接連兩次出線燒毀故障。5.1 故障過程(1) 2013年1月10日左右，10kV外來電源進線電壓互感器柜內(nèi)二次微機消諧裝置報警，現(xiàn)場安裝人員檢查后發(fā)現(xiàn)VT高壓側B相熔斷器熔斷，遂用相同型號規(guī)格的熔斷器替換裝上，熔斷器再次燒毀。隨后，測量電磁式電壓互感器電阻值為“0”，互感器已燒毀。(2) 2013年2月28日，同一外來電源回路二次消諧裝置又出現(xiàn)報警信息，故障后檢查發(fā)現(xiàn)B相熔斷器熔絲熔斷，B相電壓互感器外殼開裂。5.2 運行情況(1) 施工變電站10kV側架空出線三回，其中一回到首部樞紐，線路長度約2km，偶有單相接地故障發(fā)生；一回到附近村莊，線路長度約5km，

11、時有單相接地故障發(fā)生；一回到地面廠房，線路長度約6km，中間接有引水隧洞、調(diào)壓井、施工支洞、業(yè)主營地等施工負荷，偶有單相接地故障發(fā)生。(2) 施工變電站35kV側架空進線1回，線路長度約30km，時有單相接地故障或雷擊故障發(fā)生。5.3 原因分析5.3.1 系統(tǒng)容抗XC0(1) 10kV架空線容抗XC01外來電源回路10kV架空線路長6km，導線型號LGJ-95/20，每相對地電容：C01 = (5)dm：相導線間的幾何均距；Rm：相導線的自幾何均距。根據(jù)電站實際情況計算得dm=1.26m，Rm=0.007m。因此C01 =0.01×10-6 F/km，線路容抗XC01 = 1 /C0

12、1 = 1 /314×6×0.01×10-6= 53.079 k(2) 電力電纜容抗XC02外來電源回路電纜總長度約20 m，型號為GZR-YJV22-3x70 8.7/10kV，電纜每相對地電容取0. 31F /km，電纜容抗XC02 = 1/C02 =1/314×0.02×0.31×10-6=513.663k(3) 系統(tǒng)總容抗XC0 = XC01 XC02 /( XC01 + XC02)= 48.108k5.3.2 電壓互感器勵磁電抗Xm電壓互感器出廠試驗數(shù)據(jù)如表12所示：表1. 第一次故障互感器勵磁特性表2. 第二次故障互感器勵

13、磁特性根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出的兩次故障互感器在額定線電壓作用下的對地勵磁電抗分別為：4918.85 k和3365.53k。5.3.3 諧振類型第一只故障互感器阻抗比: XC0 /Xm =48.108/4918.850.0098。第二只故障互感器阻抗比: XC0 /Xm =48.108/3365.530.0143。由Peterson H.A諧振區(qū)域分析可知，第一只故障電壓互感器阻抗比雖略低于0.01但大于0.006，第二只阻抗比已大于0.01，所以他們均處于易發(fā)分頻諧振的區(qū)域。5.3.4 二次消諧裝置如果系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振，則電壓互感器二次側開口三角回路串接的二次消諧裝置應該及時投入，但兩次故障過程中

14、，消諧裝置僅判定故障為單相接地短路，未及時投入消諧電阻，也是導致電壓互感器燒毀的原因之一。6 解決方案根據(jù)上述案例分析，為防止和限制不接地系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振，避免單相接地故障對電壓互感器造成危害，可以從系統(tǒng)設計、設備選型、消諧方式、安裝試驗、運行管理等方面采取以下措施：6.1.1 系統(tǒng)設計在系統(tǒng)設計過程中，盡早考慮各個系統(tǒng)的對地電容值和電壓互感器的勵磁電抗，采取措施使系統(tǒng)對地容抗與互感器勵磁電抗之比XC0 /Xm0.01（規(guī)范要求值），如有條件最好能做到XC0 /Xm0.006（試驗經(jīng)驗值）。6.1.2 設備選型(1) 選用全絕緣電壓互感器導體和電器選擇設計技術規(guī)定DLT5222-2005第16

15、.0.5條規(guī)定：“在中性點非直接接地系統(tǒng)中的電壓互感器，為了防止鐵磁諧振過電壓，應采取消諧措施，并應選用全絕緣”。但在實際操作過程中，由于成套安裝的其他設備（如發(fā)電機斷路器GCB，中置式開關柜等）外形尺寸及內(nèi)部結構滿足不了全絕緣電壓互感器的安裝要求，因此在實際工程中還在大量使用降低絕緣即半絕緣的電壓互感器。為提高電壓互感器本身的耐過電壓能力和提高系統(tǒng)的運行可靠性，應創(chuàng)造條件采用全絕緣產(chǎn)品?？刹扇〉拇胧┯校?) 對于大中型發(fā)電機回路的電壓互感器，單獨安裝在VT柜內(nèi)，以免受發(fā)電機斷路器的結構尺寸限制；2) 對于中置式開關柜，如果手車內(nèi)安裝不下，可以采取互感器安裝于電纜室的方案，柜內(nèi)結構如圖5所示圖

16、5. 電壓互感器安裝于中置手車柜電纜室(2) 選用勵磁特性好的電壓互感器電磁式電壓互感器GB/T 1207-2006對安裝于無自動切除對地故障的中性點絕緣系統(tǒng)或無自動切除對地故障裝置的共振接地系統(tǒng)中的相與地之間的電壓互感器做出了：1.2倍額定電壓情況連續(xù)運行和1.9倍額定電壓情況運行8h的要求，因此所選擇的產(chǎn)品應保證在相應情況下不飽和。(3) 選用質量好可靠性高的消諧裝置無論是一次消諧裝置還是二次消諧裝置，國內(nèi)生產(chǎn)廠商不計其數(shù)，質量參差不齊，一定要選擇有研發(fā)試驗能力、計算分析能力、先進裝備能力的大品牌和具有正規(guī)試驗報告、多年運行經(jīng)驗、大量運行業(yè)績的高質量產(chǎn)品。6.1.3 一次側消諧一次側消諧就

17、是在電壓互感器一次繞組中性點與地之間串接一次消諧器，該消諧器主要由多個電阻元件并串聯(lián)組成，具有適度的非線性及負的溫度系數(shù)，當發(fā)生單相接地時，中性點N產(chǎn)生高電位，此時消諧器電阻急劇減小，而溫度快速上升，把電壓互感器回路中諧振電流轉化為熱能散發(fā)掉，最大限度保護電壓互感器。故其具有較好的抑制電壓互感器諧振和限制電壓互感器涌流效果的同時，又不影響電壓互感器的正常工作。根據(jù)電壓互感器勵磁特性及式(2)(4)，計算得兩次故障互感器一次側中性點消諧電阻值分別為121.28 k和134.75 k。當電網(wǎng)發(fā)生異常的大電流（如雷擊、電網(wǎng)斷線諧振）時，會產(chǎn)生一個比較大的電壓，如果互感器尾端絕緣等級不強，就有可能損壞

18、互感器絕緣。針對這種情況，應選擇能有效限制消諧器兩端電壓的LXQ(D) -10（通用型號）型消諧電阻器，阻值不小于150k，使其在半絕緣電壓互感器的絕緣耐受水平之下，從而有效保護中性點絕緣。6.1.4 二次側消諧根據(jù)電壓互感器勵磁特性及式(2)(4)，計算得兩次故障互感器二次側開口三角消諧電阻值分別為24.44和27.16。二次開口三角側的消諧電阻值并不高，如果長期串接在回路中，如以20為例，則所需熱容量為500VA，超出了多數(shù)10kV級電壓互感器的極限熱輸出容量，對互感器運行不利甚至燒毀互感器。因此采用微機消諧裝置是必要和可行的，它是采用智能芯片判斷諧振的類型和相應的故障電壓，短時并多次投入二次消諧電阻，既起到阻尼作用，又不至于使電壓互感器發(fā)熱嚴重。但使用前要檢查微機消諧裝置的整定值并作各種故障類型的模擬試驗，以保證消諧裝置能夠可靠、正確動作。6.1.5 安裝調(diào)試(1) 每一回路的三相選用同一批次且勵磁特性一致的產(chǎn)品。(2) 如果電壓互感器二次側沒有用于監(jiān)測零序電壓的開口三角繞組，該電壓互感器的一次側中性點不要接地。6.1.6 管理措施(