某大型水电站20 kV系统一点接地后铁磁谐振现象分析

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(1.国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625000；2. 锦屏水力发电厂，四川 西昌 615000)

0 引 言

电力系统中存在着许多电容和电感元件，当系统进行操作或发生故障时，这些电容和电感元件可能构成各种振荡回路，在一定的条件下会产生串联谐振现象，从而导致系统中某些部分或元件出现严重的过电压。谐振是一种稳态性质的现象，谐振过电压持续时间较长，当电力系统出现谐振过电压时，会危及电气设备的绝缘、烧毁系统中的电压互感器及影响保护装置的可靠性。在35 kV 及以下电压等级的中性点不接地电网中，当线路电容和母线上的电磁式电压互感器参数配合不当时，易引起铁磁谐振，激发起零序性质的工频过电压或谐波谐振过电压，其大小和频率可从母线上的电压互感器开口三角绕组测量出来。这种铁磁谐振不仅引起虚幻接地，有时还会酿成事故，烧毁电气设备[2]。

1 事故现象分析

1.1 事故现象

某大型水电站A相发生定子一点接地后定子接地保护动作，跳开发电机出口断路器，随即发现主变压器保护柜A、B相均报TV异常信号，且无法复归，查看故障录波波形如图1，发现A、B相电压正常，C相电压仅为34.5 V，测量主变压器保护柜端子电压与故障录波数据一致，由于发电机20 kV系统为不接地系统，大致猜测为TV回路出现故障，在主变压器低压侧TV柜测量电压同样与故障录波数据一致，带电拉开主变压器低压侧C相TV后取下一次保险，用万用表测量通断后发现TV保险烧毁，换上同型号保险后故障现象消失。

图1 保险烧毁后主变压器低压侧TV故障录波波形

1.2 事故原因分析

由于发电机中性点为不接地系统，当发电机A相发生定子接地后B、C相电压升为线电压，此时存在一定的可能性导致主变压器低压侧C相TV保险击穿，但考虑到发电机定子一点接地为常见故障，且经查证TV一次保险型号为RN2-20 kV/0.5 A，当发电机定子一点接地后相电压升高为线电压20 kV后并不会导致保险烧毁。

经查看故障录波波形后发现发电机定子接地保护动作跳开发电机出口断路器后主变压器低压侧TV产生谐振。且一次系统谐振电压最大值频繁大于20 kV，谐波分析发现其中二次谐波占主要成分，且铁磁谐振一直存在。直至当主变压器低压侧C相TV一次保险烧毁后铁磁谐振逐渐消失。

图2 定子一点接地后主变压器低压侧TV故障录波波形

图3 主变压器低压侧TV铁磁谐振故障录波波形

图4 主变压器低压侧TV铁磁谐振谐波成分分析

图5 主变压器低压侧C相一次保险烧毁后铁磁谐振消失故障录波波形

2 铁磁谐振原因分析

为了分析并联谐振产生的必要条件，把电力系统内如图6所示的三相交流系统一般的TV回路简化为如图7所示的电阻R、系统电感L、电容C的并联回路[1]。

图6 TV在电力系统中的接线原理图

图7 并联谐振回路

图7中L为电感系统电抗和TV电抗的电抗和，R为电抗本身的电阻，IL为感性电流，IC为容性电流，ω为系统角频率。由于并联电路在谐振时，电压U和总电流I是同相的，图7中电感支路的复导纳为

(1)

电容支路的复导纳为

Yc=jwC

(2)

并联谐振电路的总复导纳是两条支路的复导纳之和为

(3)

当并联谐振电路的总复导纳中的电纳等于0，即等效总复阻抗中的电抗等于0时，电路发生并联谐振。设并联谐振的角频率为ω，则在并联谐振时，由式(3)得

(4)

忽略电阻R对并联谐振的影响，式(4)可简化为

wL=1/wC

(5)

正常时TV的励磁阻抗很大，网络对地阻抗仍呈容性，三相基本平衡，中性点的位移电压很小，但当系统在操作或有故障、扰动时系统对地电压有低频自由分量出现，使TV对地电压升高，TV一次线圈中出现涌流。涌流可能使铁心深度饱和，其电感值随铁心的饱和而减小，这时，有可能出现两种情况：一是TV的一次电流继续增大，烧断TV一次侧的熔断器或烧坏TV；另一种情况是当电感降至ωPL= 1/ωPC时，就会导致铁磁谐振。谐振使得电网三相对地电压不稳定，常使两相电压升高，另一相对地电压降低。

在中性点不接地系统中，当发生单相接地故障时，电网电压、相位维持不变，故障相电压下降为近似零值，非故障相上升为额定电压近似值的1.732 倍，当系统接地故障消除后，非接地相在过电压期间，由于线路电容的作用，已对线路充入电荷，这部分电荷在中性点不接地系统中，只能对电压互感器的高压绕组电感线圈放电，而流入大地，在这个电压瞬变过渡过程中，非接地相电压互感器一次绕组励磁电流突然出现数倍于额定电流的峰值电流，可将一次电压互感器保险熔断甚至烧毁TV。另外除三相电压互感器外，其余的主变压器、配电变压器中性点均不接地，当系统发生一个周波重燃多次的弧光断续接地时，电压互感器成为系统对地放电的通道。其放电电流可达2 A 左右，是一般电压互感器一次额定电流200 倍左右，这样重燃多次断续放电，可能造成电压互感器因剧烈发热而烧毁[3]。

3 TV铁磁谐振治理措施

随着中国电力事业的飞速发展，配电系统铁磁谐振的治理办法也得到了飞速的发展，其形式和方法多种多样，但从其防止铁磁谐振原理可分4类。

(1) 降低铁心的磁通密度来改善互感器的伏安特性单相三线圈电压互感器，主要用于系统单相接地保护。系统发生单相接地故障时，会引起工频电压升高，铁心出现过激磁。用于中性点直接接地系统的电压互感器，过激磁达1.5倍，为使铁心不致过饱和，正常工作磁通密度应选得低些；用于中性点不直接接地系统的电压互感器，过激磁达1.9倍，而且还要考虑防止铁磁谐振，为此，正常工作磁通密度应选得更低些。并且将铁轭截面比铁柱放大5%～10%，使其磁通密度再低些。采用伏安特性好的TV，当系统在操作或有故障、扰动时，TV铁心不易饱和，从而有效地抑制铁磁谐振。

(2)调整线路参数中C与L的配合

由上面的分析得到，当系统的感抗大于或等于系统容抗的倒数时，系统不会发生铁磁谐振，所以在35 kV以下的母线上加装一组对地电容器可避免谐振；当系统容抗的倒数不小于电感线圈在铁心饱和时的系统感抗时，系统不会发生铁磁谐振，所以可以在电感回路中串接电感元件避免谐振，但这样降低了系统负载的功率因数，不可取；此外投入事先规定的某些线路或设备，改变线路参数中C与L的配合，消除铁磁谐振。

(3)系统中性点改为消弧线圈接地

众所周知，铁磁谐振过电压产生最根本的原因是电源中性点对地绝缘和电压互感器一次绕组中性点直接接地。因此，如将电源中性点改为经接地变压器、消弧线圈接地方式，该系统零序回路的电感参数将主要由接地变压器、消弧线圈的零序阻抗决定。而零序阻抗远小于TV的励磁阻抗，相对地稳住了系统中性点电位，即使TV励磁阻抗发生突变，也不会出现铁磁谐振。

(4)在电压互感器开口三角端子上或在一次线圈中性点上接入适当阻尼电阻这种方法是消除铁磁谐振最简单最有效的措施，这种办法在工业化应用方面得到了很大的发展，其方法多种多样，具体有以下几种。

①TV中性点经消谐器和小电阻接地

中性点串入的电阻等价于每相对地接入电阻，能够起到消耗能量、阻尼和抑制谐波的作用。在线路单相接地时，由于中性点对地带有一定电位，故能相应减少非故障相TV绕组的电压，使TV的饱和程度降低，不至于发生铁磁谐振。但是电阻的接入使TV开口三角绕组输出电压相应降低，会影响接地指示装置的灵敏性。除了要考虑R≥6%X(TV阻抗)外，还要考虑电阻的热容量。当直接采用线性电阻时，往往由于电阻元件的容量及绝缘水平选择不当，使引线烧断，电阻烧毁，沿面闪络等。若采用RXQ-10型消谐器，其内部由SiC非线性电阻片与线性电阻(6～7 kΩ)串接，在低压时呈高阻值，使谐振在初始阶段不易发展起来。在线路出现较长时间单相接地时，消谐器上将出现千余伏电压，电阻下降至稍大于6～7 kΩ，使其不至于影响接地指示装置的灵敏度，同时非线性电阻片的热容量相当大，可满足放电电流的要求。

②在TV开口三角绕组接电阻。由于电阻接在开口三角绕组两端，必然会导致一次侧电流增大，也就是说TV的容量要相应增大。从抑制谐波方面考虑，R值越小，效果越显著，但TV的过载现象越严重，在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或TV烧毁。一般来说接入10 kV TV开口三角绕组的电阻取16.5～33 Ω。

③TV中性点串单相TV。在中性点串单相TV这种装置，在线路单相接地时能够使TV各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低TV一次侧电流，同时亦保持了接地指示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度。

④在TV开口三角绕组并联多功能微机消谐器当发生铁磁谐振时，TV开口三角出现伴有不同频率成分的零序电压。将该电压输入微机，微机装置根据不同频率、不同电压值，自动识别系统是接地故障还是谐振故障。若为谐振故障则根据不同频率输出脉冲，控制可控硅导通，自动吸收谐振能量，动态消除铁磁谐振。

4 总 结

首先阐述了发电机注入式和基波+三次谐波定子接地保护原理，并根据锦屏电厂实际情况计算出保护范围，再对一次典型的接地故障进行分析，从发电机中性点零序电流和零序电压着手，验证了保护动作的正确性；最后结合故障点位置，计算出接地电阻的阻值，与现场检查时测量值一致，为故障检修提供了依据。

[1] 高国芳.电力系统电压互感器铁磁谐振原因分析及治理措施[J].电工电气，2009(11)：40-42.

[2] 王兵峰，刘俭勤.羊湖电厂10 kV 系统电压互感器引起的铁磁谐振及消谐方法[J].水力发电，2001(3)：11-13.

[3] 张凯，王建恩，韦宏伟.电力系统铁磁谐振的产生及消除措施[J].中国新技术新产品，2010(13)：14.