6 kV系统电磁式电压互感器引起的谐振过电压及其防范措施

李书硕,马成久

（1.中电投蒙东能源鸿骏自备电厂,内蒙古 通辽 029200;2.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006）

发电厂6 kV厂用电系统特点是系统中性点不接地,当系统发生单相接地时,可以短时间运行1～2 h,但必须发出报警信号。电压互感器中性点接地,互感器铁心的非线性电感与系统对地电容构成谐振回路。由于设计选型的原因,互感器磁路易饱和,在系统波动或单相接地的诱发下,电压异常升高相的互感器磁路过饱和,当互感器电感与系统电容参数相匹配便会发生谐振。谐振发生时,在TV一次产生很大的电流,其值远大于正常的一次铅丝额定电流,导致铅丝熔断,TV烧损,造成二次电压消失,进行厂用电切换。若熔丝选择不当,可能使TV爆炸,形成母线三相短路,发电机的安全运行直接受到威胁。谐振时,其谐振过电压最大可达3倍相电压,对绝缘比较薄弱的电动机等设备是严峻的考验,易造成设备损坏。

元宝山电厂3号机组6 kV厂用电系统曾发生过多次谐振,造成互感器熔丝频繁熔断、互感器本体烧损。3号机组（600 MW）厂用电6 kV系统分为4段,中性点不接地,电压互感器中性点侧是接地系统。该系统如果参数配置不当,将发生谐振过电压。3号机组6 kV系统曾采用安装MES98型电力谐振消除装置、在互感器开口三角绕组上串接电阻等方法进行衰减消谐,但效果不明显,目前已采取有效措施,解决了谐振问题。

1 铁磁谐振过电压的产生

在6 kV中性点不接地电网中,为监视三相对地电压,电磁式电压互感器通常接在6 kV母线上。其初级线圈接成星形,中性点直接接地,其等值电路如图1所示。

图1 电磁式电压互感器等值电路

电磁式电压互感器为3个单相电压互感器构成。当通过铁心的电流I较小时,可以认为通过铁心的磁链φ和I成正比。反映这一比值的励磁电感L=φ/I基本保持不变,为固定的常数,这时励磁电感L可以看成线性电感。当通过线圈的电流I增大到超过一定数值时,铁心开始饱和,铁心中的φ不再继续随电流I线性增大。φ和I的关系呈非线性,线圈励磁电感L不再是固定的常数,随电流I的增大而减小,电磁式电压互感器的伏安特性如图2所示。

图2 电磁式电压互感器的伏安特性

电网正常运行时,电磁式电压互感器线圈电压为电网额定电压,通过线圈电流I较小,互感器铁心不饱和,其励磁电感很大,为一常数。与电容C并联后的导纳Y呈容性,即电容电流在于电感电流（容抗小于感抗）,且各自Y基本相等,电网三相对地负载基本平衡。电网中性点位移电压U= （EaY1+EbY2+EcY3）/（Y1+Y2+Y3）很小,基本为0。

当电网出现扰动,如向只带有电磁式电压互感器的空母线充电、进行投切空载线路、线路发生单相瞬间弧光接地及接地故障消失、电网有雷电感应、电网负荷轻、电压有时发生传递过电压等都可使电网对地电压产生不同程度的瞬间升高,使相应的电压互感器励磁电流突然增大,铁心饱和,导致线圈励磁电感L相应减小。由于三相铁心饱和程度不同,相应相线圈励磁电感L1、L2、L3可能由原来的平衡变为不平衡。某相的导纳Y1有可能由原来的容性变为感性,使总导纳Y1+Y2+Y3减小,导致电网中性点位移电压U0=（EaY1+EbY2+ EcY3）/（Y1+Y2+Y3）增大。如果电网参数配合不当,恰好使总导纳接近于0,产生串联电磁谐振,电感电容元件电压及回路电流突然大幅度跃增。此时,由发电机正常电势决定的电源变压器绕组电势Ea、Eb、Ec维持不变,电压互感器初级线圈直接接地。电网对地电压的变动表现为电网中性点位移电压U0急剧上升,此时三相对地电压等于各相电源电势E和中性点位移电压U0的矢量和,矢量叠加的结果如果是两相对地电压升高,一相电压降低,谐振频率等于工频,这就是基波铁磁谐振的表现形式,与电网发生单相接地时的现象相仿,又称为虚幻接地。

2 发生铁磁谐振过电压的条件

在中性点不接地的厂用系统中,产生谐振必须具备2个条件,一是电磁的扰动（如厂用系统单相接地或开关操作等）,由于扰动,使TV至少有一相出现饱和;二是电感和电容的适当搭配,不同量值的搭配会产生不同形式的谐振,如图3所示。

当XCO/XL在0.6～3.0时,产生的谐振为3次谐波谐振;当XCO/XL在0.1～0.6时,产生的谐振为基波谐振;当XCO/XL在0.01～0.1时,产生的谐振为1/2分频谐振。

图3 不同谐波的共振区域

为进一步了解电磁式电压互感器铁心线圈励磁电感L的非线性对谐振过电压的影响,最方便有效的方法是作图法。图4为电阻R、电容C和铁心电感L的串联电路。首先暂不考虑电阻R,电感L和电容C上的电压随电流变化的曲线UL、UC（伏安特性）如图5所示。UC（UC=1/ωC）是一条直线,对于铁心电感,在电流I较小,铁心未饱和前,UL基本为一条直线,其未饱和电感为一固定的常数L0。当电流I增大到超过一定数值时,铁心饱和后,电感下降,UL不再是直线。因此,回路产生铁磁谐振的必要条件是谐波下回路容抗小于并且接近于非线性励磁电感的初始感抗。

分次谐波谐振：ωL0/n＞（1/ωC）/n

基波谐振：ωL0=1/ωC

高次谐波谐振：nωL0＞1/nωC

只有满足以上条件,当铁心未磁饱和时,回路的自振频率低于电源频率,不会发生线性谐振;当铁磁饱和而电感值减小时,回路的自振频率可能接近或等于电源的谐振频率。伏安特性曲线UL和UC才可能相交而互换上下位置,根据基尔霍夫第二定律E=UL+UC,UL和UC相差180°,E=ΔU= |UL-UC|,与ΔU曲线交于a1、a2、a3。

当电源电压小于ΔU0时,电感L基本是线性,能够满足E=UL+UC,因此a1是稳定工作点,回路呈感性。当扰动使电压瞬间超过ΔU而达到工作点a1时,由于磁饱和电感L下降,I×（W1-1/ ωC）＜E,使电流I增加,电感L减小。a2不是稳定工作点,将自动达到串联谐振点e。理论上此时过电压将趋于无穷大,但这种谐振不能稳定存在,由于非线性电感的饱和特点,随着电流的增加,电感L将继续减小,回路又自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3。这样,过电压就不会同线性谐振那样趋于无穷大而将受到限制,此时回路呈容性。因此,产生谐振的充分条件是E+ΔE≧ΔU0。

3 铁磁谐振特点

a.电磁式电压互感器铁心伏安特性的非线性是产生铁磁谐振过电压的根本原因。对于励磁特性较差的电压互感器,在额定电压下已使铁心工作点接近于饱和区,由它组成的谐振回路易发生谐振。

b.铁心的非线性会限制谐振过电压的幅值,因此,这种谐振过电压基本不超过3U0。

c.电压互感器上的初始电感L愈小,感抗愈接近容抗,则UL和UC相交点的电流I愈小,激发谐振需要的扰动电压就愈小,产生谐振过电压的概率也就愈大,电网正常工作点的稳定区就愈小。

d.电压互感器的铁心电感伏安特性愈接近线性状态,则UL的交点愈往后移,虽然谐振过电压的幅值会愈高,但产生谐振所要的激发电流I也就愈大,产生谐振过电压的机会也就愈小,电网稳定工作区就愈大,如果电压互感器铁心的伏安特性线性度很高,实际电网不可能产生这样足够强烈的激发,也就消除了发生谐振的可能性。

e.当电压互感器固定后,电容C的大小对谐振也有很大影响,电容C愈大,电压UC和UL之间的差别愈大,二者交点愈往后移,相应交点的电流就愈大,虽然谐振过电压的幅值会愈高,但产生谐振所需的激发就愈强烈,发生谐振的几率也就愈小。电网正常工作的稳定区也就愈大,因此,增大C也有可能消除谐振。

f.随着电网规模的缩小,电容C减小,电压E值升高,铁心电感非线性程度加深,XL/XC增大,电网依次可能发生1/2次谐波谐振和3次谐波谐振。

g.1/2次谐波最容易发生。其励磁电流较大,可达额定励磁电流的几十倍以上,易引起高压熔丝熔断,互感器烧坏。由于受互感器铁心饱和程度的影响,这种谐振过电压幅值一般不超过2倍额定电压,表现形式为三相对地轮流升高,忽高忽低地频繁摆动。

h.3次谐波较少发生。对易发生1/2次谐振的电网,一般不发生3次谐波谐振。反之亦然。

i.电阻R的存在使L和C两端的过电压有所降低,谐振工作点a3向前移动,谐振范围减小,谐振过电压幅值降低。

4 限制和消除铁磁谐振过电压措施

a.改变参数

改变参数是指改变谐振回路储能元件电感、电容的参数,从而破坏谐振条件,增加激发谐振难度,达到消除谐振目的。

①选用励磁特性好、在最高线电压下铁心不易磁饱和的电压互感器,使非谐振工作状态点a3远离非线性区,或选用电容式电压互感器。

②增大电网对地电容,使XC/XL≤0.1。如投入备用线路,母线上装设一组三相对地电容器。

③把电压互感器一次绕组中性点经过1台单相电压互感器（JDJ-10）的一次绕组接地,以增大励磁电感,达到消谐目的。并把主电压互感器的二次辅助绕组由开口三角形接成无封闭三角形,以有效地消除3次谐波的影响。同时把绝缘监察电压继电器线圈接在这台单相互感器的二次绕组上,动作值整定为25 V。通过实际运行证明,该措施对抑制谐振和减少熔断器不正常熔断有一定的效果。对于用户变电所的电压互感器一次绕组中性点可采用不接地方式。

④采取临时的倒闸措施（投入消弧线圈等）。

b.增加阻尼

①在电压互感器二次开口三角形接地线绕组两端接一低阻值电阻R。当电网发生谐振有零序电压出现时,电阻R有电流流过,通过变比关系,此R相当于接在电源变压器中性点或看成接至互感器高压Y0接线的绕组上,当R小于某值时,中性点位移电压将明显下降,表明谐振得到抑制。因电阻R所接绕组为开口三角形接线,电网正常运行时R不消耗能量。MES型电力谐振诊断消谐装置就是这一原理,当装置检测到有谐振产生时,立即启动消谐电路（即加入消谐电阻）,使铁磁谐振在强大的阻尼下迅速消失,同时给出指示。

按消除分次谐波谐振的要求选择的R值最小,可同时满足基波位移电压和高次谐波谐振要求。对具有一般励磁的互感器而言,消除分次谐波谐振的电阻R的上限值大约是35 kV级为7Ω,10 kV级为30Ω。如励磁特性很差,R值应更小些。

对于35 kV以下的电压互感器,可采用在开口三角形接线绕组处长期接入普通照明白炽灯泡,白炽灯钨丝阻值在冷热状态下的非线性变化能基本满足消除谐振的要求。对于35 kV互感器开口绕组可长期接入500～1 000W的灯泡,对于6～10 kV互感器可接入200～500W的灯泡。但对于单相接地引起接地消失之后再次激发的谐振和其他原因引起的间隔时间较短的谐波谐振,可能会由于白炽灯先已发热而使电阻显著增大,以致有时不能起消除谐振（主要是分频谐振）的作用,这是该方法的固有缺点。运行经验证明,由2只反并联的晶闸管和相应的触发电路组成的消谐装置,接于开口三角形接线绕组两端,也是目前较为流行的消谐方法。

②电压互感器一次绕组中性点经电阻R0接地。当R0足够大时,可限制一次绕组激磁涌流,避免互感器铁心饱和,有效防止或消除谐振。显然,R0值越高,消谐效果越好,若R0趋近∞即相当于中性点绝缘,谐振就根本不会发生。但考虑到互感器通常是分级绝缘,中性点绝缘的试验电压只有2 kV,长期运行电压不宜超过1 kV,还要考虑接地指示的灵敏度及绝缘监视情况,因此,R0值不能选得过大。对于35 kV互感器,R0值可取30 kΩ, P容量约为200W。R0可由陶瓷电阻制成或采用由高温阀片和线性电阻组成的消谐振器,阀片有利于限制中性点电压。

③电网中性点采取经电阻接地运行方式,中性点电阻对大多可能出现的谐振过电压有抑制作用,该方法越来越受运行部门欢迎。

5 发电机组6 kV厂用电系统谐振分析

a.元宝山电厂3号机厂用电系统电气参数测量

为了对3号机厂用电系统电压互感器饱和引起的铁磁谐振有一定的了解,对3A1,3A2,3B1, 3B2四段6 kV母线使用V-A法进行各段负荷对地电容、母线电压互感器V-A特性测量,并用电容表进行校核。实际对地电容值比表1中的数值大些,因为测量时有些负荷未能停电没有测量,厂用变压器和启动变压器至母线的电缆也没有加入测量。每段对地电容数据如表1所示。

表1 6 kV母线各段对地电容

母线电压互感器改进前实测V-A特性数据如表2所示。

表2 TV改进前后的伏安特性

b.分析计算

通过现场测得的参数,对TV谐振现象做进一步分析,为简便起见,以3B2母线为例进行计算。现场实测3B2母线三相对地电容为5.31μF,不包括厂用变压器（或启动变压器）至母线电缆及2～3个未能停电的负荷。所以实际电容值应乘以系数k,取k=1.5,因此,三相对地电容为

3 C0=1.5×5.31=8.00μF

单相对地电容：C0=1/3×8.00=2.66μF

单相对地容抗：XCO=1/ωC0=1 200Ω

表2给出了TV的伏安特性,将这些数据绘成曲线并加以延伸,可得100 V时的电流为23 A,可计算出TV的励磁阻抗：

XL=602×100/23=15 600Ω

容抗与感抗之比：

XCO/XL=1 200/15 600=0.077

当3B2段母线上一组接地TV运行,厂用电满负荷时,产生的谐振属于分频谐振,其过电压值不高（小于2倍相电压）,对电气设备的绝缘危害不大,但流过TV一次绕组的电流很大,可使TV熔丝熔化,甚至将TV烧损。当3B2上有2组接地TV运行时：XCO/XL=0.154,在这种情况下产生的谐振为基波谐振。

经分析计算,说明3号发电机6 kV厂用电系统的谐振属于基波或分频谐振,其最大过电压可达3倍最大相电压,对电动机绝缘有一定威胁;其流过TV一次绕组的最大过电流是TV额定电流的百倍以上,可使熔丝熔化,若熔丝选择不当,还可能使TV爆炸,形成母线短路,对发电机的运行构成威胁。

c.采取的措施

依据过电压和绝缘配合的行业标准DL/T 620—1997,中性点绝缘系统的每相对地电容的容抗XCO与电压互感器在线电压下的激磁阻抗XL的比值大小判断能否发生谐振。当XCO/XL大于0.01时可能发生铁磁谐振。

消除谐振通常采取TV一次绕组经过电阻接地、在TV开口三角装消谐器、TV一次绕组中性点不接地、改变参数等方法。前两种方法虽然可以对谐振现象起到阻尼作用和抑制作用,使过电压与过电流的幅值降低,但不能从根本上防止产生谐振,TV及其他设备的绝缘仍然受到威胁。第三种方法虽然可以防止谐振产生,但当系统单相接地时,TV开口三角无电压输出,不适合电厂实际接线情况。

因此,防止谐振可从改善TV伏安特性着手,即选用伏安特性优良的TV,并在TV一次绕组中性点接入第4个同型号的TV（TV的3+1消谐措施）,将原互感器的额定电压由6 000/3/100/3/ 100/3改为6 000/100,并在互感器的一次绕组中性点再加装1个同型的互感器。

产生谐振的根本原因是TV铁心饱和,将TV的额定电压由原来的6 kV/3改为6 kV,改善了TV的伏安特性,使TV在运行中不出现饱和现象,两种TV的伏安特性如表3所示。

改进后考虑中性点的作用,每相感抗：

表3 TV改进前后的伏安特性

XL=4×602×100/0.31=4 640 000Ω

如果仍以3B2段母线为例,在单台接地TV运行,所有电缆全部运行的条件下：

XCO/XL=1 200/4 640 000=0.000 26

由图3可以看出,此时的参数搭配情况处在远离谐振区域的地方,最严重情况是两组接地TV运行,1/3的电缆充电,这时：

XCO=3×1 200=3 600Ω

XL=1/2×4 640 000=2 320 000Ω

容抗与感抗之比：XCO/XL=0.001 5,可见,此时的运行状况仍在谐振区之外。

用JDZ-6代替JDJZ-6并在TV一次绕组中性点接入第4个同型号的TV是从根本上防止产生谐振的有效方法,系统零序电压信号从中性点TV二次取得。

3号发电机6 kV母线系统采用JDZ-6型TV的中性点加TV（即TV3+1）的消谐措施后,没再发生谐振,经受了系统不同运行方式和6 kV系统单相接地故障的考验,说明采取的措施得当,从根本上消除了发生铁磁谐振的条件。