6kV中压系统铁磁谐振过电压原因分析及对策研究

范岩　董学武

摘 要：中性点不接地系统因铁磁谐振过电压而引起的故障、事故屡见不鲜。通过对铁磁谐振过电压产生的机理和消谐措施进行分析，以期指导相关单位结合现场实际选择针对性强、有效的消谐措施。

关键词：谐振过电压；非线性谐振；铁磁谐振；消谐

中图分类号：TM864 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.137

1 故障概况

某发电机组的6 kVB厂用电系统为中性点不接地系统，高厂变低压侧分支母线PT、母线PT的高压侧绕组中性点直接接地。

故障当日，接于6 kVB段运行的C给水泵电机发生单相接地、相间短路故障，跳闸动作，6 kVB段母线线电压降至5.6 kVB，三相相电压均为4 kV，发出6 kVB母线PT断线、6 kVB母线接地报警。

检查发现，给水泵发生差动保护、过流一段保护动作；高厂变低压侧B分支PT和6 kVB段PT电压均为5.6 kVB。检查过程中，6 kVB段母线PT间隔冒出浓烟，立即将6 kVB段停电，发现6 kVB母线PT A，B相烧毁，外绝缘爆裂。

更换PT、6 kVB段空母线送电时，再次发生铁磁谐振的现象（母线电压A相为3.46 kV，B相为4.02 kV，C相为3.47 kV，线电压为6.3 kV），逐步将6 kVB段变压器、电动机负荷送电，铁磁谐振现象逐渐消失，母线电压恢复正常。

故障原因：该6 kVB段母线PT在C给水泵电机发生接地故障时产生了铁磁谐振，受谐振过电压的长时间作用后烧损。

2 铁磁谐振发生的原因

一般的电气回路都可简化为电阻R、感抗wL，容抗1/wc的串联和并联回路，具体如图1所示。当回路中的电感、电容值满足wL=1/wc的情况时，该回路会出现谐振，并在电感元件和电容元件上产生过电压和过电流。

铁磁谐振回路的电感元件（比如空载变压器、电压互感器）均带有铁芯，其电感值随铁芯饱和程度（受电压、电流变化的影响）而非线性变化（电流增加、铁芯饱和和电感值逐渐减小，如图2和图3所示），称为非线性谐振。

图1 铁磁谐振回路原理图 图2 带铁芯电感元件的非线性特性

电压互感器类的电感元件在正常电压下的铁芯磁通密度不高、铁芯不饱和；而当系统遭受较大的扰动（比如单相接地发生或切除、带电磁式PT的空母线充电或停电和雷击感应过电压等）后，会立即引起某一相或两相电压突变。此时，母线将充上或释放与突变电压相应的电荷；突变突然消失后，电压将突变回原来的值，需要释放或补充突变的电荷。在中性点不接地系统中，只能通过PT的中性点构成释放回路，大量的电荷在短时间内通过PT中性点，引起PT饱和，当PT的励磁电感与系统电容满足匹配关系时，则会激发铁磁谐振。

3 常用的消谐措施

常用的消谐措施有以下8种：①选用励磁曲线起始饱和点高的PT。在一般的过电压下，PT不会进入饱和区，不易发生铁磁谐振。虽然该方式可降低谐振发生的概率，但一旦发生谐振，过电压、过电流会更大，造成的后果更严重。②母线加装中性点接地的三相星形电容器组。当XC0/XL（XC0为线路对地分布电容的容抗值，XL为并联运行PT的单相绕组在额定线电压作用下的综合感抗值）<0.01时，可防止谐振，但如果电网连接有多个PT，则需要按比例增装电容量，施工困难。此外，很难确定合适的XC0/XL值，以确保系统不发生事故，且还可能产生低频过电流，进而导致熔丝熔断、PT烧毁。③PT高压侧中性点接入阻尼电阻R0. 这种方式等效为在PT每相绕组零序回路中对地串接电阻，起到消耗能量、阻尼和抑制谐振的作用，还能限制PT中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过PT的高幅值过电流和减小每相PT上的电压，并改善其励磁特性。④在同一系统中，尽量减少PT的台数，尤其是限制中性点接地电压互感器的台数。⑤改用电容式电压互感器（CVT）。CVT由电容分压器和电磁单元构成，这种方法对抑制谐振比较有效，但在配电网电压等级范围内，CVT的成本通常大于电磁式PT；CVT的瞬变特性比电磁式的PT差，且测量精度差；CVT的运行事故率远高于PT；在中性点不直接接地的系统中，CVT容易发生自谐振。⑥PT开口三角绕组短时接入阻尼电阻RΔ。这一措施不仅能防止PT铁磁饱和，而且能有效消耗谐振能量，防止产生谐振过电压。近年来，在此方法的基础上，衍生了自动化程度更高的消谐装置，动作较可靠，还可以记录故障时的电压、振荡频率等参数，利于事故分析。⑦系统中性点经大电阻接地。中性点与大地间有了电气连接，可对母线电压有一定的钳制作用，同时，还增大了系统零序回路的阻尼，有利于谐振的抑制，减少中性点电阻对PT铁磁谐振的影响。在一定的条件下，可等效为PT开口三角绕组接电阻对PT谐振的影响。⑧系统经消弧线圈接地。消弧线圈能有效抑制谐振，但持续时间较长，且在消谐过程中，系统电压振荡较剧烈，通常消弧线圈对大电容电流系统谐振的消谐效果比较明显，在系统电容电流不是很大的情况下，可优先考虑选用PT开口三角短时投入电阻的消谐方式。

4 结论

上述消谐措施都能在一定程度上抑制谐振的产生或发展，各单位应根据现场的实际情况综合考虑，选用切实可行的解决方案在设计阶段，尽量减少6 kVB中压系统中性点接地PT的

台数，考虑系统中性点经过大电阻接地的可行性。在本文介绍的案例中，每段母线配置了3台PT，且随着系统的变化增加了很多电缆，在母线电压突变时容易产生铁磁谐振；在配电系统发生大的改动后，应及时测试系统的电容电流，按规定将“接地保护”投跳闸，在接地故障时能及时隔离故障点，避免出现铁磁谐振；在母线PT间隔加装“微机消谐控制器”，在出现铁磁谐振时，可自动在PT的开口三角绕组中短时接入阻尼电阻，从而消除铁磁谐振，本文所述案例的反事故措施就采用了该解决方案；尽量避免空母线和空载变压器运行，在发生铁磁谐振，且设备无故障的紧急情况下，可通过改变系统的运行方式（比如投入备用变压器、电动机等改变电网参数，以消除谐振）破坏谐振因素，从而恢复正常运行；在日常工作中，应按规定做好6 kVB中压系统过电压保护装置的检修、预试工作，确保及时消除各类过电压故障，避免损坏电气一次设备。

〔编辑：张思楠〕