不接地系统电压互感器铁磁谐振

1、不接地系统电压互感器铁磁谐振研究与探讨王建明1 万凤霞1 张梅2(1. 中国水电顾问集团北京勘测设计研究院 北京 100024 2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 北京 100080)【摘要】: 本文分析了不接地系统中电磁式电压互感器铁磁谐振产生的机理，谐振发生所需的条件，谐振类型的判定方法和主要采用的消谐措施及其整定计算，并根据岗曲河一级水电站外来电源回路电压互感器在电站安装调试期烧毁的现象，计算出了系统的等效容抗和电磁式电压互感器的励磁电抗，分析了产生谐振的可能性并定量计算分析出了铁磁谐振的类型，提出了合理可行的解决方案，并已在工程中应用，且一直安全运行至今。【关键词】: 不接地

2、系统；电压互感器；单相接地；铁磁谐振；励磁电抗；消谐装置1 引言在我国电力系统中，3kV66kV系统中性点一般采用非有效接地方式，110kV 500kV 系统中性点采用有效接地方式。在中性点非有效接地系统中，3kV20kV 不直接连接发电机电压回路的系统、35kV、66kV配电系统和发电机内部发生单相接地故障不要求瞬时切机且单相接地故障持续电流不超过允许值时，中性点采用不接地方式；当架空线路单相接地故障电流大于10A 或电缆线路单相接地故障电流大于30A 以及发电机单相接地故障电流超过规定值时，中性点采用经消弧线圈接地方式；发电机内部发生单相接地故障要求瞬时切机时，中性点宜采用高电阻接地方式。

3、本文重点讨论不接地系统中电磁式电压互感器的铁磁谐振问题，也可对中性点采用其他接地方式的系统的铁磁谐振问题研究提供参考。在中性点不接地系统中，由于电磁式电压互感器(简称VT)饱和而引起的铁磁谐振过电压是出现最频繁、造成事故最多、虽研究多年但仍一直还在继续发生的一种过电压。直到目前为止，由于系统结构的复杂性、运行参数的随机性和单相接地等故障发生的不确定性，加之现有各种消谐装置质量的参差不齐和安装调试过程中的疏忽，在中性点不接地系统中由于电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压仍是威胁电力系统安全运行的重要因素。2 铁磁谐振产生机理在中性点不接地系统中，为了监视系统对地绝缘，发电厂、变电站母线上的电磁式电

4、压互感器一次绕组中性点一般直接接地。于是，网络对地参数除了电力设备和导线对地电容C0之外，还有电压互感器的励磁电感L，如图1所示。图1中性点不接地系统电压互感器接线图三相电压互感器的励磁电感分别为LA、LB、LC，C0 表示单相对地电容，C0与LA、LB、LC并联后的导纳为YA、YB、YC。正常情况下，三相励磁电感基本相等，中性点电位为零。当系统发生接地故障，未接地相电压升高，母线对地电容充上与线电压相应的电荷，接地故障消失时，线路对地电压突变回原来的相电压，大量电荷短时间内要通过VT中性点释放，引起VT饱和，造成L减小，三相对地负载不再平衡，中性点出现位移电压，其值为:E0 = - (1)通

5、常电压互感器的感性电抗大于电容的容性电抗，当电力系统操作或其他暂态过程引起VT暂态饱和而感抗降低就可能出现铁磁谐振。如电网发生B相接地故障，则A相和C相电感LA 、LC减小，电感电流增大，可能使A相和C相导纳变成感性，如图2所示。感性导纳和容性导纳相互抵消，位移电压E0大为增加，当参数配合适当时，总导纳接近于零，此时将产生谐振现象。根据不同的参数配合，可能会产生分频、基频和高频谐振。图2单相接地故障等效电路图3 铁磁谐振发生条件Shott H.S和Peterson H.A研究了产生各种谐波振荡的条件，随着比值XC0/ Xm的增大，依次发生1/3 次谐波、1/2 次谐波、基波、3次谐波甚至更高次

6、谐波的谐振。XC0 = 1/C0为系统每相容抗，Xm为电压互感器的单相绕组在额定线电压作用下的对地励磁电抗，EX是电压互感器事故前的运行相电压，UX 是电压互感器的额定线电压。不同频率谐振区的最低临界电压逐渐增大，1/2 次谐波谐振所需的电源电压较低，高次谐波谐振所需的电压较高，在实际运行条件下，分次谐波谐振现象最易发生。Peterson H.A等对铁磁谐振进行了较全面的模拟实验，绘制了谐振区域图，如图3所示。图3 H.A.Peterson 谐振区域曲线根据 Peterson H.A 的谐振区域曲线，电压互感器的励磁特性越好，谐振区域越向右移，即谐振所需要的阻抗参数XC0/Xm 越大；反之，越

7、向左移，即谐振所需XC0/Xm越小。当XC0/ Xm在 0.010.07 时，易产生1/2分频谐振；当XC0/ Xm在 0.070.55 时，易产生基波谐振；当XC0/ Xm在 0.552.8 时，易产生3次谐波谐振；当XC0/ Xm0.006或XC0/ Xm2.8时，可以认为系统不发生铁磁谐振。4 铁磁谐振限制措施国内外成熟的设计中都会有相应的消除铁磁谐振的措施，使用最多的主要是电压互感器高压侧中性点一次消谐和电压互感器二次侧开口三角二次消谐。电压互感器消谐的原理大家都已经非常熟悉而且也比较成熟，在此不再赘述，但各方都很少关注消谐电阻的选择原理及计算方法，一般是根据电压等级选择成熟的产品，但

8、作为设计选型方有必要对其选择计算方法作深入分析。电压互感器的一次消谐电阻值既不能取得太大，也不能取得太小。如果取得太大，会影响二次侧装置的测量精确度和保护准确性；如果太小则起不到消谐和限制涌流的作用。二次消谐电阻也应该有合理的取值范围，如果太大，起不到阻尼作用；如果太小，则会使电压互感器发热明显，长期运行对设备不利。因此，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DLT620-1997)和水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则(DL/T5090-1999)都对一次、二次消谐电阻值提出了相应要求：(1) 在互感器开口三角绕组装设电阻R0或装设其他专门消除此类铁磁谐振的装置。R00.4 (2) K1

9、3为互感器一次绕组与开口三角绕组的变比。(2) 互感器高压绕组中性点经消谐电阻Rp.n接地。Rp.n0.06Xm (3)其中最关键的Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗。而Xm值跟电压互感器自身参数及特性密切相关，工程前期设计中往往无法获得相关信息，即使定厂后互感器生产商也很少能给出具体数值。在设备招标文件中一般都要求互感器出厂前需做励磁特性试验，接线如图4所示：图4. 电压互感器励磁特性试验线路图根据励磁特性试验数据可以计算得到电压互感器二次侧开口三角励磁电抗：Xm= (4)5 案例分析云南岗曲河一级水电站位于滇西北迪庆州香格里拉县境内，电站装机2×30MW。在电站安装

10、调试期，外来电源回路B相电压互感器接连两次出线烧毁故障。5.1 故障过程(1) 2013年1月10日左右，10kV外来电源进线电压互感器柜内二次微机消谐装置报警，现场安装人员检查后发现VT高压侧B相熔断器熔断，遂用相同型号规格的熔断器替换装上，熔断器再次烧毁。随后，测量电磁式电压互感器电阻值为“0”，互感器已烧毁。(2) 2013年2月28日，同一外来电源回路二次消谐装置又出现报警信息，故障后检查发现B相熔断器熔丝熔断，B相电压互感器外壳开裂。5.2 运行情况(1) 施工变电站10kV侧架空出线三回，其中一回到首部枢纽，线路长度约2km，偶有单相接地故障发生；一回到附近村庄，线路长度约5km，

11、时有单相接地故障发生；一回到地面厂房，线路长度约6km，中间接有引水隧洞、调压井、施工支洞、业主营地等施工负荷，偶有单相接地故障发生。(2) 施工变电站35kV侧架空进线1回，线路长度约30km，时有单相接地故障或雷击故障发生。5.3 原因分析5.3.1 系统容抗XC0(1) 10kV架空线容抗XC01外来电源回路10kV架空线路长6km，导线型号LGJ-95/20，每相对地电容：C01 = (5)dm：相导线间的几何均距；Rm：相导线的自几何均距。根据电站实际情况计算得dm=1.26m，Rm=0.007m。因此C01 =0.01×10-6 F/km，线路容抗XC01 = 1 /C0

12、1 = 1 /314×6×0.01×10-6= 53.079 k(2) 电力电缆容抗XC02外来电源回路电缆总长度约20 m，型号为GZR-YJV22-3x70 8.7/10kV，电缆每相对地电容取0. 31F /km，电缆容抗XC02 = 1/C02 =1/314×0.02×0.31×10-6=513.663k(3) 系统总容抗XC0 = XC01 XC02 /( XC01 + XC02)= 48.108k5.3.2 电压互感器励磁电抗Xm电压互感器出厂试验数据如表12所示：表1. 第一次故障互感器励磁特性表2. 第二次故障互感器励

13、磁特性根据上述数据计算出的两次故障互感器在额定线电压作用下的对地励磁电抗分别为：4918.85 k和3365.53k。5.3.3 谐振类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谐振区域分析可知，第一只故障电压互感器阻抗比虽略低于0.01但大于0.006，第二只阻抗比已大于0.01，所以他们均处于易发分频谐振的区域。5.3.4 二次消谐装置如果系统发生铁磁谐振，则电压互感器二次侧开口三角回路串接的二次消谐装置应该及时投入，但两次故障过程中

14、，消谐装置仅判定故障为单相接地短路，未及时投入消谐电阻，也是导致电压互感器烧毁的原因之一。6 解决方案根据上述案例分析，为防止和限制不接地系统发生铁磁谐振，避免单相接地故障对电压互感器造成危害，可以从系统设计、设备选型、消谐方式、安装试验、运行管理等方面采取以下措施：6.1.1 系统设计在系统设计过程中，尽早考虑各个系统的对地电容值和电压互感器的励磁电抗，采取措施使系统对地容抗与互感器励磁电抗之比XC0 /Xm0.01（规范要求值），如有条件最好能做到XC0 /Xm0.006（试验经验值）。6.1.2 设备选型(1) 选用全绝缘电压互感器导体和电器选择设计技术规定DLT5222-2005第16

15、.0.5条规定：“在中性点非直接接地系统中的电压互感器，为了防止铁磁谐振过电压，应采取消谐措施，并应选用全绝缘”。但在实际操作过程中，由于成套安装的其他设备（如发电机断路器GCB，中置式开关柜等）外形尺寸及内部结构满足不了全绝缘电压互感器的安装要求，因此在实际工程中还在大量使用降低绝缘即半绝缘的电压互感器。为提高电压互感器本身的耐过电压能力和提高系统的运行可靠性，应创造条件采用全绝缘产品。可采取的措施有：1) 对于大中型发电机回路的电压互感器，单独安装在VT柜内，以免受发电机断路器的结构尺寸限制；2) 对于中置式开关柜，如果手车内安装不下，可以采取互感器安装于电缆室的方案，柜内结构如图5所示图

16、5. 电压互感器安装于中置手车柜电缆室(2) 选用励磁特性好的电压互感器电磁式电压互感器GB/T 1207-2006对安装于无自动切除对地故障的中性点绝缘系统或无自动切除对地故障装置的共振接地系统中的相与地之间的电压互感器做出了：1.2倍额定电压情况连续运行和1.9倍额定电压情况运行8h的要求，因此所选择的产品应保证在相应情况下不饱和。(3) 选用质量好可靠性高的消谐装置无论是一次消谐装置还是二次消谐装置，国内生产厂商不计其数，质量参差不齐，一定要选择有研发试验能力、计算分析能力、先进装备能力的大品牌和具有正规试验报告、多年运行经验、大量运行业绩的高质量产品。6.1.3 一次侧消谐一次侧消谐就

17、是在电压互感器一次绕组中性点与地之间串接一次消谐器，该消谐器主要由多个电阻元件并串联组成，具有适度的非线性及负的温度系数，当发生单相接地时，中性点N产生高电位，此时消谐器电阻急剧减小，而温度快速上升，把电压互感器回路中谐振电流转化为热能散发掉，最大限度保护电压互感器。故其具有较好的抑制电压互感器谐振和限制电压互感器涌流效果的同时，又不影响电压互感器的正常工作。根据电压互感器励磁特性及式(2)(4)，计算得两次故障互感器一次侧中性点消谐电阻值分别为121.28 k和134.75 k。当电网发生异常的大电流（如雷击、电网断线谐振）时，会产生一个比较大的电压，如果互感器尾端绝缘等级不强，就有可能损坏

18、互感器绝缘。针对这种情况，应选择能有效限制消谐器两端电压的LXQ(D) -10（通用型号）型消谐电阻器，阻值不小于150k，使其在半绝缘电压互感器的绝缘耐受水平之下，从而有效保护中性点绝缘。6.1.4 二次侧消谐根据电压互感器励磁特性及式(2)(4)，计算得两次故障互感器二次侧开口三角消谐电阻值分别为24.44和27.16。二次开口三角侧的消谐电阻值并不高，如果长期串接在回路中，如以20为例，则所需热容量为500VA，超出了多数10kV级电压互感器的极限热输出容量，对互感器运行不利甚至烧毁互感器。因此采用微机消谐装置是必要和可行的，它是采用智能芯片判断谐振的类型和相应的故障电压，短时并多次投入二次消谐电阻，既起到阻尼作用，又不至于使电压互感器发热严重。但使用前要检查微机消谐装置的整定值并作各种故障类型的模拟试验，以保证消谐装置能够可靠、正确动作。6.1.5 安装调试(1) 每一回路的三相选用同一批次且励磁特性一致的产品。(2) 如果电压互感器二次侧没有用于监测零序电压的开口三角绕组，该电压互感器的一次侧中性点不要接地。6.1.6 管理措施(