四壓變?cè)谝种畦F磁諧振過電壓上的運(yùn)用淺析*

朱家立，王 琪，馬 赟，左文力，平建榮，吳建強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

目前，鑒于對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)諸多優(yōu)點(diǎn)的考慮，在我國(guó)3～35 k V系統(tǒng)中，很大一部分采用了中性點(diǎn)不接地方式.在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線電壓仍然對(duì)稱，且穩(wěn)態(tài)工頻電流較?。划?dāng)發(fā)生弧光接地時(shí)，故障可以自動(dòng)清除，無需跳閘；當(dāng)發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，系統(tǒng)可單相接地運(yùn)行一段時(shí)間，保證了電網(wǎng)不間斷供電，提高供電可靠性.然而當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相電壓升高為線電壓，在實(shí)際運(yùn)行中可能由于過電壓引發(fā)電力設(shè)備爆炸、燒毀等事故；在間歇性電弧接地故障時(shí)產(chǎn)生的高頻振蕩電流大，達(dá)數(shù)百安培，可能引發(fā)相間短路.因此，迅速確定系統(tǒng)接地點(diǎn)并消除單相接地故障對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義.

電壓互感器（PT）是一、二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)元件.在35 k V及以下系統(tǒng)中，鐵磁諧振是一種長(zhǎng)期困擾電力系統(tǒng)安全的非線性共振現(xiàn)象.電壓互感器具有一定的電感，而線路導(dǎo)線對(duì)地、相間、補(bǔ)償用的電容器等都具有一定的電容.因此，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，這些電容、電感的組合就可能構(gòu)成一系列不同自振頻率的振蕩回路，與外加電源一起產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電壓互感器出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過電壓和涌流，引起運(yùn)行中電壓互感器燒毀及一次高壓熔絲頻繁燒斷、一相或兩相限流電阻爆炸等事故，導(dǎo)致不小的經(jīng)濟(jì)損失.

本文著重分析中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)產(chǎn)生鐵磁諧振的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上探討消除鐵磁諧振的措施，以便在實(shí)際工作中有針對(duì)性的預(yù)防、消除鐵磁諧振故障.

1 產(chǎn)生鐵磁諧振的實(shí)例

在35 k V及以下系統(tǒng)中，由電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振過電壓的情況時(shí)有發(fā)生，容易造成設(shè)備事故.某市市區(qū)在運(yùn)行的35 k V變電站就有12座，在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常發(fā)生電壓互感器燒毀事故.2012年3月10日，35 k V某變電站1＃主變10kV側(cè)兩臺(tái)PT發(fā)生燒毀事故.1＃主變10kV側(cè)避雷器C相發(fā)生擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)單相接地，后引發(fā)A相和C相的PT燒毀（見圖1、圖2）.

圖1 1#主#10kV側(cè)避雷器C相擊穿

圖2 1#主#10kV側(cè)A避雷C避PT器相

2 接地故障對(duì)PT影響的理論分析

2.1 單相接地時(shí)PT的工作情況

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓U˙A、U˙B、U˙C大小相等，相位差120°當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)（C相單相接地），A相和B相電壓升為線電壓，PT接地點(diǎn)瞬間流過的電流為該接線三相對(duì)地電容的容性電流之和.計(jì)算分析過程如下：

C相發(fā)生金屬性接地時(shí)，

由于三相分布電容幾乎相等，那么式（3）兩邊同除容抗得：

由于系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，Y0接線的電壓互感器高壓繞組就成為系統(tǒng)三相對(duì)地的唯一金屬通道.系統(tǒng)單相接地有兩個(gè)過渡過程：一是接地時(shí)；二是接地消失時(shí).當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生C相接地時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)流過電容電流，未接地相（A相、B相）的電壓升高到線電壓，其對(duì)地電容C0上充以與線電壓相應(yīng)的電荷.在接地故障期間，此電荷產(chǎn)生的電容電流，以接地點(diǎn)為通路，在電源－導(dǎo)線－大地間流通.由于電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，其中流過的電流很小，就是說發(fā)生接地時(shí)電壓互感器高壓繞組中不會(huì)產(chǎn)生涌流，因?yàn)橐延心诚喙潭▽?duì)地電位，也就不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振.但是當(dāng)接地消失時(shí)，固定的地電位消失，三相對(duì)地的金屬通道只能為電壓互感器高壓繞組，此時(shí)非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，只有通過電壓互感器高壓繞組的中性點(diǎn)流入大地.在這一瞬變過程中，電壓互感器高壓繞組中將會(huì)流過一個(gè)幅值很高的低頻飽和電流，使電壓互感器鐵心嚴(yán)重飽和，電壓互感器的高壓熔斷器瞬間被熔斷.

圖3 電磁式電壓互感器的非線性特性曲線

2.2 單相接地引起PT鐵磁諧振

在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，PT是鐵芯電感元件，如果有某種大擾動(dòng)或操作，PT的非線性鐵芯就可能飽和，從而與線路和設(shè)備的對(duì)地電容形成特殊的單相或三相共振回路，激起持續(xù)的、較高幅值的過電壓，這就是鐵磁諧振過電壓［1］.運(yùn)行表明，在35 k V及以下的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，鐵磁諧振是一種常見的故障，經(jīng)常引起運(yùn)行中的PT燒毀和一次高壓熔絲頻繁熔斷和一相或兩相限流電阻爆炸等事故，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行.

三相PT為三相五柱式或三個(gè)單相PT構(gòu)成，其非線性特性如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)通過鐵芯線圈的電流較小時(shí)，可近似認(rèn)為通過鐵芯的磁鏈φ和電流I成正比，反應(yīng)這一關(guān)系的勵(lì)磁電感L＝φ／I基本保持不變?yōu)橐还潭ǔ?shù)，這時(shí)勵(lì)磁電感L可看成線性電感［2］.當(dāng)線圈中的電流I增大到超過某一數(shù)值時(shí)，鐵芯中的磁鏈φ不再繼續(xù)隨電流I線性增大，鐵芯開始飽和，φ和I的關(guān)系呈現(xiàn)非線性，線圈勵(lì)磁電感L不再是一個(gè)固定常數(shù)，而是隨著電流的增大而逐漸減少.

PT在系統(tǒng)中的接線方式如圖4（a）所示，正常運(yùn)行時(shí)PT鐵心不飽和，各相電路的XC＜XL，系統(tǒng)呈容性，每相可等效為電容C′.當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相（如C相）接地時(shí)，其他兩相（A、B相）的相電壓會(huì)升高為倍，使其PT的鐵心飽和.此時(shí)A、B兩相的負(fù)荷將發(fā)生反傾，即由容性變?yōu)楦行?，系統(tǒng)變?yōu)楦行裕╔C＞XL），則可用一個(gè)等效電感L′表示，而C相仍然等效為C′.其等效電路如圖4（b）所示.進(jìn)一步化簡(jiǎn)，整個(gè)電路可等效為圖4（c），其中R為線路的等效電阻.

諧振回路是由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓互感器）和系統(tǒng)的電容元件組成.因鐵芯元件的飽和現(xiàn)象，使得回路的電感參數(shù)是非線性的，電感值不是常數(shù)，在交流電源作用下會(huì)發(fā)生波形畸變現(xiàn)象，因此回路沒有固定的諧振頻率［3］.同樣在回路中，可以是基波諧振、高頻諧波諧振，也可以是分頻諧波諧振.這種含有非線性的電感元件回路在滿足一定諧振條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振（非線性諧振）.

如圖4（c）所示，發(fā)生串聯(lián)諧振的條件是其容抗與感抗相等，則有：即當(dāng)單相接地后，系統(tǒng)的參數(shù)滿足式（5），則發(fā)生串聯(lián)諧振.諧振的頻率為固有頻率，由式（5）求得：

2.3 接地故障消失瞬間的涌流

在接地故障期間，對(duì)地等效電容存儲(chǔ)的電荷產(chǎn)生的電容電流以接地點(diǎn)為通路.由于電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，其中流過的電流很小.但是在接地故障消失時(shí)，經(jīng)接地故障點(diǎn)到大地的這個(gè)電流通路則被切斷，

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行的等效電路

而非接地相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓，故障相也由零電位瞬間抬升到相電壓.非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電量為：

式中：QA、QB、QC分別是A、B、C三相接地時(shí)分布在電容上的電量；Uφ為電源相電壓瞬時(shí)最大值；CA、CB、CC分別為非接地系統(tǒng)中A、B、C相對(duì)地分布電容總和；Q∑ 為整個(gè)非接地系統(tǒng)中存在的電量.

當(dāng)接地故障消除后，電荷就只有通過電壓互感器的一次繞組中性點(diǎn)進(jìn)行放電.同理，故障相則通過電壓互感器一次側(cè)接地點(diǎn)進(jìn)行充電.接地故障消除后，各相電壓對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的電量為：

式中：Q′A、Q′B、Q′C分別是接地故障消除后A、B、C三相對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的電量.可得接地消失前后各相上電量差值為：

從以上計(jì)算分析知，非中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中存在的－3Uφsin（100πt）×CC的電量和接地消除時(shí)有關(guān)，理論上最小值是0，最大值是3Uφ×CC；這些電量通過電壓互感器中性點(diǎn)進(jìn)行充放電，最終過渡到零狀態(tài)［4］.

在這一瞬變過程中，電壓互感器一次繞組中將會(huì)流過一個(gè)幅值很高的低頻飽和電流，使鐵心嚴(yán)重飽和，可能使電壓互感器熔絲熔斷或燒毀.

3 鐵磁諧振產(chǎn)生的危害及解決方案

鐵磁諧振是一種長(zhǎng)期困擾電力系統(tǒng)安全的非線性共振現(xiàn)象.由于電磁式電壓互感器在額定電壓下鐵芯就工作在磁飽和曲線附近.單相金屬性接地造成的電壓升高就可能使鐵芯趨近飽和，電壓互感器的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化.這就給鐵磁諧振過電壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件.電力系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓或過電流，過電壓危及電力元件的絕緣甚至導(dǎo)致電力元件的絕緣泄露，過電流會(huì)熔斷PT高壓側(cè)保險(xiǎn)絲甚至導(dǎo)致PT爆炸.現(xiàn)考慮用以下方法消除鐵磁諧振：

在壓變高壓側(cè)中性點(diǎn)串接單相PT（將3PT改成4PT），原電壓互感器接線方式為3PT形式，無法更好的消除電網(wǎng)電壓諧振.針對(duì)變電站的運(yùn)行特點(diǎn)，現(xiàn)把3PT接線方式改為4PT形式，4PT接線形式即在三相PT高壓側(cè)中性點(diǎn)串接單相PT，其中3臺(tái)為主電壓互感器，一次側(cè)接成星形，中性點(diǎn)通過1臺(tái)零序PT接地，主電壓互感器的二次開口三角繞組短接，零序PT的二次側(cè)接零序電壓繼電器（圖5、圖6所示）.這時(shí)，單相接地故障發(fā)生時(shí)，線路電壓由主、副PT共同承擔(dān)，PT勵(lì)磁電抗XT顯著增加，相當(dāng)于改善了PT的勵(lì)磁特性，使PT不易飽和，不致于產(chǎn)生鐵磁諧振.PT開口三角側(cè)的短接起到了阻尼作用；副PT本身的直流電阻相當(dāng)于在3PT中性點(diǎn)串接消諧器，起到限流和消諧的作用.

圖5 10kVI段母線4PT

圖6 4PT的接線形式

4 結(jié)語

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器勵(lì)磁電感的非線性特性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在一定條件下容易產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，同時(shí)，電壓互感器在沒有采取保護(hù)措施的情況下會(huì)流過很大的涌流，致使PT熔絲熔斷或燒毀，進(jìn)而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行.

目前，針對(duì)此類故障可采取的措施很多.然而，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)行方式的靈活性，造成運(yùn)行參數(shù)具有隨機(jī)性；同時(shí)，各種消諧措施也都存在局限性，使得只能在某些特定情況下消除諧振，還沒有經(jīng)濟(jì)有效的根治措施.因此，我們有必要研究單相接地故障對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中PT的影響，并探討更有效的消諧、限流措施.

本文利用在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中將3PT更換成4PT來消除諧振和限制流經(jīng)PT的涌流，旨在保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高供電可靠性，減少經(jīng)濟(jì)損失.

［1］王曉云，李寶樹，龐承宗.電力系統(tǒng)鐵磁諧振研究現(xiàn)狀分析［J］.電力科學(xué)與工程，2002（4）：49－51.

［2］范孝遠(yuǎn).電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓及對(duì)其防止措施的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.電氣開關(guān)，1998（4）：37－40.

［3］劉新東.10～35 k V配網(wǎng)鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式及消除措施［J］.電工技術(shù)雜志，2000（6）：45－46.

［4］姜濤，柏建良.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障對(duì)Y0－Y0接線方式電壓互感器的影響［J］.湖州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（增刊）.