電力系統(tǒng)中電壓互感器等設(shè)備

1、電力系統(tǒng)中電壓互感器等設(shè)備經(jīng)常燒毀的原因分析及防范措施張關(guān)存（山西魯能河曲發(fā)電有限公司）摘要：以H電廠水源地兩條供電線路為研究對象，參考有關(guān)研究成果和其它單位運(yùn)行經(jīng)驗，找出其電壓互感器（即TV）、跌落保險和電纜頭燒毀的根本原因鐵磁諧振，然后根據(jù)鐵磁諧振發(fā)生的機(jī)理，制定消除之的有效措施。關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；TV一次側(cè)中性點(diǎn)接地；LC回路；鐵磁諧振；消諧措施引言H電廠水源地兩條長約11公里的35kV供電線路自投運(yùn)以來，曾因單相通過樹木接地導(dǎo)致電源側(cè)速斷保護(hù)多次動作、開關(guān)跳閘，而且，5臺單相電磁式TV、7只電源側(cè)跌落保險先后被燒毀，1根線路末端電纜頭兩次燒毀并最終導(dǎo)致該電纜報廢（見圖1），多次

2、使水源地斷電、廠內(nèi)供水中斷，險些造成全廠兩臺600MW機(jī)組因缺水而停運(yùn)，不但造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全運(yùn)行，迫使技術(shù)人員不得不找出事故原因并采取防范措施。1原因分析H電廠兩條水源地供電線路均為電源中性點(diǎn)不接地而TV一次繞組中性點(diǎn)直接接地方式，其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)發(fā)生常見的單相接地故障時，可繼續(xù)運(yùn)行，供電可靠性高，而且線路兩端均裝設(shè)了避雷器，線路上裝設(shè)了避雷線，線路TV是全絕緣TV，從設(shè)計來看，供電線路不僅可以抵抗外部過電壓，而且能夠抵抗內(nèi)部操作過電壓，尤其是發(fā)生通過樹木單相接地時，其它兩相的對地電壓最高升到相電壓的倍，遠(yuǎn)不會達(dá)到35kV設(shè)備的耐過壓能力，不可能立即導(dǎo)致TV等設(shè)備的燒

3、毀，只能對設(shè)備絕緣造成一定威脅。可見，單相接地故障及其所導(dǎo)致的非接地相對地電壓的升高并不是TV等設(shè)備損壞的根本原因。從我國多年來發(fā)生在中性點(diǎn)不接地而TV一次繞組中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)中的TV燒毀原因來看，絕大多數(shù)是鐵磁諧振。從H電廠水源地兩條供電線路的接線方式及事故后的巡查、設(shè)備損壞和保護(hù)動作情況看，它們不但具備發(fā)生鐵磁諧振的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也具備鐵磁諧振的誘發(fā)因素樹木觸碰線路導(dǎo)線造成的間歇性單相接地，同時還具有鐵磁諧振的表象TV和跌落保險燒毀、絕緣薄弱處被擊穿等，據(jù)此可初步斷定：鐵磁諧振是其TV等設(shè)備燒毀的根本原因。2 鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理2.1鐵磁諧振的物資基礎(chǔ)從電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成看，不僅有TV這類非

4、線性感性元件，也有各種分布電容等容性因素，當(dāng)它們組成LC回路時，就為鐵磁諧振構(gòu)筑了物質(zhì)基礎(chǔ)。LC回路有兩種形式：并聯(lián)和串聯(lián)。只要TV的一次繞組中性點(diǎn)接地，就會形成各相獨(dú)立的并聯(lián)LC回路，它是由以導(dǎo)線對地的分布電容C0和TV電感L1、L2、L3為主的阻抗元件等對地負(fù)載組成的，如圖2所示。對于電源中性點(diǎn)不接地而TV一次繞組中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，在某些誘發(fā)因素的作用下，會出現(xiàn)中性點(diǎn)偏移電壓，某些相的對地電壓相應(yīng)升高，從而可能導(dǎo)致TV鐵心過度飽和，其Xm（單相TV在額定線電壓作用下的對地勵磁電抗折算到一次繞組的數(shù)值）減小，使本來可能為容性的并聯(lián)LC回路轉(zhuǎn)換成了感性，對地電壓未升高相的并聯(lián)LC回路則仍然保

5、持原來的容性，其結(jié)果相當(dāng)于各相間組成了串聯(lián)LC回路。圖3是C相接地消失后所形成的簡化LC回路，圖4為進(jìn)一步簡化的等值串聯(lián)LC回路。可以看出，如果沒有并聯(lián)LC回路，就不會發(fā)生電網(wǎng)回路阻抗性質(zhì)的變換，就無法形成串聯(lián)LC回路。所以說，并聯(lián)LC回路是鐵磁諧振的最根本基礎(chǔ)。而在電源中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，TV一次繞組的電位被各相電源電勢固定，不會出現(xiàn)中性點(diǎn)電位偏移，因而，導(dǎo)致TV鐵心過飽和的幾率大大減少，回路由容性變成感性的現(xiàn)象很少發(fā)生，也就很難形成相間串聯(lián)LC回路。而且，這種系統(tǒng)都有相關(guān)零序保護(hù)，一旦有較大的零序量產(chǎn)生，保護(hù)就動作于跳閘，切斷鐵磁諧振所需的能量來源。綜上所述，可以說電源中性點(diǎn)不接地而TV

6、一次繞組中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)是鐵磁諧振的主要發(fā)生場所，而TV一次繞組中性點(diǎn)接地和電源中性點(diǎn)不接地則分別是構(gòu)筑該場所的必要和重要條件。2.2鐵磁諧振的誘發(fā)因素誘發(fā)鐵磁諧振的因素很多，如切合空載變壓器、空載線路或大容量負(fù)載，發(fā)生單相接地、線路斷線故障等，在這些過程中，能量分布要發(fā)生瞬間突變，從而產(chǎn)生操作過電壓或涌流。這種過電壓或涌流持續(xù)時間較短，危害較小。而在這些操作或故障后形成的回路及產(chǎn)生的過電壓或涌流，則是誘發(fā)鐵磁諧振并產(chǎn)生諧振過電壓和諧振過電流的因素。另外，雷電對線路的直擊或感應(yīng)產(chǎn)生的外過電壓也可誘發(fā)鐵磁諧振的發(fā)生。2.3鐵磁諧振的發(fā)生過程及其危害系統(tǒng)中某些相的并聯(lián)LC回路受到一些誘發(fā)因素作用

7、下所形成的涌流或過電壓激發(fā)，其勵磁電抗m（Xm只是m的一個特殊值）會發(fā)生變化，當(dāng)m等于或非常接近其相內(nèi)的對地容抗Xc0時，回路阻抗呈電阻性，便產(chǎn)生鐵磁諧振。具備條件時，還會形成相間串聯(lián)LC回路并發(fā)生鐵磁諧振。持續(xù)時間長、幅值大的諧振過電壓和諧振過電流危害很大。并聯(lián)LC回路發(fā)生鐵磁諧振時，諧振電流僅在由TV及其一次保險(如果有)與分布電容組成的LC回路中流過。在相電流不變的情況下，通過感性支路和容性支路的電流都會有很大的增加，往往比總電流大許多倍，從而使感性支路中的TV一次保險或（和）TV本身燒壞。它可以在某一相電路中產(chǎn)生，也可能在三相中同時產(chǎn)生。串聯(lián)LC回路發(fā)生鐵磁諧振時，將同時作用在兩相或三

8、相上，由于回路總阻抗最小，電流最大，該電流足夠大時就可以燒毀它所流過的TV及其一次保險、跌落保險、變壓器繞組等設(shè)備的一部分；且此時感性相中的TV端電壓為電源電壓的數(shù)倍，可能會將該TV、電纜頭等的絕緣擊穿。按照頻率的不同，鐵磁諧振分為分頻諧振、基波諧振和高頻諧振。研究表明，諧振頻率越低，諧振電流就越大；諧振頻率越高，諧振過電壓就越高。當(dāng)諧振電流足夠大時，在負(fù)載電流的共同作用下，就能夠燒毀其回路中的元件；而諧振過電壓足夠高時，在工頻電壓的共同作用下，將使電網(wǎng)絕緣薄弱處擊穿短路、跌落保險熔斷、保護(hù)動作、跳閘停電。據(jù)上所述，可以斷定：H電廠的TV燒毀是諧振電流作用的結(jié)果；速斷保護(hù)動作、開關(guān)跳閘是諧振過

9、電壓擊穿絕緣子后出現(xiàn)的短路電流所為；電纜頭著火是諧振過電壓將其絕緣擊穿的表現(xiàn)；而跌落保險熔斷則有可能是諧振電流的作用，也可能是上述短路電流所為。3消諧措施鐵磁諧振的發(fā)生既離不開其賴以存在的物資基礎(chǔ)LC回路，同時又需要激發(fā)因素導(dǎo)致的過電壓，HAPeterson曲線（如圖5所示）從量的角度將這兩方面結(jié)合起來進(jìn)行了研究。圖中Ex是TV事故前的運(yùn)行相電壓；Ux是TV的銘牌線電壓。從圖5可以看出，隨著Xc0/Xm的逐漸增大，依次進(jìn)入1/2分次諧波、基波和3次諧波諧振區(qū)，同時所需的Ex也逐漸增大。Xc0/Xm1表示系統(tǒng)回路阻抗是感性的，Xc0/Xm1表示系統(tǒng)回路阻抗是容性的，當(dāng)Xc0/Xm小于0.01或遠(yuǎn)

10、大于1時，便躲過了諧振區(qū)。換句話說，當(dāng)并聯(lián)LC回路中的容抗和電抗相差較大時，就能避免鐵磁諧振發(fā)生。根據(jù)上述研究，為防止鐵磁諧振發(fā)生，除設(shè)法限制各種過電壓外，還應(yīng)努力改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使Xc0/Xm0.01或遠(yuǎn)大于1。可采用如下消諧措施： 加強(qiáng)對系統(tǒng)的巡回檢查，及時發(fā)現(xiàn)和消除各種故障隱患，避免過電壓產(chǎn)生。 除為監(jiān)視絕緣而必須將電源側(cè)TV一次繞組中性點(diǎn)接地外，盡量減少TV的接地個數(shù)。該辦法在實際中便于操作，可使不接地TV脫離并聯(lián)LC回路，并免受鐵磁諧振的危害，且能使回路的電抗成比例地增大，有效減小Xc0/Xm的值，適用于并聯(lián)TV數(shù)量較多且對地容抗較小（相對于Xm）的系統(tǒng)中。但不能保證一次繞組中性

11、點(diǎn)接地的TV不發(fā)生鐵磁諧振。 在切、合空載變壓器或空載線路前使TV退出系統(tǒng)，切、合完畢后將TV投入到系統(tǒng)中運(yùn)行。該方法可短時破壞L、C的并聯(lián)關(guān)系，從而避免了特定情況下的鐵磁諧振。 采用三相防諧振式TV或在TV一次繞組中性點(diǎn)串接零序TV。在TV一次繞組中性點(diǎn)出現(xiàn)電位時，零序TV能承擔(dān)部分電壓，相應(yīng)地減小非接地相TV端電壓；同時可增大對地電抗，相應(yīng)地使Xc0/Xm減小，有效減少或消除由單相接地故障引發(fā)的鐵磁諧振，但方法不當(dāng)會影響絕緣監(jiān)測功能。適用于對地容抗較小、TV全絕緣的系統(tǒng)。 TV一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。在TV一次繞組中性點(diǎn)出現(xiàn)電位時，所接電阻能承擔(dān)部分電壓，使部分TV承受的電壓降低，減少T

12、V因過電壓而發(fā)生諧振的幾率。在發(fā)生諧振時，該電阻起阻尼作用，可加速諧振的平息。它要求TV為全絕緣。 TV開口三角繞組（即剩余電壓繞組）接小電阻或消諧裝置。電阻的阻值和容量可用經(jīng)驗公式R0.4Xp(Xp為單相TV電抗折算至剩余電壓繞組側(cè)的數(shù)值)來確定。系統(tǒng)的電壓等級越高，Xp就越小，所需R也小，開口三角繞組的電流則越大，可能會燒毀TV，該辦法一般不適用于35kV以上的系統(tǒng)，但不影響正常運(yùn)行，而且還可以和其他消諧措施配合使用。目前的消諧裝置性能還有待于完善，選用時應(yīng)慎重。簡單應(yīng)急的方法是用白熾燈泡來代替，有時也能收到消諧效果。 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧電抗接地。該方法相當(dāng)于在TV一次繞組并聯(lián)了比TV小得多

13、的電抗，使Xc0/Xm1。這樣既能減少接地電流，使單相接地后不立即跳閘，又能限制中性點(diǎn)的電位偏移。消弧電抗的消諧效果很好，但投資費(fèi)用高。 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或電阻或消弧線圈與電阻并聯(lián)接地。該方法與的原理相似，但消諧效果較差，適用于對地容抗較大的系統(tǒng)中。電阻起阻尼作用，使用非線性電阻效果會更好。 選用勵磁特性飽和點(diǎn)為1.9Um/的TV（Um為最高相間電壓方均根值）。TV飽和點(diǎn)越高，抗過電壓的能力就越強(qiáng)，鐵心不易過飽和。該方法不增加附屬設(shè)備，能明顯減少諧振發(fā)生率。 采用電容式TV。從理論上講，該方法取締了并聯(lián)LC回路，使諧振失去了存在的基礎(chǔ)，且該類TV沖擊強(qiáng)度高、造價比電磁式TV低，能有效防止諧

14、振，目前已逐步應(yīng)用于35kV系統(tǒng)中。但其本身帶有感性元件，是新的諧振隱患。 母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組。該方法可使Xc0/Xm0.01，當(dāng)發(fā)生單相接地時，不但電流增加，有可能引起弧光接地過電壓，而且電容Co折算至TV剩余電壓繞組側(cè)的電容很大，容抗很小，可能因過流而燒壞TV，所以，一般不宜采用。H電廠經(jīng)認(rèn)真分析認(rèn)為：本廠鐵磁諧振的主要誘發(fā)因素是單相接地故障，且所用TV為全絕緣，應(yīng)采用在TV一次繞組中性點(diǎn)串接與原TV完全相同的零序TV的消諧措施，這樣既符合國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施，又可充分利用原有TV，其具體接線方式參見圖6。由于上述零序TV的接入，TV一次繞組中性點(diǎn)電位在

15、各種接地情況下基本不會偏移，即各工作TV一次繞組端電壓始終為系統(tǒng)相電壓，零序TV一次繞組的端電壓則隨著接地程度的不同而變化，當(dāng)發(fā)生單相完全接地故障時，其一次繞組與接地相TV一次繞組形成了完全的并聯(lián)關(guān)系，并聯(lián)勵磁阻抗為單相TV勵磁阻抗的一半，由分壓原理可知：它們的端電壓恰為系統(tǒng)相電壓。由此看來，各TV在各種接地情況下均不會因過電壓而導(dǎo)致鐵心飽和，即不會發(fā)生鐵磁諧振。但這會導(dǎo)致開口三角繞組的輸出始終接近于零，故接于其兩端的XJJ已起不到絕緣監(jiān)察作用。為實現(xiàn)對系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察功能，可將XJJ接入了零序TV的剩余電壓繞組dn-de之間，并把開口三角繞組短接。不過，通過上述對單相完全接地故障的分析，可知此

16、時dn-de的輸出電壓將是100V/3，而未接入零序TV時開口三角繞組的輸出電壓為100V，可見，零序TV接入后，在相同程度的單相接地故障下，XJJ的端電壓將降低2/3，若仍使用原來的XJJ（型號為DY-32/60C，最小動作電壓為15V），在接地程度較輕時將不能啟動。為解決這一問題，可把XJJ更換為JY-12A型的電壓繼電器，其動作電壓整定范圍是0.599.5V，且整定值在1V99.5V之間時整定誤差3%，故通過恰當(dāng)整定動作電壓值，可保證其可靠動作。由于正常運(yùn)行時系統(tǒng)三相電壓不平衡對dn-de的輸出無影響，所以，可將XJJ的動作電壓盡量整定小一些，這里為3V。另外，圖6的接線方法仍可使三只電壓表準(zhǔn)確反映系統(tǒng)各相對地電壓。4結(jié)束語在電力系統(tǒng)中，特別是電源中性點(diǎn)