李書碩,馬成久

（1.中電投蒙東能源鴻駿自備電廠,內(nèi)蒙古 通遼 029200;2.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

發(fā)電廠6 kV廠用電系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),可以短時(shí)間運(yùn)行1～2 h,但必須發(fā)出報(bào)警信號(hào)。電壓互感器中性點(diǎn)接地,互感器鐵心的非線性電感與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成諧振回路。由于設(shè)計(jì)選型的原因,互感器磁路易飽和,在系統(tǒng)波動(dòng)或單相接地的誘發(fā)下,電壓異常升高相的互感器磁路過飽和,當(dāng)互感器電感與系統(tǒng)電容參數(shù)相匹配便會(huì)發(fā)生諧振。諧振發(fā)生時(shí),在TV一次產(chǎn)生很大的電流,其值遠(yuǎn)大于正常的一次鉛絲額定電流,導(dǎo)致鉛絲熔斷,TV燒損,造成二次電壓消失,進(jìn)行廠用電切換。若熔絲選擇不當(dāng),可能使TV爆炸,形成母線三相短路,發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行直接受到威脅。諧振時(shí),其諧振過電壓最大可達(dá)3倍相電壓,對(duì)絕緣比較薄弱的電動(dòng)機(jī)等設(shè)備是嚴(yán)峻的考驗(yàn),易造成設(shè)備損壞。

元寶山電廠3號(hào)機(jī)組6 kV廠用電系統(tǒng)曾發(fā)生過多次諧振,造成互感器熔絲頻繁熔斷、互感器本體燒損。3號(hào)機(jī)組（600 MW）廠用電6 kV系統(tǒng)分為4段,中性點(diǎn)不接地,電壓互感器中性點(diǎn)側(cè)是接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)如果參數(shù)配置不當(dāng),將發(fā)生諧振過電壓。3號(hào)機(jī)組6 kV系統(tǒng)曾采用安裝MES98型電力諧振消除裝置、在互感器開口三角繞組上串接電阻等方法進(jìn)行衰減消諧,但效果不明顯,目前已采取有效措施,解決了諧振問題。

1 鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生

在6 kV中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中,為監(jiān)視三相對(duì)地電壓,電磁式電壓互感器通常接在6 kV母線上。其初級(jí)線圈接成星形,中性點(diǎn)直接接地,其等值電路如圖1所示。

圖1 電磁式電壓互感器等值電路

電磁式電壓互感器為3個(gè)單相電壓互感器構(gòu)成。當(dāng)通過鐵心的電流I較小時(shí),可以認(rèn)為通過鐵心的磁鏈φ和I成正比。反映這一比值的勵(lì)磁電感L=φ/I基本保持不變,為固定的常數(shù),這時(shí)勵(lì)磁電感L可以看成線性電感。當(dāng)通過線圈的電流I增大到超過一定數(shù)值時(shí),鐵心開始飽和,鐵心中的φ不再繼續(xù)隨電流I線性增大。φ和I的關(guān)系呈非線性,線圈勵(lì)磁電感L不再是固定的常數(shù),隨電流I的增大而減小,電磁式電壓互感器的伏安特性如圖2所示。

圖2 電磁式電壓互感器的伏安特性

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),電磁式電壓互感器線圈電壓為電網(wǎng)額定電壓,通過線圈電流I較小,互感器鐵心不飽和,其勵(lì)磁電感很大,為一常數(shù)。與電容C并聯(lián)后的導(dǎo)納Y呈容性,即電容電流在于電感電流（容抗小于感抗）,且各自Y基本相等,電網(wǎng)三相對(duì)地負(fù)載基本平衡。電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓U= （EaY1+EbY2+EcY3）/（Y1+Y2+Y3）很小,基本為0。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng),如向只帶有電磁式電壓互感器的空母線充電、進(jìn)行投切空載線路、線路發(fā)生單相瞬間弧光接地及接地故障消失、電網(wǎng)有雷電感應(yīng)、電網(wǎng)負(fù)荷輕、電壓有時(shí)發(fā)生傳遞過電壓等都可使電網(wǎng)對(duì)地電壓產(chǎn)生不同程度的瞬間升高,使相應(yīng)的電壓互感器勵(lì)磁電流突然增大,鐵心飽和,導(dǎo)致線圈勵(lì)磁電感L相應(yīng)減小。由于三相鐵心飽和程度不同,相應(yīng)相線圈勵(lì)磁電感L1、L2、L3可能由原來的平衡變?yōu)椴黄胶?。某相的?dǎo)納Y1有可能由原來的容性變?yōu)楦行?使總導(dǎo)納Y1+Y2+Y3減小,導(dǎo)致電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓U0=（EaY1+EbY2+ EcY3）/（Y1+Y2+Y3）增大。如果電網(wǎng)參數(shù)配合不當(dāng),恰好使總導(dǎo)納接近于0,產(chǎn)生串聯(lián)電磁諧振,電感電容元件電壓及回路電流突然大幅度躍增。此時(shí),由發(fā)電機(jī)正常電勢(shì)決定的電源變壓器繞組電勢(shì)Ea、Eb、Ec維持不變,電壓互感器初級(jí)線圈直接接地。電網(wǎng)對(duì)地電壓的變動(dòng)表現(xiàn)為電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓U0急劇上升,此時(shí)三相對(duì)地電壓等于各相電源電勢(shì)E和中性點(diǎn)位移電壓U0的矢量和,矢量疊加的結(jié)果如果是兩相對(duì)地電壓升高,一相電壓降低,諧振頻率等于工頻,這就是基波鐵磁諧振的表現(xiàn)形式,與電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)的現(xiàn)象相仿,又稱為虛幻接地。

2 發(fā)生鐵磁諧振過電壓的條件

在中性點(diǎn)不接地的廠用系統(tǒng)中,產(chǎn)生諧振必須具備2個(gè)條件,一是電磁的擾動(dòng)（如廠用系統(tǒng)單相接地或開關(guān)操作等）,由于擾動(dòng),使TV至少有一相出現(xiàn)飽和;二是電感和電容的適當(dāng)搭配,不同量值的搭配會(huì)產(chǎn)生不同形式的諧振,如圖3所示。

當(dāng)XCO/XL在0.6～3.0時(shí),產(chǎn)生的諧振為3次諧波諧振;當(dāng)XCO/XL在0.1～0.6時(shí),產(chǎn)生的諧振為基波諧振;當(dāng)XCO/XL在0.01～0.1時(shí),產(chǎn)生的諧振為1/2分頻諧振。

圖3 不同諧波的共振區(qū)域

為進(jìn)一步了解電磁式電壓互感器鐵心線圈勵(lì)磁電感L的非線性對(duì)諧振過電壓的影響,最方便有效的方法是作圖法。圖4為電阻R、電容C和鐵心電感L的串聯(lián)電路。首先暫不考慮電阻R,電感L和電容C上的電壓隨電流變化的曲線UL、UC（伏安特性）如圖5所示。UC（UC=1/ωC）是一條直線,對(duì)于鐵心電感,在電流I較小,鐵心未飽和前,UL基本為一條直線,其未飽和電感為一固定的常數(shù)L0。當(dāng)電流I增大到超過一定數(shù)值時(shí),鐵心飽和后,電感下降,UL不再是直線。因此,回路產(chǎn)生鐵磁諧振的必要條件是諧波下回路容抗小于并且接近于非線性勵(lì)磁電感的初始感抗。

分次諧波諧振：ωL0/n＞（1/ωC）/n

基波諧振：ωL0=1/ωC

高次諧波諧振：nωL0＞1/nωC

只有滿足以上條件,當(dāng)鐵心未磁飽和時(shí),回路的自振頻率低于電源頻率,不會(huì)發(fā)生線性諧振;當(dāng)鐵磁飽和而電感值減小時(shí),回路的自振頻率可能接近或等于電源的諧振頻率。伏安特性曲線UL和UC才可能相交而互換上下位置,根據(jù)基爾霍夫第二定律E=UL+UC,UL和UC相差180°,E=ΔU= |UL-UC|,與ΔU曲線交于a1、a2、a3。

當(dāng)電源電壓小于ΔU0時(shí),電感L基本是線性,能夠滿足E=UL+UC,因此a1是穩(wěn)定工作點(diǎn),回路呈感性。當(dāng)擾動(dòng)使電壓瞬間超過ΔU而達(dá)到工作點(diǎn)a1時(shí),由于磁飽和電感L下降,I×（W1-1/ ωC）＜E,使電流I增加,電感L減小。a2不是穩(wěn)定工作點(diǎn),將自動(dòng)達(dá)到串聯(lián)諧振點(diǎn)e。理論上此時(shí)過電壓將趨于無窮大,但這種諧振不能穩(wěn)定存在,由于非線性電感的飽和特點(diǎn),隨著電流的增加,電感L將繼續(xù)減小,回路又自動(dòng)偏離諧振條件而躍變到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)a3。這樣,過電壓就不會(huì)同線性諧振那樣趨于無窮大而將受到限制,此時(shí)回路呈容性。因此,產(chǎn)生諧振的充分條件是E+ΔE≧ΔU0。

3 鐵磁諧振特點(diǎn)

a.電磁式電壓互感器鐵心伏安特性的非線性是產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓的根本原因。對(duì)于勵(lì)磁特性較差的電壓互感器,在額定電壓下已使鐵心工作點(diǎn)接近于飽和區(qū),由它組成的諧振回路易發(fā)生諧振。

b.鐵心的非線性會(huì)限制諧振過電壓的幅值,因此,這種諧振過電壓基本不超過3U0。

c.電壓互感器上的初始電感L愈小,感抗愈接近容抗,則UL和UC相交點(diǎn)的電流I愈小,激發(fā)諧振需要的擾動(dòng)電壓就愈小,產(chǎn)生諧振過電壓的概率也就愈大,電網(wǎng)正常工作點(diǎn)的穩(wěn)定區(qū)就愈小。

d.電壓互感器的鐵心電感伏安特性愈接近線性狀態(tài),則UL的交點(diǎn)愈往后移,雖然諧振過電壓的幅值會(huì)愈高,但產(chǎn)生諧振所要的激發(fā)電流I也就愈大,產(chǎn)生諧振過電壓的機(jī)會(huì)也就愈小,電網(wǎng)穩(wěn)定工作區(qū)就愈大,如果電壓互感器鐵心的伏安特性線性度很高,實(shí)際電網(wǎng)不可能產(chǎn)生這樣足夠強(qiáng)烈的激發(fā),也就消除了發(fā)生諧振的可能性。

e.當(dāng)電壓互感器固定后,電容C的大小對(duì)諧振也有很大影響,電容C愈大,電壓UC和UL之間的差別愈大,二者交點(diǎn)愈往后移,相應(yīng)交點(diǎn)的電流就愈大,雖然諧振過電壓的幅值會(huì)愈高,但產(chǎn)生諧振所需的激發(fā)就愈強(qiáng)烈,發(fā)生諧振的幾率也就愈小。電網(wǎng)正常工作的穩(wěn)定區(qū)也就愈大,因此,增大C也有可能消除諧振。

f.隨著電網(wǎng)規(guī)模的縮小,電容C減小,電壓E值升高,鐵心電感非線性程度加深,XL/XC增大,電網(wǎng)依次可能發(fā)生1/2次諧波諧振和3次諧波諧振。

g.1/2次諧波最容易發(fā)生。其勵(lì)磁電流較大,可達(dá)額定勵(lì)磁電流的幾十倍以上,易引起高壓熔絲熔斷,互感器燒壞。由于受互感器鐵心飽和程度的影響,這種諧振過電壓幅值一般不超過2倍額定電壓,表現(xiàn)形式為三相對(duì)地輪流升高,忽高忽低地頻繁擺動(dòng)。

h.3次諧波較少發(fā)生。對(duì)易發(fā)生1/2次諧振的電網(wǎng),一般不發(fā)生3次諧波諧振。反之亦然。

i.電阻R的存在使L和C兩端的過電壓有所降低,諧振工作點(diǎn)a3向前移動(dòng),諧振范圍減小,諧振過電壓幅值降低。

4 限制和消除鐵磁諧振過電壓措施

a.改變參數(shù)

改變參數(shù)是指改變諧振回路儲(chǔ)能元件電感、電容的參數(shù),從而破壞諧振條件,增加激發(fā)諧振難度,達(dá)到消除諧振目的。

①選用勵(lì)磁特性好、在最高線電壓下鐵心不易磁飽和的電壓互感器,使非諧振工作狀態(tài)點(diǎn)a3遠(yuǎn)離非線性區(qū),或選用電容式電壓互感器。

②增大電網(wǎng)對(duì)地電容,使XC/XL≤0.1。如投入備用線路,母線上裝設(shè)一組三相對(duì)地電容器。

③把電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)過1臺(tái)單相電壓互感器（JDJ-10）的一次繞組接地,以增大勵(lì)磁電感,達(dá)到消諧目的。并把主電壓互感器的二次輔助繞組由開口三角形接成無封閉三角形,以有效地消除3次諧波的影響。同時(shí)把絕緣監(jiān)察電壓繼電器線圈接在這臺(tái)單相互感器的二次繞組上,動(dòng)作值整定為25 V。通過實(shí)際運(yùn)行證明,該措施對(duì)抑制諧振和減少熔斷器不正常熔斷有一定的效果。對(duì)于用戶變電所的電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)可采用不接地方式。

④采取臨時(shí)的倒閘措施（投入消弧線圈等）。

b.增加阻尼

①在電壓互感器二次開口三角形接地線繞組兩端接一低阻值電阻R。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生諧振有零序電壓出現(xiàn)時(shí),電阻R有電流流過,通過變比關(guān)系,此R相當(dāng)于接在電源變壓器中性點(diǎn)或看成接至互感器高壓Y0接線的繞組上,當(dāng)R小于某值時(shí),中性點(diǎn)位移電壓將明顯下降,表明諧振得到抑制。因電阻R所接繞組為開口三角形接線,電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)R不消耗能量。MES型電力諧振診斷消諧裝置就是這一原理,當(dāng)裝置檢測(cè)到有諧振產(chǎn)生時(shí),立即啟動(dòng)消諧電路（即加入消諧電阻）,使鐵磁諧振在強(qiáng)大的阻尼下迅速消失,同時(shí)給出指示。

按消除分次諧波諧振的要求選擇的R值最小,可同時(shí)滿足基波位移電壓和高次諧波諧振要求。對(duì)具有一般勵(lì)磁的互感器而言,消除分次諧波諧振的電阻R的上限值大約是35 kV級(jí)為7Ω,10 kV級(jí)為30Ω。如勵(lì)磁特性很差,R值應(yīng)更小些。

對(duì)于35 kV以下的電壓互感器,可采用在開口三角形接線繞組處長期接入普通照明白熾燈泡,白熾燈鎢絲阻值在冷熱狀態(tài)下的非線性變化能基本滿足消除諧振的要求。對(duì)于35 kV互感器開口繞組可長期接入500～1 000W的燈泡,對(duì)于6～10 kV互感器可接入200～500W的燈泡。但對(duì)于單相接地引起接地消失之后再次激發(fā)的諧振和其他原因引起的間隔時(shí)間較短的諧波諧振,可能會(huì)由于白熾燈先已發(fā)熱而使電阻顯著增大,以致有時(shí)不能起消除諧振（主要是分頻諧振）的作用,這是該方法的固有缺點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明,由2只反并聯(lián)的晶閘管和相應(yīng)的觸發(fā)電路組成的消諧裝置,接于開口三角形接線繞組兩端,也是目前較為流行的消諧方法。

②電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)電阻R0接地。當(dāng)R0足夠大時(shí),可限制一次繞組激磁涌流,避免互感器鐵心飽和,有效防止或消除諧振。顯然,R0值越高,消諧效果越好,若R0趨近∞即相當(dāng)于中性點(diǎn)絕緣,諧振就根本不會(huì)發(fā)生。但考慮到互感器通常是分級(jí)絕緣,中性點(diǎn)絕緣的試驗(yàn)電壓只有2 kV,長期運(yùn)行電壓不宜超過1 kV,還要考慮接地指示的靈敏度及絕緣監(jiān)視情況,因此,R0值不能選得過大。對(duì)于35 kV互感器,R0值可取30 kΩ, P容量約為200W。R0可由陶瓷電阻制成或采用由高溫閥片和線性電阻組成的消諧振器,閥片有利于限制中性點(diǎn)電壓。

③電網(wǎng)中性點(diǎn)采取經(jīng)電阻接地運(yùn)行方式,中性點(diǎn)電阻對(duì)大多可能出現(xiàn)的諧振過電壓有抑制作用,該方法越來越受運(yùn)行部門歡迎。

5 發(fā)電機(jī)組6 kV廠用電系統(tǒng)諧振分析

a.元寶山電廠3號(hào)機(jī)廠用電系統(tǒng)電氣參數(shù)測(cè)量

為了對(duì)3號(hào)機(jī)廠用電系統(tǒng)電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振有一定的了解,對(duì)3A1,3A2,3B1, 3B2四段6 kV母線使用V-A法進(jìn)行各段負(fù)荷對(duì)地電容、母線電壓互感器V-A特性測(cè)量,并用電容表進(jìn)行校核。實(shí)際對(duì)地電容值比表1中的數(shù)值大些,因?yàn)闇y(cè)量時(shí)有些負(fù)荷未能停電沒有測(cè)量,廠用變壓器和啟動(dòng)變壓器至母線的電纜也沒有加入測(cè)量。每段對(duì)地電容數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 6 kV母線各段對(duì)地電容

母線電壓互感器改進(jìn)前實(shí)測(cè)V-A特性數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 TV改進(jìn)前后的伏安特性

b.分析計(jì)算

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的參數(shù),對(duì)TV諧振現(xiàn)象做進(jìn)一步分析,為簡(jiǎn)便起見,以3B2母線為例進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3B2母線三相對(duì)地電容為5.31μF,不包括廠用變壓器（或啟動(dòng)變壓器）至母線電纜及2～3個(gè)未能停電的負(fù)荷。所以實(shí)際電容值應(yīng)乘以系數(shù)k,取k=1.5,因此,三相對(duì)地電容為

3 C0=1.5×5.31=8.00μF

單相對(duì)地電容：C0=1/3×8.00=2.66μF

單相對(duì)地容抗：XCO=1/ωC0=1 200Ω

表2給出了TV的伏安特性,將這些數(shù)據(jù)繪成曲線并加以延伸,可得100 V時(shí)的電流為23 A,可計(jì)算出TV的勵(lì)磁阻抗：

XL=602×100/23=15 600Ω

容抗與感抗之比：

XCO/XL=1 200/15 600=0.077

當(dāng)3B2段母線上一組接地TV運(yùn)行,廠用電滿負(fù)荷時(shí),產(chǎn)生的諧振屬于分頻諧振,其過電壓值不高（小于2倍相電壓）,對(duì)電氣設(shè)備的絕緣危害不大,但流過TV一次繞組的電流很大,可使TV熔絲熔化,甚至將TV燒損。當(dāng)3B2上有2組接地TV運(yùn)行時(shí)：XCO/XL=0.154,在這種情況下產(chǎn)生的諧振為基波諧振。

經(jīng)分析計(jì)算,說明3號(hào)發(fā)電機(jī)6 kV廠用電系統(tǒng)的諧振屬于基波或分頻諧振,其最大過電壓可達(dá)3倍最大相電壓,對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣有一定威脅;其流過TV一次繞組的最大過電流是TV額定電流的百倍以上,可使熔絲熔化,若熔絲選擇不當(dāng),還可能使TV爆炸,形成母線短路,對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行構(gòu)成威脅。

c.采取的措施

依據(jù)過電壓和絕緣配合的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620—1997,中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的每相對(duì)地電容的容抗XCO與電壓互感器在線電壓下的激磁阻抗XL的比值大小判斷能否發(fā)生諧振。當(dāng)XCO/XL大于0.01時(shí)可能發(fā)生鐵磁諧振。

消除諧振通常采取TV一次繞組經(jīng)過電阻接地、在TV開口三角裝消諧器、TV一次繞組中性點(diǎn)不接地、改變參數(shù)等方法。前兩種方法雖然可以對(duì)諧振現(xiàn)象起到阻尼作用和抑制作用,使過電壓與過電流的幅值降低,但不能從根本上防止產(chǎn)生諧振,TV及其他設(shè)備的絕緣仍然受到威脅。第三種方法雖然可以防止諧振產(chǎn)生,但當(dāng)系統(tǒng)單相接地時(shí),TV開口三角無電壓輸出,不適合電廠實(shí)際接線情況。

因此,防止諧振可從改善TV伏安特性著手,即選用伏安特性優(yōu)良的TV,并在TV一次繞組中性點(diǎn)接入第4個(gè)同型號(hào)的TV（TV的3+1消諧措施）,將原互感器的額定電壓由6 000/3/100/3/ 100/3改為6 000/100,并在互感器的一次繞組中性點(diǎn)再加裝1個(gè)同型的互感器。

產(chǎn)生諧振的根本原因是TV鐵心飽和,將TV的額定電壓由原來的6 kV/3改為6 kV,改善了TV的伏安特性,使TV在運(yùn)行中不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,兩種TV的伏安特性如表3所示。

改進(jìn)后考慮中性點(diǎn)的作用,每相感抗：

表3 TV改進(jìn)前后的伏安特性

XL=4×602×100/0.31=4 640 000Ω

如果仍以3B2段母線為例,在單臺(tái)接地TV運(yùn)行,所有電纜全部運(yùn)行的條件下：

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

由圖3可以看出,此時(shí)的參數(shù)搭配情況處在遠(yuǎn)離諧振區(qū)域的地方,最嚴(yán)重情況是兩組接地TV運(yùn)行,1/3的電纜充電,這時(shí)：

XCO=3×1 200=3 600Ω

XL=1/2×4 640 000=2 320 000Ω

容抗與感抗之比：XCO/XL=0.001 5,可見,此時(shí)的運(yùn)行狀況仍在諧振區(qū)之外。

用JDZ-6代替JDJZ-6并在TV一次繞組中性點(diǎn)接入第4個(gè)同型號(hào)的TV是從根本上防止產(chǎn)生諧振的有效方法,系統(tǒng)零序電壓信號(hào)從中性點(diǎn)TV二次取得。

3號(hào)發(fā)電機(jī)6 kV母線系統(tǒng)采用JDZ-6型TV的中性點(diǎn)加TV（即TV3+1）的消諧措施后,沒再發(fā)生諧振,經(jīng)受了系統(tǒng)不同運(yùn)行方式和6 kV系統(tǒng)單相接地故障的考驗(yàn),說明采取的措施得當(dāng),從根本上消除了發(fā)生鐵磁諧振的條件。