李 建 清， 張 斯 宇， 靳 帥

(國家能源大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂山 614700)

1 概 述

枕頭壩水電站為大渡河干流水電梯級規(guī)劃的第19個(gè)梯級，地處四川省樂山市金口河區(qū)，為徑流式水電站，安裝4臺(tái)180 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量720 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量32.9億kWh。枕頭壩水電站4臺(tái)發(fā)電機(jī)采用發(fā)變組聯(lián)合單元接線接入四角型500 kV升壓站，經(jīng)1回500 kV線路接入電網(wǎng)。每臺(tái)機(jī)組機(jī)端設(shè)置有4組電壓互感器，均布置在發(fā)電機(jī)出口電壓互感器柜內(nèi)，供發(fā)電機(jī)保護(hù)、調(diào)速器、勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)電度表等設(shè)備使用。

2 故障現(xiàn)象

2018年7月24日2∶36，按調(diào)令2F機(jī)組斷開出口斷路器DL2停機(jī)，隨后2.7 s主變低壓側(cè)PT二次消諧裝置諧振報(bào)警[1]、7.6 s主變保護(hù)低壓側(cè)零序過壓報(bào)警、11.2 s主變保護(hù)PT斷線；用萬用表檢查主變低壓側(cè)二次電壓A相57.2 V、B相52.6 V，C相34.8 V，零序電壓13.5 V，初步判斷主變低壓側(cè)PT一次熔斷器熔斷。主變停電后檢查發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)2PT一次側(cè)B、C相熔斷器熔斷。通過故障錄波器波形分析(圖1)，在DL2斷開后8 s內(nèi)測得三相電壓波動(dòng)為：A相35.5-102.26 V、B相27.04-98.26 V、C相33.32-75.82 V，分析判斷主變低壓側(cè)2PT發(fā)生了分頻鐵磁諧振過壓。

圖1 2PT故障錄波圖

3 PT鐵芯飽和諧振過電壓分析

3.1 繞組接線形式

2FB繞組接線見圖2，2PT二次開口三角繞組并接微機(jī)消諧裝置。

圖2 2FB繞組接線圖

3.2 原因分析

2PT為電磁式，在正常情況下電感L=ψ/i為常數(shù)，鐵芯不飽和。在2F停機(jī)DL2斷開時(shí)，切除了發(fā)電機(jī)對地電容CF、1PT及消弧線圈電感XF，使主變低壓側(cè)不接地系統(tǒng)中電容電感突然發(fā)生變化，造成流經(jīng)2PT的一次電流i增大，2PT鐵芯逐漸飽和，動(dòng)態(tài)電感Ld=dψ/di反而減小，導(dǎo)致鐵磁諧振發(fā)生，非線性諧振回路的伏安特性(圖3)。由線性電容和鐵芯電感組成的回路中，電感電壓UL與電容電壓UC的和等于電源電壓。在電源電壓由正常值E開始不斷加大時(shí)，電路的工作點(diǎn)將沿曲線3自a點(diǎn)上升。當(dāng)電源電壓超過m點(diǎn)的值U0以后，工作點(diǎn)m點(diǎn)突然跳到n點(diǎn)，并沿n～e段上升。n點(diǎn)與m點(diǎn)相比較，電容電壓UC很大，電感電壓UL也是增大的。這個(gè)過程就是電路工作狀態(tài)由感性經(jīng)諧振到了容性的過程，產(chǎn)生了諧振過電壓。在鐵磁諧振發(fā)生后，即使電源電壓降低，而電路的工作點(diǎn)將沿曲線3的n～d段下降，在電壓恢復(fù)到正常工作電壓E時(shí)，電路將穩(wěn)定在工作點(diǎn)c。此時(shí)的電容電壓UC與電感電壓UL都比正常工作點(diǎn)a大，即仍然有過電壓的存在。所以，鐵磁諧振的產(chǎn)生需要由電源電壓大于U0來激發(fā)，但激發(fā)過后電源電壓降到正常值E時(shí)，鐵磁諧振產(chǎn)生的過電壓仍繼續(xù)存在，并將保持。鐵磁諧振過電壓可高達(dá)3.5倍相電壓，且因頻率和相應(yīng)的勵(lì)磁感抗均下降 ，勵(lì)磁電流往往會(huì)很大，最大勵(lì)磁電流可達(dá)額定勵(lì)磁電流的80倍，將導(dǎo)致PT一次保險(xiǎn)熔斷，甚至過熱燒毀、噴油爆炸[2-3]。

圖3 非線性諧振回路的伏安特性

4 PT鐵芯飽和諧振過電壓防范措施及比較

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的PT[4]，產(chǎn)生鐵芯飽和諧振的主要原因是諧波電源和諧振電路參數(shù)的匹配。由于電力系統(tǒng)故障形式多樣，目前，尚無有效措施對諧波電源加以限制。此外，由于故障形式不同，系統(tǒng)諧振參數(shù)也是隨機(jī)變化的。為抑制電磁式PT飽和引起的諧振過電壓，一般采取下列幾種防范措施能取得較好效果：

(1)在二次開口三角繞組并聯(lián)電阻RO或加裝專用消諧器。

(2)將PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻R1接地。

(3)在母線上加裝對地電容。

(4)選用勵(lì)磁特性較好的電磁式PT或改用電容式CPT。

以上(3)、(4)項(xiàng)防范措施因涉及新增設(shè)備及技改，對枕頭壩水電站來說不具有操作性；(1)、(2)項(xiàng)措施存在一定的可行性，以下加以重點(diǎn)分析和比較[5-6]。

4.1 二次開口三角繞組并接電阻 R0或加裝專用消諧裝置

當(dāng)PT發(fā)生諧振時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，使三相電壓不對稱，PT鐵芯嚴(yán)重飽和，出現(xiàn)零序磁通，PT一次繞組中將流過零序電流I10，在二次開口三角繞組兩端感應(yīng)零序電壓U20。如果在二次開口三角繞組兩端接入一個(gè)電阻R0，將流過零序電流 I20，其對一次繞組產(chǎn)生去磁作用，從而抑制了諧振。R0愈小，I20愈大，去磁作用也愈顯著。如果將二次開口三角繞組兩端短接，即R0=0，諧振就不會(huì)發(fā)生。I10=I20/K2(K為PT一次繞組與二次開口三角繞組變比), I20=3×U20/ R0，則I10=3×U20/K2R0，所以,U10/I10=R=R0×K2/3?？梢?，二次開口三角繞組兩端接入電阻R0，就相當(dāng)于在PT高壓側(cè)每相并聯(lián)一個(gè)(K2/3)R0的電阻,增大了回路的阻尼率。從消振效果來說 ,希望 R0盡可能小。但是R0太小，系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，PT漏抗上的壓降太大，二次開口三角繞組兩端電壓過低，不能滿足繼電保護(hù)的要求。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般取R0≤0.4(Xm/K2)(Xm為PT等值電抗)。

專用消諧裝置原理與電阻類似，只是當(dāng)消諧裝置檢測到發(fā)生諧振時(shí)，自動(dòng)投入相應(yīng)阻值的電阻[7]。

4.2 PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻或非線性電阻R1接地

在PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)一個(gè)較大的電阻R1接地,利用該電阻限制PT一次繞組中的電流，是防止或消除PT鐵芯飽和諧振的一個(gè)有效而簡便的措施。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過電容電流，非故障相的電壓升高為線電壓，其對地電容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)生電容電流，以接地點(diǎn)為通路，在電源導(dǎo)線和大地間流通，由于PT激磁阻抗很大，故流過PT一次繞組的電流很小。但是，一旦接地故障消除，這個(gè)電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓。由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，就只能通過PT一次繞組經(jīng)其接地的中性點(diǎn)泄入大地。在這一瞬變過程中，PT一次繞組中將流過一個(gè)很大的工頻沖擊電流，使PT鐵心嚴(yán)重飽和，激發(fā)諧振現(xiàn)象。如果在PT一次繞組中性點(diǎn)串一個(gè)足夠大的電阻R1接地，在單相接地故障消失時(shí)，就可阻尼流過一次繞組和中性點(diǎn)的沖擊振蕩電流，使其急劇衰減，避免鐵心飽和，防止鐵磁諧振的產(chǎn)生。單純從消振效果來看，中性點(diǎn)電阻R1越大越好，若該電阻為無限大，即PT高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，則諧振條件不成立，諧振根本不會(huì)發(fā)生。但是中性點(diǎn)電阻R1的選擇要受到中性點(diǎn)絕緣水平、接地指示器的靈敏度、正常電壓測量和電網(wǎng)運(yùn)行方式的限制，不能選擇得太大。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般取R1≥0.06 Xm。

另一個(gè)辦法是將加高電阻方式調(diào)整為加裝非線性電阻消諧器。正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓很低，消諧器呈高阻狀態(tài)，PT中性點(diǎn)接近不接地狀態(tài)，且消諧器自身具有隔離直流分量的作用，PT不易飽和，極大地減小諧振發(fā)生的幾率；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在中性點(diǎn)位移電壓作用下，消諧器進(jìn)入非線性段呈低阻狀態(tài)，對PT測量準(zhǔn)確度影響小[8-9]。

4.3 兩種防范措施的優(yōu)缺點(diǎn)比較

PT飽和引起的鐵磁諧振，無論是串聯(lián)(一次側(cè))方式還是并聯(lián)(二次側(cè))方式，都能有效消除諧振[10-11]。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振，并非只有PT飽和所致，還有其他原因也會(huì)引起諧振，較為常見的有斷線引起的諧振。這種諧振，若采用并聯(lián)方式，起不到限制一次電流的作用將很快燒毀PT。即使是較為先進(jìn)的專用消諧裝置，因依據(jù)的二次開口三角繞組電壓和頻率，也不易分辨是PT飽和引起的諧振還是其他原因引起的諧振[12]。

因PT一次繞組的勵(lì)磁電流中含有一定的三次諧波分量，三相對稱系統(tǒng)中，三次諧波電流是零序方向，即三相PT中的三次諧波電流是同一方向，都流過PT一次繞組中性點(diǎn)與地之間的消諧電阻R1，必然在R1上產(chǎn)生三次諧波電壓。此電壓反映在二次開口三角繞組兩端，會(huì)使二次開口三角繞組兩端電壓升高(約5～10 V)，增加了PT二次側(cè)三次諧波電壓。同時(shí)，也會(huì)影響二次三相相電壓的測量。然而，采用在二次開口三角繞組并接電阻的方式不會(huì)發(fā)生此現(xiàn)象[13-15]。

5 解決方案

鑒于枕頭壩水電站主變低壓側(cè)全部采用封閉母線，發(fā)生單相接地或斷線的幾率較小，而發(fā)生PT飽和諧振的幾率要稍高，比較兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合1PT高壓側(cè)中性點(diǎn)已通過非線性電阻R1接地實(shí)際情況，確定采用2PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻R1接地，二次開口三角繞組兩端并接電阻 R0和保留微機(jī)消諧裝置方式。

枕頭壩水電站2PT二次開口三角繞組變比K=272.79，現(xiàn)場試驗(yàn)并計(jì)算得2PT電抗Xm=18.69 MΩ，根據(jù)R0≤0.4(Xm/K2)計(jì)算得R0≤100.4 Ω。同時(shí)，兼顧消諧作用及對保護(hù)、測量的影響，選用R0=40 Ω、320 W的陶瓷線性電阻，且并聯(lián)微機(jī)消諧裝置。2PT高壓側(cè)中性點(diǎn)非線性電阻R1，選用非線性電阻消諧電阻器，1 mA電流標(biāo)準(zhǔn)電壓550～700 V，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測650 V；10 mA電流標(biāo)準(zhǔn)電壓1 500～2 000 V，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測1 510 V。

采用該方案后未發(fā)生PT諧振，運(yùn)行情況良好。

6 結(jié) 語

雖然枕頭壩水電站的方案解決了停機(jī)時(shí)主變低壓側(cè)PT飽和諧振問題，但每個(gè)電站仍需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定R0、R1參數(shù)。從上述分析可以看出，對電站主變低壓側(cè)不接地系統(tǒng)，最好在PT高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻或非線性電阻R1接地，可根據(jù)PT的工頻勵(lì)磁電抗、中性點(diǎn)的絕緣水平等參數(shù)選擇合適的高電阻或非線性電阻R1。同時(shí)，在PT二次側(cè)開口三角繞組加裝質(zhì)量性能穩(wěn)定的二次微機(jī)消諧裝置，以實(shí)現(xiàn)諧振能量的消除；為防止二次微機(jī)消諧裝置失效，可在PT二次側(cè)開口三角繞組并聯(lián)一只阻值、功率適中的陶瓷線性電阻以確保安全運(yùn)行。