劉 軒，鄭 璐，楊 玥

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，發(fā)供電企業(yè)投入了大量用于測量和監(jiān)測系統(tǒng)運行情況的電磁式電壓互感器PT（potential transformer）。PT內(nèi)部的鐵芯使其呈電感性質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的暫態(tài)沖擊滿足一定激發(fā)條件，鐵芯與系統(tǒng)電容構(gòu)成諧振電路，產(chǎn)生相當(dāng)于相電壓3～5倍的諧振過電壓[1-2]。諧振發(fā)生時，PT一次側(cè)勵磁電流迅速增大，造成熔斷器燒毀；如果勵磁電流低于熔斷器限值但高于PT額定值，在熱效應(yīng)的積累下，必然造成PT燒損甚至炸毀瓷瓶絕緣子及避雷器，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行[3-4]。文獻(xiàn)[5]針對勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及其影響進(jìn)行了詳細(xì)闡述，重點分析了勵磁涌流中含有大量三次諧波的影響。文獻(xiàn)[6]對鐵磁諧振進(jìn)行了仿真建模，對磁滯損耗等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，并提出鐵磁諧振過電壓的影響規(guī)律?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所提出的預(yù)防PT鐵磁諧振的主要手段為：一是選用伏安特性較好的PT；二是在PT一次側(cè)中性點串接單相PT增加感抗；三是在母線上加裝對地電容；四是在PT一次側(cè)中性點串接電阻[7]。本文以真實事故案例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，闡明了PT鐵磁諧振激發(fā)條件，針對現(xiàn)有消諧器未發(fā)揮作用的情況提出一種基于流敏消諧原理的消諧裝置，通過裝置并網(wǎng)運行結(jié)果分析，驗證了該裝置的有效性，為PT鐵磁諧振治理提供了新的途徑。

1 PT及高壓熔斷器事故經(jīng)過

1.1 輸配電系統(tǒng)運行情況

某發(fā)電廠（10 kV）發(fā)電機(jī)額定功率為9 MW，經(jīng)發(fā)電機(jī)端口開關(guān)連接至廠用母線，后經(jīng)出線柜直接送至某變電站10 kV I段母線并網(wǎng)運行。發(fā)電線路為2根3×240 mm2電纜并聯(lián)運行，全程地埋，線路長度5.5 km。廠區(qū)內(nèi)有發(fā)電機(jī)端口PT、母線PT、出線PT共3組PT。一次設(shè)備接線情況如圖1所示。

圖1 發(fā)電廠的系統(tǒng)一次設(shè)備接線圖

該電廠自建成以來從未發(fā)生過PT諧振事故，但自2022年3月至4月底，連續(xù)發(fā)生多起鐵磁諧振引起的PT燒毀及高壓熔斷器熔斷事故，微機(jī)消諧器、碳化硅一次消諧器均未發(fā)揮作用，特別是碳化硅消諧器連同PT一起燒毀。

1.2 事故經(jīng)過

事故1：發(fā)電機(jī)端口PT A相燒毀，同時線路PT A相燒毀，母線PT A相高壓熔斷器熔斷，B、C相高壓熔斷器正常，二次無短路；母線PT配有微機(jī)消諧器，未起到消諧作用，出線及發(fā)電機(jī)端口PT無消諧設(shè)備。

事故2：更換發(fā)電機(jī)端口側(cè)一組PT，更換線路出口1組PT，更換母線高壓熔斷器，重新投運。運行24 h后發(fā)電機(jī)負(fù)荷達(dá)到7 200 kW，線路PT C相燒毀、A相和B相高壓熔斷器熔斷，發(fā)電機(jī)端口PT C相高壓熔斷器熔斷、母線PT C相高壓熔斷器熔斷。

事故3：在發(fā)電機(jī)端口、線路PT加裝碳化硅一次消諧裝置，并更換線路出口1組PT、發(fā)電機(jī)端口PT和母線側(cè)PT C相高壓熔斷器。運行12 h后，發(fā)電機(jī)負(fù)荷達(dá)到7 000 kW時，出線PT B相燒毀、C相高壓熔斷器熔斷，母線PT B相燒毀、C相高壓熔斷器熔斷，變電站側(cè)10 kV母線PT燒毀并發(fā)生相間短路。

事故4：恢復(fù)PT及高壓熔斷器后并網(wǎng)，并網(wǎng)后運行時，運行人員聽到高壓熔斷器處有異響，運行24 h后出線PT A相高壓熔斷器熔斷，C相高壓熔斷器異響，立即申請停電。將PT高壓熔斷器緊固并將出線碳化硅一次消諧器拆除。送電并網(wǎng)后無異常，連續(xù)運行1周后，發(fā)電機(jī)負(fù)荷6 000 kW時母線側(cè)PT B、C相突然炸裂。1 min后發(fā)電機(jī)端口PT A、B、C三相燒毀，5 min后進(jìn)線PT B、C相燒毀。變電站10 kV Ⅰ段母線PT B相裂開。經(jīng)檢查發(fā)電機(jī)端口碳化硅一次消諧器與PT中性點連接線被擊穿并與地排放電。

事后，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗，絕緣、直流耐壓、交流耐壓結(jié)果均正常。該站同批次同廠家相近運行環(huán)境的PT運行正常，排除PT產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的問題。

2 事故原因分析

2.1 鐵磁諧振的激發(fā)機(jī)理

該電廠線路較長且與母線相連，線路的電感與系統(tǒng)中的電容元件串聯(lián)，線路上的自由振蕩頻率為（如圖2所示），可等效為RLC串聯(lián)線性電路，并滿足式（1），變形后得到式（2）。當(dāng)感抗和容抗相等，二者電壓等大反向，互相抵消，電路呈現(xiàn)電阻性，即發(fā)生線性諧振。

圖2 RLC串聯(lián)線性電路

該輸電線路上無人為裝設(shè)的大電阻元件，可不計損耗，即其電阻忽略不計，回路損耗使諧振過電壓產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。根據(jù)阻尼振動原理，衰減系數(shù)的表達(dá)式為

該電廠的廠用電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，所以廠用電母線PT、發(fā)電機(jī)端口PT及線路PT的高壓側(cè)中性點均需接地，因此每組PT各相承受的地電壓為相對地電壓，對地勵磁電感L1、L2、L3與對地電容C0之間各自組成獨立的振蕩回路（如圖3所示）。當(dāng)系統(tǒng)遭遇波動、故障、雷擊等時，由于系統(tǒng)只有PT中性點接地，系統(tǒng)對地電容記憶的電荷只能通過PT泄放，引發(fā)PT鐵芯飽和，發(fā)生諧振。假設(shè)某組PT因系統(tǒng)擾動造成其中一相或兩相對地電壓在短時間內(nèi)大幅升高，該PT會因為勵磁電流的突然增大而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，造成該相（兩相）等值電感相應(yīng)降低，系統(tǒng)中性點出現(xiàn)位移，產(chǎn)生零序電壓，三相PT相應(yīng)產(chǎn)生零序電流，并分別與三相對地電容C0構(gòu)成回路，當(dāng)三相PT并聯(lián)的等值零序電感與零序電容在某一頻率下的參數(shù)匹配時，即產(chǎn)生鐵磁諧振。

圖3 三相PT鐵磁諧振震蕩電路

該變電站屬于農(nóng)網(wǎng)供電系統(tǒng)，架空線路較多，容易遭受雷擊、樹障的影響，特別是樹障的影響非常惡劣。發(fā)生故障期間正值大風(fēng)揚沙天氣，極易造成系統(tǒng)短時內(nèi)反復(fù)接地，滿足鐵磁諧振激發(fā)條件。

2.2 諧振反復(fù)原因分析

中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時非故障相健全相工頻電壓如圖4所示。設(shè)k＝X0/X1（零序阻抗/正序阻抗），由圖4可知，k值落在（-20，-1）區(qū)間內(nèi)，單相接地故障發(fā)生相間電磁耦合，產(chǎn)生很高的工頻過電壓，k值越靠近-2工頻過電壓值就越高，k=-2時出現(xiàn)工頻諧振，線路上各點電壓趨于無窮大。

圖4 單相接地故障時非故障相健全相工頻電壓

因為影響系統(tǒng)對地電容的因素眾多，如設(shè)備安裝的位置、線路敷設(shè)的路徑及高度、海拔高度、氣候環(huán)境、空氣的濕度、環(huán)境污染程度等。在供電系統(tǒng)設(shè)計時，很難獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)對地電容，造成無法驗算k值是否會落入（-20，-1）區(qū)間，而且即使設(shè)計時計算參數(shù)匹配合理，現(xiàn)場實際參數(shù)匹配也無法保證。

10 kV系統(tǒng)且電纜線路長度在8 km以內(nèi)，k＜-20，非故障相對地電壓會升高接近運行線電壓的1.1倍[8]。該發(fā)電廠埋線線路長度5.5 km，符合上述條件，隨著變電站不斷增加負(fù)荷，系統(tǒng)的對地電容越來越大，以至于k值落入（-20，-1）區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)連續(xù)故障；而發(fā)電廠與該變電站不并網(wǎng)時，k值超出（-20，-1）區(qū)間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。這也是該發(fā)電廠一旦并網(wǎng)就發(fā)生事故的主要原因。

2.3 消諧措施失效分析

該站采用的消諧措施為：二次消諧器以微機(jī)消諧器為主，一次消諧器以碳化硅非線性電阻為主。組合使用消諧裝置的思路是：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換獲得諧振的頻譜特性，由智能單元計算出破壞諧振的電阻數(shù)值，最后由高速開關(guān)投入，破壞諧振參數(shù)，達(dá)到抑制諧振的目的。上述2種消諧措施本身都存在缺陷，無法達(dá)到配合使用的目的。

2.3.1 微機(jī)消諧器存在保護(hù)死區(qū)

微機(jī)消諧器是先諧振后治理，消諧方式為被動式消諧。其缺點是僅僅依靠零序電壓的大小區(qū)分單相接地和基波諧振故障。通常情況下，零序電壓等于或超過150 V時，判定為基頻諧振；在30 V至145 V之間時，判定為單相接地故障。安裝有微機(jī)消諧器的電網(wǎng)依然會發(fā)生PT諧振，由于工頻諧振的調(diào)整可能與單相接地的特征一樣，無法區(qū)分故障類型[9]。另外，微機(jī)消諧器判斷運算及中間繼電器的響應(yīng)時間至少需要20 ms，接觸器動作合閘時間80 ms以上，整個消諧時長至少需要100 ms。由于該變電站負(fù)荷持續(xù)增加，系統(tǒng)對地電容較大，故障表現(xiàn)為間歇性接地，伴有PT因瞬時飽和發(fā)生涌流，微機(jī)消諧器在100 ms內(nèi)無法完成消諧。

2.3.2 碳化硅一次消諧器失效

以母線PT尾端加裝消諧器為例，其零序等效電路如圖5所示。

圖5 母線PT尾端加裝消諧器零序等效電路

通常情況下，PT三相的一次繞組直阻都較為平衡并與勵磁阻抗較為接近，式（4）可化簡為

由式（5）可以得出，消諧器電阻值 越大，UN越大。如 設(shè)置過大，容易引起PT尾端放電；如 設(shè)置過小，則無法起到消諧作用。碳化硅的阻值可達(dá)幾百上千歐姆，PT尾端加裝碳化硅消諧器與PT中性點懸空不接地效果相同，即PT中性點對地不具備泄放渠道。加裝碳化硅消諧器雖然對PT A、B、C三相電流有一定的限制作用，但結(jié)合后期諧振改造后的過電壓記錄可知，每一次沖擊流過熔斷器的電流都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熔斷器的額定電流峰值，故此，雖然電壓互感器中性點加裝碳化硅消諧器，由于碳化硅材料的特性，依然會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時過電壓會持續(xù)造成消諧器發(fā)熱甚至燒毀，其燒毀的同時引起PT燒毀的概率也很大。

3 用流敏型消諧裝置進(jìn)行諧振抑制改造

3.1 流敏型消諧裝置技術(shù)原理

為避免繼續(xù)發(fā)生上述連續(xù)性PT燒毀和熔斷器熔斷惡性事故，選用流敏型消諧裝置對該變電站進(jìn)行諧振抑制改造。流敏型材料可以在一定的轉(zhuǎn)變溫度（居里溫度點）發(fā)生半導(dǎo)體和絕緣體的相互轉(zhuǎn)變，進(jìn)而電阻值發(fā)生躍變，即正常運行時，消諧裝置為低阻狀態(tài)，不對系統(tǒng)造成影響；當(dāng)發(fā)生PT鐵磁諧振時，消諧裝置快速呈高阻狀態(tài)，降低系統(tǒng)電流，達(dá)到抑制諧振的目的[10]。

流敏型智能消諧裝置是由二次智能監(jiān)測裝置和一次流敏消諧器組合而成。智能監(jiān)測裝置采集PT二次側(cè)三相電壓及開口電壓和流敏消諧器的工作電流。如果發(fā)生PT鐵磁諧振，流敏消諧器先于智能監(jiān)測裝置動作。如智能監(jiān)測裝置檢測到是某種頻率的鐵磁諧振，則啟動二次消諧元件，并發(fā)出報警、顯示和自動存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，智能監(jiān)測裝置可監(jiān)測流過流敏消諧器的電流值是否屬于正常范圍，判斷一次消諧是否可用。流敏型智能消諧裝置接線原理如圖6所示。

圖6 流敏型智能消諧裝置接線原理圖

裝置的消諧電阻自動跟蹤調(diào)整數(shù)學(xué)模型為

3.2 加裝消諧裝置改造后系統(tǒng)故障記錄

4月27日對出線PT、母線PT、發(fā)電機(jī)端口PT各加裝1套流敏型消諧裝置，4月28日下午18：00并網(wǎng)，并網(wǎng)運行6 d內(nèi)智能消諧裝置記錄了3起沖擊，PT所在回路運行穩(wěn)定，有效抑制了PT諧振。

借助智能檢測裝置的過電壓記錄，該流敏型消諧裝置共阻止了3起沖擊。第1起沖擊時間為2022-05-01T11：03：34，出線側(cè)1號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為54 V、53 V、102 V和70 V，C相過電壓沖擊，PT未發(fā)生諧振；第2起沖擊時間為2022-05-01T11：03：43，出線側(cè)2號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為54 V、53 V、102 V和71 V，間隔時間僅為9 s，C相過電壓沖擊，PT未發(fā)生諧振；第3起沖擊發(fā)生在14 h之后，時間為2022-05-02T11：12：15，出線側(cè)6號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為101 V、52 V、55 V和71 V，A相過電壓沖擊，流敏型消諧裝置吸收沖擊能量，PT未發(fā)生諧振。經(jīng)過4個月運行，該線路運行平穩(wěn)，未再發(fā)生PT燒毀及熔絲熔斷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

某發(fā)電廠連續(xù)發(fā)生多起鐵磁諧振燒毀PT及高壓熔斷器事故，對該電廠進(jìn)行消諧抑制技術(shù)改進(jìn)時，選用了由二次智能監(jiān)測裝置和一次流敏消諧器組合使用的流敏型智能消諧裝置。實踐表明，該類消諧裝置可有效避免因系統(tǒng)間歇性接地導(dǎo)致的PT炸裂和熔斷器熔斷事故。在事故分析過程中，得到以下結(jié)論：

a）一次消諧器可有效抑制PT鐵磁諧振，但其線性系數(shù)范圍設(shè)置要合理。過高會造成PT尾端電壓升高甚至放電，過低則起不到消諧的作用。

b）一次消諧裝置和二次智能監(jiān)測裝置配合使用可有效提高諧振抑制效果，并為一次消諧裝置運行狀態(tài)提供監(jiān)測途徑，避免了以往消諧器老化、失效等故障無法察覺的問題。

c）在設(shè)計階段，應(yīng)對整站的過電壓保護(hù)和絕緣配合進(jìn)行有效驗證，PT一次直阻的大小對PT回路鐵磁諧振的抑制起著至關(guān)重要的作用，過小易引發(fā)高頻鐵磁諧振，過大則易引發(fā)分頻諧振。