02 电力系统中电压互感器等设备.doc

全国火电大机组（600MW级）竞赛第11届年会论文集电气电力系统中电压互感器等设备经常烧毁的原因分析及防范措施张关存（山西鲁能河曲发电有限公司）摘要：以H电厂水源地两条供电线路为研究对象，参考有关研究成果和其它单位运行经验，找出其电压互感器（即TV）、跌落保险和电缆头烧毁的根本原因铁磁谐振，然后根据铁磁谐振发生的机理，制定消除之的有效措施。关键词：中性点不接地系统；TV一次侧中性点接地；LC回路；铁磁谐振；消谐措施引言H电厂水源地两条长约11公里的35kV供电线路自投运以来，曾因单相通过树木接地导致电源侧速断保护多次动作、开关跳闸，而且，5台单相电磁式TV、7只电源侧跌落保险先后被烧毁，1根线路末端电缆头两次烧毁并最终导致该电缆报废（见图1），多次使水源地断电、厂内供水中断，险些造成全厂两台600MW机组因缺水而停运，不但造成了较大的经济损失，而且严重威胁了机组的安全运行，迫使技术人员不得不找出事故原因并采取防范措施。1原因分析H电厂两条水源地供电线路均为电源中性点不接地而TV一次绕组中性点直接接地方式，其优点是：当发生常见的单相接地故障时，可继续运行，供电可靠性高，而且线路两端均装设了避雷器，线路上装设了避雷线，线路TV是全绝缘TV，从设计来看，供电线路不仅可以抵抗外部过电压，而且能够抵抗内部操作过电压，尤其是发生通过树木单相接地时，其它两相的对地电压最高升到相电压的倍，远不会达到35kV设备的耐过压能力，不可能立即导致TV等设备的烧毁，只能对设备绝缘造成一定威胁。可见，单相接地故障及其所导致的非接地相对地电压的升高并不是TV等设备损坏的根本原因。从我国多年来发生在中性点不接地而TV一次绕组中性点直接接地电力系统中的TV烧毁原因来看，绝大多数是铁磁谐振。从H电厂水源地两条供电线路的接线方式及事故后的巡查、设备损坏和保护动作情况看，它们不但具备发生铁磁谐振的系统结构，也具备铁磁谐振的诱发因素树木触碰线路导线造成的间歇性单相接地，同时还具有铁磁谐振的表象TV和跌落保险烧毁、绝缘薄弱处被击穿等，据此可初步断定：铁磁谐振是其TV等设备烧毁的根本原因。2 铁磁谐振产生的机理2.1铁磁谐振的物资基础从电网的结构组成看，不仅有TV这类非线性感性元件，也有各种分布电容等容性因素，当它们组成LC回路时，就为铁磁谐振构筑了物质基础。LC回路有两种形式：并联和串联。只要TV的一次绕组中性点接地，就会形成各相独立的并联LC回路，它是由以导线对地的分布电容C0和TV电感L1、L2、L3为主的阻抗元件等对地负载组成的，如图2所示。对于电源中性点不接地而TV一次绕组中性点直接接地系统，在某些诱发因素的作用下，会出现中性点偏移电压，某些相的对地电压相应升高，从而可能导致TV铁心过度饱和，其Xm（单相TV在额定线电压作用下的对地励磁电抗折算到一次绕组的数值）减小，使本来可能为容性的并联LC回路转换成了感性，对地电压未升高相的并联LC回路则仍然保持原来的容性，其结果相当于各相间组成了串联LC回路。图3是C相接地消失后所形成的简化LC回路，图4为进一步简化的等值串联LC回路。可以看出，如果没有并联LC回路，就不会发生电网回路阻抗性质的变换，就无法形成串联LC回路。所以说，并联LC回路是铁磁谐振的最根本基础。而在电源中性点直接接地系统中，TV一次绕组的电位被各相电源电势固定，不会出现中性点电位偏移，因而，导致TV铁心过饱和的几率大大减少，回路由容性变成感性的现象很少发生，也就很难形成相间串联LC回路。而且，这种系统都有相关零序保护，一旦有较大的零序量产生，保护就动作于跳闸，切断铁磁谐振所需的能量来源。综上所述，可以说电源中性点不接地而TV一次绕组中性点直接接地系统是铁磁谐振的主要发生场所，而TV一次绕组中性点接地和电源中性点不接地则分别是构筑该场所的必要和重要条件。2.2铁磁谐振的诱发因素诱发铁磁谐振的因素很多，如切合空载变压器、空载线路或大容量负载，发生单相接地、线路断线故障等，在这些过程中，能量分布要发生瞬间突变，从而产生操作过电压或涌流。这种过电压或涌流持续时间较短，危害较小。而在这些操作或故障后形成的回路及产生的过电压或涌流，则是诱发铁磁谐振并产生谐振过电压和谐振过电流的因素。另外，雷电对线路的直击或感应产生的外过电压也可诱发铁磁谐振的发生。2.3铁磁谐振的发生过程及其危害系统中某些相的并联LC回路受到一些诱发因素作用下所形成的涌流或过电压激发，其励磁电抗m（Xm只是m的一个特殊值）会发生变化，当m等于或非常接近其相内的对地容抗Xc0时，回路阻抗呈电阻性，便产生铁磁谐振。具备条件时，还会形成相间串联LC回路并发生铁磁谐振。持续时间长、幅值大的谐振过电压和谐振过电流危害很大。并联LC回路发生铁磁谐振时，谐振电流仅在由TV及其一次保险(如果有)与分布电容组成的LC回路中流过。在相电流不变的情况下，通过感性支路和容性支路的电流都会有很大的增加，往往比总电流大许多倍，从而使感性支路中的TV一次保险或（和）TV本身烧坏。它可以在某一相电路中产生，也可能在三相中同时产生。串联LC回路发生铁磁谐振时，将同时作用在两相或三相上，由于回路总阻抗最小，电流最大，该电流足够大时就可以烧毁它所流过的TV及其一次保险、跌落保险、变压器绕组等设备的一部分；且此时感性相中的TV端电压为电源电压的数倍，可能会将该TV、电缆头等的绝缘击穿。按照频率的不同，铁磁谐振分为分频谐振、基波谐振和高频谐振。研究表明，谐振频率越低，谐振电流就越大；谐振频率越高，谐振过电压就越高。当谐振电流足够大时，在负载电流的共同作用下，就能够烧毁其回路中的元件；而谐振过电压足够高时，在工频电压的共同作用下，将使电网绝缘薄弱处击穿短路、跌落保险熔断、保护动作、跳闸停电。据上所述，可以断定：H电厂的TV烧毁是谐振电流作用的结果；速断保护动作、开关跳闸是谐振过电压击穿绝缘子后出现的短路电流所为；电缆头着火是谐振过电压将其绝缘击穿的表现；而跌落保险熔断则有可能是谐振电流的作用，也可能是上述短路电流所为。3消谐措施铁磁谐振的发生既离不开其赖以存在的物资基础LC回路，同时又需要激发因素导致的过电压，HAPeterson曲线（如图5所示）从量的角度将这两方面结合起来进行了研究。图中Ex是TV事故前的运行相电压；Ux是TV的铭牌线电压。从图5可以看出，随着Xc0/Xm的逐渐增大，依次进入1/2分次谐波、基波和3次谐波谐振区，同时所需的Ex也逐渐增大。Xc0/Xm1表示系统回路阻抗是感性的，Xc0/Xm1表示系统回路阻抗是容性的，当Xc0/Xm小于0.01或远大于1时，便躲过了谐振区。换句话说，当并联LC回路中的容抗和电抗相差较大时，就能避免铁磁谐振发生。根据上述研究，为防止铁磁谐振发生，除设法限制各种过电压外，还应努力改变系统的结构参数，使Xc0/Xm0.01或远大于1。可采用如下消谐措施： 加强对系统的巡回检查，及时发现和消除各种故障隐患，避免过电压产生。 除为监视绝缘而必须将电源侧TV一次绕组中性点接地外，尽量减少TV的接地个数。该办法在实际中便于操作，可使不接地TV脱离并联LC回路，并免受铁磁谐振的危害，且能使回路的电抗成比例地增大，有效减小Xc0/Xm的值，适用于并联TV数量较多且对地容抗较小（相对于Xm）的系统中。但不能保证一次绕组中性点接地的TV不发生铁磁谐振。 在切、合空载变压器或空载线路前使TV退出系统，切、合完毕后将TV投入到系统中运行。该方法可短时破坏L、C的并联关系，从而避免了特定情况下的铁磁谐振。 采用三相防谐振式TV或在TV一次绕组中性点串接零序TV。在TV一次绕组中性点出现电位时，零序TV能承担部分电压，相应地减小非接地相TV端电压；同时可增大对地电抗，相应地使Xc0/Xm减小，有效减少或消除由单相接地故障引发的铁磁谐振，但方法不当会影响绝缘监测功能。适用于对地容抗较小、TV全绝缘的系统。 TV一次绕组中性点经电阻接地。在TV一次绕组中性点出现电位时，所接电阻能承担部分电压，使部分TV承受的电压降低，减少TV因过电压而发生谐振的几率。在发生谐振时，该电阻起阻尼作用，可加速谐振的平息。它要求TV为全绝缘。 TV开口三角绕组（即剩余电压绕组）接小电阻或消谐装置。电阻的阻值和容量可用经验公式R0.4Xp(Xp为单相TV电抗折算至剩余电压绕组侧的数值)来确定。系统的电压等级越高，Xp就越小，所需R也小，开口三角绕组的电流则越大，可能会烧毁TV，该办法一般不适用于35kV以上的系统，但不影响正常运行，而且还可以和其他消谐措施配合使用。目前的消谐装置性能还有待于完善，选用时应慎重。简单应急的方法是用白炽灯泡来代替，有时也能收到消谐效果。 系统中性点经消弧电抗接地。该方法相当于在TV一次绕组并联了比TV小得多的电抗，使Xc0/Xm1。这样既能减少接地电流，使单相接地后不立即跳闸，又能限制中性点的电位偏移。消弧电抗的消谐效果很好，但投资费用高。 系统中性点经消弧线圈或电阻或消弧线圈与电阻并联接地。该方法与的原理相似，但消谐效果较差，适用于对地容抗较大的系统中。电阻起阻尼作用，使用非线性电阻效果会更好。 选用励磁特性饱和点为1.9Um/的TV（Um为最高相间电压方均根值）。TV饱和点越高，抗过电压的能力就越强，铁心不易过饱和。该方法不增加附属设备，能明显减少谐振发生率。 采用电容式TV。从理论上讲，该方法取缔了并联LC回路，使谐振失去了存在的基础，且该类TV冲击强度高、造价比电磁式TV低，能有效防止谐振，目前已逐步应用于35kV系统中。但其本身带有感性元件，是新的谐振隐患。 母线上装设中性点接地的三相星形电容器组。该方法可使Xc0/Xm0.01，当发生单相接地时，不但电流增加，有可能引起弧光接地过电压，而且电容Co折算至TV剩余电压绕组侧的电容很大，容抗很小，可能因过流而烧坏TV，所以，一般不宜采用。H电厂经认真分析认为：本厂铁磁谐振的主要诱发因素是单相接地故障，且所用TV为全绝缘，应采用在TV一次绕组中性点串接与原TV完全相同的零序TV的消谐措施，这样既符合国家电网公司十八项电网重大反事故措施，又可充分利用原有TV，其具体接线方式参见图6。由于上述零序TV的接入，TV一次绕组中性点电位在各种接地情况下基本不会偏移，即各工作TV一次绕组端电压始终为系统相电压，零序TV一次绕组的端电压则随着接地程度的不同而变化，当发生单相完全接地故障时，其一次绕组与接地相TV一次绕组形成了完全的并联关系，并联励磁阻抗为单相TV励磁阻抗的一半，由分压原理可知：它们的端电压恰为系统相电压。由此看来，各TV在各种接地情况下均不会因过电压而导致铁心饱和，即不会发生铁磁谐振。但这会导致开口三角绕组的输出始终接近于零，故接于其两端的XJJ已起不到绝缘监察作用。为实现对系统的绝缘监察功能，可将XJJ接入了零序TV的剩余电压绕组dn-de之间，并把开口三角绕组短接。不过，通过上述对单相完全接地故障的分析，可知此时dn-de的输出电压将是100V/3，而未接入零序TV时开口三角绕组的输出电压为100V，可见，零序TV接入后，在相同程度的单相接地故障下，XJJ的端电压将降低2/3，若仍使用原来的XJJ（型号为DY-32/60C，最小动作电压为15V），在接地程度较轻时将不能启动。为解决这一问题，可把XJJ更换为JY-12A型的电压继电器，其动作电压整定范围是0.599.5V，且整定值在1V99.5V之间时整定误差3%，故通过恰当整定动作电压值，可保证其可靠动作。由于正常运行时系统三相电压不平衡对dn-de的输出无影响，所以，可将XJJ的动作电压尽量整定小一些，这里为3V。另外，图6的接线方法仍可使三只电压表准确反映系统各相对地电压。4结束语在电力系统中，特别是电源中性点