35KV变电所-PT二次电压不平衡现象分析

1 科技成果报告 新建新建 35 6KV35 6KV 变电所初次充电变电所初次充电 PTPT 三相电压不平衡原因分析三相电压不平衡原因分析 及解决方案及解决方案 窑窑街街煤煤电电集集团团天天祝祝煤煤业业公公司司 二二 一一一一年年十十一一月月 2 目目 录录 1 1立项背景立项背景 3 3 2 2变电所基本概况介绍变电所基本概况介绍 3 3 3 3 理论分析理论分析 4 4 4 4 PTPT 发生铁磁谐振的危害发生铁磁谐振的危害 8 8 5 5 防止铁磁谐振 消除防止铁磁谐振 消除 PTPT 二次三相电压不平衡现二次三相电压不平衡现 象的措施象的措施 8 8 6 6 产生的效益产生的效益 1111 7 7 创新点创新点 1212 3 新建新建 35 6KV35 6KV 变电所初次充电变电所初次充电 PTPT 三相电压不平衡三相电压不平衡 原因分析及解决方案原因分析及解决方案 窑街煤电天祝煤业公司 甘肃 天祝 刘建荣 温天和 徐杜民 多斌学 1 1 立项背景 立项背景 2010 年 12 月 2 日 天祝煤业公司在投用新建的 35 6KV 变电所 时 当第一段母线充电时 用万用表测量发现二次侧的电压值不平 衡 分别为 76V 112V 101V 且开口三角端也出现高电压 电压 值达 102V 左右 而且瞬间 B 相电压为零 有虚幻接地现象 停电对 母线及 PT 进行检查没有发问题 对 PT 一次熔断器进行检测 发现 B 相熔断器熔断 更换一只熔断器后 再次送电 发现二次三相电 压仍然不平衡 开口三角端电压偏高 根据经验 在 PT 的开口三角 端处加装一只白炽灯泡 目的是为了消除开口电压 投用后 白炽 灯瞬间很亮然后又熄灭了 用万用表测量二次三相电压还是不平衡 且有一相 PT 熔断器熔断了 在变电所投用后 又陆续发生了母排瓷 套管炸裂和 PT 烧毁的事故 为了彻查原因 确保变电所的正常投用 和正常运行 对上述问题进行系统分析 并采取合理的方案予以解决 2 2 变电所基本概况 变电所基本概况 天祝煤业公司新建的 35 6KV 变电所供电系统为中性点绝缘 即 中性点不接地 系统 属于小电流接地系统 其优点是在发生单相 4 接地时 能继续工作一段时间 若接地电流不是太大 一般可继续 运行 1 2h 这是因为在中性点绝缘的小接地电网中 发生单相接 地故障时 故障电流往往比负荷电流小得多 而且系统的电压仍然 保持对称 相电压和线电压不仅量值维持不变 且相位角仍互为 120 所以便于运行人员查找故障点 并采取相应的措施 缺点是 由于电网中性点没有固定电位 三相对地电压不稳定 在发生一相 接地故障的情况下 其它两相的对地电压长高 一般升高 3 倍 有可能使电网对地绝缘薄弱部分发生绝缘击穿 造成另一相接地 发生相间短路故障 变电所 6KV 两段母线上各安装 1 套 JDZ10 6 型电压互感器 为 了实现相对地电压监视和对地绝缘监察 PT 的接线方式为星形 星 形 开口三角接线 变比为 6 3 3 0 1 3 0 1 3KV 变电所内 6KV 电缆出线共 21 条 正常运行时 电网的三相电压对称 基本无 零序电压输出 其数值一般在 0V 2V 之间 3 3 理论分析 理论分析 1 电压互感器及其接线方式 电压互感器的作用是将电力系统高电压转换成与其成比例的低 电压 输入到继电保护 自动装置和测量仪表中 电压互感器正常 运行时磁通密度高 接近饱和值 且一次电压越高 磁通密度越大 天祝煤业公司新建的 35 6KV 变电所 6KV 侧母线上安装的电压互感器 为三绕组电压互感器 匝数多的绕组为一次绕组 有两个次级绕组 一个绕组用于测量相电压或线电压 称为二次绕组 另一个绕组用 5 于测量零序电压 称为三次绕组 天祝煤业公司新建 35 6KV 变电所 6KV 侧三相电压互感器二次回 路接线方式如下图所示 其中 A B C 分别为电压互感器一次的三 相输入端子 a b c 分别为电压互感器二次三相输出端子 a b c 分别为电压互感器三次三相绕组的输出端子 L N 为 电压互感器 三次输出端子 ABC 二次及三次绕组接线方式 ab c L a b c x y z N 2 产生不平衡电压的原因分析 理论上 小电流接地系统中电压互感器二次 三次电压相量图 如下图所示 图中 a b c分别为电压互感器二次三相电压 N L a b c 分别为电压互感器三次电压三角形的三个顶点 正常运行情况下电压互感器三相一次电压对称并等于额定电压 二 次三相相间电压 Uab Ubc Uca 100V 三次三相相电压 6 ULa Ua b Ub N 33 3V N L 点重合 即开口三角形输出电压 ULN 0V Ua Uc Ub Ua Ub Uc L N 二次及三次电压相量图 下图为中性点不接地电网 PT 的三相简化电路 设 Ua Ub Uc为 三相对称电势 C0为相对地电容 La Lb Lc为 PT 励磁电感 U0为 中性点对地电压 由于三相 C0相等 三相电势对称 所以 U0 0 Ua Ub Uc N N La Lb Lc 3C0 U0 简化三相电路原理 由上图可见 当三相电压不平衡时 PT 三相励磁电感就不相 等 此时三相系统也不再是对称的量值 中性点电压偏移 将会产 生零序电流和对地电位 U0 理论上 对于任何不对称的三相系统都 可分解为三个对称的分量 即 零序分量 正序分量和负序分量 正序分量和负序分量数值相等 方向相反 矢量和为零 所以只有 零序分量 即开口三角端就有了零序电压 零序电压叠加在二次侧 7 三相电压上 就出现了二次侧三相电压不平衡现象 通过理论剖析 结合现场测量和试验情况 判定这是由于 PT 铁芯磁饱和发生了铁磁谐振现象 从理论上分析有以下两种情况 第一种情况 由于三相 PT 的伏安特性相差过大 造成三相励磁 电流的基波值不平衡 PT 一次绕组电流分布如下图所示 可用数字 式万用表测量开口三角两端的频率 测到的频率是 50HZ 或 150HZ 若频率是 50HZ 说明三相 PT 的伏安特性相差过大 以至三相励磁 电流的基波值很不平衡 改善方法是选择三相 PT 的伏安特性基本一 致的编成一组 但一般情况下 由于三相 PT 的伏安特性相差过大 造成开口三角电压升高的情况不多 经我们现场测试 其频率是 150HZ 所以可以排除 PT 的质量问题 UaUb Uc IAMIBMICM R I0 一次绕组电流分布 第二种情况 当供电线路各相对地电容形成的容抗与线路上所 接入的 PT 各相的综合感抗数值相近或相等时也会发生铁磁谐振 因 为在中性点非直接接地系统中 存在线路相对地电容 C0 为了使 PT 开口三角具有系统接地绝缘监察功能 一次高压绕组中性点必须接 地 这样 PT 一次侧相电感 L0 和相电容 C0 在系统正常运行的情况下 8 构成电压谐振回路 在变电所 6KV 母线段充电时 由于未投入其它 供电回路 而母线又很短 只有十几米长 所以每相对地电容 C0值 很小 即各相的容抗值 Xc和单相 PT 的各相的感抗 XL较大 且数值 接近 在电感和电容两端出现了高于额定电压和额定电流几倍至几 十倍的过电压和过电流 从而使 PT 线圈中出现了激磁涌流导致铁芯 磁通饱和 三相电感不等 与电网相对地电容构成谐振回路 最后 烧坏 PT 一次熔断器 如果这种情况持续时间较长 严重时将造成系 统的薄弱点击穿甚至 PT 烧毁 综上分析 当时发生的铁磁谐振就是第二种情况 4 4 PTPT 发生铁磁谐振的危害发生铁磁谐振的危害 1 发生铁磁谐振时 系统中性点电位升高 出现较高的零序电 压 产生谐振过电压 特别是高频谐振 过电压的倍数较高 会引 起电气设备绝缘损坏 甚至可能导致避雷器爆炸 电压互感器绕组 烧毁等故障 出现基频谐振和分频谐振时 由于电压互感器的电感 急剧下降 励磁电流很大 特别是分频谐振 因其频率低 产生的 谐振过电流数值有可能会达到额定电流的几百倍 而由于互感器绕 组的感抗又很小 较大的过电流往往导致电压互感器熔丝熔断 2 当发生基频谐振时 由于两相电压升高 一相电压降低 但 相间电压仍然对称 从而造成虚幻接地的假象 引起继电保护设备 误动作 严重威胁供电系统的安全可靠运行 5 5 防止铁磁谐振 消除 防止铁磁谐振 消除 PTPT 二次三相电压不平衡现象的措施二次三相电压不平衡现象的措施 由于供电系统中的电感值和对地电容值不是常数 所以 PT 铁磁 9 谐振的发生具有偶然性 只有在适当的时间破坏谐振条件 才能达 到消除谐振的目的 具体的防止铁磁谐振的措施有以下几种 1 根据对铁磁谐振发生机理的研究 最简单的一种方法是静电 电容补偿法 因为现在大多数供电系统 为减少投资 节少电费支 出 都采用母线静电电容器补偿方式 即在母线上安装电容器补偿 装置 将负载功率因数呈容性 这是人为增大相对地电容 C0 值 使 3 XC0 XL 0 01 脱离谐振区域 破坏铁磁谐振条件 这种方 法在进行倒闸操作 空投变压器 线路时能临时解决铁磁谐振的问 题 天祝煤业公司在投用新建的 35 6KV 变电所时就采用了该方案 带上母线上的 300Kvar 的电容器组后 发现三相电压不平衡误差相 对减小 且开口三角端的电压降为 72 2V 且开口三角端的电压降 为 6 3V 但这种方法有一定的局限性 因为当改变电网相对地容 C0 时 XC0 XL 随之改变 回路中有可能出现由一种谐振状态转变为另 一种谐振状态的情况 2 另一种方法是在电压互感器三次绕组开口三角端安装消谐器 接线方法如下图所示 将三次谐波限制器背面的两接线端与三次绕 组开口三角两端用绝缘导线连接 将三次谐波限制器接入 PT 开口三 角两端 这种方法相当于在电压互感器零序回路中增加电阻 能将 部分零序电压降消耗在消谐器上 降低开口三角两端的电压 使电 压互感器的饱和程度降低 不至于发生铁磁谐振 但是对于低频振 荡 由于其特点与单相接地的特点相似 所以不能准确判别 而规 范要求单相接地时 可继续带故障运行 1 2 小时 从而可能使电压 10 互感器内流过较大的电流 且持续时间过长而烧坏绕组 因此 该 措施只适用于对地电容较小的电网 消谐器 z y x c b a c ba 三次绕组开口三角端加装消谐器 CBA R 2 再一种方法是在 PT 一次侧中性点与地之间安装三次谐波限 制器来限制 PT 二次侧开口三角两端的三次谐波电压升高 天祝煤业 公司在变电所成功投用后的 5 个月内 分别出现了 1 次母线瓷套管 炸裂和 1 次互感器炸裂的事故后 就采用这种方法进行消谐 常规 的安装方法是在互感器高压绕组中性点串接一个消谐器 阻尼电阻 其接线方法如下图所示 R z y x c b a v c b a 一次侧中性点与地之间加装消谐器 C B A 消谐器 11 采用该措施 能够抑制铁磁谐振过电压 但在消谐器选型方面 要特别慎重 因为当消谐器电阻越大 分担的电压就越高 互感器 就越不容易饱和 虽能有效防止发生铁磁谐振 但通过实际使用后 发现若电阻太大 PT 开口三角端输出的电压就相应降低 当发生单 相接地故障时 将会影响继电保护装置动作的灵敏性 为了克服这 些问题 天祝煤业公司用一种 LXQ 10 型非线性电阻消谐器代替常规 的消谐器 因为根据非线性电阻的伏安特性曲线 在零序电压较低 时 呈高阻态 在发生单相接地时 消谐器上产生较高的电压 使 其电阻降低 从而增大开口三角端的电压值 能确保继电保护可靠 动作 6 6 产生效益 产生效益 天祝煤业公司供电系统需要实时监测三相对地电压并对系统进 行绝缘监察 实现接地报警的功能 所以全部采用三相独立的电压 互感器 通过在 PT 一次侧中性点与地之间安装非线性电阻 限制 PT 二次侧开口三角两端的三次谐波电压 效果较为明显 用万用表 实测数据如下表 采用消谐措施前采用消谐措施后 名称 一次电压二次电压一次电压二次电压 AN6 3 3KV89V6 3 3KV65 5V BN6 3 3KV65V6 3 3KV63V CN6 3 3KV70V6 3 3KV59 7V I 段 PT LN6 3V1 8V 12 AB6 3KV101V6 3KV107 7V BC6 3KV112V6 3KV109 1V CA6 3KV117V6 3KV107 7V AN6 3 3KV76V6 3 3KV62 5V BN6 3 3KV61V6 3 3KV62 9V CN6 3 3KV56V6 3 3KV63 3V LN6 8V0 27V AB6 3KV121V6 3KV108 3V BC6 3KV81V6 3KV109 2V II 段 PT CA6 3KV119V6 3KV108 2V 通过天祝煤业公司实际运行情况来看 在 2010 年 12 月份 初 次投用新建的 35 6KV 变电所时 由于发生铁磁谐振 造成 PT 二次 侧三相电压不平衡 且开口三角端的零序电压严重偏高 导致变电 所不能顺利投用 最后通过带静电电容器组 临时消除了 PT 饱和电 压 顺利投用了变电所 但运行至 2011 年 2 月 8 日 变电所 35KV 侧发生了一起因铁磁谐振过电压 导致母线瓷套管炸裂的事故 4 月 6 日发生了一起 6KV 侧 I 段母线 PT 的 B 相熔断管爆裂的事故 5 月 18 日 变电所 35KV 侧 II 段母线计量柜的一相 PT 又再次烧毁并 爆裂 采用在 PT 一次侧中性点与地之间安装三次谐波限制器 非线 性电阻消谐器 消谐措施后 通过近 5 个多月的观察 PT 二次侧三 相电压能始终保持平衡 开口三角端的零序电压也能保持稳定 且 不影响小电流选线装置的准确选线 从而确保了供电系统的安全可 13 靠运行 7 7 创新点 创新点 1 用最简单 最经济的办法解决了重大的安全供电问题 实现 了经济效益最大化 初