电磁式电压互感器铁磁谐振案例与消谐改进措施

于爱民，杜宁宁

（1.华电青岛发电有限公司，山东青岛266031；2.华电国际技术服务中心，济南250014）

电磁式电压互感器铁磁谐振案例与消谐改进措施

于爱民1，杜宁宁2

（1.华电青岛发电有限公司，山东青岛266031；2.华电国际技术服务中心，济南250014）

电磁式电压互感器铁磁谐振引起的过电压是中性点不接地电网中最常见的一种内部过电压故障。对某电厂一起铁磁谐振停机事故进行分析，依据电磁式电压互感器铁磁谐振的发生原因，提出微机消谐装置在消除间歇性接地故障造成的铁磁谐振时存在的局限性，并从一次设备选型、微机消谐装置的完善、继电保护配置角度提出防止铁磁谐振的技术措施。

中性点不接地系统；电压互感器；铁磁谐振；微机消谐

0引言

电磁式电压互感器（TV）铁磁谐振引起的过电压是中性点不接地电网中最常见、造成事故最多的一种内部过电压故障［1］。在发电厂高压厂用电系统中电压互感器多为电磁式电压互感器，厂用电系统采用中性点不接地系统时，当发生单相接地允许继续运行2 h，并不立刻切除故障点［2］。此时，系统参数变化，接地相电压降低，非故障相电压升高，TV铁芯可能饱和满足铁磁谐振条件产生过电压。尤其当单相接地为间歇性电弧接地时，接地点的间歇性电弧在熄灭瞬间，系统电压恢复正常，电弧重燃后系统电压再次变化。铁磁谐振和过电压会引起TV一次高压熔丝熔断，甚至造成TV过热烧毁或绝缘击穿损坏［3］。

1 电压互感器铁磁谐振案例分析

1.1 厂用电系统概况

厂用电系统为中性点不接地系统如图1所示，设置6 kV工作A、B两段母线，每段均采用单母线双进线接线形式，工作电源引自3号高压厂用变压器，备用电源引自6 kV厂用电备用段。3号高压厂用变为SF9-20000／15型双卷变压器，接线组别Dd12；6 kV母线TV为电磁型电压互感器，型号为JDZJ-6；装设于母线TV二次开口三角处的消谐装置为某公司生产的微机电力谐振诊断消除装置；1号综合变接于6 kV工作A段6308开关，容量1 600 kVA，电缆型号为YJLV-6／10 kV 3×95 mm2，长度为1 400 m左右，直埋敷设。

图1 6kV厂用电系统主接线

1.2事件简述

2013-06-13T23∶11∶00，1号综合变6 kV电缆发生间歇性接地故障并激发电压互感器铁磁谐振。由于6 kV厂用电为不接地系统，发生单相接地时可短时间维持运行，继电保护只发出接地信号。放电初期谐振情况并不严重，随着间歇性放电的重复发生，6 kV工作A、B段TV一次侧饱和电流迅速增大，在此过程中消谐装置未能抑制谐振的发生，使TV三相一次保险相继熔断。低电压保护动作，相继切除风机、水泵等重要辅机，锅炉MFT。

6 kV工作A、B段厂用电快切装置“失压”启动厂用电源切换，6kV工作A、B段进线电源开关6301、6302跳闸，备用电源开关6303、6304合闸。切换后6 kV厂用电备用段母线PT B相一次保险再次熔断。

1.3 故障录波器记录波形分析

调阅发变组故障录波器波形记录曲线，如图2、图3所示，以故障录波器启动时刻的相对时标顺序分析事件的发生过程。

图2 C相第1次瞬时性接地波形

图3 A段PT B相发生铁磁谐振波形

10 ms，6 kV工作A段1号综合变6 kV电缆C相发生第1次瞬时性接地故障；故障期间6 kV A、B相非故障相对地电压最高值约83 V；接地故障激发6 kV工作A段B相TV铁磁谐振。

3 127 ms，6 kV工作A段1号综合变6 kV电缆C相发生第2次瞬时性接地故障。接地时A相电压有效值最高约129 V，并导致6 kV工作A段TV B相铁磁谐振加剧。

13 245 ms，6 kV工作A段1号综合变6 kV电缆C相发生第3次瞬时性接地故障。故障激发6 kV工作B段B相TV铁磁谐振，导致B相TV一次熔丝在13 500 ms左右熔断。因铁磁谐振过电流，6 kV工作A段TV B相一次熔丝在15 000 ms左右熔断。

17 953 ms，6 kV工作A段C相第4次瞬时性接地故障。故障导致6 kV工作A段C相TV、6 kV工作B段C相、A相TV铁磁谐振，一次熔丝相继熔断。18 843 ms，6 kV工作A、B段厂用电源切换。

22 734 ms，1号综合变6 kV电缆C相故障点重复接地，导致相同位置电缆B相绝缘损坏击穿。故障时A相电压最高达127 V；故障熄弧后，6 kV备用段TV A相电压互感器发生谐振。

23 156 ms，1号综合变6 kV电缆B相第2次瞬时性接地故障，故障持续时间约166 ms；非故障A相电压持续保持在120～130 V之间。

30 841 ms，B相第3次接地故障，并转换为永久性接地；A、C相电压升高至120 V左右，B相电压降低至30 V左右；接地导致备用段母线TV 3相均发生铁磁谐振，波形严重畸变。三相电压均含有较高数值的三次谐波，幅值约20～23 V。

根据故障录波波形推论：故障初为1号综合变6 kV电缆C相瞬时性接地，第1次接地即激发6 kV工作A段B相TV铁磁谐振；第3次接地激发6 kV工作B段B相TV铁磁谐振，一次熔丝熔断；第4次接地导致6 kV工作A段C相、6 kV工作B段A相、C相TV铁磁谐振，30 ms内一次熔丝相继熔断。1号综合变6 kV电缆C相故障点重复接地，导致相同位置电缆B相绝缘损坏击穿。B相故障经2次瞬时性接地后，在第3次转换为永久性接地故障。

1.4 谐波含量分析

利用故障录波器分析软件对6 kV A段B相TV铁磁谐振波形谐波含量进行分析。因故障录波器分析软件不具备分频谐波分析手段，仅对高次谐波含量进行分析。6 kV A段母线B相TV铁磁谐振谐波含量见表1。由表1可见，此次铁磁谐振波形主要为基波，另外含有大量的奇次谐波，3次谐波约占20%。

表1 6kV A段母线B相PT铁磁谐振谐波含量V

1.5 瞬时性接地重复发生对系统铁磁谐振的影响

第1次瞬时性接地故障导致6 kV A段、B段母线基波零序电压持续15 V以上约30 ms，非故障相对地电压最高值约83 V，最高零序电压值69.485 V；第2次瞬时性接地故障导致6 kV A段、B段母线基波零序电压持续15 V以上约60 ms，A相电压有效值最高约129 V，最高零序电压值124.598 V。第1次瞬时性接地故障并不严重，随着接地故障的重复发生，非故障相过电压及零序电压呈增大趋势。

根据高次谐波分析结果可知，铁磁谐振波形除基波外含有大量3次谐波。图4为第1次瞬时性接地后6 kV A段TV B相谐振波形3次谐波含量趋势图，3次谐波由最初的4～5 V，上升到12～15 V，稳定在5～6 V。

图4 第一次接地PT铁磁谐振3次谐波趋势

图5为第2次瞬时性接地前后3次谐波含量趋势图，3次谐波由5～6 V，经3 120 ms第2次瞬时性接地激发上升到20～21 V，最终稳定在12～13 V。

图5 第二次接地PT铁磁谐振3次谐波趋势

根据图4、图5分析，瞬时性接地故障消失后，发生谐振的TV 3次谐波持续存在，且随着瞬时性接地故障的激发幅值呈增大趋势，铁磁谐振随着接地故障的激发逐渐加剧。

2 微机消谐装置的局限性分析

为了防止在单相接地时由于装置误动使TV长时间过负荷而烧毁的情况发生，微机消谐装置需要区分谐振和单相接地故障。目前，微机消谐装置对基波谐振和单相接地故障判据的主要区别在于零序电压U0的高低。通常，基频谐振定为U0≥150 V时，当30 V≤U0＜145 V时定为单相接地故障［4］。

根据波形分析，第1次接地故障最高零序电压值仅为69.485 V，第2次瞬时性接地故障最高零序电压值约124.598 V。对这种工频位移电压不是很高的情况装置无法动作，在持续时间较长的间歇电弧过电压激发下，流过TV高压绕组的电流不断增大，最终使励磁特性欠佳、铁芯易饱和TV的熔丝熔断。

由于6 kV厂用电系统非常庞大，系统对地电容较大，间歇性瞬时接地故障重复发生，配置的微机消谐装置即使正确投入，也不能抑制间歇性接地故障的重复发生。

17 953 ms发生的6 kV工作A段C相第4次瞬时性接地故障，在30 ms内导致6 kV工作A段母线C相TV、6 kV工作B段母线C相、A相TV一次熔丝相继熔断。对这种互感器因瞬时饱和涌流而造成熔丝熔断的事故也无能为力。

3 改进措施

3.1 二次消谐装置改进方案

二次消谐装置在正确区分基波谐振、接地故障方面存在局限性。接地故障、铁磁谐振都会有零序电压产生，单纯依靠零序电压数值的高低来判断是否发生铁磁谐振，投入二次消谐装置，从实例分析无法达到正确判断的目的。建议增设接地电容电流判据，以达到正确区分接地故障和铁磁谐振的目的。即：基波零序电压、三次谐波电压、接地电容电流均大于动作值，判断为接地故障；若电容电流消失，基波零序电压、三次谐波电压仍存在，判断为瞬时接地激发铁磁谐振。可将微机消谐装置与小电流选线装置合二为一，或联网信息共享，达到正确区分接地故障和铁磁谐振的目的。

3.2 采用接地保护投入跳闸的方式

随着发电厂厂用电系统的增大，接地电容电流增大，当电容电流数值大到一定程度，瞬时性接地故障不容易熄弧。接地故障的重复发生使系统不平衡电压逐渐增大，铁磁谐振呈增强趋势。

建议不接地系统高压厂用电母线上各个馈线装设高灵敏的接地故障保护装置，装置由反映零序电流或零序方向的元件构成，为便于判断瞬时性接地故障，装置应具有记忆瞬时性接地的功能。当系统的单相接地电流在10 A及以上时，电动机回路的单相接地保护应瞬时动作于跳闸，馈线在15 A及以上时也应动作于跳闸。对于接地故障电流不满足上述要求的系统，也有电厂采用接地保护投入跳闸正确动作的案例。高灵敏微机接地保护投入跳闸，可及时判断切除故障线路，避免由于接地故障导致系统过电压造成相间短路，同时，故障线路的切除，改变了系统电容参数，破坏谐振条件，避免谐振的进一步发展。

对较频繁发生电压互感器铁磁谐振的系统，消除谐振最可靠的办法是改变TV的铁磁元件，更换励磁性能好、抗饱和能力强的大容量TV，最好是更换成电容式电压互感器，目前呈容性的抗谐振TV已在国内大量生产，且已有成功的运行经验［5］。

4 结语

从一起6 kV电压互感器铁磁谐振典型案例分析可以得出，微机消谐装置在消除间歇性接地故障造成的铁磁谐振时存在局限性，从微机消谐装置自身完善和继电保护装置两方面提出改进建议。可采用励磁性能好、抗饱和能力强的大容量TV、完善微机消谐装置和继电保护出口方式采取措施，有效防止发生电压互感器铁磁谐振。

［1］翁利民，陈灵欣，靳剑峰.配电网电压互感器铁磁谐振的特点与抑制［J］.继电器，2004，32（20）：40-42.

［2］杨学昭，刘苡玮.10 kV系统电压互感器防止铁磁谐振过电压的二次接线改进［J］.继电器，2006，34（23）：72-73.

［3］任业生.10 kV系统TV防铁磁谐振过电压的二次接线改进［J］.电工技术，2006（11）：33-34.

［4］刘春华.6 kV配电系统消除谐振过电压的改进措施［J］.电世界，2013（6）：33-35.

［5］彭泽华，黑绥亚，何俊良.消谐装置导致电压互感器烧毁事故分析［J］.广西电力，2010，33（4）：38-39.

Case Analysis on Electromagnetic Voltage Transformer Ferromagnetic Resonance and Suggestions on Harmonic Elimination

YU Aimin1，DU Ningning2
（1.Huadian Qingdao Power Company Limited，Qingdao 266031，China；2.Huadian Power International Corp Technical Service Center，Jinan 250014，China）

Overvoltage caused by electromagnetic voltage transformer ferroresonance is one of the most common internal overvoltage faults in ungrounded grid.Through case analysis of a typical ferroresonance in one power plant，on basis of the causes of ferromagnetic resonance，this paper points out the limitation of microcomputer in eliminating intermittent harmonic elimination of the ferromagnetic resonance caused by earth fault.To prevent ferroresonance，technical measures are put forward from various aspects such as equipment type selection，optimization of computer harmonic elimination，relay protection configuration.

isolated neutral system；potential transformer；ferromagnetic resonance；computer harmonic elimination

TM451

B

1007－9904（2015）08－0057－03

2015-03-25

于爱民（1970），女，高级工程师，从事发电厂电气技术管理工作；

杜宁宁（1973），女，高级工程师，从事发电厂技术监督管理工作。