电压互感器铁磁谐振引起的基波定子接地保护动作分析

陈海龙，李建强，张玉宝，王双歌，张红跃

（1.许继电气股份有限公司，河南省许昌市 461000；2.大唐三门峡电力有限责任公司，河南省三门峡市 472143）

电压互感器铁磁谐振引起的基波定子接地保护动作分析

陈海龙1，李建强2，张玉宝1，王双歌1，张红跃1

（1.许继电气股份有限公司，河南省许昌市 461000；2.大唐三门峡电力有限责任公司，河南省三门峡市 472143）

结合发电厂实际运行中出现的一例由于机端电磁式电压互感器铁磁谐振引起的“虚幻接地”现象造成基波定子接地保护动作，从保护原理、保护动作报告、录波信息详细分析了定子接地保护动作行为，并对TV铁磁谐振原理、特点进行详细分析，当系统参数符合基波谐振的条件，在外部原因的激发下引起基波谐振产生“虚幻接地”现象。最后提出机端TV铁磁谐振的消谐措施及注意事项，以保证发电机组安全可靠运行。

TV铁磁谐振；虚幻接地； 基波定子接地保护；消谐措施

0 引言

一般而言，铁磁谐振较常发生于不接地系统，尤其在电磁式电压互感器处尤为常见。电压互感器铁磁谐振过电压也称为电压互感器铁芯饱和过电压，是一种内部过电压现象，多发生于6～35kV 不接地系统中。[1]

在某种大的扰动或操作作用下，发电机组机端TV非线性铁磁电感元件就可能饱和，从而与发电机组的对地电容形成特殊的单相或三相谐振回路，激发起持续的较高幅值的过电压、过电流，这就是TV铁磁谐振。

当发电机出口TV发生并联谐振时，会造成 TV 过电压，发生 TV 高压保险熔断甚至 TV 烧毁事件，继而引发其他事故。另外，还会出现电磁式电压互感器“虚幻接地”现象[1]，造成发电机基波定子接地保护动作事件，严重影响了电厂设备的安全稳定运行。

1 基波定子接地保护动作分析

定子接地保护作为发电机定子回路单相接地故障保护[2]，当发电机定子绕组任一点发生单相接地时，该保护按要求的时限动作于跳闸。

1.1 基波定子接地保护原理

基波零序电压原理保护发电机85%～95%的定子绕组单相接地。保护一般分两段两时限。

其中：3U0为基波零序电压，一般取中性点电压，如果中性点无TV，则取机端零序电压，带TV异常闭锁；Uoph为基波零序电压高定值段整定值；Uopl为基波零序电压低定值段整定值。

低定值零序电压原则上按躲过正常运行时中性点单相电压互感器或机端三相电压互感器开口三角绕组的最大不平衡基波零序电压整定，工程应用中整定值须躲过系统高压侧和厂变低压侧接地短路时传递到发电机侧的最大零序不平衡电压。保护延时动作于跳闸。

高定值零序电压一般整定为15～25V，保护短延时动作于跳闸，延时时间一般整定为0.3～1.0s。

1.2 基本定子接地保护动作分析

某电厂双套基波零序电压保护高定值段动作，保护定值及动作报告见表1～表3。

表1 基波定子接地保护定值单Tab.1 Stator grounding protection setting value

表2 A套基波定子接地保护动作报告Tab.2 A sets of stator grounding protection action report

表3 B套基波定子接地保护动作报告Tab.3 B sets of stator grounding protection action report

从动作报告可以看出基波零序电压达到104V，双套基波零序电压高定值段动作完全满足保护定值设置的要求。

保护装置录波信息如图1所示。

图1中机端自产3U0波形由机端三相电压相加合成得到。从录波图中可以看出保护动作时刻机端A相电压值为102V、机端B相电压值为103V、机端C相电压值为1V、发电机中性点零序电压值为102V、机端零序电压值为104V、机端自产零序电压为177V。三相线电压为100V，且对称。根据以上波形信息可以得知，数据特征满足典型机端C相金属性接地故障。保护动作信息与录波信息一致，基波零序电压保护高定值段动作行为正确。

从保护动作信息看符合机端C相金属性接地的规律。但停机后未找到故障点，对发电机C相绕组进行耐压试验， 试验结果一切正常。之后， 对电压互感器做励磁特性后发电机组重新并网，测量一次电压值、二次电压值都正常，最终判断问题出在机端电压互感器上。

图1 录波信息图Fig.1 The map of recording information

上述例子所出现的现象叫作“虚幻接地”，是由于当时的机端出现工频位移过电压而造成的， 并非机组出现了接地故障，这种现象通常发生在中性点不接地系统中，一般由TV铁磁谐振引起。

2 TV铁磁谐振原理

交流电路在一定的特定条件下，可能会发生电路中电能和磁能相互转换的情况，此过程中外加的交流电源仅供电阻上的能量损耗，不再与电感线圈或电容器发生能量转换，这种现象就称为电路发生了谐振。根据谐振电路的不同，谐振可分为串联谐振和并联谐振。

2.1 串联谐振

在电阻、电感和电容的串联电路中，如果出现电路总电流和电路的端电压同相位的现象，定义为电感元件与电容元件发生了谐振，这种电路称之为串联谐振电路。

发生串联谐振时，电容两端的电压UC与电感两端的电压UL大小相等，相位相反，阻抗为最小值，串联谐振回路中的电流为谐振电源电压与电阻的比值，电感两端的电压值为：

如果感抗远大于电阻时，可能出现UL远大于电源电压U的现象，就会在电压互感器两端产生谐振过电压，造成TV的损坏。

2.2 并联谐振

在电阻、电感和电容的并联电路中，出现电路总电流和电路的端电压同相位的现象，定义为电感元件与电容元件发生了谐振，这种电路称为并联谐振电路。

图2 串联谐振电路图Fig.2 The circuit diagram of series resonant

图3 并联谐振电路图Fig.3 The circuit diagram of parallel resonance

发生并联谐振时，电路的端电压和电路总电流同相位，输入导纳为最小值或者说输入阻抗为最大值，并联谐振回路中的电流为谐振电源电压与电阻的比值，电感两端的电流值为：

实际系统中R值一般很小，如果感抗远大于电阻时，可能出现IL远大于电源电流I的现象，严重威胁到互感器一次侧的绝缘以及保险丝。因此，并联谐振的危害比串联谐振的危害大得多。

2.3 TV铁磁谐振特点

由于TV铁磁元件的非线性特性，电感值不是常数，因此谐振回路中并没有固定的振频率。因此，在同一个电气回路中，既可能会产生谐振频率等于基波（50Hz）的基波谐振，也可能产生高次谐波（如3次、6次谐波）和低频谐波（如1/2、1/3次谐波）的谐振。根据H.A.Peterson谐振分布原理，电力系统中发生频率不同的谐振与基波时系统对地电容的容抗XC和TV的感抗XL的比值有直接关系，当对地电容的容抗XC和TV的感抗XL比值关系不同时，会发生不同形式的谐振[3]。

1）低频谐振：当比值为0.01～0.08时，发生低频谐振。主要表现为：过电压倍数较低，一般不超过2.5倍的相电压；三相电压同时升高，而且有周期性的摆动，线电压正常。

2）基波谐振：当比值为0.08～0.8时，发生基波谐振。主要表现为：两相电压升高，一相电压将低，线电压正常；过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器；过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地信号指示，即“虚假接地”现象。

3）高次谐波谐振：当比值为0.6～3.0时，发生高次谐波谐振。主要表现为：过电压倍数较高；三相电压同时升高，最大值达到相电压的4～5倍，线电压基本正常；过电流较小。

2.4 机端TV谐振分析

发电机组机端TV铁磁谐振电路图如图4所示。

图4 机端TV并联铁磁谐振示意图Fig.4 The schematic diagram of terminal PT parallel resonance

图中Cg为发电机相对地电容，其值可根据发电机出厂参数获得，TV励磁电感可通过励磁特性试验获得。

机组机端TV的励磁特性试验如表4所示。

表4 电压互感器的励磁特性Tab. 4 The excitation characteristics of voltage transformer

已知发电机出口TV的变比k为10.5kV/0.1kV，选取TV二次电压为57.7V时，在基波电压作用下 TV的励磁感抗值为：

发电机单相对地电容为 0.36μF 左右。因此，可以计算出在基波电压作用下发电机的对地容抗为：

根据以上分析，可以看出此次定子接地保护高定值段动作的原因是机端TV发生基波铁磁谐振，出现即“虚假接地”现象。谐振特征与定子接地特征一致，定子接地保护高定值段快速动作将机组解列停机，防止TV并联基波谐振对一次设备特别是TV造成损伤。

3 TV铁磁谐振消谐措施

为了保证发电机组的安全稳定运行，必须采取有效的措施消除 TV 发生铁磁谐振。消除铁磁谐振的产生，应从发电机系统的电气参数着手，以破坏回路中发生铁磁谐振时的参数匹配为主要手段。这样就可以防止TV磁饱和，从而防止 TV 发生铁磁谐振。在实际运行中，通常可以采取以下措施消除铁磁谐振[4]。

（1）选用励磁特性相对比较好的TV。

当选用励磁特性较好的TV后，TV 的铁芯不易发生饱和，即并联谐振就不会在一定的因素下形成，这样就从根本上降低了TV发生并联铁磁谐振的概率。

（2）在TV的一次中性点处装设非线性电阻。

当 TV 发生铁磁谐振的瞬间，该非线性电阻的阻值会突然增大，这样就会限制 TV 发生谐振时的电容电流，从而破坏谐振条件，以防止 TV 保险熔断或TV 烧毁。

（3）在TV一次中性点装设零序 TV（4TV）。

当 TV发生铁磁谐振时，谐振产生的电容电流将流过零序 TV的一次绕组，由于零序TV的高阻抗能够抑制电容电流，从而满足破坏铁磁谐振的条件。

（4）在TV的开口三角形绕组开口端并联线性阻尼电阻或灯泡。

正常情况下，TV的二次侧开口三角处绕组两端没有电压，当TV发生铁磁谐振时，开口三角形绕组将会产生较高的电压，由于并联的阻尼电阻或灯泡阻值较小，故开口三角形绕组两端相当于短接，三角形绕组将流过零序电流，其产生的磁场对一次绕组起到了去磁的作用，这样就能在谐振发生时突然改变TV一次绕组的感抗，从而抑制TV的铁磁谐振。

（5）在TV开口三角形绕组并联微机消谐装置。

微机消谐装置实时监测电压互感器 TV 开口三角处电压和频率，当TV发生铁磁谐振时，装置瞬时启动无触点可控硅元件，由于可控硅元件的阻值很小，开口三角形绕组将流过很大的零序电流，从而产生强大阻尼，对一次绕组起到了去磁的作用，同样是改变了 TV 一次绕组的感抗，使铁磁谐振瞬间消除。

4 结束语

TV铁磁谐振的发生和类型同TV感抗以及机组（系统）对地电容大小存在密切联系。当发生基波谐振时，会出现电磁式电压互感器“虚幻接地”现象，其特征与定子绕组单相接地一致，造成发电机基波定子接地保护动作事件，严重影响了电厂设备的安全稳定运行。铁磁谐振的消谐措施主要有一次侧加电阻消谐、4TV法消谐、微机消谐等。易发生铁磁谐振的系统需要根据实际具体情况选择合适的消谐方式，以保证机组设备的安全稳态运行。

[1] 黄文韬.一例电磁式电压互感器“虚幻接地”现象的原因分析[J].继电器，2004，32（24）：66-68.HUANG Wentao. Analysis of Falsely Grounding of Electromagnetic Voltage Transformer[J]. RELAY， 2004， 32（24）： 66-68.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1998.

[3] 毕大强，王祥珩，等.发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J].电力系统自动化，2004，28（22）：55-57.BI Daqiang，WANG Xiangheng.Location Detection for the Stator Single-phase Ground Fault of Generator[J].Automation of Electric Power System，2004，28（22）：55-57.

[4] 陈俊，陈佳胜，等.发电机机端电压互感器匝间短路导致定子接地保护动作分析[J].电力系统自动化，2016，40（10）：143-147.CHEN Jun，CHEN Jiasheng.Operation Analysis of Stator Earth Protection Due to Voltage Transformer Inter-turn Short-circuit at Generator Termina.[J].Automation of Electric Power System，2016，40（10）：143-147.

[5] 梅成林，张超树.电压互感器铁磁谐振分析[J].电网技术，2008，32（增刊 2）：311-313.MEI Chenglin，ZHANG Chaoshu.Analysis of Voltage Transformer Ferroresonance[J].Power System Technology，2008，32（Supplement 2）：311-313.

[6] 孙增杰，王铁强，王海棠.电力系统铁磁谐振分析综述[J].电力设备，2007，8（12）：62-64.SUN Zengjie，WANG Tieqiang，WANG Haitang.Analysis of Power System Ferro-resonance[J].Electrical Equiment，2007，8（12）：62-64.

[7] 董国震，和敬涵.电力系统局部电路谐波谐振产生原因分析及对策[J].继电器，2007，35（1）：77-80，84.DONG Guozhen，HE Jinghan.Causal Analysis and Countermeasure on Harmonic Resonance in Local Circuit of Electric Power Systems[J].RELAY，2007，35（1）：77-80，84.

[8] 刘哲，闫顺康，陈毅航.浅谈电动机差动保护基本原理及事故处理应用[J].水电与抽水蓄能，2015，1（2）：26-30.LIU Zhe，YAN Shunkang，CHEN Yihang.Brief Talking on the Basic Theory of Electric Motor’s Differential Protection and the Application of Accident Treatment[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（2）：26-30.

陈海龙（1975—），男，高级工程师，主要研究方向：电力系统继电保护。E-mail：124951470@qq.com

李建强（1983—），男，工程师，主要研究方向：电厂继电保护管理、研究。

蒲石河上水库秋景（傅诚摄）

The Action Analysis of Stator Ground Protection Caused by TV Unreal Grounding

CHEN Hailong1, LI Jianqiang2, ZHANG Yubao1, WANG Shuangge1,ZHANG Hongyue1
(1.XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Datang Sanmenxia Electric Power Co., Ltd., Sanmenxia 472143, China)

Combined with the actual operation of power plant in one case due to the terminal electromagnetic voltage transformer ferroresonance “unreal grounding” phenomenon caused by the action of stator grounding protection， from the protection principle，protection action report， records the detailed analysis of the stator ground protection action， and detailed analysis on TV ferromagnetic resonance principle， characteristic， when the system parameters meet the fundamental resonant conditions， cause the fundamental resonance produced “unreal grounding” phenomenon in the stimulation of the external cause. Finally put forward the measures of eliminating harmonics terminal TV ferroresonance and the matters needing attention， to ensure safe and reliable operation of generating unit.

TV ferromagnetic resonance unreal grounding；harmonic stator grounding protection； elimination measures

TV736

A

470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.020

2016-03-06

2016-04-25