火电厂10 kV系统中性点采用氧化锌电阻产生的问题及对策

（国家电投西宁发电分公司，青海 西宁 810000）

1 分析以往事故发展过程、类型和特点

案例1：2019年12月20日18时56分08秒10 kV 1B段1号炉引风机B开关柜电缆头接地短路，经过一段延时，1号炉引风机B开关报 “ABC Imax 21.70 A，过流I段动作”并跳闸，后经故障录波波形检查： A相发生了单相接地，接地相电压接近0，不接地相电压升高为10 kV左右，BC相电压波形中含有谐波分量，经过41 s的发展，由单相接地发展成为三相短路后过流跳闸。

案例2：2017年03月27日21时30分电气操作人员用进线开关给10 kV脱硫1B段空母线充电，发现进线开关柜上有“频率异常”报警，母线电压呈现三相交替升高，线电压在12 kV～14 kV之间波动，母线PT伴有“谐振”报警，随后10 kV脱硫1B段母线PT B相爆炸，分析判断为分频谐振。

案例3：启备变空载运行时，低压侧A、B分支三相电压不平衡，测控装置伴有接地报警，继续带负荷后，三相电压逐渐恢复平衡，接地报警消失。通过这些现象分析启备变空载运行时发生基频谐振。

案例4：2017年1月20日03时27分10 kV 1A段发生1号炉引风机A电机接线盒A相单相接地，10 kV 1A段工作电源PT报“接地报警”“综保装置故障”，10 kV 1A段母线电压A相0.57 kV、B相10.64 kV、C相10.08 kV，10 kV脱硫1A段母线电压三相电压为0 kV。经检查10 kV脱硫1A段母线电压波动UAB由10.7 kV降低 0 kV，UBC和UAC由10.7 kV均升高 16.6 kV，经过24 s时间，10 kV脱硫1A段母线PT三相保险全部熔断，根据现象判断当时由于1号炉引风机A电机A相单相接地不稳定暂时消失激发了分频谐振，PT一次侧产生了过电流和过电压现象，A相保险因过电流先熔断，B、C相保险因过电流后熔断，谐振终止。

根据以上案例，判断该10 kV系统有以下4个特点：1）发生单相接地后，接地相电压接近0，不接地相电压升高为10 kV左右。2）从案例1看出该系统发生了A相接地故障后，经过了41 s后才跳闸的。当A相接地时，发生了间歇性电弧接地，间歇性弧光接地产生过电压，B、C相电压逐渐升高，在其绝缘薄弱处发生击穿，发展成为三相短路。3）1号炉引风机B发生A相接地后，10 kV开关的零序保护未动作，当发展成三相短路后三相过流保护才动作跳闸，证明这个系统实际的零序电流比较小。4）从案例2、3、4看出，该系统容易发生铁磁谐振过电压。总结以上特点，判断该系统有中性点不接地的系统特征。

2 分析原因

2.1 弧光接地过电压的成因

当中性点不接地系统，单相接地故障电流与线路的对地电容和额定电压成正比。单相接地时产生间隙性电弧与系统单相接地电流大小密切相关。如果系统小线路短，其单相接地电容电流小，一些瞬时性接地故障过后电弧自动熄灭系统会恢复正常。当系统大线路长时，例如10 kV电容电流超过10 A时，接地电弧将难以熄灭。

弧光接地过电压又称间隙性弧光接地过电压，中性点不接地系统的中性点对地是绝缘的，系统对地电容中储存的电荷没有释放的通路。以案例1来说，A相发生单相间隙性电弧接地后，故障点接地电弧在暂态高频振荡电流通过第1个零点时熄灭，B、C相分别发生了对地电容的高频振荡充电过程，由于B、C相上电荷没有通路释放，使B、C相上的电荷不断增加，在B、C相上产生了位移电压；以后每经过半个基频周波，接地电弧重燃1次，B、C相电压增高1次，由于相间电容的抑制作用，B、C相的过电压幅值最高可达3.5倍相电压，且含有谐波分量，由于电缆的容性电流比较大，A相间隙性的电弧逐渐发展成为持续的电弧，电弧的灼伤使靠近B、C相的绝缘受损，再加强上B、C相电压升高，在这个受损的绝缘处发生击穿，造成了三相短路。而我厂启备变低压侧中性点的氧化锌电阻不击穿形成的不接地系统以及对地的电容提供了弧光接地过电压形成的条件。

2.2 铁磁谐振过电压成因

电磁式PT低压侧负荷很小，高压侧励磁阻抗很大，在合空载母线或者在接地故障消失后，它与导线对地电容或其他电气设备的杂散电容间形成单相或三相谐振回路，并能激发出各种铁磁谐振过电压。铁磁谐振过电压的出现都是由于在电源中性点产生了位移电压。

某火电厂厂高变、启备变10 kV侧中性点经60 Ω氧化锌非线性电阻接地，由案例分析，这种氧化锌电阻很难击穿，系统表现为不接地系统，再加上10 kV脱硫母线PT 1次中性点直接接地，与系统对地电容就构成了谐振回路。

以某厂10 kV 1B段为例，如图1（a）和图1（b）所示为10 kV 1B段不接地系统与10 kV脱硫1B段母线PT构成的谐振回路。EA、EB、EC为A、B、C三相电源的电势，C0为对地电容，L为PT的1次绕组电感，G为非线性谐波发生器。

2.3 高频或者分频谐振过电压

在正常运行的三相电源中，不存在谐波分量，但在过渡过程中，因激发产生高频或分频谐振，此时维持回路谐波谐振的电源是非线性电感元件的非线性效应，将基频电源能量转化为谐波能量供给的[1]。此时，PT饱和引起的谐振回路如图1（b）所示。当线路较短时，C0很小；由于PT铁心的励磁特性，电感L容易饱和；系统中有多台PT并联后电感L降低，回路频率很高，就可能出现高频谐振。当线路很长时，C0很大，回路频率很低，则会出现分频谐振。还有谐振与激发条件有关。

产生谐振时，三相对地电压的有效值为中性点谐波位移电压有效值的平方与基频电源相电动势有效值的平方之和的平方根。因此，三相对地电压同时升高是PT饱和引起谐波谐振过电压的特征。

分频谐振是其中的1种，分频谐振过电压幅值最高为2倍的相电压，因为频率低，PT的感抗急剧下降，1次励磁电流快速升高，1次熔断器随之熔断，如果电流尚未达到熔断值，但超过了PT额定电流，长时间过流运行也必然使PT烧毁。该厂主机10 kV母线至10 kV脱硫母线经过了很长的电缆连接，C0很大，出现分频谐振，这是案例2中10 kV脱硫1B段母线PT B相爆炸的直接原因。

图1 中性点不接地系统PT带Yn连接的三相电路图

当系统发生单相接地时，故障点会流过电容电流，非故障相相电压升至线电压并对对地电容充电荷。该电荷产生的电容电流以故障点为通路，以电源一导线一大地为回路。PT正常运行时励磁阻抗大负载轻，1次侧流过的电流小。一旦接地故障消失，接地的通路被阻断，而非故障相在接地期间被充电至线电压下的电荷，唯一的通道是经PT的1次绕组及其中性点流入大地。在这一瞬间，PT的1次绕组中将会流过1个幅值很高的低频饱和电流，导致PT铁心严重饱和，从而使PT的励磁阻抗快速下降，与系统对地电容形成了谐振参数回路，引发铁磁谐振过电压。这是案例4中脱硫10 kV PT熔断器熔断的原因。

2.4 基频谐振过电压

三相电路在外界的“激发”作用下，例如断路器合闸，就有可能使PT产生铁磁谐振，造成电源中性点电压发生位移，这个位移电压与电源电压叠加，如果位移电压较大，三相对地电压将同时升高；位移电压较低，那么其中一相或二相对地电压有可能低于相电压，三相对地电压出现了不平衡[1]。这也是案例3中启备变空载时三相电压不平衡的原因，造成虚假接地现象。

2.5 不接地系统单相接地后非故障相电压的升高的原因

如图2所示：Uab、Ubc、Uca为三相电源线电压，Ua、Ub、Uc为相电压，大小相等相角差120°；如果A相发生接地后，中性点由0移至0'，Ua=0 V，但是Ub=Uab、Uc=Uca增大了。

3 危害

3.1 中性点电压抬高的危害

中性点不接地系统发生单相接地后，非故障相相电压升高到线电压可能对其绝缘有损伤。

3.2 弧光过电压的危害

当不接地系统发生单相接地时，形成的间隙性弧光对非故障相的电缆绝缘造成灼伤同时产生的过电压促使非故障相绝缘薄弱环节击穿，从而造成事故扩大。

图2 中性点不接地系统A相发生单相接地故障后的向量图

3.3 谐振过电压的危害

谐振过电压会造成绝缘子闪络或PT爆炸，甚至避雷器的爆炸。

3.4 保护不匹配的危害

由于中性点不接地系统属于小电流接地系统，接地电流小，在发生单相接地故障时无法迅速确认故障线路，所以一般配备小电流接地选线装置，但也很难做到100%选线正确。如果直接用中性点经60 Ω线性电阻接地系统的保护定值，可能会造成零序保护拒动，进而造成事故的扩大。这也正是我们厂零序保护很少动作切除故障的直接原因。

3.5 人身触电的危害

对该厂来说，零序保护不能及时切除故障点，单相接地故障电流通过接地点向大地流散，在地面上形成分布电位，当有人靠近接地点时就有可能因跨步电压而触电。

4 改进的措施

4.1 限制弧光接地过电压的措施

4.1.1 中性点直接接地

既能消除弧光过电压，也能提高零序保护灵敏性，但是故障电流大会引起地电位的升高，对通信、电子设备和人身安全都构成威胁。

4.1.2 中性点经电阻接地

发生单相接地时，电阻泄放间歇性的弧光过电压中的能量，中性点电位迅速下降，降低故障相的电压恢复速度，减少重燃的可能，抑制了弧光过电压，同时也降低了非故障相的过电压[2]。

4.1.3 中性点采用消弧线圈接地

由于消弧线圈的电感电流补偿了系统的电容电流，降低了故障点的电流，有利于接地电弧的熄灭。但是消弧线圈不能补偿5次谐波接地电容电流[1]，并且可能对消除铁磁谐振过电压有反作用。

4.2 限制铁磁谐振过电压的措施

铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中特有的过电压，消谐的方法有2个：1） 改变电路中电感电容参数以破坏谐振条件。2） 吸收和消耗谐振能量来抑制谐振的产生。消除PT饱和引起的过电压的措施有以下6个：1）选用伏安特性较好不易饱和的PT。2）选用不存在饱和的问题的电容式PT。3）母线侧装设1组三相对地电容器。4）在发生谐振时，及时投退某些负荷或设备。5）投入中性点消弧线圈。6）在零序回路中接入阻尼电阻：在PT的开口三角绕组中短时接入电阻；或者在PT一次绕组中性点对地接入非线性电阻。

某火电厂已采用第1项和第6项措施，更换了10 kV 1B段、10 kV 2B段备用电源进线PT，采用伏安特性较好不易饱和的PT，且二次侧采用开口三角形绕组串入白炽灯；主机10 kV母线PT设计时一次绕组中性点对地接入非线性电阻，但是都对铁磁谐振效果有限。对于运行来说，启备变空载时，如果分支PT有异音判断是谐振时，采用第4项措施及时退出PT再送1次，或者继续带负荷来改变系统电路参数，达到消除铁磁谐振的目的。

4.3 有利于接地保护动作的措施

不接地系统发生单相接地后由于接地电容电流较小不易测量不利于零序保护正确动作，中性点中值电阻接地系统消除了接地电流小的问题，同时我厂的保护定值是按照10 kV系统中性点经60 Ω的线性电阻接地设计计算的零序阻抗，如果要让零序保护正常动作，必须选择60 Ω的线性电阻。

5 改造后的优点

10 kV系统中性点由60 Ω氧化锌非线性电阻接地改造为经60 Ω的线性电阻接地后，由不接地系统改为经中值电阻接地，有以下弧光优点：1）抑制了弧光过电压（见该文4.1.2解释）。2）消除了铁磁谐振过电压。中性点经电阻接地相当于在PT的高压绕组中串联1只消谐电阻。3）限制断线过电压[1]。中性点经电阻接地后，电阻并联在谐振回路上，对串联谐振有抑制作用，从而限制了电源侧的过电压。4）由于限制了过电压，不仅减少了对10 kV系统的电气设备的损坏和绝缘老化，而且延长了设备使用寿命，提高了设备可靠性[3]。5）中性点经电阻接地后限制了短路电，减小了对故障点的烧伤[3]。6）有利于继电保护的快速正确的动作切除故障点，避免了持续弧光过电压造成的事故扩大和因跨步电压造成人身触电的风险。7）启备变空载时对地三相电压已恢复平衡，有利于启备变安全运行。8）对厂用电切换来说，以前启备变空载三相电压不平衡引起备用电源与厂用电源电压差大于并联切换条件，不得不采用串联切换，现在并联切换就能切换，提高了厂用电切换的可靠性。