某电厂电压互感器铁磁谐振案例的分析及对策

王 权，李 炜

（葛洲坝水力发电厂，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

铁磁谐振是由于电磁式电压互感器的励磁感抗与电力系统的对地零序容抗构成的谐振引起的中性点位移。铁磁谐振在电力行业时有发生，若不及时处理或处理不当，可能会引起系统对地电压升高，进而导致电力设备或线路中绝缘损坏，形成接地或短路故障，严重影响电力设备安全稳定运行，甚至危及电力系统[1]。为了避免发生铁磁谐振，对电力设备进行设计和操作时，应进行估算和分析，尽可能地避免正常运维过程中发生谐振，或采取措施预防谐振。本文结合某电厂主变压器倒挂时主变压器低压侧电压互感器铁磁谐振的案例，对电磁式电压互感器引起的铁磁谐振及限制方法进行了讨论。

1 案例概述

某电厂6F单元电气主接线示意图如图1所示，主接线已根据文章论述需要简化。

图1 6F单元主接线示意图Figure 1 Schematic diagram of 6F unit main wiring（simplified）

2016年4月22日02：06运行人员接到调令6F机组停机备用（厂变压器开关24DL此前已断开）。

02：11：37中控室发令6F机组空载，断开806DL，拉开8061刀闸。

02：14：26中控室发令6F机组停机。

02：14：51监控系统报“主变低压侧零压报警”。

报警时6FB保护盘现场信号：

（1）南瑞继保RCS-985保护装置前面板上报警灯亮，液晶显示屏报文显示：“主变压器低压侧开口三角零压报警”；

（2）四方CSC-316M装置无信号；

（3）中元华电录波装置面板上录波灯亮，装置持续启动录波。

2 检查处理

2.1 806DL操作分闸时波形

02：11：37 806DL断开，保护盘8JP故障录波如图2所示。从录波图中可以看到在806DL断开前与断开后，主变低压侧开口三角电压并未见明显异常，电压值在3V以下，和平时运行值一致。

2.2 3YH零序电压开始发生异常时波形

6F机组处于停机备用状态后，主变压器6B倒挂，厂用变压器24DL处于断开状态，6B低压侧未带任何负荷，仅带有3YH。806DL断开约3min后，02：14：51 3YH开口三角电压逐渐开始变化，波形如图3所示。南瑞继保RCS-985保护装置主变压器低压侧开口三角电压报警，监控系统报“主变压器低压侧零压报警”。

2.3 保护报警时电压波形

用万用表量测得3YH开口三角电压约为86V，使用便携式录波仪查看波形，周期约为40ms，波形显示如图4所示。

图4 3YH开口三角电压波形图Figure 4 Open-delta voltage waveform of 3YH

用万用表量得3YH线电压三相对称，为96V左右，录波仪上波形显示如图5所示，其有效值94.83V，周期为20ms。

图5 3YH线电压波形图Figure 5 Line voltage waveform of 3YH

用万用表量3YH测得A相、B相、C相相电压都在74V左右，录波仪波形显示相电压中含有较大的谐波分量，波形如图6所示。

图6 3YH各相电压波形图Figure 6 Phase Voltage waveform of 3YH

2.4 报警信号复归

运行人员于14：13：20合上厂用变压器开关24DL，主变压器低压侧零压随即恢复正常，主变压器低压侧零压报警信号随即复归，相关波形如图7所示。

图7 厂用变压器开关24DL合上，3YH零压恢复正常Figure 7 Factory switch 24DL closed，3YH zero voltage returned to normal

3 案例分析

3.1 保护配置情况

该电厂6FB现配置有两套发电机-变压器组保护，南瑞继保的RCS-985，四方继保的CSC-306D和CSC-316M，两套保护均配备了主变压器低压侧零压报警保护，在发电机出口开关断开时自动投入，用于监视主变压器低压侧系统单相接地故障。两套保护主变压器低压侧零压报警保护定值均整定为40V，延时5s发信。该保护采集的零序电压取自主变压器低压侧电压互感器（3YH）开口三角回路，未接入3YH三相相电压，测控专业测量盘有采集3YH三相相电压。现场检查二次采集测量回路和保护装置均正常。

3.2 3YH电压异常分析

根据检查结果，报警时：3YH线电压三相对称，为正常值约96V，相电压都在74V左右（正常值为57V），并且波形中含有较大的谐波分量，开口三角电压约为86V，周期约为40ms。

对主变压器低压侧相电压、开口三角电压进行matlab频谱分析，频谱图如图8、图9所示。从频谱图中可以看出，开口三角电压频率在25Hz左右，相电压包含除了工频以外还含有25Hz分频谐波。

图8 开口三角电压波形频谱图Figure 8 Spectrum of open-delta voltage waveform

图9 相电压波形频谱图Figure 9 Spectrum of Phase voltage waveform

当发生接地故障时电气特征量为：故障相的电压降低，非故障相的电压升高。此次主变压器低压侧零压报警与主变压器低压侧单相接地故障电气特征量不符。

根据图10中H.A.Peterson谐振分布原理，电力系统中发生不同频率的谐振与基频时系统对地电容的容抗XC0和互感器的感抗XL的比值有直接关系[2]～[5]：

图10 H.A.Peterson谐振分布原理图Figure 10 H.A.Peterson resonance area diagram

（1）当比值为0.01～0.08时，发生分频谐振，表现为：过电压倍数较低，一般不超过相电压的2.5倍，三相电压表的指示数值同时升高，而且有周期性的摆动，线电压指示数正常。

（2）当比值为0.08～0.8时，发生基频谐振，表现为：三相电压两相高、一相低，线电压正常；产生很大的过电流会导致互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器；过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地动作或告警，即虚假接地现象。

（3）当比值为0.6～3.0时，发生高频谐振，表现为：过电压倍数较高；三相电压表同时升高，最大值达相电压的4～5倍，线电压基本正常且稳定；谐振时过电流较小。

根据频谱分析结果和现场检查结果，此次主变压器低压侧零压报警与电压互感器分频谐振特征非常吻合，经分析基本认定主变压器开口三角电压异常为3YH分频谐振导致。

4 解决方案及应对措施

一般来说，常规电压互感器励磁阻抗很大，网络对地阻抗仍呈容性，三相基本平衡，中性点的位移电压很小，但当系统处在操作中或有故障、受到扰动时，系统对地电压会出现低频自由分量，使电压互感器对地电压升高，电压互感器一次线圈中出现涌流[6]。涌流可能会使铁芯深度饱和，其电感值随铁芯的饱和而减小，当电感降至ωL=1/ωC时，就会导致铁磁谐振[7]。电力系统产生电压互感器铁磁谐振的条件为：

（1）系统的感抗不小于系统容抗的倒数；

（2）容抗的倒数大于或等于电感线圈在铁心饱和时的感抗；

（3）系统处于操作中或有故障、受到扰动时，使系统对地电压出现低频自由分量。只有同时满足以上三个条件，电压互感器铁磁谐振才会发生。

限制铁磁谐振的措施和办法是多种多样的，可以用以下措施防止铁磁谐振的发生。

4.1 变更运行方式

发生铁磁谐振需满足三个条件，任何一个条件的改变都会阻碍铁磁谐振的发生，因此当运行人员发现谐振后，变更当前运行方式（改变了系统参数中C和L的配合关系），可以破坏铁磁谐振条件，达到消除铁磁谐振的目的[8]。本文介绍的案例，当6B倒挂且不带厂用变压器运行时（厂用变压器开关24DL断开），系统参数C和L的配合正好符合3YH铁磁谐振条件，故在扰动的激励下发生了谐振；在运行人员合上24DL开关带厂用变压器运行后，谐振条件被破坏，谐振也随即消除。

运行人应尽量避免在易发生谐振的方式下运行，如若不可避免，应注意对互感器电压进行监视，若发现异常，立即通知维护人员协助处理，若电压异常非接地故障引起，经分析为铁磁谐振现象，应变更运行方式。

4.2 消谐电阻

在电压互感器的二次侧开口三角绕组上接入阻值合适的消谐电阻，可以有效地防止互感器发生谐振，这种方法简单实效。其大致原理为：消谐电阻接在开口三角绕组上，在谐振时能在开口三角绕组中产生额外励磁电流，改变一次侧等效电感，从而达到破坏谐振条件，防止发生谐振[8]。一般来说消谐电阻越小，抑制谐振效果越显著，但同时要考虑单项接地故障时绕组过电流对互感器的影响[9]～[10]。

在开口三角接入消谐电阻，有三种方案可供现场选择：①在开口三角长期接入，防止谐振；②在系统运行方式变更为易谐振运行方式之前通过空开接入，易谐振运行方式变更后退出接入，防止谐振发生；③在运行中发现谐振后投入，消除谐振。

4.3 微机消谐装置

铁磁谐振发生后，电压互感器开口三角绕组内会产生不同频率的零序电压。微机消谐装置采集电压互感器开口三角电压，对其进行特征量分析比对，自动识别出系统故障类型，接地故障还是发生了谐振。若装置认为发生了谐振，会根据谐振频率发出相应脉冲，控制可控硅吸收谐振能量，进而消除谐振。

5 结语

铁磁谐振在电力系统时有发生，发生后会产生大电流、过电压，既影响电力设备安全稳定运行，也严重威胁人身安全，采取措施对其进行限制是十分必要的。

（1）根据铁磁谐振产生的机理，我们可以在回路设计及设备选型时，选择励磁特性合适的电压互感器，使其对地电容与一次侧绕组电感比值避开[0.01，3.0]这个区间[11]，以防止电压互感器铁磁谐振的发生；

（2）谐波也能导致电压互感器产生铁磁谐振，采取相应措施限制谐波源，控制局部回路或系统参数在谐振范围外，可预防和抑制谐振发生；

（3）变更运行方式、装设消谐电阻及消谐装置等都可效消除谐振，具体选择什么方式消谐应根据实际情况综合考虑。