铁磁谐振事故分析及改进措施

刘 轩，郑 璐，杨 玥

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

随着电网规模的不断扩大，发供电企业投入了大量用于测量和监测系统运行情况的电磁式电压互感器PT（potential transformer）。PT内部的铁芯使其呈电感性质，当系统内的暂态冲击满足一定激发条件，铁芯与系统电容构成谐振电路，产生相当于相电压3～5倍的谐振过电压[1-2]。谐振发生时，PT一次侧励磁电流迅速增大，造成熔断器烧毁；如果励磁电流低于熔断器限值但高于PT额定值，在热效应的积累下，必然造成PT烧损甚至炸毁瓷瓶绝缘子及避雷器，严重威胁电网的安全运行[3-4]。文献[5]针对励磁涌流产生机理及其影响进行了详细阐述，重点分析了励磁涌流中含有大量三次谐波的影响。文献[6]对铁磁谐振进行了仿真建模，对磁滞损耗等相关参数进行计算，并提出铁磁谐振过电压的影响规律。现有文献所提出的预防PT铁磁谐振的主要手段为：一是选用伏安特性较好的PT；二是在PT一次侧中性点串接单相PT增加感抗；三是在母线上加装对地电容；四是在PT一次侧中性点串接电阻[7]。本文以真实事故案例数据为基础，阐明了PT铁磁谐振激发条件，针对现有消谐器未发挥作用的情况提出一种基于流敏消谐原理的消谐装置，通过装置并网运行结果分析，验证了该装置的有效性，为PT铁磁谐振治理提供了新的途径。

1 PT及高压熔断器事故经过

1.1 输配电系统运行情况

某发电厂（10 kV）发电机额定功率为9 MW，经发电机端口开关连接至厂用母线，后经出线柜直接送至某变电站10 kV I段母线并网运行。发电线路为2根3×240 mm2电缆并联运行，全程地埋，线路长度5.5 km。厂区内有发电机端口PT、母线PT、出线PT共3组PT。一次设备接线情况如图1所示。

图1 发电厂的系统一次设备接线图

该电厂自建成以来从未发生过PT谐振事故，但自2022年3月至4月底，连续发生多起铁磁谐振引起的PT烧毁及高压熔断器熔断事故，微机消谐器、碳化硅一次消谐器均未发挥作用，特别是碳化硅消谐器连同PT一起烧毁。

1.2 事故经过

事故1：发电机端口PT A相烧毁，同时线路PT A相烧毁，母线PT A相高压熔断器熔断，B、C相高压熔断器正常，二次无短路；母线PT配有微机消谐器，未起到消谐作用，出线及发电机端口PT无消谐设备。

事故2：更换发电机端口侧一组PT，更换线路出口1组PT，更换母线高压熔断器，重新投运。运行24 h后发电机负荷达到7 200 kW，线路PT C相烧毁、A相和B相高压熔断器熔断，发电机端口PT C相高压熔断器熔断、母线PT C相高压熔断器熔断。

事故3：在发电机端口、线路PT加装碳化硅一次消谐装置，并更换线路出口1组PT、发电机端口PT和母线侧PT C相高压熔断器。运行12 h后，发电机负荷达到7 000 kW时，出线PT B相烧毁、C相高压熔断器熔断，母线PT B相烧毁、C相高压熔断器熔断，变电站侧10 kV母线PT烧毁并发生相间短路。

事故4：恢复PT及高压熔断器后并网，并网后运行时，运行人员听到高压熔断器处有异响，运行24 h后出线PT A相高压熔断器熔断，C相高压熔断器异响，立即申请停电。将PT高压熔断器紧固并将出线碳化硅一次消谐器拆除。送电并网后无异常，连续运行1周后，发电机负荷6 000 kW时母线侧PT B、C相突然炸裂。1 min后发电机端口PT A、B、C三相烧毁，5 min后进线PT B、C相烧毁。变电站10 kV Ⅰ段母线PT B相裂开。经检查发电机端口碳化硅一次消谐器与PT中性点连接线被击穿并与地排放电。

事后，对发电机进行试验，绝缘、直流耐压、交流耐压结果均正常。该站同批次同厂家相近运行环境的PT运行正常，排除PT产品质量缺陷的问题。

2 事故原因分析

2.1 铁磁谐振的激发机理

该电厂线路较长且与母线相连，线路的电感与系统中的电容元件串联，线路上的自由振荡频率为（如图2所示），可等效为RLC串联线性电路，并满足式（1），变形后得到式（2）。当感抗和容抗相等，二者电压等大反向，互相抵消，电路呈现电阻性，即发生线性谐振。

图2 RLC串联线性电路

该输电线路上无人为装设的大电阻元件，可不计损耗，即其电阻忽略不计，回路损耗使谐振过电压产生阻尼效应。根据阻尼振动原理，衰减系数的表达式为

该电厂的厂用电系统为中性点不接地系统，所以厂用电母线PT、发电机端口PT及线路PT的高压侧中性点均需接地，因此每组PT各相承受的地电压为相对地电压，对地励磁电感L1、L2、L3与对地电容C0之间各自组成独立的振荡回路（如图3所示）。当系统遭遇波动、故障、雷击等时，由于系统只有PT中性点接地，系统对地电容记忆的电荷只能通过PT泄放，引发PT铁芯饱和，发生谐振。假设某组PT因系统扰动造成其中一相或两相对地电压在短时间内大幅升高，该PT会因为励磁电流的突然增大而出现饱和现象，造成该相（两相）等值电感相应降低，系统中性点出现位移，产生零序电压，三相PT相应产生零序电流，并分别与三相对地电容C0构成回路，当三相PT并联的等值零序电感与零序电容在某一频率下的参数匹配时，即产生铁磁谐振。

图3 三相PT铁磁谐振震荡电路

该变电站属于农网供电系统，架空线路较多，容易遭受雷击、树障的影响，特别是树障的影响非常恶劣。发生故障期间正值大风扬沙天气，极易造成系统短时内反复接地，满足铁磁谐振激发条件。

2.2 谐振反复原因分析

中性点不接地系统单相接地故障时非故障相健全相工频电压如图4所示。设k＝X0/X1（零序阻抗/正序阻抗），由图4可知，k值落在（-20，-1）区间内，单相接地故障发生相间电磁耦合，产生很高的工频过电压，k值越靠近-2工频过电压值就越高，k=-2时出现工频谐振，线路上各点电压趋于无穷大。

图4 单相接地故障时非故障相健全相工频电压

因为影响系统对地电容的因素众多，如设备安装的位置、线路敷设的路径及高度、海拔高度、气候环境、空气的湿度、环境污染程度等。在供电系统设计时，很难获得准确的系统对地电容，造成无法验算k值是否会落入（-20，-1）区间，而且即使设计时计算参数匹配合理，现场实际参数匹配也无法保证。

10 kV系统且电缆线路长度在8 km以内，k＜-20，非故障相对地电压会升高接近运行线电压的1.1倍[8]。该发电厂埋线线路长度5.5 km，符合上述条件，随着变电站不断增加负荷，系统的对地电容越来越大，以至于k值落入（-20，-1）区间内，出现连续故障；而发电厂与该变电站不并网时，k值超出（-20，-1）区间，系统运行稳定。这也是该发电厂一旦并网就发生事故的主要原因。

2.3 消谐措施失效分析

该站采用的消谐措施为：二次消谐器以微机消谐器为主，一次消谐器以碳化硅非线性电阻为主。组合使用消谐装置的思路是：根据监测数据，通过傅里叶变换获得谐振的频谱特性，由智能单元计算出破坏谐振的电阻数值，最后由高速开关投入，破坏谐振参数，达到抑制谐振的目的。上述2种消谐措施本身都存在缺陷，无法达到配合使用的目的。

2.3.1 微机消谐器存在保护死区

微机消谐器是先谐振后治理，消谐方式为被动式消谐。其缺点是仅仅依靠零序电压的大小区分单相接地和基波谐振故障。通常情况下，零序电压等于或超过150 V时，判定为基频谐振；在30 V至145 V之间时，判定为单相接地故障。安装有微机消谐器的电网依然会发生PT谐振，由于工频谐振的调整可能与单相接地的特征一样，无法区分故障类型[9]。另外，微机消谐器判断运算及中间继电器的响应时间至少需要20 ms，接触器动作合闸时间80 ms以上，整个消谐时长至少需要100 ms。由于该变电站负荷持续增加，系统对地电容较大，故障表现为间歇性接地，伴有PT因瞬时饱和发生涌流，微机消谐器在100 ms内无法完成消谐。

2.3.2 碳化硅一次消谐器失效

以母线PT尾端加装消谐器为例，其零序等效电路如图5所示。

图5 母线PT尾端加装消谐器零序等效电路

通常情况下，PT三相的一次绕组直阻都较为平衡并与励磁阻抗较为接近，式（4）可化简为

由式（5）可以得出，消谐器电阻值 越大，UN越大。如 设置过大，容易引起PT尾端放电；如 设置过小，则无法起到消谐作用。碳化硅的阻值可达几百上千欧姆，PT尾端加装碳化硅消谐器与PT中性点悬空不接地效果相同，即PT中性点对地不具备泄放渠道。加装碳化硅消谐器虽然对PT A、B、C三相电流有一定的限制作用，但结合后期谐振改造后的过电压记录可知，每一次冲击流过熔断器的电流都远远超过熔断器的额定电流峰值，故此，虽然电压互感器中性点加装碳化硅消谐器，由于碳化硅材料的特性，依然会出现熔断现象。另外，当系统发生单相接地故障时过电压会持续造成消谐器发热甚至烧毁，其烧毁的同时引起PT烧毁的概率也很大。

3 用流敏型消谐装置进行谐振抑制改造

3.1 流敏型消谐装置技术原理

为避免继续发生上述连续性PT烧毁和熔断器熔断恶性事故，选用流敏型消谐装置对该变电站进行谐振抑制改造。流敏型材料可以在一定的转变温度（居里温度点）发生半导体和绝缘体的相互转变，进而电阻值发生跃变，即正常运行时，消谐装置为低阻状态，不对系统造成影响；当发生PT铁磁谐振时，消谐装置快速呈高阻状态，降低系统电流，达到抑制谐振的目的[10]。

流敏型智能消谐装置是由二次智能监测装置和一次流敏消谐器组合而成。智能监测装置采集PT二次侧三相电压及开口电压和流敏消谐器的工作电流。如果发生PT铁磁谐振，流敏消谐器先于智能监测装置动作。如智能监测装置检测到是某种频率的铁磁谐振，则启动二次消谐元件，并发出报警、显示和自动存储相关数据。同时，智能监测装置可监测流过流敏消谐器的电流值是否属于正常范围，判断一次消谐是否可用。流敏型智能消谐装置接线原理如图6所示。

图6 流敏型智能消谐装置接线原理图

装置的消谐电阻自动跟踪调整数学模型为

3.2 加装消谐装置改造后系统故障记录

4月27日对出线PT、母线PT、发电机端口PT各加装1套流敏型消谐装置，4月28日下午18：00并网，并网运行6 d内智能消谐装置记录了3起冲击，PT所在回路运行稳定，有效抑制了PT谐振。

借助智能检测装置的过电压记录，该流敏型消谐装置共阻止了3起冲击。第1起冲击时间为2022-05-01T11：03：34，出线侧1号记录的A相、B相、C相和UN电压分别为54 V、53 V、102 V和70 V，C相过电压冲击，PT未发生谐振；第2起冲击时间为2022-05-01T11：03：43，出线侧2号记录的A相、B相、C相和UN电压分别为54 V、53 V、102 V和71 V，间隔时间仅为9 s，C相过电压冲击，PT未发生谐振；第3起冲击发生在14 h之后，时间为2022-05-02T11：12：15，出线侧6号记录的A相、B相、C相和UN电压分别为101 V、52 V、55 V和71 V，A相过电压冲击，流敏型消谐装置吸收冲击能量，PT未发生谐振。经过4个月运行，该线路运行平稳，未再发生PT烧毁及熔丝熔断现象。

4 结论

某发电厂连续发生多起铁磁谐振烧毁PT及高压熔断器事故，对该电厂进行消谐抑制技术改进时，选用了由二次智能监测装置和一次流敏消谐器组合使用的流敏型智能消谐装置。实践表明，该类消谐装置可有效避免因系统间歇性接地导致的PT炸裂和熔断器熔断事故。在事故分析过程中，得到以下结论：

a）一次消谐器可有效抑制PT铁磁谐振，但其线性系数范围设置要合理。过高会造成PT尾端电压升高甚至放电，过低则起不到消谐的作用。

b）一次消谐装置和二次智能监测装置配合使用可有效提高谐振抑制效果，并为一次消谐装置运行状态提供监测途径，避免了以往消谐器老化、失效等故障无法察觉的问题。

c）在设计阶段，应对整站的过电压保护和绝缘配合进行有效验证，PT一次直阻的大小对PT回路铁磁谐振的抑制起着至关重要的作用，过小易引发高频铁磁谐振，过大则易引发分频谐振。