在中性點不接地電力系統(tǒng)中電壓互感器鐵磁諧振過電壓的判斷和抑制

1、.在中性點不接地電力系統(tǒng)中，電壓互感器鐵磁諧振過電壓的判斷和抑制 【摘 要】本文以本人從事電力運營多年的經(jīng)驗，從理論上對電力系統(tǒng)中，中性點不接地系統(tǒng)的電壓互感器鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生條件，判斷、檢測方法、產(chǎn)生的后果進行論述，同時提出了抑制的方法。 【關健詞】電力網(wǎng)中接地系統(tǒng)的分類特性；鐵磁諧振的基本條件；鐵磁諧振的判斷；產(chǎn)生的后果；防止鐵磁諧振的措施 在電力網(wǎng)中，運行的發(fā)電機為星形接線時以及在電網(wǎng)中作為供電電源的電力變壓器三相繞組為星形接法時，我們把三相繞組尾端連接在一起的公共連接點稱之為中性點。電力網(wǎng)的中性點就是指這些設備中性點的總稱。 在電力系統(tǒng)中，電力網(wǎng)中性點的接地方式可分為兩大類： 類是

2、中性點直接接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，接地短路電流很大，這種系統(tǒng)又稱為大電流接地系統(tǒng)；另一類是中性點不接地系統(tǒng)（包括中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)），當發(fā)生單相接地故障時，由于不直接構(gòu)成短路回路，接地故障電流往往比負荷電流小很多，故又稱為小電流接地系統(tǒng)。 我圖劃分標準為：X0 / X1 4 5的系統(tǒng)屬于大電流接地系統(tǒng)，X0 / X1 45的系統(tǒng)屬于小電流接地系繞。 注：X0為系統(tǒng)零序電抗，X1為系統(tǒng)正序電抗。 1 電力網(wǎng)中接地系統(tǒng)的分類特性： 1.1中性點直接接地系統(tǒng)的特性： 1.1.1正常運行時：各相對地電壓等于相電壓，中性點的電位在電網(wǎng)的任何工作狀態(tài)下均保持為零電位。 1.1.2單相接地短路

3、時：在這種系統(tǒng)中，當發(fā)生相接地時，故障相的電壓為零，非故障相對地電壓不會增高（仍為相電壓）；接地的這一相直接經(jīng)過接地點和接地的中性點短路，一相接地短路電流的數(shù)值最大，因而應立即使繼電保護動作，將故障部分切除。 1.1.3中性點直接接地系統(tǒng)，在發(fā)生一相接地故障時，因故障的送電線路被切斷，迫使用戶的供電中斷，供電可靠性差。運行經(jīng)驗表明，特別是在1000V以上的電網(wǎng)中，大多數(shù)的一相接地故障，尤其是架空線路的一相接地故障，大都是具有瞬時的性質(zhì)（例如下雨天的雷擊放電等）。在故障部分切除（或解除）后，接地處的絕緣可能迅速恢復，而送電線路可以立即恢復工作。 目前在中性點直接接地的電網(wǎng)內(nèi)，為了提高供電可靠性，

4、沿線路全長架設避雷線和裝設自動重合閘裝置，在系統(tǒng)一相接地線路切除后，立即自動重合，再試送一次，如為瞬時故障，送電即可恢復。 1.1.4中性點直接接地的優(yōu)點：它在發(fā)生一相接地故障時，非故障相對地電壓不會增高，因而各相對地絕緣即可按相對地電壓考慮；電網(wǎng)的電壓愈高，經(jīng)濟效果愈大。而且在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，單相接地電流往往比正常負荷電流小得多，因而要實現(xiàn)有選擇性的接地保護就比較困難，但在中性點直接接地系統(tǒng)中，實現(xiàn)就比較容易，由于接地電流較大，繼電保護一般都能迅速而準確地切除故障線路，且保護裝置簡單，工作可靠。 1.2中性點不接地系統(tǒng)的特性： 中性點不接地的供電方式，長期以來在10kV

5、三相三線制供電系統(tǒng)中，得以廣泛應用是因為有下述優(yōu)點： 1.2.1采用中性點不直接接地的供電系統(tǒng)，相對于中性點直接接地的供電系統(tǒng)來說，供電可靠性較高，斷路器跳閘的次數(shù)較少。特別是在發(fā)生單相瞬間對地短路時，由于該供電系統(tǒng)的故障電流是線路的對地電容電流，故障電流不大，瞬間接地故障比較容易消除，因而減小了設備的損害程度。 1.2.2 10kV電力網(wǎng)其線路對地面的距離較近，容易發(fā)生樹枝誤碰高壓線路的瞬間接地故障，采用了中性點不接地的供電系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地時，三相的電壓對稱性不被破壞，短時間繼續(xù)運行（規(guī)程規(guī)定為12小時）不會造成大面積的停電事故。 對于供電范圍不大，且電纜線路較短的10kV電力網(wǎng)，釆用中

6、性點不直接接地的供電方式，明顯地減少了斷路器跳閘的次數(shù)，縮小了停電范圍，因而事故造成的損失也減少了。 1.3中性點不直接接地的電力網(wǎng)還有以下缺點： 1.3.1當該系統(tǒng)的對地電容電流不能控制在允許范圍內(nèi)時，由于單相接地故障產(chǎn)生的間隙性電弧形成周期性重燃，可能引起系統(tǒng)的內(nèi)過電壓，這種諧振過電壓的數(shù)值可達2.53倍相電壓的峰值，這是很危險的。 1.3.2 當發(fā)生單相接地故障時，非故障相的對地電壓可能達到相電壓的倍，這對線路絕緣水平不高的供電系統(tǒng)，如不及時處理接地故障將會由于非故障相的絕緣損壞而導致大面積的停電，因此必須在2小時以內(nèi)消除故障才能保證可靠地供電。 1.3.3在中性點不直接接地的供電系統(tǒng)中

7、，采用了易飽和的小鐵芯電壓互感器，當運行參數(shù)耦合時將會產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，因此也必須采取適當措施來避免這種過電壓的產(chǎn)生。 2目前我國電力系統(tǒng)中性點的運行方式 （1）對于610kV系統(tǒng)，由于設備絕緣水平按線電壓考慮對于設備造價影響不大，為了提高供電可靠性，一般均采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的方式。 （2）對于110kV及以上的系統(tǒng)，主要考慮降低設備絕緣水平，簡化繼電保護裝置，一般均采用中性點直接接地的方式。并采用送電線路全線架設避雷線和裝設自動重合閘裝置等措施，以提高供電可靠性。 （3）2060kV的系統(tǒng)，是一種中間情況，一般一相接地時的電容電流不很大，網(wǎng)絡不很復雜，設備絕緣水平的提高或降低

8、對于造價影響不很明顯，所以一般均采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。 （4）1kV以下的電網(wǎng)的中性點采用不接地方式運行。但電壓為380 / 220V的系統(tǒng)，采用三相五線制，零線是為了取得相電壓，地線是為了安全。 3 在中性點不直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，電壓互感器鐵磁諧振過電壓的判斷。 對于10kV電力網(wǎng)要求中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，對地電容電流不超過30A，10kV以上35kV的中性點不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，對地電容電流不超過10A，為了限制電力網(wǎng)中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生一相接地時的對地電容電流，對于超過上述標準的電力網(wǎng)，采用了中性點經(jīng)消弧電抗器接地的方式。 由于電力網(wǎng)的

9、日趨擴大，特別是電纜線路發(fā)展的迅速，對于中性點不直接接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，對地電容電流增加幅度很大，造成電壓互感器（以下簡稱為PT）鐵磁諧振常有發(fā)生，PT爆炸燒毀的現(xiàn)象也屢見不鮮。 本人從事高、低壓配電柜的設計和現(xiàn)場事故處理工作多年，現(xiàn)對PT鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及判斷分析如下： 3.1 電壓互感器（PT）產(chǎn)生鐵磁諧振的基本條件： 在635kV供電系統(tǒng)中常用三相五柱式電壓互感器或三個單相電壓互感器（帶剩余繞組）組成絕緣監(jiān)察裝置。為了反映供電系統(tǒng)的單相接地，該電壓互感器一次繞組中性點必須接地，于是形成如圖（a）所示的電路。圖中C1、C2、C3為各相架空線或電纜對地電容，且通常為C1 = C2

10、 = C3；L1、L2、L3為電壓互感器繞組電感，當系統(tǒng)中有多臺用于絕緣監(jiān)察的電壓互感器時L1、L2、L3為多臺電壓互感器的等效感抗。正常時L1、L2、L3上對地電壓相等，等于系統(tǒng)相電壓；L1、L2、L3、C1、C2、C3組成了各相對地的阻抗。 正常狀態(tài)下各相對地的阻抗呈容性（因容抗小于感抗XLXC），當系統(tǒng)中發(fā)生沖擊擾動時，例如：單相斷續(xù)間隙接地或電源接通空母線等，就可能使一相或兩相對地電壓升高，則該升高的電壓互感器鐵芯飽和，L下降，感性電流增加，該相阻抗呈現(xiàn)感性，如圖（b）所示。 圖（b）是B、C相電壓升高后的等效電路，再經(jīng)等效變換為圖（c）所示等效電路。很明顯，圖（c）電路是一個LC串聯(lián)

11、電路，只要參數(shù)合適，就會發(fā)生鐵磁諧振（串聯(lián)諧振）。 諧振的結(jié)果：可能一相電壓升高，兩相電壓降低；也可能兩相電壓升高，一相電壓降低；還可能三相電壓都升高。在電壓升高的同時，電壓互感器的勵磁電流大大增加，以致使一次側(cè)熔斷器熔芯熔斷或同時電壓互感器燒毀以及系統(tǒng)出現(xiàn)虛幻假接地等，嚴重干擾配電系統(tǒng)的安全運行；還可能由于電壓的持續(xù)升高而使回路中的避雷器或過電壓保護器燒壞、爆炸。 鐵磁諧振為非線性諧振，當諧振頻率等于工頻時，稱為基波諧振，其它還有高次諧振和分次諧波諧振。 3.2 配電系統(tǒng)中電磁式電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振的基本條件有以下幾點： 3.2.1在電源變壓器中性點不接地系統(tǒng)中， 電磁式電壓互感器一次側(cè)接

12、成星形且中性點直接接地時，各相繞組的電感L與對地分布電容C0并聯(lián)組成一個獨立的LC振蕩回路，可視為電源的三相對稱負載；當電網(wǎng)遭受突然沖擊時，會造成三相對地負載不平衡。當L與C的數(shù)值恰達到電感和電容諧振條件，而三相回路的諧振頻率等于電網(wǎng)的電源頻率時，則電網(wǎng)中性點位移電壓急劇上升，發(fā)生過電壓，幅值可達1.5 2.5倍的最高運行電壓，過電壓可持續(xù)幾百毫秒。 3.2.2 電壓互感器鐵心質(zhì)量差（磁通密度低），伏安特性不好； 3.2.3 配電系統(tǒng)對地分布電容（母線、線路、線圈等對地電容C0）與PT鐵心電感（L）參數(shù)的匹配不好； 3.2.4 系統(tǒng)中有一個強力沖擊擾動（激發(fā)條件），例如變電站母線的空載投入合閘

13、瞬間、單相瞬時接地、持續(xù)性單相接地故障的切除瞬間以及操作過電壓及雷擊過電壓等。 3.3電壓互感器PT鐵磁諧振的判斷： 在配電系統(tǒng)中由于系統(tǒng)對地容抗（XC0）和電壓互感器（PT）勵磁感抗（XLC）的不同匹配組合，在一定條件下能產(chǎn)生不同頻區(qū)的諧振，可分為基波諧振、分頻諧振和諧波諧振，這幾種不同頻區(qū)的諧振所反映的現(xiàn)象也不盡相同，現(xiàn)簡述如下： 3.3.1 基波諧振： 當電路自振頻率 小于工頻時，容易產(chǎn)生基波諧振，所反映的現(xiàn)象是系統(tǒng)中兩相對地電壓升高（大于線電壓），另一相對地電壓降低，同時在電壓互感器開口三角形繞組中出現(xiàn)3倍零序電壓，形成接地假象（虛幻接地），這種基波諧振大多數(shù)發(fā)生在系統(tǒng)對地電容較小時，

14、例如變電站空載母線合閘時可出現(xiàn)基波諧振，而往往使值班人員誤認是系統(tǒng)單相接地故障。 3.3.2 分頻諧振： 當系統(tǒng)對地電容較大時，電路自振頻率（f0）略低于電源的分數(shù)頻率f/n時就可能出現(xiàn)分頻諧振，所反映的現(xiàn)象是，三相對地電壓依次輪流升高并緩慢擺動。由于諧振頻率低，電壓互感器容易產(chǎn)生磁飽和，PT一次繞組中流過的電流能達到額定勵磁電流的數(shù)十倍甚致上百倍，使三相電壓互感器一次繞組嚴重過載而燒毀爆炸，一次高壓熔絲多相熔斷。 3.3.3 諧波諧振： 當系統(tǒng)對地電容極小或三相電壓互感器非飽和時，可能產(chǎn)生諧波諧振（主要是三次諧波諧振）。所反映的現(xiàn)象是三相對地電壓同時升高或其中一相升高另兩相降低，升高的數(shù)值大

15、于線電壓。 3.4系統(tǒng)接地故障和諧振故障的判斷如下表所示： 3.4.1 鐵磁諧振過電壓的判斷 3.4.2判斷接地故障相的主要方法 注： Umax、Umod、Umin分別表示指示值最大、中間和最小的電壓表指示值。 以上兩種方法同時釆用，可更準確迅速地判斷出故障相。 例如：某中性點不接地的10kV電網(wǎng)，單相接地時3只相電壓表的指示：A相為5.58kV，B相為4.83kV，C相為7.23kV；此時，對地電壓最高相為C相，所以可以判斷接地故障相為下一相，即A相。 4 中性點不直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時的檢測： 在中性點不直接接地系統(tǒng)中，我們通常采用零序互感器檢測接地電流，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，

16、零序電流可達到正常時的3倍及以上。采用帶剩余繞組（開口三角形）的電壓互感器檢測零序電壓；正常運行時，開口三角形兩端電壓理論上應為零，實際上由于三個電壓互感器阻抗不等會有40V以下電壓存在，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，則開口三角形兩端出現(xiàn)100V電壓。 當零序電流和零序電壓同時存在時，我們判定該系統(tǒng)有單相接地現(xiàn)象的存在。 三相電壓互感器剩余繞組（開口三角形）兩端零序電壓的產(chǎn)生和相量分析： 在10kV供電系統(tǒng)中帶剩余繞組（帶開口三角形）的電壓互感器正常運行情況下，由于電力系統(tǒng)三相相電壓是對稱的，感應到電壓互感器二次統(tǒng)組中的三個相電壓也是對稱的，如接線原理圖（a）和相量圖（b）；開口三角形的三個繞組是首、

17、尾串聯(lián)接線。因此，開口端（aD、xD）的電壓是三個相電壓的相量和，在正常運行情況下應為零（或有一個很小的不平衡電壓）， 即： 當電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時（例如圖a假定W相接地），從圖中可以看出，電壓互感器一次側(cè)W相繞組的首端和尾端均是地電位，因此W相繞組上沒有電壓，感應到電壓互感器二次w相繞組的電壓亦為零。由于w相接地后，w相與大地等電位，因此，電壓互感器一次側(cè)V相繞組兩端的電壓為；U相繞組兩端的電壓為，即都等于線電壓。顯然，感應到電壓互感器二次側(cè)相應的u相、v相統(tǒng)組電壓也均為正常情況下相電壓的倍。從圖（b）相量圖分析，由于w相接地時，系統(tǒng)電源中性點對地電位為-，因此各相對地電壓為： = + （

18、-） = 0 = + （-） = = + （-） = 這個結(jié)論和前面分析是相符合的，即系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時，接地相對地電壓為零，其它未接地兩相對地電壓在數(shù)值上為相電壓的倍；從圖（b）一次電壓相量圖上可看出和的夾角為600，在這種情況下，加在電壓互感器一次側(cè)的三個相電壓、變得不對稱了，通過相量計算不難求得+=3 即合成電壓為3倍的零序電壓. 同理感應到電壓互感器二次側(cè)開口三角形兩端的電壓=+=3，即此時開口三角形兩個端頭間出現(xiàn)3倍的零序電壓 （金屬接地故障時： =+= 3 = 3100/3 = 100V）。其相量推算如下： 在E（-）中 = 2 （ sin600= ）= 又因在E（-）中 =

19、 2 （ sin600 =） = 2 = 3 同理可推在二次開口三角形兩端電壓： = += 2 = 3 = 100 / 3 （V） = += 2 = 3 = 3 100 / 3 = 100 （V） 5 在中性點不直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，產(chǎn)在的后果： （1） 金屬性接地時，接地相對地電壓為零，非接地兩相對地電壓升高到相電壓的倍，即等于線電壓，而各相之間電壓大小和相位保持不變；可概括為：“一低、兩高、三不變”。 （2） 雖然發(fā)生一相接地后，三相系統(tǒng)的平衡沒有破壞（線電壓大小、相位的不變），受電設備可以繼續(xù)運行，但由于末接地，相對地電壓升高，在絕緣薄弱系統(tǒng)中有可能發(fā)生另外一相接地故障，造

20、成兩相短路，使事故擴大。因此，不允許長時間一相接地運行（一般不超過2h）；如未及時處理將會出現(xiàn)電壓互感器（PT）因過飽和溫度上升引發(fā)炸裂或燒毀（如圖片所示）。 應當注意，對于電纜線路一旦發(fā)生單相接地，其絕緣一般不可能自行恢復，因此不宜帶接地故障繼續(xù)運行，應盡快切斷故障電纜的電源，避免事故擴大。 （3）在中性點不接地的三相系統(tǒng)中，當一相接地后（如C相接地），其它兩相（如A、B相）對地電壓升高到，這兩相的對地電容電流也相應地增大了倍，即I= I=I，其中I=。因C相接地，故C相對地電容被短接，C相對地電容電流變?yōu)榱悖藭r，經(jīng)過C相接地點流入地中的電容電流（即接地電流）不再是零，而是 ，A相的電容電

21、流超前，B相的電容電流超前。經(jīng)過向量相加，可知絕對值為： （A） 式中-系統(tǒng)的相電壓，V； 一角頻率， = 2； C 一相對地電容，F(xiàn)。 從以上公式可知，單相接地時，通過接地點的電容電流為未接地時每一相對地電容電流的3倍，此時易引發(fā)鐵磁諧振事故的發(fā)生。 （4） 單相弧光接地具有更大的危險性，因為電弧容易引起兩相或三相短路造成事故擴大。此外，斷續(xù)性電弧還能引起系統(tǒng)內(nèi)過電壓，這種內(nèi)部過電壓，能達到4倍相電壓，甚至更高，容易使系統(tǒng)內(nèi)絕緣薄弱的電氣設備擊穿，造成較難修復的故障。 弧光接地故障的形成與接地故障點通過容性電流的大小有關，為避免弧光接地對電力系統(tǒng)造成的危險，當系統(tǒng)接地電流大于5A時，發(fā)電機、

22、變壓器和高壓電動機應考慮裝設動作于跳閘的接地保護裝置。當10kV系統(tǒng)接地電流大于30A時，為避免難以克制的電弧接地危害，中性點應采用經(jīng)消弧線圈接地的方式。消弧線圈是一個帶有可調(diào)鐵心的線圈，當發(fā)生單相接地故障時，它產(chǎn)生一個與接地電容電流相位差1800的電感電流，起到補償作用，通過調(diào)整鐵心電感達到適當?shù)难a償，能使接地故障處的電流變得很小，從而消除和減輕了電弧接地的危險。 （5） 在單相不完全接地故障時，各相對地電壓的變化與接地過渡電阻的大小有關，具體情況比較復雜；在一般情況下，接地時相對地電壓降低，但不到零，非接地的兩相對地電壓升高，但不相等，其中一相電壓低于線電壓，另一相可略低于線電壓。 （6）

23、 下面是兩組因單相接地引發(fā)鐵磁諧振的照片： 第一組照片是08年2月發(fā)生在某技術開發(fā)區(qū)的用戶10kV變電所內(nèi)，2只PT被炸裂燒毀，二次微機消諧裝置也被燒壞發(fā)黑。 第二組照片是2011年4月發(fā)生在某35kV變電所內(nèi)，PT被炸裂，避雷器也被擊穿。 上述兩次事故分析會均由供電局、設計院、用戶及制造廠參加。事故原因，是因為系統(tǒng)接地（電業(yè)局調(diào)度室均有記載）造成，二次微機消諧裝置可控硅擊穿，造成PT開口三角形長時間短接運行，加劇了PT的溫升上升。 6 在中性點不直接接地系統(tǒng)中， 防止電壓互感器鐵磁諧振的措施： 針對鐵磁諧振產(chǎn)生的因素，為防止諧振采取的措施大致有以下幾方面： （1） 選用優(yōu)質(zhì)鐵心的電壓互感器，

24、降低電壓互感器的磁通密度；選用伏安特性較高的電壓互感器。為了彌補伏安特性不足的缺陷，在實際應用中可以將電壓互感器的中性線經(jīng)零相線圈接地（也可采用單相電壓互感器的繞組當作零相線圈）這樣可以提高對地勵磁阻抗，即提高了伏安特性。 （2） 調(diào)整電網(wǎng)中對地電容與電壓互感器勵磁感抗的配合，在設計和運行中應盡可能減少互感器中性點直接接地的處所。 （3） 在電壓互感器開口三角形繞組中，接入適當?shù)淖枘犭娮?，消耗諧振能量，破壞諧振條件。 阻尼電阻大小的選擇與系統(tǒng)實際情況有關（對地容抗與PT勵磁感抗的比值有關）。在10kV的配電裝置中，為消除基波或諧波諧振過電壓，在開口三角形繞組中接入100W、100的管形電阻一般

25、即可消除諧振；為消除分頻諧振，可在開口三角形繞組中接入200W、50的電阻，但應注意，當發(fā)生單相接地故障時，互感器的負荷將超過額定值，因此應嚴格監(jiān)視互感器的運行情況。 （4） 在電壓互感器中性點中串入阻尼電阻，在10kV配電裝置中可取3050k。 （5） 目前已有成品生產(chǎn)的消諧器，如RXQ-10型消諧器，將消諧器串接在電壓互感器中性點中，既能消除由PT引起的諧振，又能限制流過繞組的過電流，工作可靠. （6） 若電網(wǎng)中性點位移電壓較大，則在開口三角形輸出端接的過電壓繼電器動作時，將一個電阻（約9k、150W）瞬間接入電壓互感器一次側(cè)中性點與大地之間，經(jīng)1min左右再自動斷開。 （7） 目前較普遍使用的是接在開口三角形兩端的FXG1型消諧器，它是由鑒頻環(huán)節(jié)與消諧環(huán)節(jié)兩大部分組成；當系統(tǒng)發(fā)生諧振時，裝置的鑒頻系統(tǒng)自動投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。另外還有KSX196微機消諧裝置等。 （8） 中性點經(jīng)消弧線圈接地： 在中性點不接地系統(tǒng)中，當接地的電容電流較大時（此時般屬于非金屬接地），在接地處引起的電弧就很難自行熄滅；在接地處還可能出現(xiàn)