6 kV厂用电谐振过电压分析及预防

宋士强¹，陈禾²，温荣强¹

（1．南海发电一厂，广东佛山528211；
2．广东省电力研究试验所，广东广州510600）

摘　要：在中性点不接地电力系统中，由于电磁式电压互感器激磁特性的非线性，当电压发生波动使网络中电抗接近容抗时，便产生谐振过电压，影响电气设备安全运行。为此，从两起典型的6 k V厂用电谐振过电压入手，分析计算产生谐振过电压的条件及其现象。最后，阐述了解决谐振过电压问题所采取的措施。
关键词：厂用电；谐振；过电压；电压互感器；分析；措施

1　谐振过电压产生条件、特点和危害
　　在中性点不接地电力系统中，由于电磁式电压互感器（TV）激磁特性的非线性，当电压发生波动使网络中电抗接近容抗时，便产生谐振过电压。特别是遇有激磁特性不好（易饱和）的TV及系统发生单相对地闪络或接地时，更容易引发谐振过电压。轻者令到TV的熔断器熔断、匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全的事故。
2　两起谐振过电压及其分析
2．1　铁心饱和过电压
　　这种过电压最常见于投空母线时，由于系统电压偏高致使激磁特性差的TV饱和，当TV电抗降至和系统对地容抗相等时便引发谐振过电压。现在由于采取一系列技术手段这一现象已很少发生，但其它形式谐振过电压却还时有发生，应引起我们注意，请看下面实例。
2．1．1　事发经过
　　1998年10月8日8时58分，6 kVⅢ段工作电源开关632甲、632乙跳闸，3号炉甲、乙送风机和3号机循环水泵跳闸，备用电源开关630甲、乙联动，6 kVⅢA和ⅢB段母线电压表无指示，3号炉甲、乙送风机强送未成功，发电机组与电网解列。
　　事后检查发现6 k VⅢ段母线有电压，判断是TV保险熔断，使带有低压保护设备跳闸，恢复TV保险后，3号机组于当天9时55分重新并网。
2．1．2　原因分析
事故发生时，与6kVIII_A段相联的输煤I段上有停3号炉除渣泵电动机的操作，由于6 k VⅢ段的2台TV的熔断器三相均熔断，因而初判发生了三相谐振过电压。6 k VⅢ_A、Ⅲ_B和输煤Ⅰ段上三台TV均是JDZJ－6型干式电压互感器。

a）计算激磁感抗
从中可计算出TV在线电压下激磁感抗为
　　因三台TV为同一制造厂同一批产品，故激磁特性相近，则3台TV总对地感抗为

　　b）计算6 kVⅢ段及输煤Ⅰ段设备对地电容及容抗
　　3号高压厂用变压器至632甲、乙开关电缆总长724 m，对地电容0．432μF；6 k VⅢA段至输煤Ⅰ段电缆长度722 m，对地电容0．430μF；甲、乙送风机、1号燃油工作变压器、3号机低压厂用工作变压器、3号机循环水泵、低压厂用公用变压器总对地电容0．884μF；6 k VⅢ段辅机对地电容0．065μF。则
　　c）用等效电源方法等效成两端口网络，L₁，L₂，L₄为6 k VⅢ_A段、Ⅲ_B段和输煤Ⅰ段TV的激磁电感，L₃为电缆电感。

　　d）谐振频率估算
本次谐振落在分频谐振区A点，由H．A．Peterson谐振理论可知，此时发生的谐振频率是1／2电源频率。这表明如果参数配置不当，由于电源波动更易引发低频谐振。
　　该厂6 k VⅢ段在未引入6 kV输煤Ⅰ段前未曾发生铁磁谐振，其谐振参数计算如下：
　　计算电容为从总电容中减去711开关以后输煤Ⅰ段对地电容，对地容抗计算感抗为2台并联TV的感抗，
　　这一点落在B点处，在谐振区外，故发生谐振概率大为降低。

2．2　单相对地闪络激发电感－电容效应过电压
　　网络中电感、电容匹配不好或者TV激磁特性不好，当外界电压波动，尤其是系统中发生单相对地闪络时，故障相等值的电容就会与另外两相等效电感形成谐振参数，但当此电压升高时，电容上电压较电感上电压升高快，因而故障相阻抗又等值成感抗，从而谐振参数被破坏，使电压升高有限，因而称之为电感－电容效应电压。请看下面实例。
2．2．1　事发经过
　　2002年3月28日，南方某电厂（2×200MW）2号机组8时并网（1号机组处于检修中），厂用电由6 k V备用B段提供。10时39分，6 k V备用B段发“接地”光字牌，10时40分发电压回路“断线”光子牌，6kV备用B段发“TV回路断线”光子牌，2号炉送风机、2号炉给水泵、2号机凝结水泵、2号机循环水泵（同在6 k VⅡB段运行）跳闸，6 k V备用段电源开关位置正常，部分设备联动成功，2号机组维持运行。
　　就地检查发现6 k VⅠ_B段、Ⅱ_B段和备用B段TV一次熔断器三相均熔断，Ⅱ_B段TV间隔烟雾较大且有焦味。
　　12时25分启动2号送风机运行，但发现其开关间隔冒烟起火，停电后确认真空开关W相阻容吸收器烧坏，14时45分更换阻容吸收器后，重新送2号炉送风机运行。
　　13时45分测量6 k V备用B段TV、避雷器绝缘良好后，恢复该TV小车运行。
　　14时2号机组厂用电转由本机带，14时20分发现6 k V备用B段TV的V相一次熔断器熔断，且TV温度很高，更换后重新投入运行。
2．2．2　原因分析
　　从谐振发生时出现的现象以及事后对设备进行检查试验可以得出结论：是产生电感－电容效应过电压导致上述现象发生，而最后6 kV备用B段TV的V相烧坏则是在谐振时该相的激磁电流较大，已将匝间绝缘损坏，当更换熔断器投运时，短路电流将其烧坏。是什么原因引发的呢？

　　事发前几天空气相对湿度一直高达95％左右，设备绝缘水平明显下降。运行中2号送风机真空开关W相阻容吸收器对地发生持续闪络，直到高阻接地，使系统L3相对地总电容和该相TV电感并联后等效成容性负载。而L1，L2两相由于电压升高，TV激磁电流在过相电压后增加迅速，因而等效成感性负载。由于正常运行时TV感抗远大于系统对地容抗，因而当电压变化使L1，L2两相等值感抗降至和L3相容抗接近时，系统便发生了谐振。谐振时由于电容电压较电感电压升高更快，因而L3相又等效成感性负载，从而破坏了谐振维持的条件，所以又称这种谐振为电感－电容效应。发生电感－电容效应使三相TV同时饱和，激磁电流超过TV一次熔断器额定电流，使熔断器同时熔断；L3相对地闪络高阻接地时母线电压降低，低电压保护动作切断6 kVⅡB段所有负荷。具体计算如下：

a）TV激磁感抗计算
　　事后对6 k VⅠ_B段TV进行激磁特性试验的数据计算出TV相电压和线电压下激磁感抗
b）计算6 k V工作及备用B段对地电容仿上，算出Ⅰ_B段设备每相对地总电容C₂＝0．996μF，Ⅱ_B段每相设备对地总电容C₄＝0．811μF，备用B段电缆及高压厂用备用电源变压器低压侧B分支电缆每相对地电容C_B＝1．128μF，最后求得每相对地总电容
c）谐振频率估算谐振等值电路，其中：
　　根据H．A．Peterson理论，本次X_C／X_L＝3．26／50＝0．065，落在第一区内，即产生了1／2次电源频率谐振。这也和通常理论相吻合。
　　可知：当电源电动势和阻抗参数落在某一曲线范围内时，就将产生相应频率的谐振现象，在两条曲线的边界区域，两种谐振现象都有可能发生，或者从一种状态过渡到另一种状态；由于分频谐振所要求的电源电压最低，因而最容易发生；一般只发生基波或分频谐振。
3　采取措施
3．1　一般措施
　　在中性点不接地系统中，一般限制铁磁谐振过电压措施可分为两大类。
　　第一类是：改变电容、电感参数，使其远离谐振匹配条件，如对实例一的分析，除去输煤Ⅰ段后，谐振点落在H．A．Peterson谐振曲线B点，这样发生谐振条件相对减少；每相母线上安装电容器，使容抗始终大于感抗不满足谐振产生条件；采用激磁特性好的TV，并使TV组中3台TV激磁特性相近，限制同一系统中TV并联台数；或选用容性TV（如在220 kV及以上系统中用电容式电压互感器）；在TV高压侧中性点串接单相TV或系统中性点经消弧线圈接地等。
　　第二类是：消耗谐振能量，阻尼抑制或消除谐振发生。如在TV高压侧中性点串接电阻器；在开口三角侧接入非线性电阻器等。
3．2　具体措施
　　a）考虑使阻抗参数尽量避开谐振区，对发生谐振较频繁的6 k V厂用电，应考虑将6 kV电源变压器中性点改为经消弧线圈接地。
　　b）在多台并联运行TV中性点加装阻尼线阻R₀，只要满足R₀≥6％XL即可消除谐振。在加装中性点电阻时还应考虑电阻功率及表面爬电距离。对于JDXJ－6型TV可选用10 kΩ，100 W，150～200 mm电阻器；或在开三角处经刀闸并联一个0．2～0．3Ω大功率电阻器，正常时刀闸处于分开位置，当发生谐振时瞬间合上，过2～3 s则拉开刀闸。由于电阻消耗掉能量，从而谐振立即消失，这样可限制基波和分频谐振。或采用武汉大学陈维贤教授研制的整流型分频消谐装置。
　　c）由于中性点电阻对厂用电空母线合闸阻尼效果不好，还应在TV开口三角侧加装用于限制高次谐波谐振装置，通常可选用150～200 W功率白炽灯串接在开口三角侧。
　　d）维护好厂用电其它负荷，避免发生对地闪络或接地等事故引起的谐振过电压。
　　e）要按H．A．Peterson理论认真核算不同运行方式下每相对地容抗和感抗比。就实例二的南方某电厂来说，我们经过核算，发现几种运行方式下每相对地容抗和感抗比均落在0．01～0．08之间，故均有可能产生分频谐振。对此，可采取增大电容量或选用激磁物特性好的电压互感大器，使之比值小于0．01。