鐵磁諧振事故分析及改進措施

劉 軒，鄭 璐，楊 玥

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區高電壓與絕緣技術企業重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電網規模的不斷擴大，發供電企業投入了大量用于測量和監測系統運行情況的電磁式電壓互感器PT（potential transformer）。PT內部的鐵芯使其呈電感性質，當系統內的暫態沖擊滿足一定激發條件，鐵芯與系統電容構成諧振電路，產生相當于相電壓3～5倍的諧振過電壓[1-2]。諧振發生時，PT一次側勵磁電流迅速增大，造成熔斷器燒毀；如果勵磁電流低于熔斷器限值但高于PT額定值，在熱效應的積累下，必然造成PT燒損甚至炸毀瓷瓶絕緣子及避雷器，嚴重威脅電網的安全運行[3-4]。文獻[5]針對勵磁涌流產生機理及其影響進行了詳細闡述，重點分析了勵磁涌流中含有大量三次諧波的影響。文獻[6]對鐵磁諧振進行了仿真建模，對磁滯損耗等相關參數進行計算，并提出鐵磁諧振過電壓的影響規律?，F有文獻所提出的預防PT鐵磁諧振的主要手段為：一是選用伏安特性較好的PT；二是在PT一次側中性點串接單相PT增加感抗；三是在母線上加裝對地電容；四是在PT一次側中性點串接電阻[7]。本文以真實事故案例數據為基礎，闡明了PT鐵磁諧振激發條件，針對現有消諧器未發揮作用的情況提出一種基于流敏消諧原理的消諧裝置，通過裝置并網運行結果分析，驗證了該裝置的有效性，為PT鐵磁諧振治理提供了新的途徑。

1 PT及高壓熔斷器事故經過

1.1 輸配電系統運行情況

某發電廠（10 kV）發電機額定功率為9 MW，經發電機端口開關連接至廠用母線，后經出線柜直接送至某變電站10 kV I段母線并網運行。發電線路為2根3×240 mm2電纜并聯運行，全程地埋，線路長度5.5 km。廠區內有發電機端口PT、母線PT、出線PT共3組PT。一次設備接線情況如圖1所示。

圖1 發電廠的系統一次設備接線圖

該電廠自建成以來從未發生過PT諧振事故，但自2022年3月至4月底，連續發生多起鐵磁諧振引起的PT燒毀及高壓熔斷器熔斷事故，微機消諧器、碳化硅一次消諧器均未發揮作用，特別是碳化硅消諧器連同PT一起燒毀。

1.2 事故經過

事故1：發電機端口PT A相燒毀，同時線路PT A相燒毀，母線PT A相高壓熔斷器熔斷，B、C相高壓熔斷器正常，二次無短路；母線PT配有微機消諧器，未起到消諧作用，出線及發電機端口PT無消諧設備。

事故2：更換發電機端口側一組PT，更換線路出口1組PT，更換母線高壓熔斷器，重新投運。運行24 h后發電機負荷達到7 200 kW，線路PT C相燒毀、A相和B相高壓熔斷器熔斷，發電機端口PT C相高壓熔斷器熔斷、母線PT C相高壓熔斷器熔斷。

事故3：在發電機端口、線路PT加裝碳化硅一次消諧裝置，并更換線路出口1組PT、發電機端口PT和母線側PT C相高壓熔斷器。運行12 h后，發電機負荷達到7 000 kW時，出線PT B相燒毀、C相高壓熔斷器熔斷，母線PT B相燒毀、C相高壓熔斷器熔斷，變電站側10 kV母線PT燒毀并發生相間短路。

事故4：恢復PT及高壓熔斷器后并網，并網后運行時，運行人員聽到高壓熔斷器處有異響，運行24 h后出線PT A相高壓熔斷器熔斷，C相高壓熔斷器異響，立即申請停電。將PT高壓熔斷器緊固并將出線碳化硅一次消諧器拆除。送電并網后無異常，連續運行1周后，發電機負荷6 000 kW時母線側PT B、C相突然炸裂。1 min后發電機端口PT A、B、C三相燒毀，5 min后進線PT B、C相燒毀。變電站10 kV Ⅰ段母線PT B相裂開。經檢查發電機端口碳化硅一次消諧器與PT中性點連接線被擊穿并與地排放電。

事后，對發電機進行試驗，絕緣、直流耐壓、交流耐壓結果均正常。該站同批次同廠家相近運行環境的PT運行正常，排除PT產品質量缺陷的問題。

2 事故原因分析

2.1 鐵磁諧振的激發機理

該電廠線路較長且與母線相連，線路的電感與系統中的電容元件串聯，線路上的自由振蕩頻率為（如圖2所示），可等效為RLC串聯線性電路，并滿足式（1），變形后得到式（2）。當感抗和容抗相等，二者電壓等大反向，互相抵消，電路呈現電阻性，即發生線性諧振。

圖2 RLC串聯線性電路

該輸電線路上無人為裝設的大電阻元件，可不計損耗，即其電阻忽略不計，回路損耗使諧振過電壓產生阻尼效應。根據阻尼振動原理，衰減系數的表達式為

該電廠的廠用電系統為中性點不接地系統，所以廠用電母線PT、發電機端口PT及線路PT的高壓側中性點均需接地，因此每組PT各相承受的地電壓為相對地電壓，對地勵磁電感L1、L2、L3與對地電容C0之間各自組成獨立的振蕩回路（如圖3所示）。當系統遭遇波動、故障、雷擊等時，由于系統只有PT中性點接地，系統對地電容記憶的電荷只能通過PT泄放，引發PT鐵芯飽和，發生諧振。假設某組PT因系統擾動造成其中一相或兩相對地電壓在短時間內大幅升高，該PT會因為勵磁電流的突然增大而出現飽和現象，造成該相（兩相）等值電感相應降低，系統中性點出現位移，產生零序電壓，三相PT相應產生零序電流，并分別與三相對地電容C0構成回路，當三相PT并聯的等值零序電感與零序電容在某一頻率下的參數匹配時，即產生鐵磁諧振。

圖3 三相PT鐵磁諧振震蕩電路

該變電站屬于農網供電系統，架空線路較多，容易遭受雷擊、樹障的影響，特別是樹障的影響非常惡劣。發生故障期間正值大風揚沙天氣，極易造成系統短時內反復接地，滿足鐵磁諧振激發條件。

2.2 諧振反復原因分析

中性點不接地系統單相接地故障時非故障相健全相工頻電壓如圖4所示。設k＝X0/X1（零序阻抗/正序阻抗），由圖4可知，k值落在（-20，-1）區間內，單相接地故障發生相間電磁耦合，產生很高的工頻過電壓，k值越靠近-2工頻過電壓值就越高，k=-2時出現工頻諧振，線路上各點電壓趨于無窮大。

圖4 單相接地故障時非故障相健全相工頻電壓

因為影響系統對地電容的因素眾多，如設備安裝的位置、線路敷設的路徑及高度、海拔高度、氣候環境、空氣的濕度、環境污染程度等。在供電系統設計時，很難獲得準確的系統對地電容，造成無法驗算k值是否會落入（-20，-1）區間，而且即使設計時計算參數匹配合理，現場實際參數匹配也無法保證。

10 kV系統且電纜線路長度在8 km以內，k＜-20，非故障相對地電壓會升高接近運行線電壓的1.1倍[8]。該發電廠埋線線路長度5.5 km，符合上述條件，隨著變電站不斷增加負荷，系統的對地電容越來越大，以至于k值落入（-20，-1）區間內，出現連續故障；而發電廠與該變電站不并網時，k值超出（-20，-1）區間，系統運行穩定。這也是該發電廠一旦并網就發生事故的主要原因。

2.3 消諧措施失效分析

該站采用的消諧措施為：二次消諧器以微機消諧器為主，一次消諧器以碳化硅非線性電阻為主。組合使用消諧裝置的思路是：根據監測數據，通過傅里葉變換獲得諧振的頻譜特性，由智能單元計算出破壞諧振的電阻數值，最后由高速開關投入，破壞諧振參數，達到抑制諧振的目的。上述2種消諧措施本身都存在缺陷，無法達到配合使用的目的。

2.3.1 微機消諧器存在保護死區

微機消諧器是先諧振后治理，消諧方式為被動式消諧。其缺點是僅僅依靠零序電壓的大小區分單相接地和基波諧振故障。通常情況下，零序電壓等于或超過150 V時，判定為基頻諧振；在30 V至145 V之間時，判定為單相接地故障。安裝有微機消諧器的電網依然會發生PT諧振，由于工頻諧振的調整可能與單相接地的特征一樣，無法區分故障類型[9]。另外，微機消諧器判斷運算及中間繼電器的響應時間至少需要20 ms，接觸器動作合閘時間80 ms以上，整個消諧時長至少需要100 ms。由于該變電站負荷持續增加，系統對地電容較大，故障表現為間歇性接地，伴有PT因瞬時飽和發生涌流，微機消諧器在100 ms內無法完成消諧。

2.3.2 碳化硅一次消諧器失效

以母線PT尾端加裝消諧器為例，其零序等效電路如圖5所示。

圖5 母線PT尾端加裝消諧器零序等效電路

通常情況下，PT三相的一次繞組直阻都較為平衡并與勵磁阻抗較為接近，式（4）可化簡為

由式（5）可以得出，消諧器電阻值 越大，UN越大。如 設置過大，容易引起PT尾端放電；如 設置過小，則無法起到消諧作用。碳化硅的阻值可達幾百上千歐姆，PT尾端加裝碳化硅消諧器與PT中性點懸空不接地效果相同，即PT中性點對地不具備泄放渠道。加裝碳化硅消諧器雖然對PT A、B、C三相電流有一定的限制作用，但結合后期諧振改造后的過電壓記錄可知，每一次沖擊流過熔斷器的電流都遠遠超過熔斷器的額定電流峰值，故此，雖然電壓互感器中性點加裝碳化硅消諧器，由于碳化硅材料的特性，依然會出現熔斷現象。另外，當系統發生單相接地故障時過電壓會持續造成消諧器發熱甚至燒毀，其燒毀的同時引起PT燒毀的概率也很大。

3 用流敏型消諧裝置進行諧振抑制改造

3.1 流敏型消諧裝置技術原理

為避免繼續發生上述連續性PT燒毀和熔斷器熔斷惡性事故，選用流敏型消諧裝置對該變電站進行諧振抑制改造。流敏型材料可以在一定的轉變溫度（居里溫度點）發生半導體和絕緣體的相互轉變，進而電阻值發生躍變，即正常運行時，消諧裝置為低阻狀態，不對系統造成影響；當發生PT鐵磁諧振時，消諧裝置快速呈高阻狀態，降低系統電流，達到抑制諧振的目的[10]。

流敏型智能消諧裝置是由二次智能監測裝置和一次流敏消諧器組合而成。智能監測裝置采集PT二次側三相電壓及開口電壓和流敏消諧器的工作電流。如果發生PT鐵磁諧振，流敏消諧器先于智能監測裝置動作。如智能監測裝置檢測到是某種頻率的鐵磁諧振，則啟動二次消諧元件，并發出報警、顯示和自動存儲相關數據。同時，智能監測裝置可監測流過流敏消諧器的電流值是否屬于正常范圍，判斷一次消諧是否可用。流敏型智能消諧裝置接線原理如圖6所示。

圖6 流敏型智能消諧裝置接線原理圖

裝置的消諧電阻自動跟蹤調整數學模型為

3.2 加裝消諧裝置改造后系統故障記錄

4月27日對出線PT、母線PT、發電機端口PT各加裝1套流敏型消諧裝置，4月28日下午18：00并網，并網運行6 d內智能消諧裝置記錄了3起沖擊，PT所在回路運行穩定，有效抑制了PT諧振。

借助智能檢測裝置的過電壓記錄，該流敏型消諧裝置共阻止了3起沖擊。第1起沖擊時間為2022-05-01T11：03：34，出線側1號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為54 V、53 V、102 V和70 V，C相過電壓沖擊，PT未發生諧振；第2起沖擊時間為2022-05-01T11：03：43，出線側2號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為54 V、53 V、102 V和71 V，間隔時間僅為9 s，C相過電壓沖擊，PT未發生諧振；第3起沖擊發生在14 h之后，時間為2022-05-02T11：12：15，出線側6號記錄的A相、B相、C相和UN電壓分別為101 V、52 V、55 V和71 V，A相過電壓沖擊，流敏型消諧裝置吸收沖擊能量，PT未發生諧振。經過4個月運行，該線路運行平穩，未再發生PT燒毀及熔絲熔斷現象。

4 結論

某發電廠連續發生多起鐵磁諧振燒毀PT及高壓熔斷器事故，對該電廠進行消諧抑制技術改進時，選用了由二次智能監測裝置和一次流敏消諧器組合使用的流敏型智能消諧裝置。實踐表明，該類消諧裝置可有效避免因系統間歇性接地導致的PT炸裂和熔斷器熔斷事故。在事故分析過程中，得到以下結論：

a）一次消諧器可有效抑制PT鐵磁諧振，但其線性系數范圍設置要合理。過高會造成PT尾端電壓升高甚至放電，過低則起不到消諧的作用。

b）一次消諧裝置和二次智能監測裝置配合使用可有效提高諧振抑制效果，并為一次消諧裝置運行狀態提供監測途徑，避免了以往消諧器老化、失效等故障無法察覺的問題。

c）在設計階段，應對整站的過電壓保護和絕緣配合進行有效驗證，PT一次直阻的大小對PT回路鐵磁諧振的抑制起著至關重要的作用，過小易引發高頻鐵磁諧振，過大則易引發分頻諧振。