摘要:承德供电兴隆分公司发生过两起10kV三相五柱电压互感器烧毁事故,从事故分析出发,分析了该事故发生的原因,其主要原因铁磁谐振过电压。由此事故分析及理论分析和实验,对避免类似事故的发生提出了防范的措施及注意事项。
关键词:电压互感器 事故分析 防范措施
1 现场情况
兴隆供电分公司所属两座35kV综合自动化变电站,中性点不接地方式运行,采用的是电磁式三相五柱式电压互感器,型号为JSZW-10,两站自运行起分别在一年内发生电压互感器烧毁事故,根据事故调查分析,均是由铁磁谐振过电压引起。
为了使监视中性点不接地的电力系统发生接地时得到报警信号,通常是把三线圈电压互感器的一次侧接成星形,中性点接地;二次侧也是星形,中性点也接地;三次侧是辅助线圈,接成开口三角形。接线图如下:
这样的系统中性点是不稳定的。虽然它能够给出真正的接地故障信号,但系统的对地容抗和互感器饱和时的励磁电抗达到一定的比例时,就会发生铁磁谐振,产生的过电压也会发生故障信号,同时由于该型号电压互感器的伏安特性较差,发生铁磁谐振时,电压互感器的三相电流将达到励磁电流的数十倍甚至一百倍,此时极易造成电压互感器线圈过热烧毁事故。
2 原因分析
2.1 电压互感器伏安特性的影响。H·A·Peterson曾对两种典型伏安特性的铁芯电感进行模拟试验。试验结果如下图所示。[2]
由图可见,铁芯电感的伏安特性愈好,即铁芯饱和得愈慢,谐振区愈向右移,也即谐振所需要的阻抗参数XC0/XL愈大;反之,愈向左移,即谐振所需XC0/XL愈小。还可以看出,谐振区域与阻抗比XC0/XL有直接关系,对于1/2分频谐振区,阻抗XC0/XL约为0.01~0.08;基波谐振区,XC0/XL约为0.08~0.8;高频谐振区, XC0/XL约为0.6~3.0.当改变电网零序电容时,XC0/XL 随之改变,回路中可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。如果零序电容过大或过小,就可以脱离谐振区域,谐振就不会发生。考虑到电力系统中运行着的电压互感器及系统的具体情况总与模拟情况有差异,因此,H·A·Peterson的模拟试验结果,仅用来定性估计系统阻抗参数的匹配情况,而对于不同型号、不同出厂日期、不同厂家制造的电压互感器,其谐振区域应根据实际试验加以确定。
在现场,一般可以测量出电网的对地电容电流,进而计算出对地电容,由XC0/XL估算该电网是否处于谐振区。若在谐振区,再进一步判定可能是哪一种谐振。电网的电容电流也可用下列经验公式计算 Ic=3Ux×103/Xco
式中Ic-电容电流,A;
Ux-电网运行相电压,kV;
Xco-线路对地容抗,Ω。
可知,当X0/Xm<0.01时,不发生谐振;随着(X0/Xm)的增大,依次发生1/2分频、基频、三倍频谐振,相应地,发生谐振所需的外加电压也逐渐增大。由于运行中的一般都是额定相电压(0.58Ur,Ur为额定线电压),因此1/2分频时较多发生基波谐振,高次谐波的谐振较少。分频谐振的频率并非严格等于1/2次,分频谐振时,铁心高度饱和,励磁电流剧增数十甚至一百倍,导致电压互感器烧毁或保护用熔断器熔断。
2.2 电压互感器结构的影响。H·A·Peterson模拟试验采用的三台单相小容量变压器,相当于三台单相电压互感器,而现场运行着的电压互感器,既有三台单相电压互感器组,也有三相五柱电压互感器,它们在谐振激发上是不同的。试验研究表明,单相电压互感器组的起振电压较三相五柱电压互感器的低,也就是说,单相电压互感器组容易激发谐振。这主要是由于两者碰路结构的差异,造成零序阻抗不同所致。
如下图示了三芯五柱互感器和单相互感器组的磁路。单相互感器组零序磁通的磁路和正序磁通的磁路一样,每相都有自己的闭合回路,因而零序阻抗等于正序阻抗。对三芯五柱电压互感器,由于零序磁通经过两个边往返回,所以其磁路长,而且铁芯截面小,因而其零序磁通磁阻较单相互感器组要大得多。由上所述,谐振是由于零序磁通造成的,三芯五柱互感器零序磁通遇到的磁阻大,谐振就不容易产生。
由于磁路的差异,计算和测量这两类电压互感器零序阻抗时所用的电压是不同的。由于电网发生谐振时,作用在电压互感器上的电压是正序电压与零序谐振电压的叠加,对于三芯五柱互感器,零序电压接近于相电压,正序电压对零序电压阻抗影响不大,所以及取相电压下的相应感抗值。
3 防范措施
综合以上H·A·Peterson对铁磁谐振的分析,防止铁磁谐振的措施,就是把谐振区域的范围尽可能缩小,或者设法躲开谐振区,可以从以下几方面进行:
发生铁磁谐振时,由继电保护将开口三角暂时短接。这时,可能在不稳定区域内某一部分得到稳定,但在谐振过后,应立即将短接的开口三角打开,避免系统单相接地时没有信号。
测出配电系统对地零序容抗Xco和电压互感器的励磁电抗Xm,如果两者相等,则在配电系统接入一组星形中性点接地的小容量的电容器,或者在变电所受电前,在二次侧的母线上,投入一条馈电线,使系统对地容抗与互感器电抗比值,远离不稳定区域。
降低电压互感器的运行电压,在10kV配电系统中,使互感器的运行电压从10kV降到5.8kV,不稳定区域将大大减小,分频区域将缩小一半,基频区域只有很小的一部分,且不存在三次谐波的不稳定区域。这个措施的缺点是,电压互感器没有连接电压表的出线了。
在电压互感器线圈固有的电阻基础上,增加外接直流电阻,以缩小铁磁谐振的范围,接入电阻时应了解电阻的容量。因为电压互感器产生铁磁谐振的条件和互感器特性曲线的饱和点有关,为了使电压互感器因电压升高而不进入饱和状态,选择电阻的容量最好等于电压互感器的容量。接入电阻法的方法有:①在电压互感器的一次侧中性点经过渡电阻接地,这种措施除了能限制电压互感器中的电流,特别是限制断续弧光接地时流过电压互感器的高幅值电流外,亦能减少每相电压互感器上的电压(相当于改善电压互感器的伏安特性),电阻器的额定功率须较大,一般采用额定功率相当大的非线性电阻器与线性电阻器串联。非线性电阻器在低电压下电阻较大,还能阻止谐振发展,对于系统三相电容严重不对称或电压互感器一次非全相熔断器烧断等异常情况均可有效消谐。一般情况下,取电阻数值≦0.15Xm欧②在电压互感器开口三角并接电阻R△,R△相当于接到电源变压器的中性点上,故其电阻R△越小,越能抑制谐振的发生。若R△=0,即将开口三角两端短接,相当于电网中性点直接接地,谐振就不会发生,一般情况下按照R0.45Xm/K13*K13(K13为电压互感器一次侧与开口三角的电压比)选取。[1]
我们通过理论分析和比较,将现在运行的电压互感器全部在开口三角并接50～60欧姆500瓦可调电阻,运行至今,没有再次发生任何烧毁电压互感器烧毁事故,取得良好的效果。
参考文献:
[1]周和平.中性点绝缘系统消除电压互感器铁磁谐振的措施,中国电力.1993.
[2]Peterson H·A Transients in Power Systems.1951.