李國(guó)清，趙 飛

（1.中能智新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.北京金電聯(lián)供用電咨詢(xún)有限公司，北京 100101）

0 引 言

根據(jù)最近幾年太陽(yáng)能電站及風(fēng)能電站的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，10～35 kV開(kāi)關(guān)站發(fā)生故障最多的元件就是鐵磁式電壓互感器。電壓互感器與過(guò)電壓保護(hù)器故障不但影響了電站正常向電網(wǎng)輸送電力，還常導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜中其他電氣設(shè)備損壞，從而造成巨大損失。本文通過(guò)分析電壓互感器的燒毀原因，提出了避免電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振的有效措施。

1 電壓互感器故障原因分析

通過(guò)檢修過(guò)去幾起太陽(yáng)能電站或風(fēng)能電站中的故障，發(fā)現(xiàn)最容易出現(xiàn)故障的元件為10～35 kV交流開(kāi)關(guān)站中的鐵磁式電壓互感器，且故障的癥狀很相似，都是保護(hù)熔斷器燒毀，嚴(yán)重時(shí)鐵磁式電壓互感器外殼出現(xiàn)爆裂或炭化龜裂。要分析其共有的故障原因，先要分析風(fēng)能電站與太陽(yáng)能電站共有的特點(diǎn)，不論是風(fēng)力發(fā)電還是太陽(yáng)能發(fā)電，主回路必須有逆變器，將直流或不規(guī)則的交流轉(zhuǎn)變成工頻電源。而逆變器必須帶有整流環(huán)節(jié)，這樣會(huì)產(chǎn)生大量諧波，雖經(jīng)過(guò)各種諧波裝置濾波，但各次諧波，尤其是高頻諧波也比普通電網(wǎng)多。

大量各次諧波的存在極容易誘發(fā)系統(tǒng)的諧振發(fā)生，而諧振顯然是鐵磁諧振。因?yàn)橄到y(tǒng)回路有一對(duì)電容，而鐵磁電壓互感器又是電抗較大的電感元件，因此對(duì)某次諧波來(lái)說(shuō)（不同的諧波，也就是不同的頻率，呈現(xiàn)的電抗或容抗是不同的），當(dāng)系統(tǒng)的容抗與鐵磁電壓互感器、電力變壓器等設(shè)備的感抗相等時(shí)，自然會(huì)形成并聯(lián)諧振[1]。

1.1 鐵磁諧振發(fā)生的原因

在中壓不接地系統(tǒng)中，各相對(duì)地電容及各相對(duì)地電感組成并聯(lián)回路。電源側(cè)中性點(diǎn)對(duì)地?zé)o固定電位，中性點(diǎn)對(duì)地電壓處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如發(fā)生間隙性電弧的單相不穩(wěn)定接地、斷線(xiàn)故障、單相接地故障恢復(fù)的瞬間、電源合閘的瞬間以及雷電沖擊等情況，系統(tǒng)運(yùn)行情況會(huì)發(fā)生突變，其穩(wěn)定性會(huì)遭到破壞。電壓互感器受到涌流侵入，三相飽和程度不一，造成電抗發(fā)生變化，當(dāng)其與系統(tǒng)各組件電抗、容抗達(dá)到某種配合時(shí)，就有發(fā)生諧振的可能。如果電壓互感器某一相或兩相有涌流，則會(huì)造成鐵芯過(guò)飽和，從而電感減小，三相電抗不對(duì)稱(chēng)，中性點(diǎn)位移，出現(xiàn)零序電壓，并會(huì)隨之出現(xiàn)零序電流及零序電抗。零序電流通過(guò)系統(tǒng)對(duì)地電容形成回路，當(dāng)電壓互感器的零序阻抗與系統(tǒng)的等值容抗相等時(shí)，便會(huì)形成諧振。

1.2 鐵磁諧振的危害

鐵磁諧振是中壓不接地系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題，它的直接危害是導(dǎo)致電壓互感器的絕緣擊穿或熱損壞，接下來(lái)發(fā)生電壓互感器短路。如果電壓互感器的保護(hù)熔斷器不能及時(shí)切斷短路，會(huì)引起更大的故障。對(duì)于電壓互感器絕緣擊穿的原因，有兩種不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)是諧振引起過(guò)電壓造成絕緣擊穿；另一種觀點(diǎn)是因諧振造成過(guò)電流，由過(guò)電流造成互感器發(fā)熱，因發(fā)熱而造成絕緣損壞。

2 避免電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振的措施

2.1 電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)串入消諧電阻

在中性點(diǎn)串入消諧器，就是在中性點(diǎn)串入電阻接地，其能夠消耗諧振電流的能量，對(duì)諧振起到阻尼作用。也相當(dāng)于在電壓互感器零序回路中增加了電阻，分擔(dān)了零序電壓，使電壓互感器的鐵芯飽和程度降低，并降低了諧振的風(fēng)險(xiǎn)。另外，限制了零序電流，避免因較大的電流通過(guò)電壓互感器繞組而引起電壓互感器燒壞。所串入的消諧電阻可以是線(xiàn)性的，也可以是非線(xiàn)性的，非線(xiàn)性的特點(diǎn)是承受的電壓越高，其電阻越低。當(dāng)由于故障造成電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)對(duì)地電壓過(guò)高時(shí)，消諧阻抗值變低，電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角兩端電壓才足夠大，以便保護(hù)裝置動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)一相接地，電壓互感器中性點(diǎn)接地電阻足夠小，電壓互感器二次側(cè)接地相電壓接近零，其他兩相電壓趨于線(xiàn)電壓，這才有利于判別接地相。

值得注意的是，消諧器有足夠的容量。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，大的零序電流通過(guò)時(shí)不會(huì)引起消諧器燒壞。消諧器的首要作用是消諧，使諧振不能持續(xù)。實(shí)踐證明，當(dāng)消諧電阻大于電壓互感器每相繞組阻抗的0.06倍時(shí)，足以阻止諧振的持續(xù)。按此比例計(jì)算，當(dāng)消諧電阻為電壓互感器每相繞組阻抗的0.06倍且正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器副邊開(kāi)口三角形電壓只降6%，這種影響完全可以接受。若采用非線(xiàn)性電阻，則開(kāi)口三角兩端電壓減少不會(huì)超過(guò)10%。

如果消諧電阻的阻值非常高，則開(kāi)口三角形兩端電壓降較大，而副邊線(xiàn)電壓及相電壓變化不大，這對(duì)保護(hù)及測(cè)量都不利。當(dāng)一次消諧電阻趨于無(wú)窮大時(shí)，即一次側(cè)中性點(diǎn)不接地。當(dāng)系統(tǒng)一相接地，而電壓互感器二次側(cè)電壓無(wú)變化時(shí)，亦起不到絕緣監(jiān)視的作用，這與電壓互感器一次中性點(diǎn)接地的初衷相悖。目前，生產(chǎn)一次消諧電阻的廠家較多，其中較好的是齒輪形加大散熱面的大容量非線(xiàn)性消諧電阻，其體積不大，可裝于手車(chē)柜內(nèi)，與電壓互感器中性點(diǎn)弱絕緣相匹配。

實(shí)踐證明，一次消諧器是能夠阻止諧振的持續(xù)，從而保護(hù)電壓互感器不受損壞，但開(kāi)始的瞬間諧振照樣發(fā)生，會(huì)造成電壓互感器保護(hù)熔斷器熔斷。

需要特別提醒的是，系統(tǒng)諧波過(guò)大與系統(tǒng)發(fā)生諧振無(wú)必然的聯(lián)系。如果系統(tǒng)三次諧波過(guò)大，因它是零序諧波，通過(guò)電壓互感器中性點(diǎn)所接的消諧器與系統(tǒng)對(duì)地的電容構(gòu)成回路，盡管沒(méi)發(fā)生諧振，但通過(guò)消諧器的三次諧波電流已經(jīng)使消諧器無(wú)法承受。例如，電壓互感器一次電流不足1.5 mA，而保護(hù)電壓互感器一次側(cè)的熔斷器熔絲額定電流為0.5 A，是電壓互感器額定電流的3倍，因此還會(huì)造成熔絲頻頻熔斷，這是三次諧波過(guò)大造成的，不一定是諧振導(dǎo)致的。此外，由于平時(shí)通過(guò)消諧器的諧波電流過(guò)大，可能會(huì)造成消諧器熱爆。

采用電壓互感器一次繞組串聯(lián)消諧電阻方法的效果不夠理想，因?yàn)樵谒龅降碾妷夯ジ衅鞅Ｗo(hù)熔斷器熔斷或電壓互感器燒毀的事故中，都有一次消諧裝置，但事故還是照樣發(fā)生。

2.2 微機(jī)二次消諧

在正常情況下，電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角形兩端的零序電壓很小，當(dāng)諧振發(fā)生后，電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)出現(xiàn)位移，開(kāi)口三角形兩端電壓高，如果兩端接入電阻來(lái)消耗能量，則能夠?qū)χC振起到阻尼作用。

微機(jī)二次消諧是采用微機(jī)二次消諧裝置，分別對(duì)電壓互感器副邊的3個(gè)相電壓及開(kāi)口三角形兩端電壓進(jìn)行取樣，判別是單相接地故障還是發(fā)生了諧振。如果是接地故障就報(bào)警，而如果是發(fā)生了諧振，則需根據(jù)諧振頻率的不同，使計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，在開(kāi)口三角形兩端接入不同的電阻。如果是分頻諧振，則接入高電阻，如果是高頻諧振，則接入低電阻或直接短接。

目前，計(jì)算機(jī)二次消諧的不足之處是判別接地故障與諧振時(shí)不夠準(zhǔn)確，此種方法有待完善。微機(jī)諧振裝置如果判斷失誤，將單相金屬穩(wěn)定接地，開(kāi)口三角形兩端出現(xiàn)的近100 V的過(guò)高電壓誤認(rèn)為諧振，肓目地短接開(kāi)口兩端，會(huì)很快把電壓互感器燒壞。其原因是開(kāi)口兩端短接后，開(kāi)口三角形繞組電流可達(dá)70～80 A，而相對(duì)應(yīng)的電壓互感器一次側(cè)電流可達(dá)400 mA，電壓互感器會(huì)立即燒毀。如果35 kV電壓互感器額定容量為30 VA，額定電流不超過(guò)0.5 mA，而相對(duì)應(yīng)的一次側(cè)電流達(dá)到了180 mA，則電壓互感器將無(wú)法承受此電流。鑒于上述原因，有的設(shè)計(jì)單位及當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)選擇使用一次消諧，而不用微機(jī)二次消諧。實(shí)踐證明，采用二次微機(jī)消諧不夠理想。

2.3 電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)單相電壓互感器接地

電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)單相電壓互感器接地，可稱(chēng)為經(jīng)零序電壓互感器接地，也可稱(chēng)為經(jīng)消諧電壓互感器接地[2]。零序電壓可從開(kāi)口三角形引出，也可從零序電壓互感器副邊引出。有了零序電壓互感器，副邊可省去開(kāi)口三角形繞組，其理由是零序電壓互感器分擔(dān)了一次繞組的一部分零序電壓，造成開(kāi)口三角形開(kāi)口零序電壓只占整個(gè)零序電壓的少部分，其用來(lái)做保護(hù)電壓的信號(hào)靈敏度不夠。當(dāng)采用了零序電壓互感器后，副邊又有開(kāi)口三角形繞組，此時(shí)可短接開(kāi)口，這樣可對(duì)一次繞組產(chǎn)生去磁作用，一次繞組的零序電壓幾乎為零，零序電壓幾乎全部加到接地零序電壓互感器上，如此從零序電壓互感器引出的電壓信號(hào)更高。此外，由于接地用零序電壓互感器對(duì)一次繞組零序電壓的分壓，不會(huì)使電壓互感器一次繞組過(guò)飽和。

目前，生產(chǎn)廠家供應(yīng)組合式具有消諧功能的電壓互感器，此種消諧方式效果不夠顯著，而且在手車(chē)柜中安裝不夠方便，其效果有待驗(yàn)證，因此很少有人采用該方法。

2.4 增大電壓互感器鐵芯截面積

增大電壓互感器鐵芯截面，使之外施電壓大至1.9 Um/V3時(shí)，鐵芯磁通尚不飽和，采用勵(lì)磁飽和點(diǎn)高的電壓互感器，在鐵磁諧振時(shí)，可承受高密度磁通而不致其過(guò)熱燒壞。采用此種方法效果顯著，上述各35 kV開(kāi)關(guān)站鐵磁電壓互感器熔絲熔斷及燒毀事故，最終釆用的辦法就是鐵磁電壓互感器采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，加大鐵芯截面，實(shí)際上加大電壓互感器容量。采用加大鐵芯的電壓互感器后，不再發(fā)生上述事故。由于釆用加大鐵芯截面后，體積相應(yīng)增大，這樣安裝它要求開(kāi)關(guān)柜要有更多空間。

2.5 減少系統(tǒng)容抗

為使其不輕易發(fā)生諧振，減少系統(tǒng)容抗的方法可用電纜代替架空線(xiàn)，或在配電室母線(xiàn)上接入Yy接法的電容器。不過(guò)線(xiàn)路敷設(shè)方式由多種因素決定，大多情況下不能為了防諧振而改變敷設(shè)方式。另外，母線(xiàn)上除接專(zhuān)用補(bǔ)償電容外，為消諧而專(zhuān)門(mén)接入電容的情況極少，這不但增加了成本，增大了安裝空間，同時(shí)也降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.6 采用電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)不接地方式

10 kV及以下系統(tǒng)電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)可不接地，這是針對(duì)用戶(hù)端變電所或開(kāi)關(guān)站而言。因?yàn)橄到y(tǒng)的接地故障監(jiān)視由供電部門(mén)在降壓站對(duì)系統(tǒng)集中監(jiān)視電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)不接地，對(duì)地電流沒(méi)有通路，不會(huì)產(chǎn)生諧振。V-V接法的電壓互感器一次繞組自然不接地，自然也不會(huì)發(fā)生諧振，但此種接法應(yīng)用不夠普遍，只在計(jì)量及特殊場(chǎng)合下采用[3]。

對(duì)于太陽(yáng)能電站，它的35 kV系統(tǒng)或10 kV系統(tǒng)，它不是電力系統(tǒng)的一部分，而是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，要有自己的接地故障監(jiān)視裝置，這樣母線(xiàn)電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)要接地了，因此采用電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)不接地來(lái)避免諧振是不現(xiàn)實(shí)的。

2.7 系統(tǒng)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地

經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地，可防止系統(tǒng)發(fā)生單相接地后出現(xiàn)間歇性電弧，這樣可防止不穩(wěn)定接地而發(fā)生的鐵磁諧振。

2.8 電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)有源濾波器接地

除消除諧波，也起限流及阻尼作用，但此法代價(jià)高且占用空間大，某公司生產(chǎn)的JLXQ-35型有源濾波器安裝于35 kV的電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間，濾除諧振諧波，起限流與阻尼作用，達(dá)到限值涌流及防止鐵磁諧振的發(fā)生，道理很簡(jiǎn)單，不論涌流還是鐵磁諧振電流，都包含各次諧波，有源濾器消除這些諧波后，自然不會(huì)有鐵磁諧振了，不過(guò)采用此種方式，會(huì)增加投資，并占用大的安裝空間，運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也較少，因此很少釆用。

2.9 在二次側(cè)開(kāi)口三角形兩端接入電阻

一般需要在開(kāi)口三角形兩端接入電阻R，其大小為R≤0.4(Xm/K2I3)。其中，K13為電壓互感器的一次繞組與開(kāi)口三角形匝數(shù)之比，Xm為電壓互感器的勵(lì)磁電抗。有的這開(kāi)口三角形兩端并聯(lián)一個(gè)40～100 W的燈泡，但燈泡容量不能過(guò)大，因?yàn)闊襞萑萘窟^(guò)大，意味著電阻太小了，一旦系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，也會(huì)燒壞開(kāi)口三角形繞組。

2.10 采用全絕緣電壓互感器

電壓互感器有全絕緣及半絕緣之分，本絕緣電壓互感器一次繞組與二次繞組之間絕緣能力低，10 kV電壓互感器只有3 000 V，而35 kV電壓互感器只有5 000 V，而全絕緣電壓互感器，二次與二次繞組間的絕緣能力與相繞組相同。半絕緣電壓互感器對(duì)地接頭處于電壓互感器底座附近，3只單相電壓互感器一次繞組連接成星形接法非常方便，兩只單相電壓互感器所占開(kāi)關(guān)柜的空間較小。全絕緣電壓互感器兩只接線(xiàn)柱都在電壓互感器上方，也即是在互感器同一側(cè)，接線(xiàn)比較困難。另外，這種電壓互感器在開(kāi)關(guān)柜中所占空間較大，一般安裝在手車(chē)柜內(nèi)，如果手車(chē)柜內(nèi)又有各電壓互感器或避雷器，則安裝更加困難[4,5]。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析可以看出，太陽(yáng)能和風(fēng)能電站35 kV開(kāi)關(guān)站最大的故障點(diǎn)就是鐵磁式電壓互感器，其故障基本相似，即保護(hù)熔斷器熔斷及電壓互感器燒毀。產(chǎn)生上述故障的原因就是鐵磁并聯(lián)諧振。解決上述故障的方法多種多樣，比較簡(jiǎn)單、有效且可行的方法就是采用加大電壓互感器鐵芯非標(biāo)產(chǎn)品，另外采用全絕緣的電壓互感器。為此，在工程設(shè)計(jì)階段，電氣設(shè)計(jì)人員在材料表中要注明電壓互感器為加大鐵芯截面的全絕緣的非標(biāo)產(chǎn)品。至于電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消諧電阻接地問(wèn)題，以及二次側(cè)計(jì)算機(jī)消諧問(wèn)題可以保留，但不能作為解決諧振的主要措施。如果有可能，采用電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)不接地，這樣就不存在諧振，也不會(huì)造成電壓互感器故障了。在國(guó)家電網(wǎng)反事故措施中明確規(guī)定，對(duì)于10 kV及以下電壓等級(jí)的用戶(hù)開(kāi)關(guān)站，鐵磁電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)不應(yīng)接地，這樣做就是防止鐵磁諧振的發(fā)生，至于電壓等級(jí)為35 kV的用戶(hù)開(kāi)關(guān)站，電壓互感器中性點(diǎn)是否接地并沒(méi)有明確。因此，在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員最好征求當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)意見(jiàn)，電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)能不接地就盡量不接地。