35KV变电所PT二次电压不平衡现象分析.docx
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35KV变电所PT二次电压不平衡现象分析
科技成果报告
新建35/6KV变电所初次充电
PT三相电压不平衡原因分析
及解决方案
窑街煤电集团天祝煤业公司
二0一一年十一月
1立项背景3
2变电所基本概况介绍3
3理论分析4
4PT发生铁磁谐振的危害8
5防止铁磁谐振，消除PT二次三相电压不平衡现
象的措施
6产生的效益11
7创新点12
新建35/6KV变电所初次充电PT三相电压不平衡
原因分析及解决方案
（窑街煤电天祝煤业公司甘肃天祝733211）
刘建荣温天和徐杜民多斌学
1、立项背景
2010年12月2日，天祝煤业公司在投用新建的35/6KV变电所时，当第一段母线充电时，用万用表测量发现二次侧的电压值不平衡，分别为76V、112V、101V，且开口三角端也出现高电压，电压值达102V左右，而且瞬间B相电压为零，有虚幻接地现象，停电对母线及PT进行检查没有发问题，对PT一次熔断器进行检测，发现B相熔断器熔断，更换一只熔断器后，再次送电，发现二次三相电压仍然不平衡，开口三角端电压偏高，根据经验，在PT的开口三角端处加装一只白炽灯泡，目的是为了消除开口电压，投用后，白炽灯瞬间很亮然后又熄灭了，用万用表测量二次三相电压还是不平衡，且有一相PT熔断器熔断了,在变电所投用后，又陆续发生了母排瓷套管炸裂和PT烧毁的事故，为了彻查原因，确保变电所的正常投用和正常运行，对上述问题进行系统分析,并采取合理的方案予以解决。
2、变电所基本概况
天祝煤业公司新建的35/6KV变电所供电系统为中性点绝缘（即中性点不接地）系统，属于小电流接地系统，其优点是在发生单相接
地时，能继续工作一段时间（若接地电流不是太大，一般可继续运行
1~2h）,这是因为在中性点绝缘的小接地电网中，发生单相接地故障时，故障电流往往比负荷电流小得多，而且系统的电压仍然保持对称，相电压和线电压不仅量值维持不变，且相位角仍互为120°，所
以便于运行人员查找故障点，并采取相应的措施；缺点是由于电网中性点没有固定电位，三相对地电压不稳定，在发生一相接地故障的情况下，其它两相的对地电压长高（一般升高"3倍），有可能使电网对地绝缘薄弱部分发生绝缘击穿，造成另一相接地，发生相间短路故障。
变电所6KV两段母线上各安装1套JDZ10-6型电压互感器，为了实现相对地电压监视和对地绝缘监察，PT的接线方式为星形/星形/开口三角接线，变比为6.3/乜/0.1/P3/O.1/3KV，变电所内6KV电缆出线共21条。
正常运行时，电网的三相电压对称，基本无零序电压输出，其数值一般在0V~2V之间。
3、理论分析
1）电压互感器及其接线方式
电压互感器的作用是将电力系统高电压转换成与其成比例的低电压，输入到继电保护、自动装置和测量仪表中，电压互感器正常运行时磁通密度高，接近饱和值，且一次电压越高，磁通密度越大，天祝煤业公司新建的35/6KV变电所6KV侧母线上安装的电压互感器为三绕组电压互感器，匝数多的绕组为一次绕组，有两个次级绕组，一个绕组用于测量相电压或线电压，称为二次绕组，另一个绕组用于测量零序电压，称为三次绕组。
天祝煤业公司新建35/6KV变电所6KV侧三相电压互感器二次回路接线方式如下图所示，其中A、B、C分别为电压互感器一次的三相输入端子，a、b、c分别为电压互感器二次三相输出端子，a，、b/c/分别为电压互感器三次三相绕组的输出端子，L、N为电压互
感器
三次输出端子。
ABC
***
a，b，c
abc
I二次及三次绕组接线方式
2）产生不平衡电压的原因分析
理论上，小电流接地系统中电压互感器二次、三次电压相量图如
下图所示，图中Ua、Ub、Uc分别为电压互感器二次三相电压，N、L、a，b，c，分别为电压互感器三次电压三角形的三个顶点。
正常运行情况下电压互感器三相一次电压对称并等于额定电压，二次三相相
间电压Uab=Ubc=Uca=100V，三次三相相电压ULa/=Ua/b/=Ub/
n=33.3V,N、L点重合，即开口三角形输出电压UlnPV。
Uc
Ua
ua
4---
UbNLu
Ub7
/c
「二次及三次电压相量图
下图为中性点不接地电网PT的三相简化电路，设Ua、Ub、Uc为三相对称电势，Co为相对地电容，La、Lb、Lc为PT励磁电感，Uo为中性点对地电压，由于三相Co相等，三相电势对称，所以Uo=O。
简化三相电路原理
由上图可见，当三相电压不平衡时，PT三相励磁电感就不相等，此时三相系统也不再是对称的量值，中性点电压偏移，将会产生零序电流和对地电位Uo,理论上，对于任何不对称的三相系统都可分解为三个对称的分量，即：
零序分量、正序分量和负序分量，正序分量和负序分量数值相等，方向相反，矢量和为零，所以只有零序分量，即开口三角端就有了零序电压，零序电压叠加在二次侧三相电压上，就出现了二次侧三相电压不平衡现象。
通过理论剖析，结合现场测量和试验情况，判定这是由于PT
铁芯磁饱和发生了铁磁谐振现象，从理论上分析有以下两种情况：
第一种情况：
由于三相PT的伏安特性相差过大，造成三相励磁电流的基波值不平衡。
PT一次绕组电流分布如下图所示，可用数字式万用表测量开口三角两端的频率，测到的频率是50HZ或150HZ，
若频率是50HZ，说明三相PT的伏安特性相差过大，以至三相励磁电流的基波值很不平衡，改善方法是选择三相PT的伏安特性基本一
致的编成一组。
但一般情况下，由于三相PT的伏安特性相差过大，造成开口三角电压升高的情况不多，经我们现场测试，其频率是
150HZ，所以可以排除PT的质量问题。
Ua
Ub
Uc
IAM
IBM
ICM
R
一次绕组电流分布
第二种情况：
当供电线路各相对地电容形成的容抗与线路上所接入的PT各相的综合感抗数值相近或相等时也会发生铁磁谐振，因为在中性点非直接接地系统中，存在线路相对地电容C0，为了使PT
开口三角具有系统接地绝缘监察功能，一次高压绕组中性点必须接地，这样PT一次侧相电感L0和相电容C0在系统正常运行的情况
下构成电压谐振回路，在变电所6KV母线段充电时，由于未投入其它供电回路，而母线又很短，只有十几米长，所以每相对地电容C0
值很小，即各相的容抗值Xc和单相PT的各相的感抗Xl较大，且数值接近，在电感和电容两端出现了高于额定电压和额定电流几倍至几十倍的过电压和过电流，从而使PT线圈中出现了激磁涌流导致铁芯磁通饱和，三相电感不等，与电网相对地电容构成谐振回路，最后烧坏PT一次熔断器，如果这种情况持续时间较长，严重时将造成系统的薄弱点击穿甚至PT烧毁。
综上分析，当时发生的铁磁谐振就是第二种情况。
4、PT发生铁磁谐振的危害
1）发生铁磁谐振时，系统中性点电位升高，出现较高的零序电压，产生谐振过电压，特别是高频谐振，过电压的倍数较高，会引起电气设备绝缘损坏，甚至可能导致避雷器爆炸、电压互感器绕组烧毁等故障，出现基频谐振和分频谐振时，由于电压互感器的电感急剧下降，励磁电流很大，特别是分频谐振，因其频率低，产生的谐振过电流数值有可能会达到额定电流的几百倍，而由于互感器绕组的感抗又很小，较大的过电流往往导致电压互感器熔丝熔断。
2）当发生基频谐振时，由于两相电压升高，一相电压降低，但相间电压仍然对称，从而造成虚幻接地的假象，引起继电保护设备误动作，严重威胁供电系统的安全可靠运行。
5、防止铁磁谐振，消除PT二次三相电压不平衡现象的措施
由于供电系统中的电感值和对地电容值不是常数，所以PT铁磁谐振的发生具有偶然性，只有在适当的时间破坏谐振条件，才能达到消除谐振的目的，具体的防止铁磁谐振的措施有以下几种：
1）根据对铁磁谐振发生机理的研究，最简单的一种方法是静电电容补偿法，因为现在大多数供电系统，为减少投资，节少电费支出，都采用母线静电电容器补偿方式，即在母线上安装电容器补偿装置，将负载功率因数呈容性。
这是人为增大相对地电容CO值，使3<
XCO/XL0.01，脱离谐振区域，破坏铁磁谐振条件，这种方法在进行倒闸操作、空投变压器、线路时能临时解决铁磁谐振的问题，天祝煤业公司在投用新建的35/6KV变电所时就采用了该方案，带上母线上的300Kvar的电容器组后，发现三相电压不平衡误差相对减小，且开口三角端的电压降为72.2V，且开口三角端的电压降为6.3V。
但这种方法有一定的局限性，因为当改变电网相对地容C0时，XC0/XL随之改变，回路中有可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态的情况。
2）另一种方法是在电压互感器三次绕组开口三角端安装消谐器，接线方法如下图所示，将三次谐波限制器背面的两接线端与三次绕组开口三角两端用绝缘导线连接，将三次谐波限制器接入PT开口三角两端，这种方法相当于在电压互感器零序回路中增加电阻，能将部分零序电压降消耗在消谐器上，降低开口三角两端的电压，使电压互感器的饱和程度降低，不至于发生铁磁谐振，但是对于低频振荡，由于其特点与单相接地的特点相似，所以不能准确判别，而规范要求单相接地时，可继续带故障运行1〜2小时，从而可能使电压互感器内流
过较大的电流，且持续时间过长而烧坏绕组，因此，该措施只适用于对地电容较小的电网。
ABC
a7bzc/
消右
I三次绕组幵口三角端加装消谐器
2）再一种方法是在PT一次侧中性点与地之间安装三次谐波限制器来限制PT二次侧开口三角两端的三次谐波电压升高。
天祝煤业公司在变电所成功投用后的5个月内，分别出现了1次母线瓷套管炸裂和1次互感器炸裂的事故后，就采用这种方法进行消谐。
常规的安装方法是在互感器高压绕组中性点串接一个消谐器（阻尼电阻），其
消谐器I一^—b
R
接线方法如下图所示：
A
B
C
丿T一次侧中性点与地之间加装消谐器
采用该措施，能够抑制铁磁谐振过电压，但在消谐器选型方面要特别慎重，因为当消谐器电阻越大，分担的电压就越高，互感器就越不容易饱和，虽能有效防止发生铁磁谐振，但通过实际使用后，发现若电阻太大，PT开口三角端输出的电压就相应降低，当发生单相接地故障时，将会影响继电保护装置动作的灵敏性。
为了克服这些问题，天祝煤业公司用一种LXQ-10型非线性电阻消谐器代替常规的消谐器，因为根据非线性电阻的伏安特性曲线，在零序电压较低时，呈高阻态，在发生单相接地时，消谐器上产生较高的电压，使其电阻降低，从而增大开口三角端的电压值，能确保继电保护可靠动作。
6、产生效益
天祝煤业公司供电系统需要实时监测三相对地电压并对系统进行绝缘监察，实现接地报警的功能，所以全部采用三相独立的电压互感器，通过在PT一次侧中性点与地之间安装非线性电阻，限制PT二次侧开口三角两端的三次谐波电压，效果较为明显，用万用表实测数据如下表：
名称
米用消谐措施前
采用消谐措施后
一次电压
二次电压
一次电压
二次电压
AN
6.3/v3KV
89V
6.3/v3KV
65.5V
I段
BN
6.3/v3KV
65V
6.3/v3KV
63V
CN
6.3/v3KV
70V
6.3/v3KV
59.7V
PT
LN
6.3V
1.8V
AB
6.3KV
101V
6.3KV
107.7V
BC
6.3KV
112V
6.3KV
109.1V
CA
6.3KV
117V
6.3KV
107.7V
II段
PT
AN
6.3/v3KV
76V
6.3/v3KV
62.5V
BN
6.3/v3KV
61V
6.3/v3KV
62.9V
CN
6.3/v3KV
56V
6.3/v3KV
63.3V
LN
6.8V
0.27V
AB
6.3KV
121V
6.3KV
108.3V
BC
6.3KV
81V
6.3KV
109.2V
CA
6.3KV
119V
6.3KV
108.2V
通过天祝煤业公司实际运行情况来看，在2010年12月份，初次投用新建的35/6KV变电所时，由于发生铁磁谐振，造成PT二次侧三相电压不平衡，且开口三角端的零序电压严重偏高，导致变电所不能顺利投用，最后通过带静电电容器组，临时消除了PT饱和电压，顺利投用了变电所，但运行至2011年2月8日，变电所35KV侧发生了一起因铁磁谐振过电压，导致母线瓷套管炸裂的事故，4月6日
发生了一起6KV侧I段母线PT的B相熔断管爆裂的事故，5月18日，变电所35KV侧II段母线计量柜的一相PT又再次烧毁并爆裂。
采用在PT一次侧中性点与地之间安装三次谐波限制器（非线性电阻消谐器）消谐措施后，通过近5个多月的观察，PT二次侧三相电压能始终保持平衡，开口三角端的零序电压也能保持稳定，且不影响小电流选线装置的准确选线，从而确保了供电系统的安全可靠运行。
7、创新点
1）用最简单、最经济的办法解决了重大的安全供电问题，实现了经济效益最大化。
初步计算，每只非线性消谐器价格为900〜1000兀左右，解决上述问题费用共计约为3600〜4000兀左右，米取措施后，既保证了新建变电所的按期顺利投用，同时，每年降低维修费用约为9000〜10000兀。
2、米用LXQ-10非线性电阻消谐器代替常规的消谐器，该消谐器的直流特性与传统的RXQ消谐器相近，但结构设计迥异，它是用高密度的SiC为基料，经高温绕结而成的多个非线性阻尼无件并、串联组成，体积小、重量轻，而且安装也很方便，在过安装时要注意，不能将阻尼电阻固定在PT的紧固螺栓上，因为该处是不接地的，应与接地螺栓相连接，并确认接地良好，这样既能消除铁磁谐振过电压，同时也能确保单相接地故障的准确选线，提高了供电的安全可靠性。
参考文献：
【1】储百森配电网铁磁谐振防治经验电工技术杂志2003（3）：
82-83
【2】刘新东10-35KV配电网铁磁谐振过电压的表现形式及消除措施电工技术杂志，2000（6）：
45-46
【3】周洁莲、吴少珍防止电压互感器的铁磁谐振过电压的有效措施2001（7）：
53、55
【4】电力主设备继电保护的理论实践及运行案例（电气部分）中国水利水电出版社
项目完成人员：
刘建荣男工程师
窑街煤电集团天祝煤业公司副经理
温天和男工程师
窑街煤电集团天祝煤业公司机运部部长
徐杜民男助理工程师
窑街煤电集团天祝煤业公司机运部副部长
多斌学男助理工程师
窑街煤电集团天祝煤业公司主管供电业务员
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