火電廠10 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)采用氧化鋅電阻產(chǎn)生的問(wèn)題及對(duì)策

（國(guó)家電投西寧發(fā)電分公司，青海 西寧 810000）

1 分析以往事故發(fā)展過(guò)程、類型和特點(diǎn)

案例1：2019年12月20日18時(shí)56分08秒10 kV 1B段1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)B開(kāi)關(guān)柜電纜頭接地短路，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)B開(kāi)關(guān)報(bào) “ABC Imax 21.70 A，過(guò)流I段動(dòng)作”并跳閘，后經(jīng)故障錄波波形檢查： A相發(fā)生了單相接地，接地相電壓接近0，不接地相電壓升高為10 kV左右，BC相電壓波形中含有諧波分量，經(jīng)過(guò)41 s的發(fā)展，由單相接地發(fā)展成為三相短路后過(guò)流跳閘。

案例2：2017年03月27日21時(shí)30分電氣操作人員用進(jìn)線開(kāi)關(guān)給10 kV脫硫1B段空母線充電，發(fā)現(xiàn)進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜上有“頻率異?！眻?bào)警，母線電壓呈現(xiàn)三相交替升高，線電壓在12 kV～14 kV之間波動(dòng)，母線PT伴有“諧振”報(bào)警，隨后10 kV脫硫1B段母線PT B相爆炸，分析判斷為分頻諧振。

案例3：?jiǎn)渥兛蛰d運(yùn)行時(shí)，低壓側(cè)A、B分支三相電壓不平衡，測(cè)控裝置伴有接地報(bào)警，繼續(xù)帶負(fù)荷后，三相電壓逐漸恢復(fù)平衡，接地報(bào)警消失。通過(guò)這些現(xiàn)象分析啟備變空載運(yùn)行時(shí)發(fā)生基頻諧振。

案例4：2017年1月20日03時(shí)27分10 kV 1A段發(fā)生1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)A電機(jī)接線盒A相單相接地，10 kV 1A段工作電源PT報(bào)“接地報(bào)警”“綜保裝置故障”，10 kV 1A段母線電壓A相0.57 kV、B相10.64 kV、C相10.08 kV，10 kV脫硫1A段母線電壓三相電壓為0 kV。經(jīng)檢查10 kV脫硫1A段母線電壓波動(dòng)UAB由10.7 kV降低 0 kV，UBC和UAC由10.7 kV均升高 16.6 kV，經(jīng)過(guò)24 s時(shí)間，10 kV脫硫1A段母線PT三相保險(xiǎn)全部熔斷，根據(jù)現(xiàn)象判斷當(dāng)時(shí)由于1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)A電機(jī)A相單相接地不穩(wěn)定暫時(shí)消失激發(fā)了分頻諧振，PT一次側(cè)產(chǎn)生了過(guò)電流和過(guò)電壓現(xiàn)象，A相保險(xiǎn)因過(guò)電流先熔斷，B、C相保險(xiǎn)因過(guò)電流后熔斷，諧振終止。

根據(jù)以上案例，判斷該10 kV系統(tǒng)有以下4個(gè)特點(diǎn)：1）發(fā)生單相接地后，接地相電壓接近0，不接地相電壓升高為10 kV左右。2）從案例1看出該系統(tǒng)發(fā)生了A相接地故障后，經(jīng)過(guò)了41 s后才跳閘的。當(dāng)A相接地時(shí)，發(fā)生了間歇性電弧接地，間歇性弧光接地產(chǎn)生過(guò)電壓，B、C相電壓逐漸升高，在其絕緣薄弱處發(fā)生擊穿，發(fā)展成為三相短路。3）1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)B發(fā)生A相接地后，10 kV開(kāi)關(guān)的零序保護(hù)未動(dòng)作，當(dāng)發(fā)展成三相短路后三相過(guò)流保護(hù)才動(dòng)作跳閘，證明這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際的零序電流比較小。4）從案例2、3、4看出，該系統(tǒng)容易發(fā)生鐵磁諧振過(guò)電壓?？偨Y(jié)以上特點(diǎn)，判斷該系統(tǒng)有中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)特征。

2 分析原因

2.1 弧光接地過(guò)電壓的成因

當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，單相接地故障電流與線路的對(duì)地電容和額定電壓成正比。單相接地時(shí)產(chǎn)生間隙性電弧與系統(tǒng)單相接地電流大小密切相關(guān)。如果系統(tǒng)小線路短，其單相接地電容電流小，一些瞬時(shí)性接地故障過(guò)后電弧自動(dòng)熄滅系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)正常。當(dāng)系統(tǒng)大線路長(zhǎng)時(shí)，例如10 kV電容電流超過(guò)10 A時(shí)，接地電弧將難以熄滅。

弧光接地過(guò)電壓又稱間隙性弧光接地過(guò)電壓，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)對(duì)地是絕緣的，系統(tǒng)對(duì)地電容中儲(chǔ)存的電荷沒(méi)有釋放的通路。以案例1來(lái)說(shuō)，A相發(fā)生單相間隙性電弧接地后，故障點(diǎn)接地電弧在暫態(tài)高頻振蕩電流通過(guò)第1個(gè)零點(diǎn)時(shí)熄滅，B、C相分別發(fā)生了對(duì)地電容的高頻振蕩充電過(guò)程，由于B、C相上電荷沒(méi)有通路釋放，使B、C相上的電荷不斷增加，在B、C相上產(chǎn)生了位移電壓；以后每經(jīng)過(guò)半個(gè)基頻周波，接地電弧重燃1次，B、C相電壓增高1次，由于相間電容的抑制作用，B、C相的過(guò)電壓幅值最高可達(dá)3.5倍相電壓，且含有諧波分量，由于電纜的容性電流比較大，A相間隙性的電弧逐漸發(fā)展成為持續(xù)的電弧，電弧的灼傷使靠近B、C相的絕緣受損，再加強(qiáng)上B、C相電壓升高，在這個(gè)受損的絕緣處發(fā)生擊穿，造成了三相短路。而我廠啟備變低壓側(cè)中性點(diǎn)的氧化鋅電阻不擊穿形成的不接地系統(tǒng)以及對(duì)地的電容提供了弧光接地過(guò)電壓形成的條件。

2.2 鐵磁諧振過(guò)電壓成因

電磁式PT低壓側(cè)負(fù)荷很小，高壓側(cè)勵(lì)磁阻抗很大，在合空載母線或者在接地故障消失后，它與導(dǎo)線對(duì)地電容或其他電氣設(shè)備的雜散電容間形成單相或三相諧振回路，并能激發(fā)出各種鐵磁諧振過(guò)電壓。鐵磁諧振過(guò)電壓的出現(xiàn)都是由于在電源中性點(diǎn)產(chǎn)生了位移電壓。

某火電廠廠高變、啟備變10 kV側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)60 Ω氧化鋅非線性電阻接地，由案例分析，這種氧化鋅電阻很難擊穿，系統(tǒng)表現(xiàn)為不接地系統(tǒng)，再加上10 kV脫硫母線PT 1次中性點(diǎn)直接接地，與系統(tǒng)對(duì)地電容就構(gòu)成了諧振回路。

以某廠10 kV 1B段為例，如圖1（a）和圖1（b）所示為10 kV 1B段不接地系統(tǒng)與10 kV脫硫1B段母線PT構(gòu)成的諧振回路。EA、EB、EC為A、B、C三相電源的電勢(shì)，C0為對(duì)地電容，L為PT的1次繞組電感，G為非線性諧波發(fā)生器。

2.3 高頻或者分頻諧振過(guò)電壓

在正常運(yùn)行的三相電源中，不存在諧波分量，但在過(guò)渡過(guò)程中，因激發(fā)產(chǎn)生高頻或分頻諧振，此時(shí)維持回路諧波諧振的電源是非線性電感元件的非線性效應(yīng)，將基頻電源能量轉(zhuǎn)化為諧波能量供給的[1]。此時(shí)，PT飽和引起的諧振回路如圖1（b）所示。當(dāng)線路較短時(shí)，C0很??；由于PT鐵心的勵(lì)磁特性，電感L容易飽和；系統(tǒng)中有多臺(tái)PT并聯(lián)后電感L降低，回路頻率很高，就可能出現(xiàn)高頻諧振。當(dāng)線路很長(zhǎng)時(shí)，C0很大，回路頻率很低，則會(huì)出現(xiàn)分頻諧振。還有諧振與激發(fā)條件有關(guān)。

產(chǎn)生諧振時(shí)，三相對(duì)地電壓的有效值為中性點(diǎn)諧波位移電壓有效值的平方與基頻電源相電動(dòng)勢(shì)有效值的平方之和的平方根。因此，三相對(duì)地電壓同時(shí)升高是PT飽和引起諧波諧振過(guò)電壓的特征。

分頻諧振是其中的1種，分頻諧振過(guò)電壓幅值最高為2倍的相電壓，因?yàn)轭l率低，PT的感抗急劇下降，1次勵(lì)磁電流快速升高，1次熔斷器隨之熔斷，如果電流尚未達(dá)到熔斷值，但超過(guò)了PT額定電流，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流運(yùn)行也必然使PT燒毀。該廠主機(jī)10 kV母線至10 kV脫硫母線經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)的電纜連接，C0很大，出現(xiàn)分頻諧振，這是案例2中10 kV脫硫1B段母線PT B相爆炸的直接原因。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)PT帶Yn連接的三相電路圖

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)流過(guò)電容電流，非故障相相電壓升至線電壓并對(duì)對(duì)地電容充電荷。該電荷產(chǎn)生的電容電流以故障點(diǎn)為通路，以電源一導(dǎo)線一大地為回路。PT正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁阻抗大負(fù)載輕，1次側(cè)流過(guò)的電流小。一旦接地故障消失，接地的通路被阻斷，而非故障相在接地期間被充電至線電壓下的電荷，唯一的通道是經(jīng)PT的1次繞組及其中性點(diǎn)流入大地。在這一瞬間，PT的1次繞組中將會(huì)流過(guò)1個(gè)幅值很高的低頻飽和電流，導(dǎo)致PT鐵心嚴(yán)重飽和，從而使PT的勵(lì)磁阻抗快速下降，與系統(tǒng)對(duì)地電容形成了諧振參數(shù)回路，引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓。這是案例4中脫硫10 kV PT熔斷器熔斷的原因。

2.4 基頻諧振過(guò)電壓

三相電路在外界的“激發(fā)”作用下，例如斷路器合閘，就有可能使PT產(chǎn)生鐵磁諧振，造成電源中性點(diǎn)電壓發(fā)生位移，這個(gè)位移電壓與電源電壓疊加，如果位移電壓較大，三相對(duì)地電壓將同時(shí)升高；位移電壓較低，那么其中一相或二相對(duì)地電壓有可能低于相電壓，三相對(duì)地電壓出現(xiàn)了不平衡[1]。這也是案例3中啟備變空載時(shí)三相電壓不平衡的原因，造成虛假接地現(xiàn)象。

2.5 不接地系統(tǒng)單相接地后非故障相電壓的升高的原因

如圖2所示：Uab、Ubc、Uca為三相電源線電壓，Ua、Ub、Uc為相電壓，大小相等相角差120°；如果A相發(fā)生接地后，中性點(diǎn)由0移至0'，Ua=0 V，但是Ub=Uab、Uc=Uca增大了。

3 危害

3.1 中性點(diǎn)電壓抬高的危害

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，非故障相相電壓升高到線電壓可能對(duì)其絕緣有損傷。

3.2 弧光過(guò)電壓的危害

當(dāng)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，形成的間隙性弧光對(duì)非故障相的電纜絕緣造成灼傷同時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓促使非故障相絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿，從而造成事故擴(kuò)大。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地故障后的向量圖

3.3 諧振過(guò)電壓的危害

諧振過(guò)電壓會(huì)造成絕緣子閃絡(luò)或PT爆炸，甚至避雷器的爆炸。

3.4 保護(hù)不匹配的危害

由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)，接地電流小，在發(fā)生單相接地故障時(shí)無(wú)法迅速確認(rèn)故障線路，所以一般配備小電流接地選線裝置，但也很難做到100%選線正確。如果直接用中性點(diǎn)經(jīng)60 Ω線性電阻接地系統(tǒng)的保護(hù)定值，可能會(huì)造成零序保護(hù)拒動(dòng)，進(jìn)而造成事故的擴(kuò)大。這也正是我們廠零序保護(hù)很少動(dòng)作切除故障的直接原因。

3.5 人身觸電的危害

對(duì)該廠來(lái)說(shuō)，零序保護(hù)不能及時(shí)切除故障點(diǎn)，單相接地故障電流通過(guò)接地點(diǎn)向大地流散，在地面上形成分布電位，當(dāng)有人靠近接地點(diǎn)時(shí)就有可能因跨步電壓而觸電。

4 改進(jìn)的措施

4.1 限制弧光接地過(guò)電壓的措施

4.1.1 中性點(diǎn)直接接地

既能消除弧光過(guò)電壓，也能提高零序保護(hù)靈敏性，但是故障電流大會(huì)引起地電位的升高，對(duì)通信、電子設(shè)備和人身安全都構(gòu)成威脅。

4.1.2 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

發(fā)生單相接地時(shí)，電阻泄放間歇性的弧光過(guò)電壓中的能量，中性點(diǎn)電位迅速下降，降低故障相的電壓恢復(fù)速度，減少重燃的可能，抑制了弧光過(guò)電壓，同時(shí)也降低了非故障相的過(guò)電壓[2]。

4.1.3 中性點(diǎn)采用消弧線圈接地

由于消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了系統(tǒng)的電容電流，降低了故障點(diǎn)的電流，有利于接地電弧的熄滅。但是消弧線圈不能補(bǔ)償5次諧波接地電容電流[1]，并且可能對(duì)消除鐵磁諧振過(guò)電壓有反作用。

4.2 限制鐵磁諧振過(guò)電壓的措施

鐵磁諧振過(guò)電壓是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中特有的過(guò)電壓，消諧的方法有2個(gè)：1） 改變電路中電感電容參數(shù)以破壞諧振條件。2） 吸收和消耗諧振能量來(lái)抑制諧振的產(chǎn)生。消除PT飽和引起的過(guò)電壓的措施有以下6個(gè)：1）選用伏安特性較好不易飽和的PT。2）選用不存在飽和的問(wèn)題的電容式PT。3）母線側(cè)裝設(shè)1組三相對(duì)地電容器。4）在發(fā)生諧振時(shí)，及時(shí)投退某些負(fù)荷或設(shè)備。5）投入中性點(diǎn)消弧線圈。6）在零序回路中接入阻尼電阻：在PT的開(kāi)口三角繞組中短時(shí)接入電阻；或者在PT一次繞組中性點(diǎn)對(duì)地接入非線性電阻。

某火電廠已采用第1項(xiàng)和第6項(xiàng)措施，更換了10 kV 1B段、10 kV 2B段備用電源進(jìn)線PT，采用伏安特性較好不易飽和的PT，且二次側(cè)采用開(kāi)口三角形繞組串入白熾燈；主機(jī)10 kV母線PT設(shè)計(jì)時(shí)一次繞組中性點(diǎn)對(duì)地接入非線性電阻，但是都對(duì)鐵磁諧振效果有限。對(duì)于運(yùn)行來(lái)說(shuō)，啟備變空載時(shí)，如果分支PT有異音判斷是諧振時(shí)，采用第4項(xiàng)措施及時(shí)退出PT再送1次，或者繼續(xù)帶負(fù)荷來(lái)改變系統(tǒng)電路參數(shù)，達(dá)到消除鐵磁諧振的目的。

4.3 有利于接地保護(hù)動(dòng)作的措施

不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后由于接地電容電流較小不易測(cè)量不利于零序保護(hù)正確動(dòng)作，中性點(diǎn)中值電阻接地系統(tǒng)消除了接地電流小的問(wèn)題，同時(shí)我廠的保護(hù)定值是按照10 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)60 Ω的線性電阻接地設(shè)計(jì)計(jì)算的零序阻抗，如果要讓零序保護(hù)正常動(dòng)作，必須選擇60 Ω的線性電阻。

5 改造后的優(yōu)點(diǎn)

10 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)由60 Ω氧化鋅非線性電阻接地改造為經(jīng)60 Ω的線性電阻接地后，由不接地系統(tǒng)改為經(jīng)中值電阻接地，有以下弧光優(yōu)點(diǎn)：1）抑制了弧光過(guò)電壓（見(jiàn)該文4.1.2解釋）。2）消除了鐵磁諧振過(guò)電壓。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地相當(dāng)于在PT的高壓繞組中串聯(lián)1只消諧電阻。3）限制斷線過(guò)電壓[1]。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地后，電阻并聯(lián)在諧振回路上，對(duì)串聯(lián)諧振有抑制作用，從而限制了電源側(cè)的過(guò)電壓。4）由于限制了過(guò)電壓，不僅減少了對(duì)10 kV系統(tǒng)的電氣設(shè)備的損壞和絕緣老化，而且延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，提高了設(shè)備可靠性[3]。5）中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地后限制了短路電，減小了對(duì)故障點(diǎn)的燒傷[3]。6）有利于繼電保護(hù)的快速正確的動(dòng)作切除故障點(diǎn)，避免了持續(xù)弧光過(guò)電壓造成的事故擴(kuò)大和因跨步電壓造成人身觸電的風(fēng)險(xiǎn)。7）啟備變空載時(shí)對(duì)地三相電壓已恢復(fù)平衡，有利于啟備變安全運(yùn)行。8）對(duì)廠用電切換來(lái)說(shuō)，以前啟備變空載三相電壓不平衡引起備用電源與廠用電源電壓差大于并聯(lián)切換條件，不得不采用串聯(lián)切換，現(xiàn)在并聯(lián)切換就能切換，提高了廠用電切換的可靠性。