浅析小型水电站6KV系统单相接地与电压互感器谐振的区别及应对措施

浅析小型水电站6KV系统单相接地与电压互感器谐振的区别及应对措施

李义生

青海黑泉水库水力发电厂青海西宁810008

摘要：针对小型水电站中的6KV系统单相接地与电压互感器谐振问题从理论上进行分析，根据多年实际运行经验，透过现象看本质，着重探讨两者的区别方法与应对措施。

关键词：电压互感器；单相接地；谐振

在小型水电站中，往往都采用中性点不接地，所以其6KV系统的绝缘监测是在6KV母线上装设电压互感器。电力系统中，电压互感器是一种仪用互感器，是一、二次系统的联络元件，它除了将高电压变为低电压供测量、继电保护和计量用外，还能正确反映电气设备的正常运行和故障情况，但有时也会把电压互感器的谐振误认为是单相接地，从而造成故障的扩大，因此，在实际工作中，正确区别电压互感器单相接地与谐振，有着十分重要的意义，现就这个问题作一浅析。

1.单相接地

在中性点不接地系统的水电站中，当系统发生单相接地故障时，系统仍可在故障状态下继续运行一段时间，具有发供电连续性高的优点。但不接地系统发生单相接地故障后，非故障相会产生较高的过电压，影响系统设备的绝缘性能和使用寿命，若不能正确判断和及时处理，其后果会扩大事故和损坏电气设备。通常单相接地大致可分为三种。

(1)中性点不接地系统中发生金属永久性单相接地时，如A相发生接地，则接地相Ua的电压为零，非接地相Ub和Uc的电压由58V升高到线电压100V，电压互感器开口三角处两端出现几十伏电压（正常时约3－5V），启动绝缘监察继电器发出接地信号并报警。

(2)当系统发生非金属性短路接地时，即高电阻单相接地，如A相发生接地，则Ua的电压比正常相电压要低，其余两相Ub和Uc为58－100V，电压互感器开口三角处两端有约30V左右的电压，达到绝缘监察继电器启动值，发出接地信号并报警。

(3)当系统发生瞬间单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相电压升高√3倍，虽然此时电压互感器的励磁阻抗很大，流过的电流很小，也将严重影响电气设备的安全运行，但是，一旦接地故障点消除，非接地相在故障期间已充的电荷只能通过电压互感器高压线圈经其自身的接地点流入大地，在这一瞬间电压突变过程中，电压互感器高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成相间串联谐振，由于接地电弧熄灭时间不同，故障点的切除就不一样，因此，不一定在每次出现单相接地故障时，电压互感器高压线圈中都会产生很大的激磁电流，其高压侧熔断器熔断的情况也有所不同。

2.电压互感器谐振

在中性点不接地系统中，通常在6KV母线上装设的电压互感器，其一次绕组接成星形，中性点直接接地，于是系统对地参数除了电力设备的对地电容外，还有电压互感器的励磁电感，这样，由于系统中电容电感参数的配合或操作中某种因素的激发，可能产生谐振和操作过电压而危害设备安全。

正常情况下，电压互感器铁芯不会饱和，三相负载是容性的，每相负载可简化为电容C0。当系统单相接地时出现暂态涌流，可能使电压互感器饱和，即在电压互感器突然合闸，会引起三相电压互感器不同程度的饱和。当某相的电感电容值的配合符合式C0＝1/[R2+（ωL1）2]时，就会发生谐振，谐振频率可以是基波，也可以是高次谐波。如A相接地时，会使B、C两相的相电压升高3倍，致使电压互感器铁芯饱和，此时B、C相负荷发生反倾，即由容性变成感性，可以看作是一个串联谐振电路，谐振时三相阻抗不平衡，谐振电压在电压互感器的开口三角绕组上引起虚幻接地电压，这个电压可使三相电压互感器的一次侧熔断器熔断，甚至烧坏电压互感器，个别情况下，还会引起6KV系统的电气设备发生闪络或烧毁。对于Y0/Y0电磁式电压互感器，在正常情况下发生单相接地不会出现铁磁谐振过电压，只有在下列情况下，才可能发生铁磁谐振。

带负荷拉刀闸造成弧光短路而引发谐振。

(2)运行人员操作程序不规范，在未拉开电压互感器高压侧刀闸，电压互感器直接向空母线送电，引起电压互感器铁磁谐振。

(3)各相对地参数不平衡，加上合闸瞬间相位角的即时性原因，导致一相至两相，甚至三相同时出现谐振，倘若发生的是分频谐振，因其频率较低，电压表会有周期性摆动，但由于此时的感抗小，电压互感器的激磁电流很大，往往会将电压互感器烧毁。

(4)运行中的电压互感器谐振过电压可在三相同时发生，出现各相电压严重不平衡，将电压互感器负载全部退出，重新测量其结果与未退出负载前相同。检查电压互感器一次侧熔断器完好，在排除电压互感器本身故障的可能性后，每次投入电压互感器时，各相的接触电阻以及同期性都随合刀闸的力量、速度的变化而变化，所以各相的谐振程度就不相同。

3.区别与处理

在电站实际运行中，要正确区别单相接地和电压互感器谐振，根据上述分析通过各种手段认真加以区别对待，绝不能仅靠表面现象盲目下结论。例如黑泉水电站在运行中，就时有误发“发电机定子单相接地”或“6KV母线单相接地”信号，虽然测量开口三角处也有较高电压，导致绝缘监察继电器动作，其实并非是真的接地，而是电压互感器的瞬间谐振所致，经验做法是将母线电压互感器瞬间拉开后再投入，信号即可消除，若不能消除，也可临时在电压互感器开口三角处并一个小电阻，或接一只100－500W的灯泡，以此改变回路参数而消除谐振。

电压互感器产生铁磁谐振有三个必要条件：一是有激磁作用差、容易饱和的铁磁材料存在；二是回路工作在欠补偿状态，即ωL＞1/ωC；三是存在外界激发因素。基于这些原因，从理论和实际运行经验中总结出了限制电压互感器谐振的许多方法，在实际运行中一般采用以下简单实用的措施。

(1)选用励磁特性好铁芯不易饱和的电磁式电压互感器，从客观上增强电压互感器自身的免疫能力，或直接选用电容式电压互感器。

(2)在电压互感器开口三角两端接上一个电阻，以增大回路的阻尼效益，使ωL≠1/ωC，理论上，开口三角形接入的电阻越小越好，但实际操作中，接入的电阻过小时，如一次系统发生单相接地，将会导致电压互感器本体过热，所以，根据试验一般接入电阻的值约50-60欧姆，要小于0.4Xm（Xm为互感器在额定线电压下换算到低压侧的单相绕组励磁阻抗）,也可用一只100－500W的灯泡代替，。

(3)在电压互感器一次中性点处接150w、9kΩ的电阻，增强回路自身的阻尼作用。理论上，接入的电阻越大越好，但阻值过大，在对被测设备进行接地监察时，电压互感器的灵敏度势必受到影响，同时，由于6KV系统属于中性点不接地系统，该系统若发生单相接地，中性点就会发生偏移，非故障相电压将为正常电压的√3倍，使电压互感器的绝缘受到威胁。在回路中串接电阻R0，通常取R0＝0.06XL，XL表示每相绕组在额定线电压小的激磁阻抗。R0通常为5-10KΩ，并应满足热稳定要求。

(4)在6KV母线电压互感器一次侧中性点或开口三角形侧加装一只消谐器并接地。同电压互感器一次中性点相匹配的消谐器具有非线性特性，常态时呈高电阻，发生谐振时呈低电阻，其消谐也具有非线性特性，常态时工作在线性状态，如系统发生分频谐振，回路阻抗降低，当发生工频或高频谐振时，回路阻抗升高，消谐器有效抑制了谐振引起的过电压，从而很好地保护了电气设备。

(5)提高断路器的检修质量，保证断路器合闸的三相同期性。

(6)投入事先规定的其它电气设备以改变电路参数，尽量避免空母线运行。

4.结论

综上所述，在小型水电站中，6KV系统单相接地与谐振故障现象有着根本的区别，正常情况下，当系统发生单相接地时，仍可在故障状态下继续运行一段时间，但谐振却不行，因为铁磁谐振产生的过电压往往很高，对设备的影响也最大，甚至有可能烧毁电气设备，所以，切不可将电压互感器谐振误判断为单相接地而延误了处理时间，以至酿成事故和造成经济损失。

参考文献

[1]李兴致.电压互感器谐振问题分析[J].济南电力技术.2012年01期

[2]王兰.小型水电站中的6KV系统单相接地浅析[J].武汉大学电力学报(工学版).2014年02期

作者简介

李义生，男，36岁，现供职于青海黑泉水库水利发电厂，助理工程师，长期从事发电厂电气检修工作。