油田电网运行中,35kV系统和10kV系统为中性点经消弧线圈接地系统或不接地系统,在电网发展时期,系统参数可能处于谐振区,电磁式电压互感器易发生铁磁谐振现象,产生过电压或过电流,严重时会烧毁电压互感器。中石化西北油田分公司的魏斌、蒲军针对这一问题在2024年第2期《电气技术》上撰文对顺北油田二区变电站35kV系统发生的3次电压互感器烧毁故障开展研究,得出电力系统处于谐振区,电压互感器铁磁谐振是造成电压互感器烧毁的原因。通过采取投入消弧线圈、应用饱和特性好的电压互感器和4PT改造等措施,有效治理了铁磁谐振。
顺北油田位于塔克拉玛干沙漠北部,地下油气分布为条带式。在四条带开发初期,由于地层压力足,油井多为自喷井,顺北二区110kV变电站早于油气处理站而建设,其35kV配电网处于轻载状态,易发生电压互感器(potential transformer, PT)铁磁谐振,严重时3次造成35kV电压互感器烧毁故障。
顺北油田电网的电源引自新疆阿克苏沙雅县220kV海楼变电站。当前,顺北油田电网由3座110kV变电站、110kV输电网、35kV配电网和10kV配电网组成。110kV输电网由3级两回110kV线kV线 顺北二区变电站电网结构
顺北二区变电站为110kV预制舱式变电站,两台主变容量为20MV∙A,均为三圈变压器,主变联结组标号为YNyn0D11。
通过对变电站主要系统元件参数进行整合,建立35kV系统参数模型如图2所示。
若消弧线圈未投入,则电压互感器绕组同系统对地电容组成串联回路。若消弧线圈投入,则电压互感器绕组、系统对地电容并联后,再与变压器35kV绕组、主变中性点的消弧线圈绕组组成串联回路。各元件参数值见参数(1):
谐振时顺北二区变电站电网运行方式如下:两台主变并列运行,110kV母联合位,35kV母联合位,主变中性点的35kV消弧线日,油田电调后台报顺北二区变电站35kVⅠ段和Ⅱ段 3 U 0 越限,通知电力值班人员现场巡视。 电力值班人员对35kV电压互感器本体、保护设施、故障录波和监控后台等进行巡视检查,发现35kV Ⅱ段A相二次电压已降至40V左右,同时闻到35kV Ⅱ段PT柜有烧焦气味,停电检查发现35kV Ⅱ段A相PT烧坏。
2)2022年9月16日,油田电调后台报顺北二区变电站35kV Ⅱ段电压 3U0电压异常、A相电压降低。电力值班人员现场巡视发现,35kVⅠ段PTA相熔断器熔丝熔断,A相PT烧坏,高压中性点消谐电阻烧坏。
3)2022年9月27日,油田电调后台报顺北二区变电站35kVC相电压降低。电力值班人员现场检查发现,35kVⅠ段C相PT匝间短路烧坏,高压中性点消谐电阻烧坏。
故障发生后,电力检修人员对电压互感器本体、二次回路等进行全方位检查,同时调阅消弧线圈装置与故障录波器记录,情况如下。
1)绝缘、耐压测试数据电压互感器绝缘测试数据见表1,耐压测试数据见表2。从表1和表2能够准确的看出,绝缘测试数据满足国家电网DL/T 596—2021《电力设备预防性试验规程》规定的一次绕组对二次绕组及地绝缘电阻≥2500M W ,二次绕组之间及对地绝缘电阻≥1000MW; 耐压测试数据满足出厂试验值的80%。
电压互感器直流电阻测试数据见表3。电压互感器的一次绕组分A、B、C三相,采用星形联结;二次绕组分A、B、C三相,每相有四个绕组,分别为1x-1n,2x-2n,3x-3n,dx-dn(x=a, b, c),其中dx-dn绕组采用开口三角形联结,其余绕组采用星形联结。电压互感器一次绕组的感抗为 X L =260k W 。
直流电阻测试数据满足国家电网DL/T 596— 2021《电力设备预防性试验规程》规定,感抗值偏小,同等规格电压互感器感抗值在M W 级。
电压互感器励磁特性试验数据见表4。励磁特性满足1.9 U n (Un为二次标称电压100V)电压无拐点要求,但电压互感器的额定容量为40V∙A,极限容量为100V∙A,小于1.9Un的实际容量277.41V∙A。
7月11日的故障录波如图3所示,其余两次故障录波曲线变化特征与之相同。故障录波数据见表5。
从表5能够准确的看出,35kV PT烧坏前,3 U 0 逐步升高,从4.66kV升高到8.39kV,三相电压不平衡度逐渐增大。
PT铁磁谐振曲线所示,系统正常运行时,电压互感器未饱和,感抗大于容抗,工作在a点,此时回路呈感性,电容、电感电压较低,回路电流较小,是非谐振工作点。当某相电压互感器过电压饱和后,感抗降低,并联回路的工作点从a点上升到b点,由于b点不稳定,跳跃至c点,即稳定的铁磁谐振点。
查阅国内对各种谐波振荡条件的模拟试验,随着系统容抗与系统感抗比值 X C /X L 的增大,依次发生1/2分次谐波、基波和3次谐波的谐振,同时所需的谐振回路电压 E X 也逐渐增大,得出谐振范围为 X C /X L <0.01。3)铁磁谐振的激发条件
电网35kV系统出现扰动,如电压互感器突然合闸、电网中单相接地故障突然消失时,弧光接地自动熄灭、线路断线和系统电流电压变化等激发谐振。4)铁磁谐振后的电压电流现象
铁磁谐振导致中性点位移电压,35kV电压不平衡。铁磁谐振发生后,电压互感器三相绕组因承受电压不同,某相铁心饱和,电感变小,该相对地导纳呈感性,电压互感器另两相电压低,呈容性,每相对地总阻抗不相等,且三相对地阻抗不平衡程度越大, U n 越高,中性点电压出现偏移,其计算公式如式(1)所示,中性点电压相量偏移如图5所示。
中性点位移电压升高后,三相导线的对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和。相量叠加的结果是单相电压降低,两相电压升高。电压降低幅度与不平衡度 K t 有关。
谐振分为工频、高频、分频谐振三种形式。工频和高频铁磁谐振过电压的幅值一般较高,可达额定值的3倍以上,起始暂态过程中的电压幅值可能更高,危及电气设备的绝缘结构。
工频谐振过电压与电网发生单相接地时的现象相似,引起“虚幻接地”现象。分频铁磁谐振可导致相电压低频摆动,励磁感抗下降,过电压并不高,一般在2倍额定值以下,但感抗下降会使励磁回路严重饱和,励磁电流急剧加大,电流大大超过额定值,导致铁心剧烈振动,使电压互感器一次侧熔丝过热烧毁。
1)首先是根据1.2节的35kV配电网系统参数模型,在故障前与故障后的运行方式下,估算系统元件参数值,判断35kV系统是否处于谐振区。
顺北二区35kV系统在电压互感器烧毁期间,未投入消弧线圈,电压互感器和系统对地电容组成串联回路。根据PT励磁感抗XL为260k W ,系统容抗XC为2.7kW, X C / X L =0.01,刚好进入谐振区。
2)其次查找电网是否有谐振激发条件:查阅顺北电力运维班组的运维记录,3次电压互感器烧毁前,电网有两次单相接地恢复,有一次倒闸操作,说明故障前35kV系统具备扰动条件。
再结合3.3节的故障录波可知:电压互感器烧毁前,3U0逐步升高,最高到10.83kV,三相电压不平衡。以上现象符合电压互感器饱和发生铁磁谐振过电压的特征,即35kV电压互感器励磁饱和,感抗降低,中性点电压升高。
3)电压互感器铁磁谐振发生期间,顺北35kV线A,回路损耗很小,阻尼小,满足系统空载和轻载易发生谐振的条件。
综合以上数据和分析,能得出顺北二区变电站35kV电压互感器烧毁是因为铁磁谐振,发生铁磁谐振同系统运行方式处于谐振区、系统处于轻载运作时的状态和电网具备谐振激发条件有关。
另外,该变电站为预制舱式变电站,35kV开关柜为 SF 6 充气柜,柜体尺寸较真空断路器柜体尺寸小。 35kV电压互感器受限于柜体尺寸,结构紧密相连,发生铁磁谐振后,热量不易散发,导致电压互感器和保险同时烧毁。
1)首先联系电调改变35kV系统中性点接地方式,投入35kV消弧线圈。由于消弧线kV系统从串联谐振回路变为电压互感器绕组同系统对地电容并联后,再与变压器35kV绕组和主变中性点的消弧线圈组成串联回路,打破了串联谐振条件,同时系统单相接地有扰动时,能提前补偿电容电流,消除弧光短路,消除谐振激发条件。
2)联系厂家更换饱和特性好的电压互感器,阻抗为M W 级,励磁特性拐点>1.9 U n ,伏安极限输出>300V∙A; 同时研究将电磁式电压互感器改造成电容互感器 ,从谐振发生原理上消除谐振可能。
3)研究并进行电压互感器4PT联结改造,增大回路电抗,打破XC/XL<0.01的谐振条件。
4)通知倒闸班,优化倒闸操作方式,即投空母联时,先将PT退出,投入母联后,再投入PT,防止满足激发条件。
5)同电调自动化班联系,加强系统监控手段,根据电压互感器铁磁谐振发生前,35kV系统会产生零序电压越限和相电压不平衡等现象,在电调系统设置遥测越限报警,实现早发现早干预。
综合采取以上治理措施后,经过1年多的运行检验,顺北二区变电站35kV系统未再发生电压互感器因铁磁谐振烧毁的故障。
在油田电网建设时期,部分变电站的35kV系统或10kV系统每年新建电力线路,电网参数处于变化状态,可能进入谐振区,且接地方式为不接地或经消弧线圈接地,容易激发电压互感器铁磁谐振,如塔河油田发电一厂35kV系统的电压互感器一次保险频繁熔断。同新疆喀什地方电网、阿克苏地方电网交流,部分电网在轻载时,易发生电压互感器铁磁谐振故障。
因此,在变电站设计阶段应考虑此问题,估算线路参数,提前采取预防措施,如使用电容式电压互感器,使用成熟的4PT以增大感抗,35kV母线安装电容进行系统参数调整等措施。
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