摘要：本文主要介紹了變配電所母線電壓互感器加裝消諧裝置的原理，特別針對不接地系統(tǒng)中電壓互感器鐵芯飽和引起的工頻位移過電壓和鐵磁諧振過電壓，分析討論在實(shí)際應(yīng)用中采用一次和二次消諧器進(jìn)行消諧的優(yōu)越性和局限性，提出利用消弧、消諧、選線及過電壓綜合保護(hù)的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng) 消弧線圈 鐵磁諧振過電壓 間歇性弧光接地過電壓
引言
我國35 kV以下系統(tǒng)大多數(shù)采用電源中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。這種接地方式發(fā)生單相接地時，如C相單相接地，那么完好的A、B兩相對地電壓都由原來的相電壓升高到線電壓，即升高為原對地電壓的√3倍，C相接地的電容電流為正常運(yùn)行時每相對地電容電流的3倍。當(dāng)發(fā)生一相接地時，因為線路的線電壓無論相位和量值均未發(fā)生變化，允許短時間帶故障運(yùn)行。但隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)的擴(kuò)大和電纜出線的增多，單相接地電容電流也將進(jìn)一步增加，當(dāng)電網(wǎng)對地電容電流達(dá)到一定值時，單相接地后故障點(diǎn)的電弧就不能夠自熄，從而產(chǎn)生間隙性弧光接地過電壓，損壞線路設(shè)備。
在電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中其母線上電磁式壓互一次繞組成為中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)
對地的唯一金屬通道，電網(wǎng)相對地電容的充、放電途徑必然通過壓互一次繞組。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點(diǎn)會流過電容電流，未接地相(A、B)的電壓升高到線電壓，其對地電容上充以與線電壓相應(yīng)的電荷。在接地故障期間，此電荷產(chǎn)生的電容電流，以接地點(diǎn)為通路，在電源-導(dǎo)線-大地間流通。由于壓互的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小。一旦接地故障消失，這時電流通路被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓水平。但是由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，就只有通過壓互高壓繞組，經(jīng)其原來接地的中性點(diǎn)進(jìn)入大地，壓互一次繞組中會出現(xiàn)數(shù)安培幅值的涌流，將壓互高壓熔絲熔斷。在這一瞬變過程中，壓互高壓繞組中將會流過一個幅值很高的低頻飽和電流，使壓互鐵芯嚴(yán)重飽和，飽和后的電壓互感器勵磁電感變小，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對地阻抗趨于感性，此時若系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對地電感與對地電容相匹配，就形成三相或單相共振回路（見圖1），可激發(fā)各種鐵磁諧振過電壓。另外電網(wǎng)中的單相弧光接地，由于雷擊或其他原因線路瞬時接地，使健全相電壓突然上升，產(chǎn)生很大的涌流，也會使壓互燒毀。
圖1 鐵磁諧振等值電路
在實(shí)際運(yùn)行參數(shù)下，系統(tǒng)的諧振頻率列中，主要是1／2次分頻及基波諧振。必然或可能發(fā)生、不可能發(fā)生諧振的區(qū)域，如圖2所示。
圖2諧振發(fā)生概率分布圖
從圖中可知：
(a)在正常運(yùn)行電壓以及不外加R0時，（ ）=0.025～0.280時，發(fā)生分頻諧振；( ) =0.180～0.680時發(fā)生基波諧振。
(b)隨著R0的增大，諧振范圍減少，當(dāng)R0大于某一臨界值之后，諧振范圍消失，即不發(fā)生諧振。當(dāng)R0≥0.056ωL時可消除一切基波和分頻諧波。
根據(jù)以上分析，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┫C振，限制這種過電壓，可采用的措施是多種多樣的，較普遍的是采用在壓互二次側(cè)開口三角形繞組兩端接消諧器和在壓互一次側(cè)中性點(diǎn)對地接消諧電阻的等方法，下面就這些消諧方法做一比較，以便因地制宜，合理選用。
1在壓互一次繞阻中性點(diǎn)與地之間加裝非線性電阻（一次消諧器）
在壓互高壓繞組中性點(diǎn)接入一個足夠大的接地電阻（見圖3），起阻尼與限流的作用，在單相故障消失時，低頻飽和各電流經(jīng)過電阻Ro后進(jìn)入大地，由于大部分壓降加在電阻上，從而大大抑制了低頻飽和電流，使壓互高壓熔絲不易熔斷；同時由于在零序電壓回路串聯(lián)的這個電阻Ro，使壓互飽和過電壓的大部分電壓降落在電阻Ro上，從而避免了鐵芯飽和，限制了壓互飽和過電壓的發(fā)生。
圖3
其局限性是由于電網(wǎng)的復(fù)雜性，各配網(wǎng)電容電流大小、線路故障性質(zhì)、壓互伏安特性以及消諧器的運(yùn)行環(huán)境等情況有所不同，一次消諧器自身的熱容量有限，難以保證在壓互中性點(diǎn)裝設(shè)消諧器后設(shè)備萬無一失，尤其是當(dāng)間歇電弧接地持續(xù)時間較長時，個別消諧電阻將因過熱而損壞，從而引起高壓熔絲熔斷，甚至壓互燒損，相對較大的一次消諧阻尼器在持續(xù)時間較長的間歇電弧接地過電壓激發(fā)下，仍可損壞裝置；Ro的數(shù)值若選用太小，相當(dāng)于沒有增加零序電阻，限制壓互飽和過電壓的作用不大，從阻尼的角度來看電阻值愈大愈好，若Ro→∞，即壓互高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)變?yōu)榻^緣了，壓互的電感量不參與零序回路，也就不存在壓互飽和過電壓，但Ro太大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單相接地時，大部分零序電壓降在Ro上，會使開口三角形電壓太低(電網(wǎng)對地電壓在壓互勵磁電感Lp與Ro間分壓)，壓互零序電壓U0的測量值有誤差，影響接地指示靈敏度和保護(hù)裝置正常動作，因此不適宜使用在對零序電壓幅值和角度精度要求較高的場合（如微機(jī)接地選線裝置）。而且一次消諧器只能限制本壓互不發(fā)生諧振，對電網(wǎng)中的其他壓互無效，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，且系統(tǒng)中有多臺高壓側(cè)中性點(diǎn)接地的壓互同時運(yùn)行，則必須每臺壓互均在中性點(diǎn)安裝消諧電阻器方有效。
2在壓互柜的互感器二次側(cè)加裝二次消諧器（阻尼電阻）
在壓互二次側(cè)開口三角形繞組兩端接入阻尼電阻Ro，相當(dāng)于在壓互高壓側(cè)Yo結(jié)線繞組上并聯(lián)一個電阻，而這一電阻只有在電網(wǎng)有零序電壓時才出現(xiàn)，正常運(yùn)行時，零序電壓繞組所接的Ro不會消耗能量。Ro值越小，在壓互勵磁電感L上并聯(lián)電阻就越小，當(dāng)Ro小于一定值時，網(wǎng)絡(luò)三相對地參數(shù)基本上由等值電阻決定，這時由壓互飽和而引起電感的減小不會明顯引起電源中性點(diǎn)位移電壓。當(dāng)Ro→0，即將開口三角形繞組短接，則壓互三相電感值就變成漏感，三相相等，壓互飽和過電壓也就不存在了。
其局限性是當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生單相接地時，壓互開口三角形繞組兩端會出現(xiàn)100V的工頻零序電壓，這樣阻尼電阻的容量就要求足夠大，當(dāng)阻尼電阻太小，一方面電阻本身可能因過熱而燒壞，另一方面，壓互也可能因電流過大而燒損。當(dāng)涌流發(fā)生時，它會將二次開口三角短路，這反而會增大涌流幅值。
3加裝微機(jī)消諧裝置
在壓互二次開口三角繞組加裝微機(jī)消諧裝置，當(dāng)判斷為存在工頻位移過電壓或鐵磁諧振過電壓后，單片機(jī)就進(jìn)行消諧程序，發(fā)出高頻脈沖群，使反并在開口三角形繞組兩端的兩只晶閘管交替過零觸發(fā)導(dǎo)通，將開口三角形繞組短接(若系統(tǒng)發(fā)生單相接地，則不起動消諧裝置)，使壓互飽和過電壓迅速消除。由于短接時間極短，故不會給壓互帶來負(fù)擔(dān)。
其局限性是在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，電磁式壓互高壓熔絲熔斷，并不一定都是由于壓互飽和過電壓引起的。當(dāng)電網(wǎng)對地電容較大，而電網(wǎng)間歇接地或接地消失時形成的低頻飽和電流在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內(nèi)出現(xiàn)，電流幅值可遠(yuǎn)大于分頻諧振電流(分頻諧振電流約為額定勵磁電流的百倍以上)。由于低頻飽和電流具有幅值高、作用時間短的特點(diǎn)，在單相接地消失后的半個周波即可熔斷熔絲，加裝微機(jī)消諧裝置無法抑制低頻飽和電流，適用于電網(wǎng)較小、對地電容不大的場合；微機(jī)消諧裝置還難以正確區(qū)分基波諧振和單相接地。目前，對基波諧振和單相接地故障判據(jù)的主要區(qū)別在于零序電壓U0的高低。通常，當(dāng)U0≥150V時定為基頻諧振；當(dāng)30 V≤U0＜145V時定為單相接地故障。為了防止在單相接地時由于裝置誤動使壓互長時間過負(fù)荷而燒毀的情況發(fā)生，通常微機(jī)消諧裝置基頻諧振的判據(jù)電壓定得比較高。這樣，在工頻位移電壓不是很高的情況下（如空母線合閘）裝置將無法動作，就可能使某些勵磁特性欠佳、鐵心易飽和壓互的熔絲熔斷。此外，在持續(xù)時間較長的間歇電弧過電壓激發(fā)下，流過壓互高壓繞組的電流將顯著增大，仍可能會燒壞壓互。
4在壓互中性點(diǎn)串接一只額定電壓為線電壓的單相壓互
在壓互中性點(diǎn)串接一只額定電壓為線電壓的單相壓互（見圖4），即零序電壓互感器，各電壓互感器的一次繞組接成星形，主電壓互感器的二次繞組其中一組給測量保護(hù)用，另一組接成閉口三角的方式，不帶任何負(fù)載，只起消諧作用，零序電壓互感器的二次繞組當(dāng)發(fā)生單相接地時作為告警之用。通過同時采用中性點(diǎn)串電阻（即零序電壓互感器的等效電阻R0，隨著R0的增大，諧振范圍減少，當(dāng)R0大于某一臨界值之后，諧振范圍消失，即不發(fā)生諧振）和閉口三角繞組接線方法（使開口三角接線阻尼電阻值達(dá)到最小值），使它們之間相互配合、相互作用，加強(qiáng)消諧作用。
圖4
其局限性是壓互柜PT手車較小，裝四個壓互有困難；諧振是一種LC振蕩，中性點(diǎn)串接單相壓互還是可以簡化成LC回路，其主要作用來自振蕩點(diǎn)的偏移，并未改變振蕩的性質(zhì)，理論上還存在諧振的可能；二次接線繁瑣，容易接錯；由于零序感抗的影響，對測量可能造成誤差；R0的阻值和容量的確定與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，計算復(fù)雜，為發(fā)揮強(qiáng)有力的阻尼作用必須選用高阻值的專用零序互感器。
5 消弧、消諧選線及過電壓保護(hù)的綜合應(yīng)用
綜上所述，各種消諧裝置的消諧效果各有利弊，要對配電系統(tǒng)采取消諧措施時，除了選用勵磁特性良好、鐵心不易飽和的電磁式電壓互感器，要根據(jù)電網(wǎng)的具體情況而定，可將一次消諧裝置與二次消諧裝置二者相互配合使用，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，保證壓互自身不參與諧振，在同一配電網(wǎng)中，在盡可能采用一次消諧和二次消諧措施的同時，為確保設(shè)備安全，還應(yīng)采取限制間歇性弧光接地過電壓的措施。采用消弧消諧選線及過電壓綜合保護(hù)，限制電網(wǎng)中的各類過電壓（弧光接地過電壓、諧振過電壓、操作過電壓）并準(zhǔn)確選出系統(tǒng)的接地線路，對加強(qiáng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理，保障電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行將具有相當(dāng)積極的作用。
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