配网系统消谐措施的探讨

　　前言

　　配网系统一般采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的方式。在中性点不接地的电力系统中，有两种情况比较危险，第一种情况即在一相接地时，如果接地电流较大，将出现断续电弧，这可使线路发生电压谐振现象，在线路上形成一个R-L-C的串联谐振电路，从而使线路上出现危险的过电压(可达相电压的2.5-3倍),导致线路上绝缘薄弱地点的绝缘击穿。另一种情况是中性点不接地系统其母线上的Yo接线的电磁式电压互感器一次绕组，成为中性点不接地电网对地的唯一金属通道，电网相对地电容的充、放电途径 必然通过压变一次绕组。这种慢变过程使压变铁芯深度饱和，当电网接地消失时，电压互感器一次绕组中会出现数安培幅值的涌流，将压变0.5A高压熔丝熔断。即使这种涌流尚未达到熔断器的熔断值，但仍超过电压互感器额定电流，长时间处于过电流状态下运行的电压互感器会被烧毁，继而引发其他事故。

　　谐振过电压和涌流对配网系统都具有严重的危害，因此必须根据不同的情况采取相应的措施进行防范。

　　规程规定，在单相接地电容电流大于一定值的电力系统中(3-10kV电网中接地电容电流大于30A)，电源中性点必须采用经消弧线圈接地的运行方式，这种接线方式只要补偿合适可以避免系统谐振。但现场实际由于投资过大等原因3-10kV电网基本未采用经消弧线圈接地的运行方式。

　　现场实际中应用了多种消谐装置来进行消谐，这些装置因作用原理不同而各有所长，也各有局限性，因此对这些消谐装置进行分析和优化配置，即采取综合消谐措施以便达到最佳保护效果十分必要。

　　1、常用消谐装置的特点

　　1.1 二次消谐装置

　　此种作法为在电压互感器二次开口处接入阻尼电阻，过去是灯泡。现在大部分为微机消谐装置，其工作原理为：对TV开口三角电压(U0)进行循环检测。正常工作情况下，该电压小于30V，装置内的大功率消谐元件(可控硅)处于阻断状态，对系统无任何影响。当TV开口三角电压大于30V时，说明系统发生故障，装置开始对开口三角电压进行数据采集，通过数字测量、滤波、放大等数字信号处理技术，然后对数据进行分析、计算，判断出当前的故障状态。如果出现某种频率的铁磁谐振，CPU立即启动消谐电路(使可控硅导通)，让铁磁谐振在强大的阻尼下迅速消失。利用微机消谐器可实现自动跟踪和自动调谐，并能追忆、报警、自动打印和信号传送，满足无人值班变电所的需求。装置起动消谐期间对整个电网有效，即一个系统中只需选择1台互感器安装消谐装置即可。

　　微机消谐装置的主要缺点有：1、难以正确区分基波谐振和单相接地。目前，对基波谐振和单相接地故障判据的主要区别在于零序电压U0的高低。通常，基频谐振定为当U0≥150 V时;当30 V≤U0<145 V时定为单相接地故障。为了防止在单相接地时由于装置误动使TV长时间过负荷而烧毁的情况发生，通常将该装置基频谐振的判据电压定得比较高。这样，在工频位移电压不是很高的情况下(如空母线合闸)装置将无法动作，就可能使某些励磁特性欠佳、铁心易饱和TV的熔丝熔断。2、当电网对地电容较大时，它对防止间歇性接地或接地消失瞬间互感器因瞬时饱和涌流而造成熔丝熔断的事故无能为力。3、在持续时间较长的间歇电弧过电压激发下，流过TV高压绕组的电流将显著增大，仍可能会烧坏TV。

　　随着计算机软件的高速发展，微机消谐装置对各频率的的谐振判断逐步精确，微机消谐装置的性能也日趋稳定。

　　1.2 一次消谐阻尼器

　　一次消谐阻尼器，实际上是将一个非线性消谐电阻R0串接于电压互感器一次侧中性点与地之间，它采用中性点阻尼电阻消除谐振，见图1。电网正常运行时，消谐器上电压<500 V，R0呈高电阻值(可达几百kΩ)，阻尼作用大，使谐振在起始阶段不易发展;当电网发生单相接地时，消谐器上电压较高(10 kV电网中其值约1.7～1.8 kV)，R0呈低值(几十kΩ)，可满足TV开口三角电压不小于80 V的绝缘监测要求,而且仍可阻尼谐振;当电网发生弧光接地时，R0仍能保持一定的阻值，限制互感器涌流。

　　该装置主要特点：1、该装置具有消除TV饱和引起的铁磁谐振过电压和限制涌流两种功能，保护TV免受损坏;2、消谐装置尺寸较小，尤其适合于PT柜及手车柜中安装，也可直接用于户外。3、采用单片大通流非线性元件，性能稳定，消谐装置通流能力高达500mA。

　　存在局限性：1、中性点为半绝缘结构,只能直接接地安装的TV无法使用;2、只能限制本TV不发生谐振，对电网中的其他TV无效(仅一对一有效);3、当发生单相接地故障时，TV零序电压U0的测量值有误差, 因此不适宜使用在对U0幅值和角度精度要求较高的场合(如微机接地选线装置);4、装置自身的热容量有限，即使选用热容量相对较大的LXQ型一次消谐阻尼器，在持续时间较长的间歇电弧接地过电压激发下，仍可损坏装置。一次消谐阻尼器较适用于JDZJ等型号中性点全绝缘TV的消谐改造。

　　1.3. 消谐型电压互感器

　　(1) 加装零序电压互感器型

　　加装零序电压互感器的消谐型电压互感器由三相主电压互感器TV1和串接在中性点的零序电压互感器TV0二部分组成，采用零序电压互感器消除谐振，见图2。该消谐装置要求TV1的开口三角绕组闭合，零序电压U0从TV0的二次侧取得。当单相接地时，TV每相励磁感抗为Xm =XTV1+3XTV0(XTV1为TV1的漏抗;XTV0为TV0励磁感抗)。

　　由于XTV1很小，可略，故Xm≈3XTV0，即零序电压绝大部分降落在TV0上，一般的外激发不能使TV1进入饱和区 ，从而使谐振难以产生。此外，TV0高压绕组的直流电阻约为10 kΩ，对谐振有强烈的阻尼作用，对涌流有限制作用。缺点：1、消谐型TV的消谐作用也仅对自身有效，热容量也有限; 2、安装空间比一次消谐大。

　　(2)呈容抗谐振的消谐型电压互感器的主要特点有：1、互感器内部的分布电容和杂散电容较大，正常时，在接有0～100%负荷下整体呈容性(结构上合理确定一次绕组径向与轴向的尺寸比例;采用介电系数大的绝缘材料作为层间绝缘;一次绕组采用阶梯式排线方式等),不易构成铁磁谐振回路。2、在较高的电压作用下，铁心不易饱和(采用优质硅钢片，以降低工作磁密)。3、能承受更高的过电压(增加了一次绕组匝数;加强一次绕组的端部绝缘和层间绝缘)。

　　然而，由于这种TV的质量和体积相对较大,因此在实际应用中往往有一定困难。

　　2、 现场消谐方法的应用

　　2.1、普通型电磁式电压互感器应选用励磁特性良好、铁心不易饱和的型号及生产厂家。变电站10 kV母线TV一次额定电压UN为10/3 kV，有的TV在1.9UN电压作用下铁心就可能进入饱和区，而母线实际运行电压为10～10.7 kV。当电网单相接地时，作用在TV上的工频稳态电压可能高达1.85UN，加上电网电压的波动，TV极易饱和。在基波谐振过电压不很高的情况下，即使装设了二次微机消谐装置也照样可能使熔丝熔断。尤其对中性点半绝缘结构TV,难以进行消谐改造，更应慎重选型。为了防止空母线合闸时TV熔丝熔断，还可以采取事先投入某些线路或站用变压器等临时措施，但不宜投入电容器组，这可防止电压有较大波动时空载变压器与电容器构成振荡回路产生振荡过电压。

　　由于一次消谐装置具有消除TV饱和引起的铁磁谐振过电压和限制涌流两种功能，随着材料工艺的提高，一次消谐装置的热容量逐步提高，其使用率在逐步上升。目前，在湖南省公司220KV变电站、110KV变电站的10KV开关柜中逐步推广使用一次消谐装置。

　　在一次消谐装置的应用中，会出现正常运行时开口三角电压不平衡的现象，U0=6-8V，产生不平衡电压的有以下两种情况：一、三相电压互感器特性参数不一致，尤其是不同厂家、不同批次的互感器;二、三相互感器参数一致，但与消谐装置不匹配。两种情况可以通过比较互感器试验数据和退出一次消谐装置试运行的方法予以判别。第一种情况可以通过更换互感器的办法解决。第二种情况可以再开口三角加装简单的辅助消谐装置予以消除。再湖南电网的怀化公坪变、湘潭韶山变等变电站成功运用。

　　2.2、开闭所母线宜尽可能选用消谐型TV,但无需另装二次消谐装置。考虑到这种系统往往对地电容较大，因此限制涌流是一个不可忽视的问题，选用加装零序电压互感器消谐型TV是较合理的选择。

　　2.3、同一配电网中，在尽可能采用一次消谐和二次消谐措施的同时，采取限制弧光接地过电压的措施仍是十分必要的。由于普通型或消谐型TV、一次消谐器等现有消谐设备的热容量都很有限，在长时间间歇电弧过电压的作用下仍有被烧坏的可能。近年来在配电网中投运了一种新型过电压防护设备——XHG型消弧及过电压保护装置。其作用的基本原理是：当电网中发生不稳定的间歇性弧光接地时，安装在变电站母线上的XHG装置通过可分相控制的高压真空接触器JZ将故障相接地，系统转变成稳定的金属性直接接地，故障点弧光消失。经过5 s之后，JZ断开一次，若已无弧光接地故障现象，说明故障是暂时性的，系统恢复正常运行;若再次出现弧光接地故障时，则认定故障是永久性的，JZ再次闭合，同时通过与之成套的接地选线装置报出故障线路。这种装置既能在一定程度上起消弧作用，也能有效地限制弧光接地过电压，同时又无需改变系统中性点接地方式，结构简单，投资相对也较少。

　　3　 结语

　　为了对配网系统采取消谐措施，同一配电网中在选用微机消谐等二次消谐装置或中性点消谐阻尼电阻、消谐型电压互感器等一次消谐装置时，应根据电网的具体情况而定，最好是能将一次消谐装置与二次消谐装置二者相互配合使用，进行优势互补。为确保设备安全，在采取消谐措施的同时还应采取限制间歇性弧光接地过电压等措施。

　　参考文献

　　[1] 杨秋霞等.基于小波分析的铁磁谐振检测.电网技术，2001(11)：55～57.

　　[2] 方瑜.配电网过电压.北京：水利电力出版社，1994.

　　[3] 陈维贤.电网过电压教程.北京：中国电力出版社，1999.

　　[4] 解广润.电力系统过电压.北京：水利电力出版社，1985

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