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母線電壓互感器中性點加裝消諧裝置問題探討

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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 ， 分析討論在實際應用中采用一次和二次消諧器進行消諧的優越性和局限性 ， 提出利用消弧、消諧、選線及過電壓綜合保護的優勢 。
關鍵詞：中性點不接地系統 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以下系統大多數采用電源中性點不接地運行方式 。 這種接地方式發生單相接地時 ， 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行時每相對地電容電流的3倍 。 當發生一相接地時 ， 因為線路的線電壓無論相位和量值均未發生變化 ， 允許短時間帶故障運行 。 但隨著城鄉電網的擴大和電纜出線的增多 ， 單相接地電容電流也將進一步增加 ， 當電網對地電容電流達到一定值時 ， 單相接地后故障點的電弧就不能夠自熄 ， 從而產生間隙性弧光接地過電壓 ， 損壞線路設備 。
在電網中性點不接地系統中其母線上電磁式壓互一次繞組成為中性點不接地電網
對地的唯一金屬通道 ， 電網相對地電容的充、放電途徑必然通過壓互一次繞組 。 當系統發生單相接地時 ， 故障點會流過電容電流 ， 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的電荷 。 在接地故障期間 ， 此電荷產生的電容電流 ， 以接地點為通路 ， 在電源-導線-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充電至線電壓下的電荷 ， 就只有通過壓互高壓繞組 ， 經其原來接地的中性點進入大地 ， 壓互一次繞組中會出現數安培幅值的涌流 ， 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 ， 使壓互鐵芯嚴重飽和 ， 飽和后的電壓互感器勵磁電感變小 ， 系統網絡對地阻抗趨于感性 ， 此時若系統網絡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） ， 可激發各種鐵磁諧振過電壓 。 另外電網中的單相弧光接地 ， 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 ， 產生很大的涌流 ， 也會使壓互燒毀 。
【母線電壓互感器中性點加裝消諧裝置問題探討】

母線電壓互感器中性點加裝消諧裝置問題探討

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 圖1 鐵磁諧振等值電路
 
在實際運行參數下 ， 系統的諧振頻率列中 ， 主要是1／2次分頻及基波諧振 。 必然或可能發生、不可能發生諧振的區域 ， 如圖2所示 。
 
  　
母線電壓互感器中性點加裝消諧裝置問題探討

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圖2諧振發生概率分布圖
從圖中可知：
(a)在正常運行電壓以及不外加R0時 ， （         ）=0.025～0.280時 ， 發生分頻諧振；(          ) =0.180～0.680時發生基波諧振 。
(b)隨著R0的增大 ， 諧振范圍減少 ， 當R0大于某一臨界值之后 ， 諧振范圍消失 ， 即不發生諧振 。 當R0≥0.056ωL時可消除一切基波和分頻諧波 。
根據以上分析 ， 可以采取適當的措施消除諧振 ， 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開口三角形繞組兩端接消諧器和在壓互一次側中性點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 ， 低頻飽和各電流經過電阻Ro后進入大地 ， 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生 。
 
  
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圖3
其局限性是由于電網的復雜性 ， 各配網電容電流大小、線路故障性質、壓互伏安特性以及消諧器的運行環境等情況有所不同 ， 一次消諧器自身的熱容量有限 ， 難以保證在壓互中性點裝設消諧器后設備萬無一失 ， 尤其是當間歇電弧接地持續時間較長時 ， 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時間較長的間歇電弧接地過電壓激發下 ， 仍可損壞裝置；Ro的數值若選用太小 ， 相當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→∞ ， 即壓互高壓側繞組中性點變為絕緣了 ， 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 ， 當網絡出現單相接地時 ， 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（如微機接地選線裝置） 。 而且一次消諧器只能限制本壓互不發生諧振 ， 對電網中的其他壓互無效 ， 當發生單相接地故障時 ， 且系統中有多臺高壓側中性點接地的壓互同時運行 ， 則必須每臺壓互均在中性點安裝消諧電阻器方有效 。
2在壓互柜的互感器二次側加裝二次消諧器（阻尼電阻）
在壓互二次側開口三角形繞組兩端接入阻尼電阻Ro ， 相當于在壓互高壓側Yo結線繞組上并聯一個電阻 ， 而這一電阻只有在電網有零序電壓時才出現 ， 正常運行時 ， 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上并聯電阻就越小 ， 當Ro小于一定值時 ， 網絡三相對地參數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位移電壓 。 當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 。
其局限性是當電網內發生單相接地時 ， 壓互開口三角形繞組兩端會出現100V的工頻零序電壓 ， 這樣阻尼電阻的容量就要求足夠大 ， 當阻尼電阻太小 ， 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 。 當涌流發生時 ， 它會將二次開口三角短路 ， 這反而會增大涌流幅值 。
3加裝微機消諧裝置
在壓互二次開口三角繞組加裝微機消諧裝置 ， 當判斷為存在工頻位移過電壓或鐵磁諧振過電壓后 ， 單片機就進行消諧程序 ， 發出高頻脈沖群 ， 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導通 ， 將開口三角形繞組短接(若系統發生單相接地 ， 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擔 。
其局限性是在中性點不接地電網中 ， 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 。 當電網對地電容較大 ， 而電網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工頻周期內出現 ， 電流幅值可遠大于分頻諧振電流(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 ， 在單相接地消失后的半個周波即可熔斷熔絲 ， 加裝微機消諧裝置無法抑制低頻飽和電流 ， 適用于電網較小、對地電容不大的場合；微機消諧裝置還難以正確區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的主要區別在于零序電壓U0的高低 。 通常 ， 當U0≥150V時定為基頻諧振；當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荷而燒毀的情況發生 ， 通常微機消諧裝置基頻諧振的判據電壓定得比較高 。 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 ， 在持續時間較長的間歇電弧過電壓激發下 ， 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在壓互中性點串接一只額定電壓為線電壓的單相壓互
在壓互中性點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用 ， 另一組接成閉口三角的方式 ， 不帶任何負載 ， 只起消諧作用 ， 零序電壓互感器的二次繞組當發生單相接地時作為告警之用 。 通過同時采用中性點串電阻（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R0大于某一臨界值之后 ， 諧振范圍消失 ， 即不發生諧振）和閉口三角繞組接線方法（使開口三角接線阻尼電阻值達到最小值） ， 使它們之間相互配合、相互作用 ， 加強消諧作用 。
 
母線電壓互感器中性點加裝消諧裝置問題探討

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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的偏移 ， 并未改變振蕩的性質 ， 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的參數有關 ， 計算復雜 ， 為發揮強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的綜合應用
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 ， 要根據電網的具體情況而定 ， 可將一次消諧裝置與二次消諧裝置二者相互配合使用 ， 進行優勢互補 ， 保證壓互自身不參與諧振 ， 在同一配電網中 ， 在盡可能采用一次消諧和二次消諧措施的同時 ， 為確保設備安全 ， 還應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 ， 限制電網中的各類過電壓（弧光接地過電壓、諧振過電壓、操作過電壓）并準確選出系統的接地線路 ， 對加強電力系統的運行維護管理 ， 保障電網的安全、穩定和可靠運行將具有相當積極的作用 。