周志萍

（通化巨源集團(tuán)有限公司生產(chǎn)部，吉林通化 134003）

1 引言

早期我國(guó)10k V配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)不直接接地方式，隨著配電網(wǎng)電纜線路日益增加，系統(tǒng)對(duì)地電容電流越來(lái)越大，單相接地電弧及弧光接地過(guò)電壓嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。消弧線圈的問(wèn)世在技術(shù)上是一大進(jìn)步，可將工頻電容電流補(bǔ)償至最小值，以此降低工頻電弧重燃過(guò)電壓幅值和概率。與中性點(diǎn)不接地方式比較，供電可靠性有較大幅度提高。

如今，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是電力電子技術(shù)的發(fā)展如中頻爐、變頻器等非線性負(fù)荷不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電網(wǎng)注入諧波，并由此產(chǎn)生斷斷續(xù)續(xù)、沒有規(guī)律的諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。使得消弧線圈接地保護(hù)作用受到影響，系統(tǒng)內(nèi)不斷發(fā)生的絕緣擊穿等損壞設(shè)備事故呈現(xiàn)在我們面前。長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐證明電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式不同，安全運(yùn)行效果亦不同。因此，如何改進(jìn)中性點(diǎn)接地方式，降低系統(tǒng)事故是重要課題?，F(xiàn)就諧振影響消弧線圈保護(hù)效果和作用問(wèn)題進(jìn)行分析，以求對(duì)企業(yè)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行有所幫助。

2 諧振過(guò)電壓的成因及特點(diǎn)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中的電感、電容元件可形成多種頻率的振蕩回路。當(dāng)外加的強(qiáng)迫振蕩頻率等于振蕩系統(tǒng)中的某一自由振蕩頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)周期性的或準(zhǔn)周期性的諧振現(xiàn)象，此時(shí)發(fā)生諧振的那個(gè)諧波電壓的幅值和諧波電流的幅值將急劇上升。

諧振是一種穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的現(xiàn)象，雖然在某種情況下，諧振現(xiàn)象不能自保持，在發(fā)生后經(jīng)一段短促的時(shí)間，會(huì)自動(dòng)消失，但也可穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。因此諧振過(guò)電壓的危害性既決定于其幅值的大小，也決定于持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生諧振時(shí)，可能因持續(xù)的過(guò)電壓而危及電氣設(shè)備的絕緣，還會(huì)影響保護(hù)裝置的工作條件。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，諧振過(guò)電壓可在各種電壓等級(jí)的電網(wǎng)中產(chǎn)生。在35k V及以下的電網(wǎng)中，由諧振造成的事故較多，需要特別重視，在電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)及進(jìn)行操作前，要作一些估計(jì)和安排，盡量避免諧振的發(fā)生或縮短諧振存在的時(shí)間。

電力系統(tǒng)中的有功負(fù)荷是阻尼振蕩和限制諧振過(guò)電壓的有利因素，所以通常只有在空載或輕載的情況下才會(huì)發(fā)生諧振。但對(duì)零序回路參數(shù)配合不當(dāng)而形成的諧振，系統(tǒng)的正序有功負(fù)荷是不起作用的。

電力系統(tǒng)中的電容和電阻元件，一般可以認(rèn)為是線性參數(shù)。可是電感元件則不然。由于振蕩回路中包含不同特性的電感元件，諧振有3種不同的類型：

（1）線性諧振

諧振回路由不帶鐵芯的電感元件 (如輸電線路的電感、變壓器的漏感)或勵(lì)磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件(如消弧線圈，其鐵芯中有氣隙)和系統(tǒng)中的電容元件所組成。在正弦電源作用下，當(dāng)系統(tǒng)自振頻率與電源頻率相等或接近時(shí)，產(chǎn)生線性諧振。

（2）鐵磁諧振（非線性諧振）

諧振回路由帶鐵芯的電感元件(如空載變壓器、電壓互感器)和系統(tǒng)中的電容元件組成。受鐵芯飽和的影響，鐵芯電感元件的電感參數(shù)是非線性的，這種含有非線性電感元件的回路，在滿足一定諧振條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振。

（3）參數(shù)諧振

諧振回路由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件（如凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd～Xq間周期變化）和系統(tǒng)電容元件（如空載線路）組成。當(dāng)參數(shù)配合恰當(dāng)時(shí)，通過(guò)電感的周期性變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送電量，將會(huì)造成參數(shù)諧振。

3 消弧線圈的作用及弊端

消弧線圈顧名思意就是消滅接地電弧的，原理是以感性電流補(bǔ)償容性電流至最小值，防止工頻電弧重燃過(guò)電壓。實(shí)際運(yùn)行中將消弧線圈整定在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，其過(guò)補(bǔ)程度的大小取決于電網(wǎng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不使中性點(diǎn)位移電壓超過(guò)相電壓15%，之所以采用過(guò)補(bǔ)償是為了避免電網(wǎng)切除部分線路時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的串聯(lián)諧振過(guò)電壓。因?yàn)槿缯ㄔ谇费a(bǔ)償狀態(tài)，切除線路將造成電容電流減少，可能出現(xiàn)全補(bǔ)償或接近全補(bǔ)償?shù)那闆r。

電網(wǎng)安裝消弧線圈的目的是補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)地工頻電容電流至最小值，使其不發(fā)生工頻電弧重燃過(guò)電壓，但隨著電氣新技術(shù)的發(fā)展及電氣新設(shè)備的使用，電感電容元件不斷增加，電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧振回路也不斷增多，從而使得消弧線圈接地系統(tǒng)的弊端也不斷顯現(xiàn)出來(lái)。實(shí)際運(yùn)行中具體存在的問(wèn)題如下：

（1）單相接地故障時(shí)，非故障相對(duì)地電壓升高到三相電壓以上，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及全系統(tǒng)設(shè)備，易引起第二點(diǎn)絕緣擊穿。

（2）消弧線圈不能補(bǔ)償諧波電流，尤其冶金企業(yè)供電系統(tǒng)和城市電網(wǎng)諧波電流占的比例達(dá)1%～15%，僅諧波電流即可導(dǎo)致高頻電弧重燃過(guò)電壓，如5次諧波每秒鐘可重燃500次，即使諧波電流小于5A也將發(fā)生連續(xù)的電弧重燃，使過(guò)電壓持續(xù)上升。

（3）在運(yùn)行中，消弧線圈各分接頭的標(biāo)稱電流和實(shí)際電流會(huì)出現(xiàn)較大誤差，運(yùn)行中就發(fā)生過(guò)由于實(shí)際電流與銘牌電流誤差較大而導(dǎo)致諧振的現(xiàn)象。

（4）由于系統(tǒng)的運(yùn)行方式及系統(tǒng)電壓經(jīng)常變化，尤其是冶金系統(tǒng)的頻繁操作使系統(tǒng)的電容電流經(jīng)常變化，跟蹤補(bǔ)償滯后，如斷線諧振一旦發(fā)生超過(guò)200H z振蕩頻率時(shí)，自控系統(tǒng)包括消弧線圈本身的調(diào)控系統(tǒng)易失控。

（5）不利于接地事故選線。

（6）中性點(diǎn)位移電壓高，這是限于補(bǔ)償原理自身的缺陷，盡管國(guó)標(biāo)技術(shù)規(guī)范對(duì)消弧線圈調(diào)諧度提出限制條件，但實(shí)際運(yùn)行中，仍經(jīng)常發(fā)生位移電壓偏高等問(wèn)題。

4 諧振對(duì)消弧線圈的影響

現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)諧振現(xiàn)象和消弧線圈的工作方式有了一定的了解，接下來(lái)我們將討論一下諧振對(duì)消弧線圈的影響，說(shuō)起影響的根源，首先我們要分析一下系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓的產(chǎn)生。以10k V消弧線圈接地系統(tǒng)為例，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，因流過(guò)消弧線圈的電流很大，中性點(diǎn)電壓升高。所以，通常也用中性點(diǎn)電壓的大小來(lái)判斷是否發(fā)生諧振。

當(dāng)忽略消弧線圈的阻性分量和系統(tǒng)對(duì)地導(dǎo)納的情況下，可以作出系統(tǒng)接線圖，如圖1。

列出中性點(diǎn)O的電流方程：

式（1）表示，中性點(diǎn)電壓受到系統(tǒng)不平衡度KC、消弧線圈感抗L、阻尼電阻R以及各項(xiàng)對(duì)地電容Ca、Cb、Cc的影響。正是這些因素，導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓不為零。下面我們將分析不同情況下中性點(diǎn)電壓的變化。

圖1 消弧線圈接地系統(tǒng)原理圖

首先是正常狀態(tài)下，系統(tǒng)三相完全平衡時(shí)，系統(tǒng)三相對(duì)地電容處于完全平衡狀態(tài)，即Ca＝Cb＝Cc。

將此條件代入式（1），解得：U0＝0。

這表明，當(dāng)系統(tǒng)三相完全平衡時(shí)，不論消弧線圈感抗及阻尼電阻如何變化，中性點(diǎn)電壓均為零。從而證明了中性點(diǎn)存在電壓的根源在于系統(tǒng)本身存在不平衡。但經(jīng)驗(yàn)表明，正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)受到電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)和用戶設(shè)備不平衡的影響，總存在一個(gè)很小的不平衡度，其范圍大約在0.002～0.04之間，發(fā)生缺相故障時(shí)更大。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)而言，即系統(tǒng)消弧線圈回路斷開。

此時(shí)L＝∞

將此條件代入式（1），解得：U0=-KCUA

式中，Uφ——相電壓的大小。

此時(shí)，中性點(diǎn)電壓按照相電壓的一定比例呈現(xiàn)，這個(gè)比值就是系統(tǒng)不平衡度。

對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)而言，實(shí)際上，當(dāng)自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈投入運(yùn)行后，控制器就自動(dòng)經(jīng)常計(jì)算系統(tǒng)電容電流，并調(diào)節(jié)消弧線圈檔位，使其電感電流與電容電流最接近。我們計(jì)算時(shí)可假設(shè)其相等。

但實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，有時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)，此時(shí)不會(huì)發(fā)生接地現(xiàn)象，即沒有接地時(shí)的阻尼電阻，但消弧線圈會(huì)正常動(dòng)作，進(jìn)行調(diào)諧、補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳌?/p>

式（4）表明，如果系統(tǒng)未發(fā)生接地而消弧線圈正常動(dòng)作，中性點(diǎn)電壓降趨于無(wú)窮大，電網(wǎng)發(fā)生諧振。

綜上所述，消弧線圈系統(tǒng)針對(duì)諧振問(wèn)題無(wú)法得到有效地解決，并可能隨時(shí)將系統(tǒng)操作過(guò)電壓轉(zhuǎn)化為諧振過(guò)電壓，從而提高諧振發(fā)生幾率及蔓延速度，危害電網(wǎng)供電及設(shè)備絕緣。要想從根本上解決系統(tǒng)諧振問(wèn)題，必須減小系統(tǒng)不平衡度并增大系統(tǒng)接地時(shí)的阻尼電阻，建議改用中性點(diǎn)電阻接地方式。以此提高系統(tǒng)運(yùn)行及供電可靠性。

5 結(jié)論

（1）消弧線圈正常工作時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)而沒有發(fā)生接地時(shí)，中性點(diǎn)電壓會(huì)被其放大，進(jìn)而導(dǎo)致電壓升高，發(fā)生諧振。

（2）發(fā)生諧振時(shí)，消弧線圈接地本身的工作原理無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的抑制，當(dāng)諧振嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)電壓會(huì)無(wú)限增大，影響消弧線圈的運(yùn)行效果，危及設(shè)備絕緣,進(jìn)而影響系統(tǒng)安全。

（3）改用中性點(diǎn)電阻接地方式，增大阻尼電阻，抑制諧振過(guò)電壓，降低中性點(diǎn)位移電壓。中性點(diǎn)電阻值選擇適當(dāng)時(shí)，可消除諧振過(guò)電壓。

（4）減小系統(tǒng)不平衡度可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，防止中性點(diǎn)偏移，降低中性點(diǎn)電壓，從而降低系統(tǒng)接地及諧振放大的幾率。

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