消弧消谐装置改造

李晓宁，孙全成

（河南神马氯碱发展有限责任公司，河南 平顶山467242）

1 供电系统分析

神马氯碱发展有限责任公司已建成专用110 kV变电站1 座。 外部主供电电源分别来自贾庄220 kV变电站和遵化220 kV 变电站，双回路供电，供电可靠性较高， 系统为中性点采用不接地和直接接地相结合系统（大接地电流系统）。

35 kV 部分主要供给整流变压器， 电解整流变压器带大容量可控硅整流设备， 运行中将产生大量高次谐波注入电力系统。

1.1 贾庄变系统

（1）注入系统的谐波电流情况见表1 和表2。

表1 神马氯碱注入220 kV贾庄变系统谐波电流允许值 A

表2 神马氯碱注入220 kV贾庄变系统谐波电流值（110 kV侧） A

神马氯碱整流负荷投运后，电压畸变率见表3。

表3 母线电压总畸变率 %

根据河南电力试验研究院提供数据表明， 神马氯碱整流变注入贾庄变特征谐波电流值不超标，110 kV 母线谐波电压总畸变率超标。

1.2 遵化变系统

注入系统的谐波电流及电压畸变率见表4 和表5。

表4 神马氯碱注入220 kV遵化变系统谐波电流值（110 kV侧） A

表5 神马氯碱整流负荷投运后，母线电压总畸变率 %

根据河南电力试验研究院提供数据表明： 正常运行时， 神马氯碱整流变注入遵化变特征谐波电流值不超标，母线谐波电压总畸变率不超标；当1 台停运时，11 次、23 次、25 次谐波电流理论值均超标；110 kV 母线谐波电压总畸变率超标。

其系统作为一个独立系统， 运行方式为中性点非接地方式（小接地电流系统或不接地系统）。

10 kV 部分是厂区动力部分的主供电系统，也构成了整个厂区的一个相对独立的10 kV 系统，并带有二级10 kV 开关站。 其系统为中性点不接地系统，无中性点存在。但整个供电网络采用电缆进出线方式，在供电网络中形成了较大的对地电容电流，影响系统的安全运行。

2 10 kV 系统运行分析

该公司10 kV 供电系统为中性点不接地系统，正常运行三相电压平衡， 相电压相等， 中性点为悬浮， 一旦发生故障， 其中性点即发生漂移造成过电压。当单相接地故障发生时，一般只要求保护装置有选择地报信号，不跳闸。

2.1 中性点非直接接地电网系统中单相接地故障的特点

正常运行情况下，三相对地有相同的对地电容，在相电压作用下， 每相都有1 个对地电容电流流入地中，三相电流之和等于零，故障相电压为零， 非故障相对地电压升高为原来的3 倍， 故障点的零序电压与相电压相等。

2.2 多条线路供电网络

多条线路供电网络类似于简单网络，COΣ—为全系统每一相对地电容总和。单项接地时，全系统都将出现零序电压， 而短路点的零序电压数值上为相电压。在非故障元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流， 电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路。在故障元件上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和， 电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。

2.3 单相接地电容电流

电网中的单相接地电容电流由电力线路和电力设备（同步发电机、大容量同步电动机、变压器等）两部分组成，电力设备的电容电流忽略不计。 10 kV 电缆线路的单相接地电容电流与所用电缆截面、 运行电压、电缆长度有关，在无法全面统计情况下，采用工程估算法：IC=0.1Uel。

该公司厂区内10 kV 电缆线路统计长度正常运行方式下为2.45 km，大运行方式下为9.05 km。

单相接地电容电流IC小=2.45 A；IC大=9.05 A。

根据 “电力系统中性点运行方式的应用范围：6～10 kV 系统当其单相接地电容电流大于30 A 时，则应采取中性点经消弧线圈接地的运行方式。”厂区供电网络单相接地电容电流值未达到规定值。

3 10 kV 系统中的PT 消弧柜运行分析

该公司10 kV 系统中应用的PT 消弧柜是安徽凯立科技集团股份有限公司生产的设备， 接线形式见图1。

图1 PT消弧柜接线形式

当系统发生单相接地故障时， 可在30 ms 左右将故障相直接接地。部件组成为，三相组合式过电压保护器TBP、 可分相控制的高压真空快速接触器JZ、控制器ZK、高压限流熔断其组件FUR、带有辅助二次绕组的电压互感器PT。

工作原理是， 在系统正常运行时，PT 开口三角电压UΔ很小（主要不平衡电压）， 控制器面板显示“投运”，当UΔ低电压变成高电平时，微机控制器ZK立即启动，通过对PT 二次输出信号的判断，发出高压真空快速接触器JZ 合闸命令，将系统中心点直接接地。

但在30 ms 时间内，瞬时故障可以躲过，但其他超过30 ms 时，无法躲过，保护动作将系统故障相直接金属性接地，构成大的接地电流，使故障点由于非金属直接接地，减少了接地点的接地电流，达到一定的消弧效果， 但也承担了总的单相接地电容电流和故障点并联造成的电容电流增大，过电压依然存在。所以，故障动作后的消弧消谐装置在故障消除后，无法自动返回， 只有断开高压真空快速接触器JZ，或拉开PT 消弧柜，重新投入才能消除瞬时故障。

该公司采用专用不饱和电压互感器， 从理论上可以消除磁饱和引起的铁磁谐振， 但实际上线性长度无明确数值，无法比较。三相组合式过电压保护器在平顶山供电公司10 kV 供电系统中由于系统波动、过电压、单相接地等故障原因多次烧毁，已经要求全部拆除，加间隙的ZnO 非线性阀片的性能有待考验。

该公司全厂10 kV 供电系统3 处装设PT 消弧柜，已形成一处故障多处动作，破坏了总体系统设计预定计算值，使电容、电感参数多项组合，易引起谐振过电压。

4 10 kV 电缆系统故障分析

2006 年10 月18 日，该公司10 kV 供电系统母线PT 消弧柜内控制器显示B 相弧光接地，B 相接触器动作，零序电压达到92 V 左右，B 相相电压降到1 000 V 左右，A、C 相相电压升到9～10 kV， 线电压显示正常， 造成动力1-2# 配电变压器保护零序过压动作跳闸，化工生产线全线停车。在检查处理过程中，10 kV 出线负荷轮流切换，B 相弧光接地信号无法复归。 在切除全部负荷后，B 相弧光接地信号能够复归，相电压显示正常，但10 kV PT 消弧柜内控制器死机，停控制器二次电源后，合闸，控制器显示正常，随后，送上全部10 kV 出线负荷，无异常现象，三相相电压正常，零序电压降到零左右。

10 kV 电缆系统图见图2。

图2 10 kV电缆系统图

从10 kV 系统故障形成过程看， 系统故障不是B 相弧光直接接地故障所形成， 而是系统操作、波动、或瞬间故障所造成。

（1）系统操作。大型电机在投、切操作过程中，造成系统电压降低，波动、三相不平衡及真空开关动作的截波，都可能引起消弧柜内的控制器误动，因为这些情况都能引起过电压， 消弧柜内消弧装置超过电压启动值，延时30 ms 的定值时就要动作，将单相过电压相直接接地。

瞬间故障： 先是10 kV 系统发生了一次瞬时接地故障，系统电压发生较大波动，3 台消弧柜内装置同时动作，因过电压，故障相直接接地，当瞬时接地消失后，故障相却因直接接地过压而无法返回。

总之，不管何种原因引起消弧装置动作，3 台消弧装置将造成10 kV 系统3 个消弧装置安装地点直接接地，组成新的系统参数，在组合过程中，系统动态平衡被破坏， 使得3 台消弧柜中的3 组PT 相互并联，导致电抗值下降，容抗值激变，形成系统发生铁磁谐振条件。 后台机上反映的三相电压为两相高一相低，属此现象。

由于系统谐振，停单一回路，很难改变系统参数环境，不能消除谐振，当出线全停时，PT 谐振条件被破坏，谐振停止后，才能使消弧柜内的控制器恢复工作， 但3 个直接接地真空接触器必须同时手动解除或分别解除自动装置，才能恢复正常。

母线消弧柜内使用的PT 的励磁特性性能不好，容易发生磁饱和，也加速铁磁谐振条件成立。

据厂家分析，用一次消谐器或加装零序PT 的目的，仅仅是抬高了运行PT 的中性点电位，变相提高了PT 的伏安特性，但在运行中已有多次烧PT 的现象发生， 包括零序PT 在发生单相接地时仍然烧毁属正常现象。母线消弧装置动作后，将故障相直接接地，故障点与消弧装置的动作接地形成了相应的大电流接地形式，过电压，大电流加速了PT 的烧毁现象的发生，包括零序PT，在发生单相接地时仍然会烧毁。

5 改造后的优越性

（1）根据对全厂单相接地电容电流的计算，在最大运行方式下， 即1 台主变压器带全厂10 kV 系统时，单相接地电容电流为9.05 A，远低于规定安装消弧线圈的单相接地电容电流30 A，可以免安装消弧线圈，当“20 万t项目”另一台主变投运后，可确定1个独立10 kV 系统只保留1 套消弧消谐装置，达到安全生产需求。

（2）安装消弧柜。 目前，全厂在10 kV 供电系统中3 处安装，对系统的安全运行没有起到好的作用，根据发生的故障情况， 未发现实质性的单相接地故障，由于系统波动即出现谐振等，实属10 kV 系统总体设计未做，分块组合形成缺陷。 根据与“20 万t项目”设计单位研讨，确定一个独立10 kV 系统，只保留1 套装置，在大方式运行时，原投入运行的退出1 套，保留只用于报警，监视运行，取消20 万t 8 台消弧消谐装置，减少设备采购资金八十余万元。

（3） 消弧柜内采用厂家配套的防磁饱和式电压互感器，励磁特性较好，可以减少造成参数匹配而出现的谐振，并完善了其功能，大大减少了电气运行事故的发生。

（4）经过改造后，至今未出现因为谐波而产生的电气停车事故。

（5）考虑到消弧装置发生单相接地故障时，减少故障点的电容电流，起到了灭弧作用，采用的方法是将故障相直接接地， 产生的过电压要维持到故障消除后，必须手动复归（对单台而言，多台安装手动无法复归）。 改造后，采用与保护配套的选线报警或延时跳闸装置，便于迅速确定故障相，及时处理，保障生产的连续运行，安全效益良好。