谐振对消弧线圈的影响分析

周志萍

（通化巨源集团有限公司生产部，吉林通化 134003）

1 引言

早期我国10k V配电网普遍采用中性点不直接接地方式，随着配电网电缆线路日益增加，系统对地电容电流越来越大，单相接地电弧及弧光接地过电压严重威胁系统的安全运行。消弧线圈的问世在技术上是一大进步，可将工频电容电流补偿至最小值，以此降低工频电弧重燃过电压幅值和概率。与中性点不接地方式比较，供电可靠性有较大幅度提高。

如今，随着国内工业规模的不断扩大和工业技术的不断发展，尤其是电力电子技术的发展如中频炉、变频器等非线性负荷不可避免地产生非正弦波形，向电网注入谐波，并由此产生断断续续、没有规律的谐振过电压现象。使得消弧线圈接地保护作用受到影响，系统内不断发生的绝缘击穿等损坏设备事故呈现在我们面前。长期的运行实践证明电网中性点接地方式不同，安全运行效果亦不同。因此，如何改进中性点接地方式，降低系统事故是重要课题。现就谐振影响消弧线圈保护效果和作用问题进行分析，以求对企业供电系统的安全运行有所帮助。

2 谐振过电压的成因及特点

当系统进行操作或发生故障时，系统中的电感、电容元件可形成多种频率的振荡回路。当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，就会出现周期性的或准周期性的谐振现象，此时发生谐振的那个谐波电压的幅值和谐波电流的幅值将急剧上升。

谐振是一种稳态性质的现象，虽然在某种情况下，谐振现象不能自保持，在发生后经一段短促的时间，会自动消失，但也可稳定存在，直到破坏谐振条件为止。因此谐振过电压的危害性既决定于其幅值的大小，也决定于持续时间的长短。当系统产生谐振时，可能因持续的过电压而危及电气设备的绝缘，还会影响保护装置的工作条件。

运行经验表明，谐振过电压可在各种电压等级的电网中产生。在35k V及以下的电网中，由谐振造成的事故较多，需要特别重视，在电网设计时及进行操作前，要作一些估计和安排，尽量避免谐振的发生或缩短谐振存在的时间。

电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素，所以通常只有在空载或轻载的情况下才会发生谐振。但对零序回路参数配合不当而形成的谐振，系统的正序有功负荷是不起作用的。

电力系统中的电容和电阻元件，一般可以认为是线性参数。可是电感元件则不然。由于振荡回路中包含不同特性的电感元件，谐振有3种不同的类型：

（1）线性谐振

谐振回路由不带铁芯的电感元件 (如输电线路的电感、变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件(如消弧线圈，其铁芯中有气隙)和系统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，当系统自振频率与电源频率相等或接近时，产生线性谐振。

（2）铁磁谐振（非线性谐振）

谐振回路由带铁芯的电感元件(如空载变压器、电压互感器)和系统中的电容元件组成。受铁芯饱和的影响，铁芯电感元件的电感参数是非线性的，这种含有非线性电感元件的回路，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振。

（3）参数谐振

谐振回路由电感参数作周期性变化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗在Xd～Xq间周期变化）和系统电容元件（如空载线路）组成。当参数配合恰当时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送电量，将会造成参数谐振。

3 消弧线圈的作用及弊端

消弧线圈顾名思意就是消灭接地电弧的，原理是以感性电流补偿容性电流至最小值，防止工频电弧重燃过电压。实际运行中将消弧线圈整定在过补偿状态，其过补程度的大小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移电压超过相电压15%，之所以采用过补偿是为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压。因为如整定在欠补偿状态，切除线路将造成电容电流减少，可能出现全补偿或接近全补偿的情况。

电网安装消弧线圈的目的是补偿系统对地工频电容电流至最小值，使其不发生工频电弧重燃过电压，但随着电气新技术的发展及电气新设备的使用，电感电容元件不断增加，电网系统中的谐振回路也不断增多，从而使得消弧线圈接地系统的弊端也不断显现出来。实际运行中具体存在的问题如下：

（1）单相接地故障时，非故障相对地电压升高到三相电压以上，持续时间长、波及全系统设备，易引起第二点绝缘击穿。

（2）消弧线圈不能补偿谐波电流，尤其冶金企业供电系统和城市电网谐波电流占的比例达1%～15%，仅谐波电流即可导致高频电弧重燃过电压，如5次谐波每秒钟可重燃500次，即使谐波电流小于5A也将发生连续的电弧重燃，使过电压持续上升。

（3）在运行中，消弧线圈各分接头的标称电流和实际电流会出现较大误差，运行中就发生过由于实际电流与铭牌电流误差较大而导致谐振的现象。

（4）由于系统的运行方式及系统电压经常变化，尤其是冶金系统的频繁操作使系统的电容电流经常变化，跟踪补偿滞后，如断线谐振一旦发生超过200H z振荡频率时，自控系统包括消弧线圈本身的调控系统易失控。

（5）不利于接地事故选线。

（6）中性点位移电压高，这是限于补偿原理自身的缺陷，尽管国标技术规范对消弧线圈调谐度提出限制条件，但实际运行中，仍经常发生位移电压偏高等问题。

4 谐振对消弧线圈的影响

现在我们已经对谐振现象和消弧线圈的工作方式有了一定的了解，接下来我们将讨论一下谐振对消弧线圈的影响，说起影响的根源，首先我们要分析一下系统中性点电压的产生。以10k V消弧线圈接地系统为例，当系统中发生串联谐振时，因流过消弧线圈的电流很大，中性点电压升高。所以，通常也用中性点电压的大小来判断是否发生谐振。

当忽略消弧线圈的阻性分量和系统对地导纳的情况下，可以作出系统接线图，如图1。

列出中性点O的电流方程：

式（1）表示，中性点电压受到系统不平衡度KC、消弧线圈感抗L、阻尼电阻R以及各项对地电容Ca、Cb、Cc的影响。正是这些因素，导致系统中性点电压不为零。下面我们将分析不同情况下中性点电压的变化。

图1 消弧线圈接地系统原理图

首先是正常状态下，系统三相完全平衡时，系统三相对地电容处于完全平衡状态，即Ca＝Cb＝Cc。

将此条件代入式（1），解得：U0＝0。

这表明，当系统三相完全平衡时，不论消弧线圈感抗及阻尼电阻如何变化，中性点电压均为零。从而证明了中性点存在电压的根源在于系统本身存在不平衡。但经验表明，正常运行的网络受到电网设备参数和用户设备不平衡的影响，总存在一个很小的不平衡度，其范围大约在0.002～0.04之间，发生缺相故障时更大。

对于中性点不接地系统而言，即系统消弧线圈回路断开。

此时L＝∞

将此条件代入式（1），解得：U0=-KCUA

式中，Uφ——相电压的大小。

此时，中性点电压按照相电压的一定比例呈现，这个比值就是系统不平衡度。

对中性点经消弧线圈接地系统而言，实际上，当自动调谐消弧线圈投入运行后，控制器就自动经常计算系统电容电流，并调节消弧线圈档位，使其电感电流与电容电流最接近。我们计算时可假设其相等。

但实际运行当中，有时系统会出现频繁的波动，此时不会发生接地现象，即没有接地时的阻尼电阻，但消弧线圈会正常动作，进行调谐、补偿等工作。

式（4）表明，如果系统未发生接地而消弧线圈正常动作，中性点电压降趋于无穷大，电网发生谐振。

综上所述，消弧线圈系统针对谐振问题无法得到有效地解决，并可能随时将系统操作过电压转化为谐振过电压，从而提高谐振发生几率及蔓延速度，危害电网供电及设备绝缘。要想从根本上解决系统谐振问题，必须减小系统不平衡度并增大系统接地时的阻尼电阻，建议改用中性点电阻接地方式。以此提高系统运行及供电可靠性。

5 结论

（1）消弧线圈正常工作时，当系统电压波动而没有发生接地时，中性点电压会被其放大，进而导致电压升高，发生谐振。

（2）发生谐振时，消弧线圈接地本身的工作原理无法对其进行有效的抑制，当谐振严重时，系统电压会无限增大，影响消弧线圈的运行效果，危及设备绝缘,进而影响系统安全。

（3）改用中性点电阻接地方式，增大阻尼电阻，抑制谐振过电压，降低中性点位移电压。中性点电阻值选择适当时，可消除谐振过电压。

（4）减小系统不平衡度可以提高系统的运行可靠性，防止中性点偏移，降低中性点电压，从而降低系统接地及谐振放大的几率。

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