刘玉梅
中国石油化工股份有限公司天津分公司电仪中心
摘要： 在小电流接地电网中，随着系统电缆线路的增多和增长，单相接地电流也越来越大，大多弧光接地故障不能自行熄灭。另一方面，这种间歇电弧现象导致电磁能的强烈震荡，将引起幅值较高的弧光接地谐振过电压。
在变压器中性点加一电感性的消弧线圈，将抵消由线路对地电容产生的电容电流，从而减小或消除因电容电流而引起故障点的电弧，提高电力系统供电的可靠性。
消谐电阻器能够有效防止PT铁磁谐振并能抑制接地消失时产生的涌流，防止PT高压熔丝熔断。
具有多种消谐功能的微电脑消谐装置，更为当6kV配电系统出现单相接地故障时，达到消除电网中的高频、基频和各种分频铁磁谐振的目的,为分析、判断电网接地故障类型，提供了可靠手段。
关键词：电容电流 铁磁谐振过电压 消弧线圈 微机消谐装置
前言
在6~10kV电力系统中，铁磁谐振过电压是一种常见的内部过电压现象，在中性点不接地的电网中屡有发生。这种过电压持续时间长，因而对我们连续运行的炼油生产装置供电系统的安全运行威胁极大。它是导致PT高压熔丝熔断、电磁式电压互感器烧损、爆炸的重要原因。
因此，2008年在对110kV总变电站6kV高压开关柜进行更换之时，新增并投入了多种消谐能力强、具有先进水平的微电脑消谐装置。为分析、判断6kV配电系统单相接地故障性质提供了可靠依据。
下面，让我们首先分析一下对配电系统危害最大的铁磁谐振过电压。
1 铁磁谐振过电压的产生
6~10kV中性点不接地系统。一旦出现系统单相接地时，供电系统中性点将会产生位移电压，它被认为是电磁式电压互感器产生铁磁谐振过电压的主要因素。
1.1中性点不接地配电系统电容电流
电网的每一相与大地之间都有一定电容，均匀分布在导线全长上。我们将导线与地间的均匀分布的电容，用一假定的集中电容C来代替。当电网正常运行时，如果各相对地电容是平衡的，即线路换位良好，则中性点的对地电压为零。
如果三相对地电容平衡，当绝缘破坏而一相接地时，例如A相接地，则A相对地电压UA＝０；B相和C相的对地电压降上升为线电压。于是，B相和C相的对地电容电流值便增大倍，其有效值为
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式中，为一相对地电容
为相电压
为相对地容抗
其方向分别超前和为90°
当中性点不接地配电网发生单相接地故障时，非故障的二相对地电压将升高 倍，由于线电压仍保持不变，故对用户继续工作影响不大。
1.2 中性点不接地的配电网铁磁谐振过电压
在小电流接地电网中，随着系统电缆线路的增多和增长，单相接地电流也随着增大，许多弧光接地故障不能自行熄灭；另一方面，由于接地电流并不是太大，往往又不能产生稳定性的电弧，于是形成了熄弧与电弧重燃相互交替的不稳定状态。这种间歇电弧现象引起了电网运行状态的瞬息变化，导致电磁能的强烈震荡，将引起幅值较高的弧光接地谐振过电压，其最大值一般不会超过3.5倍相电压。
再者，因为电磁式电压互感器的励磁电抗是典型的非线性电感元件，正常时具有很高的电感值，当电压过高时铁芯趋于饱和，电感值大幅下降，使励磁电抗呈现非线性。导致和配电线路对地电容及其它电气设备的杂散电容构成共谐条件，激发持续的铁磁谐振，产生很高的零序过电压。
发生铁磁谐振时的特点是：三相相电压无规律变化，甚至可超过线电压，电压表也有低频无规律摆动现象。铁磁谐振能量较小，电压互感器一次侧中性点经电阻接地或在二次开口角安装消谐器，都可以破坏其谐振，达到消谐目的。
如果电网没有弱绝缘设备, 铁磁谐振对电网一般影响不大。 但往往由于电网中绝缘老化、绝缘体表面脏污等情况的存在，会造成绝缘闪络。并且如果谐振持续时间过长，将会造成避雷器爆炸、设备绝缘击穿等电气事故。
2 微电脑主控多功能消谐装置系统的构成
我厂微电脑主控的多功能消谐装置系统是天津辰鑫石化工程设计有限公司于2008年设计，主要是由以下多面具有不同消谐方式的成套装置组成的。
微电脑多功能消谐装置系统构成如图1 所示：
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图-1微电脑多功能消谐系统结构图
TV 电压互感器 R 消谐电阻和报警器 In 微机电压监视装置 XXQ 微电脑多功能消谐装置
该多功能微机消谐系统主要包括：自动跟踪消弧线圈成套装置、微电脑多功能消谐装置和电压限制及短路报警器。
此外，为便于接地故障点的进一步巡查，在6kV主母线各馈出回路中还接有西门子综合保护装置。
2.1 ZTJD型自动跟踪消弧线圈成套装置
在变压器中性点加一电感性的消弧线圈，当线路的一相发生接地故障时，通过消弧线圈的电感电流，将抵消由线路对地电容产生的电容电流，从而减小或消除因电容电流而引起故障点的电弧，提高电力系统供电的可靠性。
2.1.1 消弧线圈工作机理
消弧线圈补偿的工作原理如图2所示：
在工作情况下，变压器中性点的电位为零（假设三相系统对称）所以没有电流通过线圈。当某相（如A相）发生金属性接地时，则作用在消弧线圈两端电压正是中性点对地电压UN ，于是消弧线圈中产生电感电流IL，它的大小为：
它的方向是由故障点流回系统，IL滞后于UN为90°。这样，接地点通过的电流是单相接地时的电容电流IDC（超前U为90°）和消弧线圈的电感电流IL的向量和。由于IL和IDC两者相差180°，所以在接地点实质上是IL和IDC的电流差值，而其性质决定于其中的大者，其向量图如图2－(2) 所示。适当选择消弧线圈分接头，可使接地点的电流变得很小，使接地点不致产生电弧以及电弧所引起的危害。
根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿程度的不同，可以有全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。过补偿使接地处具有多余的电感性电流，可避免谐振过电压的产生，因此得到广泛采用。
2.1.2 自动跟踪补偿装置
ZTJD-PC104型自动跟踪补偿装置,用嵌入式工控机作为控制核心，大屏幕LCD显示器及大容量电子硬盘作为信息存储介质；针对消弧线圈进行自动调谐，它是本变电站消谐系统中最重要、自控功能最强的消谐装置。
该自动跟踪消弧线圈成套装置主要包括以下七个部分，如图3所示：
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图3 自动跟踪消弧线圈成套装置主接线原理图
① ZB接地变压器
接地变压器的作用是在系统为△型接线中性点无法引出时，引出中性点用于加接消弧线圈。此类变压器采用Z型接线。与普通变压器的区别是，每相线圈分成两组，分别反向绕在该相磁柱上。当系统发生接地故障时，对正序负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗性能，使接地时消弧线圈能可靠进行电感电流补偿。
此外，可带二次负荷供站用电使用，还可适当调整电网的不对称性。
② LX 宽调节范围的消弧线圈
为自动调谐创造条件，调流范围为20%～100%，根据消弧线圈的容量及调流范围，有载开关为1～15档；消弧线圈二次根据需要设多个二次线圈，满足测量、阻尼等的需要。
③ R 阻尼电阻，在系统正常运行时阻尼电阻接于消弧线圈一次与大地之间，或并接于消弧线圈专用的二次阻尼线圈上，用来抑制串联谐振过电压。
当系统发生单相接地时，由零序电压启动，真空接触器ZC或可控硅快速将阻尼电阻短接，实现电感电流补偿，使残流小于设定值5A。
④ MOA 内附过电压保护器，其并接于中性点与地之间，对与中性点有关的内部过电压均能起到有效的抑制作用。
⑤ YHo 外附PT，为采集、测量数据提供保障。
⑥ 电流CT，为高精度电流测量提供保障。
⑦ PC104微机控制器
微机控制器安装于消弧线圈成套柜的面板上，其功能为：
a. 显示功能:U0和I0幅值及相位、电容电流、残流、调档方式、调节档位、报警
信息等；
b. 报警功能：单相接地、位移电压过限、调档失败、档位到头、容量不适、装
置异常等报警；自动、手动切换；
c. 闭锁功能：设置档位到头、单相接地、失电闭锁，手动、自动之间互锁。
自动跟踪补偿装置的特点如下：
① 微机控制器能实时监测电网电容电流的大小，按设定的残流值，自动调节消弧
线圈的分接头，使其一直处于最佳位置。
② 正常运行时，消弧线圈已预调至系统所需补偿的电流档位。一旦系统接地，装置能实现0秒输出，及时补偿电容电流，真正实现零响应。并通过通讯接口，实现远程通讯。
2.2 WNXⅢ-10/D微电脑多功能消谐装置
微机消谐装置又称二次消谐器，安装在TV的开口三角输出口处。正常运行或者发生单相接地故障时装置不动作，而一旦判断电网发生铁磁谐振时，便会使正反并联在开口三角两端的2只晶闸管交替过零触发导通以限制和阻尼铁磁谐振。当谐振消除后晶闸管自行截止，必要时可以重复动作。装置起动消谐期间，晶闸管全导通，呈低阻态，相当于系统中性点临时接地，消除了TV饱和谐振的条件。
本装置由二个CPU组成：一个CPU 为89C55，负责检测开口三角形电压的频率和幅值。当开口三角形电压的频率与幅值符合谐振判据标准时，装置进入消谐程序，发出触发脉冲，触发可控硅导通，将阻尼电阻接入开口三角形，达到消除电网中的高频，基频、和各种分频铁磁谐振的目的。另一个CPU 是80C196，负责记录、显示谐振和接地时的各种资料。有谐振、接地、故障信号输出接点，记录接地数据、开口三角形电压、接地开始时间和接地结束时间等。
设有低电压闭锁电路、具有多次重复消谐功能，重复消谐时阻尼消谐时间为4S。
具有多次重复消谐功能，能显示高频，基频、和分频的动作情况。如附表：
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在电网无铁磁谐振时晶闸管呈高阻状态，该装置不会启动。因此，本装置不会受各种非铁磁谐振过电压，电网操作过电压，雷电过电压及各次谐波过电压的影响。
此D系列消谐装置还能将记录数据输入到微机，并可进行自动存盘、打印。
2.3 LXQ-F电压限制及短路报警器
该装置由主件消谐电阻器和附件电压限制及短路报警器两部分组成。
2.3.1 LXQⅢ-6消谐电阻器
为了防止铁磁谐振，中性点不接地电网中的电压互感器PT一次绕组中性点，采用经消谐电阻接地。
电网正常运行时，消谐电阻上电压小于0.5kV，R0呈高电阻值（可达几百千欧），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，消谐电阻上电压较高，约达1.7～1.8 kV，R0呈低阻值（几十千欧），仍可阻尼谐振。当电网发生弧光接地时，R0仍可保持一定的阻值，限制了电压互感器涌流。
实践证明，消谐电阻器能够有效防止PT铁磁谐振并能抑制接地故障消失时产生的涌流，防止PT高压熔丝熔断。
2.3.2 电压限制器
由于PT的励磁电流中含有大量的三次谐波电流及不平衡基波电流，在消谐电阻上的电压降变换到开口三角两端，会使开口三角两端电压升高。安装在PT绕组开口三角两端的附件电压限制器，能够消除因上述原因造成的电压升高。可将开三角两端的附加电压降低到原有值的十分之一以下。
此外，在改进的LⅢ型消谐器附件中增加了开口三角“短路报警器”功能，可以预防开口三角两端因短路导致三相PT烧毁事故的发生。
电压限制及短路报警器中还有一个限压测试按键，可以检查PT中性点的消谐电阻器是否被短路。
电压限制器主要电气参数如下：
电网正常运行时附件的输入阻抗为10～20Ω；
电网单相接地时附件输入阻抗大于5kΩ；
输入电压小于0.3V时附件发出短路报警的声、光讯号；
输入电压大于80V时,激发谐振动作计数器动作；
显示开三角电压的数字表显示电压0~199.9V。
优点：当电网正常运行时，能限制消谐电阻产生的附加电压，并对电压互感器PT开口三角短路的错误接线，可发出报警讯号。
局限性：电压互感器PT一次绕组线中性点串消谐电阻接地，当消谐电阻阻值选取过小时，易造成击穿或爆裂。
3 微机消谐装置系统运行与显示
电力系统接地故障的出现，直接威胁到生产装置的安全生产。变电站值班人员应迅速凭借微机消谐装置及各馈出线综保装置的信号显示与灯光指示，确定故障线路，及时排除故障，恢复正常供电。
3.1 接地故障现象与判断
110kV总变电站一次主接线示意图如图4所示：
图4 总变电站一次主接线示意图
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仅以发生在2011年8月14日的一次接地故障为例。当突然发生系统出现单相接地时，变电站内预告警铃报响，多个信号指示灯亮，值班人员通过查看6kV II段各馈线
柜综合保护器零序电流Io值，发现储运2#线的3Io值比其他馈线回路的3Io值增大很多，于是初步判断储运2#馈出线或所带负荷发生接地故障。
各消谐装置仪表指示、信号灯及警铃报警如下：
① 微机绝缘监视装置显示： Ua：93.673V；Ub：13.93V；Uc：95.234V；Uo：94.46V， 即B相电压降低，零序电压升高。
同时，2#PT 625柜相电压表指示：Ub接近0V，Uc、Ua接近6.3 kV。
依据当6kV中性点不接地系统，发生非金属性单相接地时，所出现的B相相电压降低、A与C两相相电压升高的现象，说明B相存在有单相接地故障。
② 储运2#线626开关柜综保装置内的3Io由0A增大到13A。6KVⅡ段各馈出柜的综保装置内的Uo值增高。说明2#线626储运馈出线回路存在有单相接地故障。
③ 自动跟踪消弧线圈成套装置: 2#消弧线圈一次接地指示灯亮、控制器接地指示灯亮、控制器信息显示接地报警、单相接地指示框变黄，Uo=788V、Io=4.7A、IL=31.0A、Ic=24.98A，说明2#消弧线圈已进入消谐补偿状态。
④ 电压限制及短路报警器中开口角电压升高120V。表明消谐电阻器已进入运行状态。
⑤ 微电脑多功能消谐装置：2#PT 625柜微机消谐装置开口电压显示65V，接地指示灯亮。
⑥ 微机监控装置和调度机报警：显示1#主变监控故障录波预告信号动作，6 kVⅡ段华光消谐装置接地状态预告信号动作、2#消弧线圈接地报警预告信号动作。
所有消谐装置的启动及微机绝缘监视装置显示，均判断为储运2# 626线 B相发生接地故障。进一步通过拉路检查，发现其 II段的6206两站一库馈电线路出现突发接地故障。
3.2 对今后工作的启示
作为总变电站值班人员，当发生接地故障后，应根据光字牌指示报警、消弧线圈成套装置显示、PT柜表计及消谐装置动作信息，迅速判断接地所在主变系统，最快检查6kV配电间至各分变电所的馈出回路综保装置动作情况，查看其3Io电流，根据3Io电流大小，判断出现接地故障的配出回路。还可以根据微机绝缘监视装置显示的Ua、Ub及Uc三相电压情况，判断出究竟哪一相接地。
然后联系分变电所对有接地故障的线路实行拉闸断电。但应切记：要尽量少用人为拉路的方式选择接地线路。以防止引起消弧线圈的线性谐振、防止反复对TV冲击而会增加发生铁磁谐振的几率。
系统中性点接消弧线圈固然是抑制TV铁磁谐振最好方案，但由于其启动控制回路应用较多电磁式常规继电器，这样给消弧线圈动作和恢复带来时间延缓和不可靠性。尤其是系统一旦产生弧光接地谐振或铁磁谐振，并且在其消失的一瞬间，因系统电压尚未完全稳定、或因电磁式继电器个别触点粘连而使其动作迟缓，则不能及时恢复消弧线圈正常运行。因此，建议2016年设备大检修期间，将现在的油浸式消弧线圈更换为带小电流选线功能的自动跟踪干式消弧线圈成套装置，从而更能够快速无误地找出有接地故障的线路，同时也减少了充油设备的维护量。
由于电力电缆绝缘的固有缺陷，使其在运行中容易发生单相接地故障。如果不能及时、尽快找出接地故障点，使接地时间延长，既加重了电缆绝缘承受过电压的负担，又增加了发展成相间短路、造成事故跳闸的可能，会给生产带来重大损失。所以，配电系统接地时，各种微电脑消谐装置工作后持续时间，不得超过规程规定的允许时间2小时。
这应看做是对我们运行值班人员处理电气设备接地故障时限的最低要求。
4. 结束语
在6KV配电系统设置自动跟踪消弧线圈成套装置、多功能消谐装置和以消谐电阻为主件的电压限制及短路报警器的微电脑综合消谐装置，当设备发生单相接地时，其消谐功能可使PT铁芯磁通不致饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低了电压互感器一次侧电流，其消谐作用尤为突出。配合微机绝缘监视装置相电压和零序电流的显示，为我们分析、判断单相接地故障提供了可靠依据。为6KV配电系统接地故障能迅速、及时处理提供了保障。
近年来,在各级领导的重视及电气职工的努力下，制定对发生6kV系统单相接地故障源头的电缆绝缘老化及生产管理上的应对措施，大大减少了6kV系统单相接地故障的发生。随着电气控制技术微机化的不断发展和电气管理的不断完善，6kV系统单相接地故障几率一定会得到更大改善。
让我们加强电气技术培训、刻苦学习、不断掌握新的科学知识，努力提高在突发电气事故情况下我们自身的应变反应能力。在电气设备运行工作中，为保证天津石化生产装置的可靠供电和连续化生产做出更大贡献。
在此，对不辞辛劳的指导老师以及培教中心的专家们表示衷心感谢！
参考文献：
⑴ 谢广润. 电力系统过电压[M]. 水利电力出版社.1985.
⑵ 康栋才. 中性点不接地电力系统中消谐器及其应用注意事项. 电世界. 1997.
⑶ 刘介才. 工厂供电. 机械工业出版社. 2006年1月. 第4版.