消弧消諧裝置改造

李曉寧，孫全成

（河南神馬氯堿發展有限責任公司，河南 平頂山467242）

1 供電系統分析

神馬氯堿發展有限責任公司已建成專用110 kV變電站1 座。 外部主供電電源分別來自賈莊220 kV變電站和遵化220 kV 變電站，雙回路供電，供電可靠性較高， 系統為中性點采用不接地和直接接地相結合系統（大接地電流系統）。

35 kV 部分主要供給整流變壓器， 電解整流變壓器帶大容量可控硅整流設備， 運行中將產生大量高次諧波注入電力系統。

1.1 賈莊變系統

（1）注入系統的諧波電流情況見表1 和表2。

表1 神馬氯堿注入220 kV賈莊變系統諧波電流允許值 A

表2 神馬氯堿注入220 kV賈莊變系統諧波電流值（110 kV側） A

神馬氯堿整流負荷投運后，電壓畸變率見表3。

表3 母線電壓總畸變率 %

根據河南電力試驗研究院提供數據表明， 神馬氯堿整流變注入賈莊變特征諧波電流值不超標，110 kV 母線諧波電壓總畸變率超標。

1.2 遵化變系統

注入系統的諧波電流及電壓畸變率見表4 和表5。

表4 神馬氯堿注入220 kV遵化變系統諧波電流值（110 kV側） A

表5 神馬氯堿整流負荷投運后，母線電壓總畸變率 %

根據河南電力試驗研究院提供數據表明： 正常運行時， 神馬氯堿整流變注入遵化變特征諧波電流值不超標，母線諧波電壓總畸變率不超標；當1 臺停運時，11 次、23 次、25 次諧波電流理論值均超標；110 kV 母線諧波電壓總畸變率超標。

其系統作為一個獨立系統， 運行方式為中性點非接地方式（小接地電流系統或不接地系統）。

10 kV 部分是廠區動力部分的主供電系統，也構成了整個廠區的一個相對獨立的10 kV 系統，并帶有二級10 kV 開關站。 其系統為中性點不接地系統，無中性點存在。但整個供電網絡采用電纜進出線方式，在供電網絡中形成了較大的對地電容電流，影響系統的安全運行。

2 10 kV 系統運行分析

該公司10 kV 供電系統為中性點不接地系統，正常運行三相電壓平衡， 相電壓相等， 中性點為懸浮， 一旦發生故障， 其中性點即發生漂移造成過電壓。當單相接地故障發生時，一般只要求保護裝置有選擇地報信號，不跳閘。

2.1 中性點非直接接地電網系統中單相接地故障的特點

正常運行情況下，三相對地有相同的對地電容，在相電壓作用下， 每相都有1 個對地電容電流流入地中，三相電流之和等于零，故障相電壓為零， 非故障相對地電壓升高為原來的3 倍， 故障點的零序電壓與相電壓相等。

2.2 多條線路供電網絡

多條線路供電網絡類似于簡單網絡，COΣ—為全系統每一相對地電容總和。單項接地時，全系統都將出現零序電壓， 而短路點的零序電壓數值上為相電壓。在非故障元件上有零序電流，其數值等于本身的對地電容電流， 電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路。在故障元件上，零序電流為全系統非故障元件對地電容電流之和， 電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。

2.3 單相接地電容電流

電網中的單相接地電容電流由電力線路和電力設備（同步發電機、大容量同步電動機、變壓器等）兩部分組成，電力設備的電容電流忽略不計。 10 kV 電纜線路的單相接地電容電流與所用電纜截面、 運行電壓、電纜長度有關，在無法全面統計情況下，采用工程估算法：IC=0.1Uel。

該公司廠區內10 kV 電纜線路統計長度正常運行方式下為2.45 km，大運行方式下為9.05 km。

單相接地電容電流IC小=2.45 A；IC大=9.05 A。

根據 “電力系統中性點運行方式的應用范圍：6～10 kV 系統當其單相接地電容電流大于30 A 時，則應采取中性點經消弧線圈接地的運行方式。”廠區供電網絡單相接地電容電流值未達到規定值。

3 10 kV 系統中的PT 消弧柜運行分析

該公司10 kV 系統中應用的PT 消弧柜是安徽凱立科技集團股份有限公司生產的設備， 接線形式見圖1。

圖1 PT消弧柜接線形式

當系統發生單相接地故障時， 可在30 ms 左右將故障相直接接地。部件組成為，三相組合式過電壓保護器TBP、 可分相控制的高壓真空快速接觸器JZ、控制器ZK、高壓限流熔斷其組件FUR、帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT。

工作原理是， 在系統正常運行時，PT 開口三角電壓UΔ很小（主要不平衡電壓）， 控制器面板顯示“投運”，當UΔ低電壓變成高電平時，微機控制器ZK立即啟動，通過對PT 二次輸出信號的判斷，發出高壓真空快速接觸器JZ 合閘命令，將系統中心點直接接地。

但在30 ms 時間內，瞬時故障可以躲過，但其他超過30 ms 時，無法躲過，保護動作將系統故障相直接金屬性接地，構成大的接地電流，使故障點由于非金屬直接接地，減少了接地點的接地電流，達到一定的消弧效果， 但也承擔了總的單相接地電容電流和故障點并聯造成的電容電流增大，過電壓依然存在。所以，故障動作后的消弧消諧裝置在故障消除后，無法自動返回， 只有斷開高壓真空快速接觸器JZ，或拉開PT 消弧柜，重新投入才能消除瞬時故障。

該公司采用專用不飽和電壓互感器， 從理論上可以消除磁飽和引起的鐵磁諧振， 但實際上線性長度無明確數值，無法比較。三相組合式過電壓保護器在平頂山供電公司10 kV 供電系統中由于系統波動、過電壓、單相接地等故障原因多次燒毀，已經要求全部拆除，加間隙的ZnO 非線性閥片的性能有待考驗。

該公司全廠10 kV 供電系統3 處裝設PT 消弧柜，已形成一處故障多處動作，破壞了總體系統設計預定計算值，使電容、電感參數多項組合，易引起諧振過電壓。

4 10 kV 電纜系統故障分析

2006 年10 月18 日，該公司10 kV 供電系統母線PT 消弧柜內控制器顯示B 相弧光接地，B 相接觸器動作，零序電壓達到92 V 左右，B 相相電壓降到1 000 V 左右，A、C 相相電壓升到9～10 kV， 線電壓顯示正常， 造成動力1-2# 配電變壓器保護零序過壓動作跳閘，化工生產線全線停車。在檢查處理過程中，10 kV 出線負荷輪流切換，B 相弧光接地信號無法復歸。 在切除全部負荷后，B 相弧光接地信號能夠復歸，相電壓顯示正常，但10 kV PT 消弧柜內控制器死機，停控制器二次電源后，合閘，控制器顯示正常，隨后，送上全部10 kV 出線負荷，無異常現象，三相相電壓正常，零序電壓降到零左右。

10 kV 電纜系統圖見圖2。

圖2 10 kV電纜系統圖

從10 kV 系統故障形成過程看， 系統故障不是B 相弧光直接接地故障所形成， 而是系統操作、波動、或瞬間故障所造成。

（1）系統操作。大型電機在投、切操作過程中，造成系統電壓降低，波動、三相不平衡及真空開關動作的截波，都可能引起消弧柜內的控制器誤動，因為這些情況都能引起過電壓， 消弧柜內消弧裝置超過電壓啟動值，延時30 ms 的定值時就要動作，將單相過電壓相直接接地。

瞬間故障： 先是10 kV 系統發生了一次瞬時接地故障，系統電壓發生較大波動，3 臺消弧柜內裝置同時動作，因過電壓，故障相直接接地，當瞬時接地消失后，故障相卻因直接接地過壓而無法返回。

總之，不管何種原因引起消弧裝置動作，3 臺消弧裝置將造成10 kV 系統3 個消弧裝置安裝地點直接接地，組成新的系統參數，在組合過程中，系統動態平衡被破壞， 使得3 臺消弧柜中的3 組PT 相互并聯，導致電抗值下降，容抗值激變，形成系統發生鐵磁諧振條件。 后臺機上反映的三相電壓為兩相高一相低，屬此現象。

由于系統諧振，停單一回路，很難改變系統參數環境，不能消除諧振，當出線全停時，PT 諧振條件被破壞，諧振停止后，才能使消弧柜內的控制器恢復工作， 但3 個直接接地真空接觸器必須同時手動解除或分別解除自動裝置，才能恢復正常。

母線消弧柜內使用的PT 的勵磁特性性能不好，容易發生磁飽和，也加速鐵磁諧振條件成立。

據廠家分析，用一次消諧器或加裝零序PT 的目的，僅僅是抬高了運行PT 的中性點電位，變相提高了PT 的伏安特性，但在運行中已有多次燒PT 的現象發生， 包括零序PT 在發生單相接地時仍然燒毀屬正常現象。母線消弧裝置動作后，將故障相直接接地，故障點與消弧裝置的動作接地形成了相應的大電流接地形式，過電壓，大電流加速了PT 的燒毀現象的發生，包括零序PT，在發生單相接地時仍然會燒毀。

5 改造后的優越性

（1）根據對全廠單相接地電容電流的計算，在最大運行方式下， 即1 臺主變壓器帶全廠10 kV 系統時，單相接地電容電流為9.05 A，遠低于規定安裝消弧線圈的單相接地電容電流30 A，可以免安裝消弧線圈，當“20 萬t項目”另一臺主變投運后，可確定1個獨立10 kV 系統只保留1 套消弧消諧裝置，達到安全生產需求。

（2）安裝消弧柜。 目前，全廠在10 kV 供電系統中3 處安裝，對系統的安全運行沒有起到好的作用，根據發生的故障情況， 未發現實質性的單相接地故障，由于系統波動即出現諧振等，實屬10 kV 系統總體設計未做，分塊組合形成缺陷。 根據與“20 萬t項目”設計單位研討，確定一個獨立10 kV 系統，只保留1 套裝置，在大方式運行時，原投入運行的退出1 套，保留只用于報警，監視運行，取消20 萬t 8 臺消弧消諧裝置，減少設備采購資金八十余萬元。

（3） 消弧柜內采用廠家配套的防磁飽和式電壓互感器，勵磁特性較好，可以減少造成參數匹配而出現的諧振，并完善了其功能，大大減少了電氣運行事故的發生。

（4）經過改造后，至今未出現因為諧波而產生的電氣停車事故。

（5）考慮到消弧裝置發生單相接地故障時，減少故障點的電容電流，起到了滅弧作用，采用的方法是將故障相直接接地， 產生的過電壓要維持到故障消除后，必須手動復歸（對單臺而言，多臺安裝手動無法復歸）。 改造后，采用與保護配套的選線報警或延時跳閘裝置，便于迅速確定故障相，及時處理，保障生產的連續運行，安全效益良好。