諧振對消弧線圈的影響分析

周志萍

（通化巨源集團有限公司生產部，吉林通化 134003）

1 引言

早期我國10k V配電網普遍采用中性點不直接接地方式，隨著配電網電纜線路日益增加，系統對地電容電流越來越大，單相接地電弧及弧光接地過電壓嚴重威脅系統的安全運行。消弧線圈的問世在技術上是一大進步，可將工頻電容電流補償至最小值，以此降低工頻電弧重燃過電壓幅值和概率。與中性點不接地方式比較，供電可靠性有較大幅度提高。

如今，隨著國內工業規模的不斷擴大和工業技術的不斷發展，尤其是電力電子技術的發展如中頻爐、變頻器等非線性負荷不可避免地產生非正弦波形，向電網注入諧波，并由此產生斷斷續續、沒有規律的諧振過電壓現象。使得消弧線圈接地保護作用受到影響，系統內不斷發生的絕緣擊穿等損壞設備事故呈現在我們面前。長期的運行實踐證明電網中性點接地方式不同，安全運行效果亦不同。因此，如何改進中性點接地方式，降低系統事故是重要課題。現就諧振影響消弧線圈保護效果和作用問題進行分析，以求對企業供電系統的安全運行有所幫助。

2 諧振過電壓的成因及特點

當系統進行操作或發生故障時，系統中的電感、電容元件可形成多種頻率的振蕩回路。當外加的強迫振蕩頻率等于振蕩系統中的某一自由振蕩頻率時，就會出現周期性的或準周期性的諧振現象，此時發生諧振的那個諧波電壓的幅值和諧波電流的幅值將急劇上升。

諧振是一種穩態性質的現象，雖然在某種情況下，諧振現象不能自保持，在發生后經一段短促的時間，會自動消失，但也可穩定存在，直到破壞諧振條件為止。因此諧振過電壓的危害性既決定于其幅值的大小，也決定于持續時間的長短。當系統產生諧振時，可能因持續的過電壓而危及電氣設備的絕緣，還會影響保護裝置的工作條件。

運行經驗表明，諧振過電壓可在各種電壓等級的電網中產生。在35k V及以下的電網中，由諧振造成的事故較多，需要特別重視，在電網設計時及進行操作前，要作一些估計和安排，盡量避免諧振的發生或縮短諧振存在的時間。

電力系統中的有功負荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素，所以通常只有在空載或輕載的情況下才會發生諧振。但對零序回路參數配合不當而形成的諧振，系統的正序有功負荷是不起作用的。

電力系統中的電容和電阻元件，一般可以認為是線性參數。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)和系統中的電容元件所組成。在正弦電源作用下，當系統自振頻率與電源頻率相等或接近時，產生線性諧振。

（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，會產生鐵磁諧振。

（3）參數諧振

諧振回路由電感參數作周期性變化的電感元件（如凸極發電機的同步電抗在Xd～Xq間周期變化）和系統電容元件（如空載線路）組成。當參數配合恰當時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統輸送電量，將會造成參數諧振。

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償容性電流至最小值，防止工頻電弧重燃過電壓。實際運行中將消弧線圈整定在過補償狀態，其過補程度的大小取決于電網正常穩態運行時不使中性點位移電壓超過相電壓15%，之所以采用過補償是為了避免電網切除部分線路時發生危險的串聯諧振過電壓。因為如整定在欠補償狀態，切除線路將造成電容電流減少，可能出現全補償或接近全補償的情況。

電網安裝消弧線圈的目的是補償系統對地工頻電容電流至最小值，使其不發生工頻電弧重燃過電壓，但隨著電氣新技術的發展及電氣新設備的使用，電感電容元件不斷增加，電網系統中的諧振回路也不斷增多，從而使得消弧線圈接地系統的弊端也不斷顯現出來。實際運行中具體存在的問題如下：

（1）單相接地故障時，非故障相對地電壓升高到三相電壓以上，持續時間長、波及全系統設備，易引起第二點絕緣擊穿。

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

（3）在運行中，消弧線圈各分接頭的標稱電流和實際電流會出現較大誤差，運行中就發生過由于實際電流與銘牌電流誤差較大而導致諧振的現象。

（4）由于系統的運行方式及系統電壓經常變化，尤其是冶金系統的頻繁操作使系統的電容電流經常變化，跟蹤補償滯后，如斷線諧振一旦發生超過200H z振蕩頻率時，自控系統包括消弧線圈本身的調控系統易失控。

（5）不利于接地事故選線。

（6）中性點位移電壓高，這是限于補償原理自身的缺陷，盡管國標技術規范對消弧線圈調諧度提出限制條件，但實際運行中，仍經常發生位移電壓偏高等問題。

4 諧振對消弧線圈的影響

現在我們已經對諧振現象和消弧線圈的工作方式有了一定的了解，接下來我們將討論一下諧振對消弧線圈的影響，說起影響的根源，首先我們要分析一下系統中性點電壓的產生。以10k V消弧線圈接地系統為例，當系統中發生串聯諧振時，因流過消弧線圈的電流很大，中性點電壓升高。所以，通常也用中性點電壓的大小來判斷是否發生諧振。

當忽略消弧線圈的阻性分量和系統對地導納的情況下，可以作出系統接線圖，如圖1。

列出中性點O的電流方程：

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

圖1 消弧線圈接地系統原理圖

首先是正常狀態下，系統三相完全平衡時，系統三相對地電容處于完全平衡狀態，即Ca＝Cb＝Cc。

將此條件代入式（1），解得：U0＝0。

這表明，當系統三相完全平衡時，不論消弧線圈感抗及阻尼電阻如何變化，中性點電壓均為零。從而證明了中性點存在電壓的根源在于系統本身存在不平衡。但經驗表明，正常運行的網絡受到電網設備參數和用戶設備不平衡的影響，總存在一個很小的不平衡度，其范圍大約在0.002～0.04之間，發生缺相故障時更大。

對于中性點不接地系統而言，即系統消弧線圈回路斷開。

此時L＝∞

將此條件代入式（1），解得：U0=-KCUA

式中，Uφ——相電壓的大小。

此時，中性點電壓按照相電壓的一定比例呈現，這個比值就是系統不平衡度。

對中性點經消弧線圈接地系統而言，實際上，當自動調諧消弧線圈投入運行后，控制器就自動經常計算系統電容電流，并調節消弧線圈檔位，使其電感電流與電容電流最接近。我們計算時可假設其相等。

但實際運行當中，有時系統會出現頻繁的波動，此時不會發生接地現象，即沒有接地時的阻尼電阻，但消弧線圈會正常動作，進行調諧、補償等工作。

式（4）表明，如果系統未發生接地而消弧線圈正常動作，中性點電壓降趨于無窮大，電網發生諧振。

綜上所述，消弧線圈系統針對諧振問題無法得到有效地解決，并可能隨時將系統操作過電壓轉化為諧振過電壓，從而提高諧振發生幾率及蔓延速度，危害電網供電及設備絕緣。要想從根本上解決系統諧振問題，必須減小系統不平衡度并增大系統接地時的阻尼電阻，建議改用中性點電阻接地方式。以此提高系統運行及供電可靠性。

5 結論

（1）消弧線圈正常工作時，當系統電壓波動而沒有發生接地時，中性點電壓會被其放大，進而導致電壓升高，發生諧振。

（2）發生諧振時，消弧線圈接地本身的工作原理無法對其進行有效的抑制，當諧振嚴重時，系統電壓會無限增大，影響消弧線圈的運行效果，危及設備絕緣,進而影響系統安全。

（3）改用中性點電阻接地方式，增大阻尼電阻，抑制諧振過電壓，降低中性點位移電壓。中性點電阻值選擇適當時，可消除諧振過電壓。

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

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