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作者：中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处 高磊
摘要：本文主要介绍了变配电所母线电压互感器加装消谐装置的原理，特别针对不接地系统中电压互感器铁芯饱和引起的工频位移过电压和铁磁谐振过电压，分析讨论在实际应用中采用一次和二次消谐器进行消谐的优越性和局限性，提出利用消弧、消谐、选线及过电压综合保护的优势。
关键词：中性点不接地系统 消弧线圈 铁磁谐振过电压 间歇性弧光接地过电压
引言
我国35 kV以下系统大多数采用电源中性点不接地运行方式。这种接地方式发生单相接地时，如C相单相接地，那么完好的A、B两相对地电压都由原来的相电压升高到线电压，即升高为原对地电压的√3倍，C相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。当发生一相接地时，因为线路的线电压无论相位和量值均未发生变化，允许短时间带故障运行。但随着城乡电网的扩大和电缆出线的增多，单相接地电容电流也将进一步增加，当电网对地电容电流达到一定值时，单相接地后故障点的电弧就不能够自熄，从而产生间隙性弧光接地过电压，损坏线路设备。
在电网中性点不接地系统中其母线上电磁式压互一次绕组成为中性点不接地电网
对地的唯一金属通道，电网相对地电容的充、放电途径必然通过压互一次绕组。当系统发生单相接地时，故障点会流过电容电流，未接地相(A、B)的电压升高到线电压，其对地电容上充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间，此电荷产生的电容电流，以接地点为通路，在电源-导线-大地间流通。由于压互的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小。一旦接地故障消失，这时电流通路被切断，而非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水平。但是由于接地故障已断开，非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，就只有通过压互高压绕组，经其原来接地的中性点进入大地，压互一次绕组中会出现数安培幅值的涌流，将压互高压熔丝熔断。在这一瞬变过程中，压互高压绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，使压互铁芯严重饱和，饱和后的电压互感器励磁电感变小，系统网络对地阻抗趋于感性，此时若系统网络的对地电感与对地电容相匹配，就形成三相或单相共振回路（见图1），可激发各种铁磁谐振过电压。另外电网中的单相弧光接地，由于雷击或其他原因线路瞬时接地，使健全相电压突然上升，产生很大的涌流，也会使压互烧毁。
在实际运行参数下，系统的谐振频率列中，主要是1／2次分频及基波谐振。必然或可能发生、不可能发生谐振的区域，如图2所示。
图2谐振发生概率分布图
(b)随着R0的增大，谐振范围减少，当R0大于某一临界值之后，谐振范围消失，即不发生谐振。当R0≥0.056ωL时可消除一切基波和分频谐波。
根据以上分析，可以采取适当的措施消除谐振，限制这种过电压，可采用的措施是多种多样的，较普遍的是采用在压互二次侧开口三角形绕组两端接消谐器和在压互一次侧中性点对地接消谐电阻的等方法，下面就这些消谐方法做一比较，以便因地制宜，合理选用。
1在压互一次绕阻中性点与地之间加装非线性电阻（一次消谐器）
在压互高压绕组中性点接入一个足够大的接地电阻（见图3），起阻尼与限流的作用，在单相故障消失时，低频饱和各电流经过电阻Ro后进入大地，由于大部分压降加在电阻上，从而大大抑制了低频饱和电流，使压互高压熔丝不易熔断；同时由于在零序电压回路串联的这个电阻Ro，使压互饱和过电压的大部分电压降落在电阻Ro上，从而避免了铁芯饱和，限制了压互饱和过电压的发生。
图3
其局限性是由于电网的复杂性，各配网电容电流大小、线路故障性质、压互伏安特性以及消谐器的运行环境等情况有所不同，一次消谐器自身的热容量有限，难以保证在压互中性点装设消谐器后设备万无一失，尤其是当间歇电弧接地持续时间较长时，个别消谐电阻将因过热而损坏，从而引起高压熔丝熔断，甚至压互烧损，相对较大的一次消谐阻尼器在持续时间较长的间歇电弧接地过电压激发下，仍可损坏装置；Ro的数值若选用太小，相当于没有增加零序电阻，限制压互饱和过电压的作用不大，从阻尼的角度来看电阻值愈大愈好，若Ro→∞，即压互高压侧绕组中性点变为绝缘了，压互的电感量不参与零序回路，也就不存在压互饱和过电压，但Ro太大，当网络出现单相接地时，大部分零序电压降在Ro上，会使开口三角形电压太低(电网对地电压在压互励磁电感Lp与Ro间分压)，压互零序电压U0的测量值有误差，影响接地指示灵敏度和保护装置正常动作，因此不适宜使用在对零序电压幅值和角度精度要求较高的场合（如微机接地选线装置）。而且一次消谐器只能限制本压互不发生谐振，对电网中的其他压互无效，当发生单相接地故障时，且系统中有多台高压侧中性点接地的压互同时运行，则必须每台压互均在中性点安装消谐电阻器方有效。
2在压互柜的互感器二次侧加装二次消谐器（阻尼电阻）
在压互二次侧开口三角形绕组两端接入阻尼电阻Ro，相当于在压互高压侧Yo结线绕组上并联一个电阻，而这一电阻只有在电网有零序电压时才出现，正常运行时，零序电压绕组所接的Ro不会消耗能量。Ro值越小，在压互励磁电感L上并联电阻就越小，当Ro小于一定值时，网络三相对地参数基本上由等值电阻决定，这时由压互饱和而引起电感的减小不会明显引起电源中性点位移电压。当Ro→0，即将开口三角形绕组短接，则压互三相电感值就变成漏感，三相相等，压互饱和过电压也就不存在了。
其局限性是当电网内发生单相接地时，压互开口三角形绕组两端会出现100V的工频零序电压，这样阻尼电阻的容量就要求足够大，当阻尼电阻太小，一方面电阻本身可能因过热而烧坏，另一方面，压互也可能因电流过大而烧损。当涌流发生时，它会将二次开口三角短路，这反而会增大涌流幅值。
3加装微机消谐装置
在压互二次开口三角绕组加装微机消谐装置，当判断为存在工频位移过电压或铁磁谐振过电压后，单片机就进行消谐程序，发出高频脉冲群，使反并在开口三角形绕组两端的两只晶闸管交替过零触发导通，将开口三角形绕组短接(若系统发生单相接地，则不起动消谐装置)，使压互饱和过电压迅速消除。由于短接时间极短，故不会给压互带来负担。
其局限性是在中性点不接地电网中，电磁式压互高压熔丝熔断，并不一定都是由于压互饱和过电压引起的。当电网对地电容较大，而电网间歇接地或接地消失时形成的低频饱和电流在单相接地消失后1/4～1/2工频周期内出现，电流幅值可远大于分频谐振电流(分频谐振电流约为额定励磁电流的百倍以上)。由于低频饱和电流具有幅值高、作用时间短的特点，在单相接地消失后的半个周波即可熔断熔丝，加装微机消谐装置无法抑制低频饱和电流，适用于电网较小、对地电容不大的场合；微机消谐装置还难以正确区分基波谐振和单相接地。目前，对基波谐振和单相接地故障判据的主要区别在于零序电压U0的高低。通常，当U0≥150V时定为基频谐振；当30 V≤U0＜145V时定为单相接地故障。为了防止在单相接地时由于装置误动使压互长时间过负荷而烧毁的情况发生，通常微机消谐装置基频谐振的判据电压定得比较高。这样，在工频位移电压不是很高的情况下（如空母线合闸）装置将无法动作，就可能使某些励磁特性欠佳、铁心易饱和压互的熔丝熔断。此外，在持续时间较长的间歇电弧过电压激发下，流过压互高压绕组的电流将显著增大，仍可能会烧坏压互。
4在压互中性点串接一只额定电压为线电压的单相压互
在压互中性点串接一只额定电压为线电压的单相压互（见图4），即零序电压互感器，各电压互感器的一次绕组接成星形，主电压互感器的二次绕组其中一组给测量保护用，另一组接成闭口三角的方式，不带任何负载，只起消谐作用，零序电压互感器的二次绕组当发生单相接地时作为告警之用。通过同时采用中性点串电阻（即零序电压互感器的等效电阻R0，随着R0的增大，谐振范围减少，当R0大于某一临界值之后，谐振范围消失，即不发生谐振）和闭口三角绕组接线方法（使开口三角接线阻尼电阻值达到最小值），使它们之间相互配合、相互作用，加强消谐作用。
图4
其局限性是压互柜PT手车较小，装四个压互有困难；谐振是一种LC振荡，中性点串接单相压互还是可以简化成LC回路，其主要作用来自振荡点的偏移，并未改变振荡的性质，理论上还存在谐振的可能；二次接线繁琐，容易接错；由于零序感抗的影响，对测量可能造成误差；R0的阻值和容量的确定与系统的参数有关，计算复杂，为发挥强有力的阻尼作用必须选用高阻值的专用零序互感器。
5 消弧、消谐选线及过电压保护的综合应用
综上所述，各种消谐装置的消谐效果各有利弊，要对配电系统采取消谐措施时，除了选用励磁特性良好、铁心不易饱和的电磁式电压互感器，要根据电网的具体情况而定，可将一次消谐装置与二次消谐装置二者相互配合使用，进行优势互补，保证压互自身不参与谐振，在同一配电网中，在尽可能采用一次消谐和二次消谐措施的同时，为确保设备安全，还应采取限制间歇性弧光接地过电压的措施。采用消弧消谐选线及过电压综合保护，限制电网中的各类过电压（弧光接地过电压、谐振过电压、操作过电压）并准确选出系统的接地线路，对加强电力系统的运行维护管理，保障电网的安全、稳定和可靠运行将具有相当积极的作用。
参考文献：
1《电力设备异常运行及事故处理》陈化钢 中国水利水电出版社.
2《系统过电压》解广润 水利电力出版社
3《高电压技术》重庆大学、南京工学院合编 电力工业出版社