來機(jī)電雜談專欄，跟機(jī)電老賀一起，暢聊機(jī)電，提升技術(shù)

什么是消弧消諧？

在中性點不接地系統(tǒng)中，當(dāng)零序電容過大時（主要由線路和電纜的對地電容形成）使單相接地電流增加，當(dāng)對地發(fā)生間歇性故障時，不容易息弧，造成弧光接地，引起過電壓，危及系統(tǒng)的安全，同時也使人體觸電傷亡的幾率增高。因此一般當(dāng)接地電流超過10A時就需要裝設(shè)消弧線圈，以補償接地電流。

當(dāng)不接地系統(tǒng)中相對地之間存在非線性感性負(fù)載時（如電壓互感器），系統(tǒng)的擾動極可能引發(fā)零序電容與感抗的諧振，隨著諧振電壓的提高，非線性感抗會減小，并使振蕩加劇，最后維持在一個叫高的電壓水平下，引起很高的對地過電壓，這個諧振也叫鐵磁諧振。這個諧振可以在電壓互感器的二次側(cè)安裝消諧設(shè)備來消除或減弱。下面我們來看看電力系統(tǒng)中常見的幾種消諧方案。

（1）微機(jī)消諧裝置

微機(jī)消諧裝置也稱二次消諧器，被安裝在電壓互感器(PT)的開口三角繞組上。正常運行或者發(fā)生單相接地故障時裝置不動作，而一旦判定電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時，便會使正反并聯(lián)在開口三角兩端的 2 只晶閘管交替過零觸發(fā)導(dǎo)通以限制和阻尼鐵磁諧振，當(dāng)諧振消除后晶閘管自行截止，必要時可以重復(fù)動作。

裝置起動消諧期間，晶閘管全導(dǎo)通，呈低阻態(tài)，電阻為幾 mΩ 至幾十 mΩ。如此小的電阻值足以阻尼高頻、基頻及分頻 3 種諧振，而且對整個電網(wǎng)有效，即一個系統(tǒng)中只需選擇 1 臺互感器安裝消諧裝置即可。

微機(jī)消諧裝置的主要缺點是難以正確區(qū)分基波諧振和單相接地。目前，對基波諧振和單相接地故障判據(jù)的主要區(qū)別在于零序電壓 U0 的高低。通常，基頻諧振定為當(dāng) U０≥150V 時；當(dāng) 30V≤U０＜145V 時定為單相接地故障。為了防止在單相接地時由于裝置誤動使 PT 長時間過負(fù)荷而燒毀的情況發(fā)生，通常將該裝置基頻諧振的判據(jù)電壓定得比較高。

這樣，在工頻位移電壓不是很高的情況下（如空母線合閘）裝置將無法動作，就可能使某些勵磁特性欠佳、鐵心易飽和 PT 的熔絲熔斷。而且這種裝置當(dāng)電網(wǎng)對地電容較大時，它對防止間歇性接地或接地消失瞬間互感器因瞬時飽和涌流而造成熔絲熔斷的事故無能為力。

此外，在持續(xù)時間較長的間歇電弧過電壓激發(fā)下，流過 PT 高壓繞組的電流將顯著增大，仍可能會燒壞 PT。由于基頻諧振中的頻率實際上并不是十分嚴(yán)格的基頻，不是完全沒有頻率突變 。因此，能否在信號處理方法中采用對時頻局部化方面極具優(yōu)勢的小波來檢測，值得探討。

（2）一 次消諧阻尼器

一次消諧阻尼器，如 LXQ 型阻尼器，實際上是將一個非線性消諧電阻 R0 串接于電壓互感器一次側(cè)中性點與地之間，它采用中性點阻尼電阻消除諧振，見圖１。

電網(wǎng)正常運行時，消諧器上電壓＜500V，R0 呈高電阻值（可達(dá)幾百 kΩ），阻尼作用大，使諧振在起始階段不易發(fā)展；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，消諧器上電壓較高（10kV 電網(wǎng)中其值約1.7～1.8kV），R０呈低值（幾十 kΩ），可滿足 PT 開口三角電壓不小于 80V 的絕緣監(jiān)測要求,而且仍可阻尼諧振；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生弧光接地時，R0 仍能保持一定的阻值，限制互感器涌流。

該裝置具有消除 PT 飽和諧振和限制涌流 2 種功能，但在應(yīng)用中存在局限性：

① 中性點為半絕緣結(jié)構(gòu),只能直接接地安裝的 PT 無法使用；

② 只能限制本 PT 不發(fā)生諧振，對電網(wǎng)中的其他 PT 無效（僅一對一有效）；

③ 當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，PT 零序電壓 U０的測量值有誤差,因此不適宜使用在對 U0 幅值和角度精度要求較高的場合（如微機(jī)接地選線裝置）；

④ 裝置自身的熱容量有限，即使選用熱容量相對較大的 LXQ 型一次消諧阻尼器，在持續(xù)時間較長的間歇電弧接地過電壓激發(fā)下，仍可損壞裝置。一次消諧阻尼器較適用于 JDZJ 等型號中性點全絕緣 PT 的消諧改造。

（3）消諧型電壓互感器

1）加裝零序電壓互感器型

加裝零序電壓互感器的消諧型電壓互感器由三相主電壓互感器 TV1 和串接在中性點的零序電壓互感器 TV０二部分組成，采用零序電壓互感器消除諧振。

該消諧裝置要求 TV1 的開口三角繞組閉合，零序電壓 U０從 TV０的二次側(cè)取得。當(dāng)單相接地時，TV 每相勵磁感抗為 Xm=XTV1 3XTV0（XTV1 為 TV1 的漏抗；XTV０為 TV０勵磁感抗）。由于X TV1 很小，可略，故Xm≈3X TV０，即零序電壓絕大部分降落在TV0 上，一般的外激發(fā)不能使TV1 進(jìn)入飽和區(qū)，從而使諧振難以產(chǎn)生。

此外，TV０高壓繞組的直流電阻約為10kΩ，對諧振有強烈的阻尼作用，對涌流有限制作用。此種消諧型TV的消諧作用也僅對自身有效，熱容量也有限。

2）呈容抗諧振型，呈容抗諧振的消諧型電壓互感器的主要特點有：

① 互感器內(nèi)部的分布電容和雜散電容較大，正常時，在接有 0～100 負(fù)荷下整體呈容性（結(jié)構(gòu)上合理確定一次繞組徑向與軸向的尺寸比例；采用介電系數(shù)大的絕緣材料作為層間絕緣；一次繞組采用階梯式排線方式等）,不易構(gòu)成鐵磁諧振回路。

② 在較高的電壓作用下，鐵心不易飽和（采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片，以降低工作磁密）。

③ 能承受更高的過電壓（增加了一次繞組匝數(shù)；加強一次繞組的端部絕緣和層間絕緣）。然而，由于這種電壓互感器的質(zhì)量和體積相對較大,因此在實際應(yīng)用中往往有一定困難。

（4）二次 消諧電阻

1）二次電阻消諧：

隨著系統(tǒng)對地電容的增大，電壓互感器磁飽和后將依次發(fā)生高頻、基頻和分頻諧振。PT的開口三角繞組上，用于消除分頻諧振的阻尼電阻ｒ值最小，ｒ≤０.４（ｎ２/ｎ１）２Ｘ Ｌ ，只要按此來選擇電阻就可同時消除另外 2 種諧振。

消除基頻諧振的電阻值為ｒ′≤３（ｎ２/ｎ１）２Ｘ Ｌ 。式中, Ｘ Ｌ 為互感器在線電壓下的每相勵磁感抗，ｎ１/ｎ２為高壓繞組與開口三角繞組的匝數(shù)比。由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會導(dǎo)致一次側(cè)電流增大，也就是說PT的容量要相應(yīng)增大。

從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但PT的過載現(xiàn)象越嚴(yán)重，在諧振或單相接地時間過長時甚至?xí)?dǎo)致保險絲熔斷或PT燒毀。一般來說接入 10 kV系統(tǒng) PT開口三角繞組的電阻取 16.5～33Ω 。

可見，對于在開口三角繞組配置了２５Ω消諧電阻的PT，當(dāng)系統(tǒng)中中性點直接接地的普通電磁式PT不超過２臺時還可以消除基頻諧振，但若要消除分頻諧振則阻值偏大，失去消諧作用。

為此，應(yīng)加裝微機(jī)消諧裝置,同時宜保留原消諧電阻,以利于限制空母線合閘時工頻位移電壓。

2）在同一 PT上同時裝設(shè)一次消諧阻尼器和微機(jī)消諧裝置

在開口三角繞組兩端接上電阻R的做法，實際上相當(dāng)于在PT高壓側(cè)Y0 接線各相繞組上并聯(lián)一電阻（只有在電網(wǎng)有零序電壓時才出現(xiàn)），即在電網(wǎng)中每相對地并聯(lián)合適的電阻在理論上同樣可以起到消諧作用。

據(jù)分析推導(dǎo)，為消除分頻諧振，在PT高壓側(cè)每相繞組并聯(lián)的電阻應(yīng)滿足：R1≤0.4Ｘ Ｌ /３。若單臺 10kV互感器的每相勵磁感抗Ｘ Ｌ =500kΩ，則R1≤66.7kΩ。

假如在PT一次側(cè)中性點裝設(shè)了阻尼電阻R0，那么該PT基本上不會參與諧振。當(dāng)系統(tǒng)中其他中性點直接接地的PT發(fā)生諧振時，由于此時零序電壓U ０的測量值偏小，即使該PT的二次側(cè)加裝了微機(jī)消協(xié)裝置，往往也不會及時動作。

對于電纜使用較多的 10kV配電網(wǎng)，大多發(fā)生分頻諧振。微機(jī)消諧器分頻諧振的判據(jù)為15Hz≤ｆ≤18 Hz或 23Hz≤ｆ≤27 Hz，35V≥U0≥25Ｖ。當(dāng)開口三角繞組電壓為 30Ｖ時，一次系統(tǒng)零序電壓的估算值已達(dá)（30/100×0.8）×（10/3）=2.2kV。此時，微機(jī)消諧器動作，開口三角繞組基本上處于被短接狀態(tài)，PT高壓繞組反映的是數(shù)值很小的漏抗，即零序電壓絕大部分降落在阻尼電阻R0 上。

這時，電網(wǎng)每相對地的等值并聯(lián)電阻為３Ｒ０，假如呈低電阻值的R0 為 25～35kΩ，則３R0 為 75～105kΩ，已超出消除系統(tǒng)中單臺中性點直接接地PT諧振所需的阻值（約 66.7kΩ）。

若有多臺PT參與了諧振，則更是無助于消諧作用，而且還可能因作用在R0 上的過電壓得不到及時消除，且時間較長時而被損壞，從而進(jìn)一步損害PT。

可見，以上做法已超出微機(jī)消諧器和一次消諧器研制的初衷，二者單獨存在時的消諧機(jī)理已不再適用，這種做法對消諧不但無助反而有害。因此，這 2 種消諧裝置應(yīng)分開安裝在不同的PT上為宜。

3）在加裝零序電壓互感器消諧型 T PT 的二次側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置

對于加裝零序電壓互感器的消諧型 PT，原理上要求其主電壓互感器ＴV１的開口三角繞組始終是閉合 的，所以不可能在其二次側(cè)加裝消諧器，否則將破壞原先的消諧機(jī)理，難以起到消諧作用。

若是將微機(jī)消諧器裝在其零序電壓互感器ＴV0 的二次側(cè)，當(dāng)系統(tǒng)中其他互感器發(fā)生鐵磁諧振時，消諧器將在零序電壓作用下動作，ＴV０二次側(cè)幾乎被短接，ＴV０及ＴV１高壓繞組反映的均為漏抗，互感器的零序阻抗變?yōu)閿?shù)值很小的漏抗，相當(dāng)于電網(wǎng)中性點臨時直接接地，因而諧振也就隨之消失?？梢?，在此消諧型 PT 的 TV0 二次側(cè)加裝微機(jī)消諧裝置有助于整個電網(wǎng)的消諧。

（5） 消諧措施的綜合應(yīng)用

1）普通型電磁式電壓互感器應(yīng)選用勵磁特性良好、鐵心不易飽和的型號及生產(chǎn)廠家。變電站 10kV 母線 PT 一次額定電壓 UN 為 10／3kV，有的 PT 在 1.9UN 電壓作用下鐵心就可能進(jìn)入飽和區(qū)，而母線實際運行電壓為 10～10.7kV。

當(dāng)電網(wǎng)單相接地時，作用在PT 上的工頻穩(wěn)態(tài)電壓可能高達(dá) 1.85UN，加上電網(wǎng)電壓的波動，PT 極易飽和。在基波諧振過電壓不很高的情況下，即使裝設(shè)了二次微機(jī)消諧裝置也照樣可能使熔絲熔斷。

尤其對中性點半絕緣結(jié)構(gòu) PT（如 REL 10 型等）,難以進(jìn)行消諧改造，更應(yīng)慎重選型。為了防止空母線合閘時 PT 熔絲熔斷，還可以采取事先投入某些線路或站用變壓器等臨時措施，但不宜投入電容器組，這可防止電壓有較大波動時空載變壓器與電容器構(gòu)成振蕩回路產(chǎn)生振蕩過電壓。

2）變電站各段母線 PT 開口三角繞組處應(yīng)裝設(shè)微機(jī)消諧裝置，使之對整個電網(wǎng)產(chǎn)生消諧效果。由于對母線送電的瞬間交流電壓極不穩(wěn)定，電網(wǎng)發(fā)生接地、諧振等故障時瞬間交流系統(tǒng)的暫態(tài)干擾,均會影響裝置的正常工作，因此，消諧裝置工作電源宜選用直流 220V。

以往從 PT 二次側(cè)取得交流 100V 電源或者從站用電系統(tǒng)取得交流 220V 電源的做法不可取。變電站母線選用消諧型 TV，同時加裝微機(jī)消諧裝置,即一、二次消諧措施并用，是較為可取的推薦方案，這樣既可以保證 PT 自身不參與諧振，同時對整個電網(wǎng)也具有消諧作用。

3）對應(yīng)的，開閉所母線宜盡可能選用消諧型 PT,但無需另裝二次消諧裝置?？紤]到這種系統(tǒng)往往對地電容較大，因此限制涌流是一個不可忽視的問題，選用加裝零序電壓互感器消諧型 PT 是較合理的選擇。

4）高壓用戶配電所一般無需絕緣監(jiān)測及接地選線，因此，母線 PT 一次側(cè)中性點應(yīng)盡可能不接地或選用消諧型設(shè)備以改善同一系統(tǒng)中 PT 并聯(lián)后總體等效伏安特性。

5）同一配電網(wǎng)中，在盡可能采用一次消諧和二次消諧措施的同時，采取限制弧光接地過電壓的措施仍是十分必要的。由于普通型或消諧型 PT、一次消諧器等現(xiàn)有消諧設(shè)備的熱容量都很有限，在長時間間歇電弧過電壓的作用下仍有被燒壞的可能。近年來在配電網(wǎng)中投運了一種新型過電壓防護(hù)設(shè)備——XHG 型消弧及過電壓保護(hù)裝置。

其作用的基本原理是：

當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生不穩(wěn)定的間歇性弧光接地時，安裝在變電站母線上的 XHG 裝置通過可分相控制的高壓真空接觸器 JZ 將故障相接地，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的金屬性直接接地，故障點弧光消失。

經(jīng)過 5s 之后，JZ 斷開一次，若已無弧光接地故障現(xiàn)象，說明故障是暫時性的，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行；若再次出現(xiàn)弧光接地故障時，則認(rèn)定故障是永久性的，JZ 再次閉合，同時通過與之成套的接地選線裝置報出故障線路。這種裝置既能在一定程度上起消弧作用，也能有效地限制弧光接地過電壓，同時又無需改變系統(tǒng)中性點接地方式，結(jié)構(gòu)簡單，投資相對也較少。

6）配電網(wǎng)中性點諧振接地或經(jīng)電阻接地可根本解決PT飽和過電壓問題。因消弧線圈感抗XQ或接地電阻與互感器的勵磁感抗XL相比要小得多，在零序回路中Ｘ Ｌ 幾乎被 X Q 短接，因而Ｘ Ｌ因飽和引起的三相不平衡也就不會產(chǎn)生過電壓了。但因此項措施投資較大，顯然不宜專為消諧而設(shè)置。

（6） 結(jié)束語

為了對配電網(wǎng)采取消諧措施，同一配電網(wǎng)中在選用微機(jī)消諧等二次消諧裝置，以及中性點消諧阻尼電阻、消諧型電壓互感器等一次消諧裝置時，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的具體情況而定，最好是能將一次消諧裝置與二次消諧裝置二者相互配合使用，進(jìn)行優(yōu)勢互補。為確保設(shè)備安全，在采取消諧措施的同時還應(yīng)采取限制間歇性弧光接地過電壓等措施。

聲明：資料源自網(wǎng)絡(luò)，僅為整理供學(xué)習(xí)用，如有侵權(quán)請聯(lián)刪

關(guān)注我們，房企、設(shè)計、施工企業(yè)機(jī)電人的技術(shù)園地：

歡迎讀后動動小手，一鍵三連！支持一下