消弧消諧裝置改造

李曉寧，孫全成

（河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司，河南 平頂山467242）

1 供電系統(tǒng)分析

神馬氯堿發(fā)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(tǒng)為中性點采用不接地和直接接地相結(jié)合系統(tǒng)（大接地電流系統(tǒng)）。

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(shè)備， 運行中將產(chǎn)生大量高次諧波注入電力系統(tǒng)。

1.1 賈莊變系統(tǒng)

（1）注入系統(tǒng)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(tǒng)諧波電流允許值 A

表2 神馬氯堿注入220 kV賈莊變系統(tǒng)諧波電流值（110 kV側(cè)） 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(jù)河南電力試驗研究院提供數(shù)據(jù)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(tǒng)

注入系統(tǒng)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(tǒng)諧波電流值（110 kV側(cè)） A

表5 神馬氯堿整流負荷投運后，母線電壓總畸變率 %

根據(jù)河南電力試驗研究院提供數(shù)據(jù)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(tǒng)作為一個獨立系統(tǒng)， 運行方式為中性點非接地方式（小接地電流系統(tǒng)或不接地系統(tǒng)）。

10 kV 部分是廠區(qū)動力部分的主供電系統(tǒng)，也構(gòu)成了整個廠區(qū)的一個相對獨立的10 kV 系統(tǒng)，并帶有二級10 kV 開關(guān)站。 其系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，無中性點存在。但整個供電網(wǎng)絡(luò)采用電纜進出線方式，在供電網(wǎng)絡(luò)中形成了較大的對地電容電流，影響系統(tǒng)的安全運行。

2 10 kV 系統(tǒng)運行分析

該公司10 kV 供電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，正常運行三相電壓平衡， 相電壓相等， 中性點為懸浮， 一旦發(fā)生故障， 其中性點即發(fā)生漂移造成過電壓。當單相接地故障發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)

多條線路供電網(wǎng)絡(luò)類似于簡單網(wǎng)絡(luò)，COΣ—為全系統(tǒng)每一相對地電容總和。單項接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓， 而短路點的零序電壓數(shù)值上為相電壓。在非故障元件上有零序電流，其數(shù)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(tǒng)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(wǎng)中的單相接地電容電流由電力線路和電力設(shè)備（同步發(fā)電機、大容量同步電動機、變壓器等）兩部分組成，電力設(shè)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(guān)，在無法全面統(tǒng)計情況下，采用工程估算法：IC=0.1Uel。

該公司廠區(qū)內(nèi)10 kV 電纜線路統(tǒng)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(jù) “電力系統(tǒng)中性點運行方式的應(yīng)用范圍：6～10 kV 系統(tǒng)當其單相接地電容電流大于30 A 時，則應(yīng)采取中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式?！睆S區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)單相接地電容電流值未達到規(guī)定值。

3 10 kV 系統(tǒng)中的PT 消弧柜運行分析

該公司10 kV 系統(tǒng)中應(yīng)用的PT 消弧柜是安徽凱立科技集團股份有限公司生產(chǎn)的設(shè)備， 接線形式見圖1。

圖1 PT消弧柜接線形式

當系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)正常運行時，PT 開口三角電壓UΔ很?。ㄖ饕黄胶怆妷海?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(fā)出高壓真空快速接觸器JZ 合閘命令，將系統(tǒng)中心點直接接地。

但在30 ms 時間內(nèi)，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(tǒng)故障相直接金屬性接地，構(gòu)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(lián)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(shù)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(tǒng)中由于系統(tǒng)波動、過電壓、單相接地等故障原因多次燒毀，已經(jīng)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(tǒng)3 處裝設(shè)PT 消弧柜，已形成一處故障多處動作，破壞了總體系統(tǒng)設(shè)計預(yù)定計算值，使電容、電感參數(shù)多項組合，易引起諧振過電壓。

4 10 kV 電纜系統(tǒng)故障分析

2006 年10 月18 日，該公司10 kV 供電系統(tǒng)母線PT 消弧柜內(nèi)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(chǎn)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(nèi)控制器死機，?？刂破鞫坞娫春螅祥l，控制器顯示正常，隨后，送上全部10 kV 出線負荷，無異?，F(xiàn)象，三相相電壓正常，零序電壓降到零左右。

10 kV 電纜系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 10 kV電纜系統(tǒng)圖

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

（1）系統(tǒng)操作。大型電機在投、切操作過程中，造成系統(tǒng)電壓降低，波動、三相不平衡及真空開關(guān)動作的截波，都可能引起消弧柜內(nèi)的控制器誤動，因為這些情況都能引起過電壓， 消弧柜內(nèi)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(tǒng)發(fā)生了一次瞬時接地故障，系統(tǒng)電壓發(fā)生較大波動，3 臺消弧柜內(nèi)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(tǒng)3 個消弧裝置安裝地點直接接地，組成新的系統(tǒng)參數(shù)，在組合過程中，系統(tǒng)動態(tài)平衡被破壞， 使得3 臺消弧柜中的3 組PT 相互并聯(lián)，導致電抗值下降，容抗值激變，形成系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)象。

由于系統(tǒng)諧振，停單一回路，很難改變系統(tǒng)參數(shù)環(huán)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(nèi)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(nèi)使用的PT 的勵磁特性性能不好，容易發(fā)生磁飽和，也加速鐵磁諧振條件成立。

據(jù)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(xiàn)象發(fā)生， 包括零序PT 在發(fā)生單相接地時仍然燒毀屬正?，F(xiàn)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(yīng)的大電流接地形式，過電壓，大電流加速了PT 的燒毀現(xiàn)象的發(fā)生，包括零序PT，在發(fā)生單相接地時仍然會燒毀。

5 改造后的優(yōu)越性

（1）根據(jù)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(tǒng)時，單相接地電容電流為9.05 A，遠低于規(guī)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(tǒng)只保留1 套消弧消諧裝置，達到安全生產(chǎn)需求。

（2）安裝消弧柜。 目前，全廠在10 kV 供電系統(tǒng)中3 處安裝，對系統(tǒng)的安全運行沒有起到好的作用，根據(jù)發(fā)生的故障情況， 未發(fā)現(xiàn)實質(zhì)性的單相接地故障，由于系統(tǒng)波動即出現(xiàn)諧振等，實屬10 kV 系統(tǒng)總體設(shè)計未做，分塊組合形成缺陷。 根據(jù)與“20 萬t項目”設(shè)計單位研討，確定一個獨立10 kV 系統(tǒng)，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(jiān)視運行，取消20 萬t 8 臺消弧消諧裝置，減少設(shè)備采購資金八十余萬元。

（3） 消弧柜內(nèi)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(shù)匹配而出現(xiàn)的諧振，并完善了其功能，大大減少了電氣運行事故的發(fā)生。

（4）經(jīng)過改造后，至今未出現(xiàn)因為諧波而產(chǎn)生的電氣停車事故。

（5）考慮到消弧裝置發(fā)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(chǎn)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(chǎn)的連續(xù)運行，安全效益良好。