消弧消谐装置在矿山供电系统的应用

王伟利 安平平 王丽

摘要：简要分析弧光接地过电压的危害，介绍消弧消谐装置的结构、功能、工作原理及过电压保护装置的优越性。

关键词：矿山；供电系统；中性的不接地；弧光接地；过电压；消弧；消谐

目前我国6～35KV供电系统大多采用中性点不接地的运行方式。中性点接地供电方式是指将变压器的中性点通过金属接地体与大地相连接，中性点与大地绝缘则称中性点不接地方式。当电网一相接地时，中性点不接地系统只要保持较高的对地绝缘电阻，接地电流就比较小。在中性点不接地供电系统中，若人体触及一相带电体，通过人身体的电流时从电网的一相经过人身流入大地，再经过其它两相对地绝缘电阻和对地电容回到电网其它两相，由于该条件下对地绝缘电阻较高，所以限制住过大的电流，对人体的触电危害就大大减小。而中性点接地供电系统中，当人触及一相带电体时，人体跨接电网的相电压，流过人体的电流远远大于极限安全电流，对人体造成极大的伤害，危及生命。根据《矿山电力设计规范》GB500070-2009要求矿山井下供配电系统和露天采矿场内采用中性点不接地供电方式。

中性点不接地供电方式存在以下问题：

（1）当系统发生单相接地故障时，相电压升至线电压。

（2）普通无间隙三相避雷器不能满足相间过电压保护的要求。

（3）经消弧线圈接地的接地方式无法消除永久性单相接地故障。

（4）间歇性弧光过电压的能量难以确定，避雷器难以承受不断积累的能量。

（5）难以确定发生单相接地故障的支路。

（6）单相接地故障没消除时，PT过电流。

针对以上问题，消弧消谐装置能迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电气设备带来的危害，解决了小电流接地系统间歇性弧光接地过电压的危害问题。

一、间歇性弧光接地过电压的危害问题

中性点不接地系统发生单相接地时，三相电压是对称的，系统的线电压保持不变，，所以国家标准规定这类电网在发生单相接地故障后允许短时间内带故障运行，提高了该类电网的供电可靠性。发生单相接地故障的性质不同，其后果也不一样。如果单相接地故障为金属性接地，则故障相的电压降为零，其余两健全相对地电压升高至线电压，这类电网的电气设备在正常情况下都应能承受这种过电压而不损坏。如果单相接地故障为弧光接地，则会在系统中产生最高值达3.5倍线电压的相电压，这种过电压是由于系统对地电容上的电荷多次不断地积累和重新再分配形成的，是断续、瞬间发生且幅值较高的过电压，对电力系统中的设备危害极大，主要表现在一下几个方面：

（1）当系统发生单相弧光接地时，在3.5倍过电压的持续作用下，由于固体绝缘击穿的积累效应，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。

（2）弧光接地过电压使电压互感器饱和，容易激发铁磁谐振，导致过电压或电压互感器爆炸事故发生。

（3）弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间长，当过电压超过避雷器所能承受的额定能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。

二、消弧消諧装置的作用

由于架空线路逐步被电缆线路取代，中等电压等级的电网中固体绝缘的设备逐年增多，随着运行时间的增加，现有架空线路、电缆线路、电气设备设施逐渐老化。因此，近年来，弧光接地过电压的问题越来越突出。消弧消谐装置能迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电气设备带来的危害，解决了小电流接地系统间歇性弧光接地过电压的危害问题。

消弧消谐装置的组成与基本功能：该装置由过电压保护器、微机控制技术及单相真空接触器构成一套自动控制系统。其主要有以下七个部件组成：

（1）ZnO非线性元件组成过电压保护器，以限制大气过电压和操作过电压。

（2）在系统正常时，分相真空接触器均处于断开状态，不会对系统的正常运行产生影响。系统非正常运行时，分相真空接触器根据微机控制器的指令，损时合上，完成对系统过电压限制。

（3）高压限压器。当系统发生间歇性弧光接地时，真空接触器立即将高能限压器投入到故障相，有限压器将故障相的最高电压限制在相电压的70%左右，使弧道的恢复电压上升到该值时就不再上升，保证电弧的可靠熄灭。

（4）微机控制器。当系统发生单相接地或谐振时，微机控制器根据电压互感器传来的电压信号进行以下处理：

如果接地故障是稳定的金属性接地，微机控制器进入小电流接地选线处理系统，迅速查找故障线路，同时发出报警信号提醒运行人员注意。

如果接地故障是弧光接地，则微机控制器判断接地的相别，并发出指令，使故障相的真空接触器闭合高能限压器，限制故障相的弧道的恢复电压，使弧道的介质恢复抗点强度大于弧道的恢复电压，从而达到消弧的目的，过数秒钟分开故障相接触器；微机控制器将检测线路是否还有弧光接地，如果还有弧光接地则判断为永久性接地，并发出指令使故障相的真空接触器闭合使故障相永久直接接地；如果系统发生谐振时，微机控制器快速接入消谐功能元件，进行微机二次消谐，消除谐振。

（5）高压限流熔断器是整个装置的后背保护器件，用来防止两相短路事故。

（6）电压互感器用于对系统电压的检测及采样。

（7）高压隔离开关用于消弧消谐及过电压保护装置安装维护时的投切。

当系统发生单相接地或发生PT单相断相时，PT的辅助二次输出信号U△将有低电平变成高电平，微机综合控制器启动，对PT二次输出信号Ua、Ub、Uc进行处理，判断故障类型和相别，并作出如下处理：

（1）如果是间歇性弧光接地，则微机控制器在20ms之内向故障相真空接触器发出合闸命令，将故障相与接地网直接连接，消弧消谐装置及过电压保护装置在40ms之内将弧光接地快速转化为金属性接地，弧光接地过电压消失。系统可以在单相接地稳态下运行2h。

（2）使用消弧消谐装置可以收到如下效果：

①将中性点非有效地网的相间过电压限制在电网安全运行的范围之内，使这类电网既保持了中性点非有效接地的优点，又将各种类型过电压限制到尽可能低的水平，解决了各种过电压对设备及电网安全的威胁，更有效的保护设备的绝缘，提高了电网供电可靠性；

②由于母线过电压被限制在较低的水平，使引发铁磁谐振过电压的可能性大大减少；

③由于限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关，因而保护功能不受电网大小和运行方式的影响；

④装置结构简单，具有较高的性能价格比，安装调试方便。

在选用消弧消谐过电压装置需注意如下几点：

（1）消弧消谐过电压保护装置不能用于电容电流大于30A的系统。

（2）不能用于有树障的架空线路，假如树枝接触A相而消弧消谐装置动作将A相接地，当风再一吹树枝接触B相就会发生相间短路，消弧消谐柜不仅不能消弧还会造成停电。

三、结束语

消弧消谐装置已在炼金石化煤炭及供电等企业获得广泛应用，它能迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电气设备带来的危害，解决了小电流接地系统间歇性弧光接地过电压的危害问题，对于提高供电的可靠性发挥了重要作用。

参考文献：

[1] 李哈乞夫.消弧设备的选择、装设和运行[M].吴维诚，熊晓农，译.北京：电力工业出版社，1956.

[2] 吴兆伦.中性点不接地低压供电系统的用电安全[J].建筑安全.2000（9）

[3] 李建军.10KV供电系统接地危害及应对措施[J].广东造船，2009（4）

[4] 李润先.中压电网系统接地实用技术[M].北京：中国电力出版社，1985

作者简介：

王伟利：（1969）山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿 助理工程师 主要研究：矿山电气自动化