消弧線圈自動調諧及接地選線的原理與分析

王飛

摘要：中性點經消弧線圈接地方式幾十年來在我國10-35KV電網上得到了廣泛的應用，也積累了大量的運行經驗。而本站又采用了消弧線圈自動調諧及接地選線成套裝置，補償的有效性大大提高，也顯著提高了接地選線的準確性和可靠性。本文章對消弧線圈接地的優越性和該裝置的準確選線的原理做了具體分析。

關鍵詞：中性點接地；消弧線圈；自動調諧；選線

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

引言

配網系統中，中性點接地方式正確選擇非常重要，能夠直接影響到：供電可靠性；線路和設備的絕緣水平；單相短路電流對設備的損傷程度；繼電保護裝置的功能；對通信和信號系統的影響等。目前10~35KV電網采用較多的方式主要有不接地、經消弧線圈接地和經電阻接地等。本站10KV中性點接地采用的是經消弧線圈接地，采用的裝置是上海思源電氣有限公司生產的“XHK-?Ⅱ-ZP+型消弧線圈自動調諧及接地選線成套裝置”。此裝置是并聯中電阻技術，實現快速補償和準確選線的完美結合，該選線方法的準確性達到了100%，真正實現“選線inside”。

一、中性點經消弧線圈接地方式

為了減少單相接地的電容性電流，從二三十年代就應用了消弧線圈。它接在供電變壓器的中性點，目的是使經消弧線圈流入接地弧道的電感性電流抵消經全相流入該處的電容性電流。從而使接地大大減小。

10KV電網因變壓器繞組是三角形接線，沒有可供接地消弧線圈的中性點。為了接入消弧線圈，需人為建立一個中性點。解決的方法是在10KV母線上接上一個星形接線的三相變壓器，在它的中性點接消弧線圈，如圖（1）：

圖（1）消弧線圈

如圖所示，流過接地弧道的電流也由電容電流Ic和電感電流IL組成，它們可互相抵消。這就促使電弧自動熄滅。經消弧線圈接地方式的優點是一方面和不接地方式一樣，可帶著單相接地故障運行一段時間（小于2小時），另一方面它又降低了由單相接地發展為二相短路的概率。

二、消弧線圈的種類

按改變電感方法的不同，消弧線圈可分為四類:(1)有分接頭可調匝數的；（2）可動鐵芯或可調氣隙的；（3）有直接偏磁的；（4）其他類型的。

（1）可調匝式消弧線圈

目前我國電網中的消弧線圈都是調匝式的，國外絕大多數也是這樣的。有載調匝式消弧線圈是一帶鐵芯的電感線圈，設有多檔位分接頭，通過有載開關調整分接頭的位置，來改變消弧線圈的電感量。

消弧線圈接在變壓器或發電機的中性點上，當系統發生單相接地時，消弧線圈提供的感性電流與系統的電容電流相位相反，接地弧道中的殘流即為電感電流與電容電流的差值。調整電感電流，就可以使接地殘流達到最小值，從而消除接地過電壓。

消弧線圈的補償是預補償，即在系統發生單相接地前，消弧線圈已處于最佳補償狀態，這也是現在的補償裝置所普遍采用的方式。

從補償效果來看，調匝式消弧線圈裝置是最理想的消弧線圈裝置，因為它結構簡單，調節原理清晰，補償速度快，不會產生諧波。對瞬時性單相接地故障具有快速補償能力（預調節），極大地減少了系統由瞬時性單相接地故障發展成永久接地故障的幾率，系統安全可靠。

消弧線圈的選型應參考系統的電容電流，根據電容電流大小來決定消弧線圈的補償范圍。一般來說，系統應按電壓等級估算電容電流，每一電壓等級總電容電流應為線路，母線及其它一次設備的電容電流之和。實際計算時往往將變電站設備的電容電流納入線路電容電流中的方法計算。即：Ic=∑Ic+∑Iline

根據我國電力行業標準DL/620-1997，消弧線圈的容量應根據電網5-10年的發展規劃確定，并按下式計算：W=1.35IcUn/W=(1.5~2)IcUn/

式中：W—消弧線圈的容量，kVA

Ic—電容電流，A

Un—系統標稱電壓，kV

（2）可調氣隙式消弧線圈

可調氣隙式消弧線圈的工作原理是靠移動插入線圈內部的可動鐵芯來改變磁導率從而改變線圈電感的。從理論上來講這種消弧線圈的電感可連續調節，但實際上因為機械的慣性和電機的控制精度問題在工程中做不到。其主要缺點是響應慢，動作時間取決于可動鐵芯的移動時間，可致數十秒；在額定電壓下調節電感時噪音相對較大，有時會因臟污引起機械上動作失靈。

（3）直流偏磁式消弧線圈

直流偏磁式的消弧線圈靠改變直流勵磁電流來調節電感，是連續可調的。目前還沒有成熟產品，國際上也很少使用。

除上述常見的消弧線圈外，還有其他類型的可調消弧裝置，其共同點是利用晶閘管。例如，利用一臺電感不變的消弧線圈，與它并聯一臺變壓器，在其低壓二次側接幾組電容器組，通過晶閘管控制接入電容器組的組數就可調節從消弧線圈兩端看的等值電感量。目前這種消弧線圈也缺乏工程應用的實踐經驗。

三、消弧線圈自動調諧的原理

消弧線圈的自動調諧是靠自動裝置按電網電容的變化改變消弧線圈的電感，使單相接地電容電流得到電感電流的有效補償。一般是在單相故障發生之前，也即在正常運行狀態下預先調節消弧線圈電感，且與電網對地電容形成串聯諧振。

控制器以脫諧度和殘流作為是否需要調節消弧線圈補償電流的判斷依據。投運前先將脫諧度和接地殘流設定為某一個范圍，當系統的脫諧度或殘流超出此范圍，控制器發出指令，調整消弧線圈的檔位，使調整后的脫諧度及殘流滿足要求。

計算脫諧度和殘流的公式如下：

ε= / ICIδ= IL-IC

其中ε為脫諧度，Iδ為殘流，IL為消弧線圈電感電流，IC為電網的電容電流。

由上述公式可知，只要測量出電網的對地電容電流，即可根據電網的脫諧度和殘流的設定值計算出消弧線圈的電感電流，從而確定補償檔位。本裝置采用預調節方式，補償檔位確定后，控制器立刻將消弧線圈調節至相應檔位。因此，關鍵是測量電容電流。當系統正常運行時，其零序回路的等值電路圖，如圖（2）所示。

U0：系統的不對稱電壓；

C：系統對地的等效電容；

R：回路電阻；

L：有載調節消弧線圈。

圖（2）系統的零序等效電路

當消弧線圈在L1檔時，測量零序回路電流為I1，當消弧線圈在L2檔時，測量零序回路電流為I2，故：

0=1 [R+j（XL1-XC）](1)

0=2[ R+j（XL2-XC）](2)

由(1)和(2)即可求出R和XC：IC=

控制器以脫諧度和殘流為判斷依據的，投運前先將脫諧度的范圍設定為

ε=ε1~ε2，Iδ= Iδ1- Iδ2，當系統的脫諧度、殘流超出此范圍，控制器發出指令，控制電機來調整消弧線圈的有載開關，使調整后的脫諧度及殘流滿足要求。

四、接地選線的原理

中性點經消弧線圈接地故障線路的選擇是長期困擾供電系統的一道難題，國內外研究機構和生產廠家對此都進行了大量的研究并推出了基于不同選線原理的各種小電流接地系統故障選線裝置。運行結果表明：現有的小電流接地選線裝置均存在不同程度的不足，影響到裝置選線的準確性。XHK-?Ⅱ-ZP+型消弧線圈自動調諧及選線成套裝置采用并聯中電阻選線方法，在接地時短時投入并聯電阻，投入時間不超過1秒，向接地點注入有功分量，使接地線路的電流幅值與相位都有很明顯的變化，區別于其它正常線路。對金屬接地、高阻接地和母線接地，都可以準確的選出接地線路。這種選線方法，與以往的小電流選線相比，選線時流入接地點的電流幅值大、相位變化明顯，選線準確率為100%。普通選線保留了以前的人工智能、零序阻抗變化、諧波變化、五次諧波等多種選線算法進行表決的綜合選線方法，避免了同類裝置的不足之處顯著提高了接地選線的準確性和可靠性。

單相接地發生后，系統等效電路見圖（3），通過理論計算得到各回出線線路系數K和電阻投切有關的系統系數б，根據系數б判定是母線接地還是非母線接地，通過線路系數K找出接地故障線路。

圖（3）并聯中值電阻選線等效圖

其中系數：б=

式中為第i條線路并聯電阻投切前后的零序電流的變化量，而為第j條線路并聯電阻投切前后的零序電流的變化量。

線路系數K由以下式子確定：

式中：gd為接地導納

g0為并聯電阻導納

x為對地總電容導納-消弧線圈導納

K的實際意義為故障線路和正常線路零序電流之比

統電容電流的實際大小，g0的取值保證在線路發生單相接地時，故障線路比正常線路零序電流有著明顯增大。如果是母線接地，各地線路零序電流增加的比率相同，K值趨近于100%。

中性點裝設消弧線圈之后，當系統發生單相接地時，經消弧線圈補償之后的接地點殘流通常小于5A，出線零序CT二次側電流很弱，容易受到干擾影響選線的準確性。并聯電阻后，增加了零序電流的有功分量，采用獨特的DK選線法（專利號為：ZL022153373）使選線準確率確實達到100%。DK選線方法克服了殘流增量法接地后調整消弧線圈以及對高阻接地選線不準的缺點，能夠正確對金屬接地、高阻接地和母線接地進行選線，甚至不需要知道零序CT的極性，對極性難以判斷的出線也可以正確選線，選線準確性達到100%。調匝式消弧線圈并聯中電阻選線方式，綜合了調匝式消弧線圈補償速度快和電阻選線兩種方式的優點，既保持了電阻接地可以準確選線的優點，又可以減少接地點殘流，預調式補償方式的消弧線圈還限制弧光接地過電壓，確保對瞬時性接地進行有效補償和對于永久性接地故障準確選線，必要時可以跳閘。

現場試驗結果表明：在各種線路接地試驗中，并聯中電阻選線能夠顯著增加故障線路零序電流，選線全部正確，相對其它同時參加試驗的選線裝置，該裝置的選線性能遠為優越。并聯電阻投運時，對系統無沖擊，并能進一步降低中性點電壓，不會影響設備安全運行。

小電流接地選線模塊配在控制器內部，通過計算分析故障時的零序電壓電流參數，判斷接地線路?？梢赃x配繼電器輸出模塊，根據保護需要可迅速切除故障線路。

結語

綜上所述，在10-35KV電網中線路單相接地的現象是一個常見的問題，國內外普遍采用的是中性點經消弧線圈接地且自動調諧的方法；科學選線，應用新技術新設備，減少單相接地故障的發生，確保配電網安全、經濟和穩定運行。

參考文獻：

[1]李福壽.消弧線圈自動調諧技術講義.2002.01.

[2]XHK-?Ⅱ-ZP+型消弧線圈自動調諧及接地選線成套裝置使用說明書.