消弧線圈的工作原理 李天林

我國的高壓電力系統(tǒng)的中性點運行方式分為中性點直接接地（又稱為大電流接地系統(tǒng)）和中性點不直接接地（又稱小電流接地系統(tǒng)）兩大類，后者又分為中性點不接地和經(jīng)消弧線卷接地兩種，他們在發(fā)生單相接地時，由于線電壓可以保持不變，系統(tǒng)一般仍可以維持一段時間的運行，但是接地點將流過整個系統(tǒng)的對地電容電流（零序電流），該電流的大小取決于系統(tǒng)的總的各相對地電容的大小，如該電流大則接地點產(chǎn)生的電弧也大，對系統(tǒng)的安全遠行有較大的潛在危險，因此在系統(tǒng)的中性點串上一個電感（消弧線圈）起到限制該電流的作用，根據(jù)接地電流的大小，選擇不同的電感值，可以使接地點的接地電流限制在一個較小的數(shù)值，以前沒有自動跟蹤補償?shù)臅r候，該電感選擇可以采用過補償和欠補償運行方式，現(xiàn)在已經(jīng)有很多自動跟蹤補償?shù)脑O備產(chǎn)品可選用。該問題在一般的電力系統(tǒng)分析和工廠供電書籍中均有敘述分析可參考消弧線圈主要是由帶氣隙的鐵芯和套在鐵芯上的繞組組成，它們被放在充滿變壓器油的油箱內(nèi)。繞組的電阻很小，電抗很大。消弧線圈的電感可用改變接入繞組的匝數(shù)加以調(diào)節(jié)。在正常運行狀態(tài)下，由于系統(tǒng)中性點的電壓是三相不對稱電壓，數(shù)值很小，所以通過消弧線圈的電流也很小，電弧可能自動熄滅。一般采用過補償方式，就是電感電流略大于電容電流消弧線圈是一種帶鐵芯的電感線圈。它接于變壓器（或發(fā)電機）的中性點與大地之間，構(gòu)成消弧線圈接地系統(tǒng)。正常運行時，消弧線圈中無電流通過。而當電網(wǎng)受到雷擊或發(fā)生單相電弧性接地時，中性點電位將上升到相電壓，這時流經(jīng)消弧線圈的電感性電流與單相接地的電容性故障電流相互抵消，使故障電流得到補償，補償后的殘余電流變得很小，不足以維持電弧，從而自行熄滅。這樣，就可使接地迅速消除而不致引起過電壓。消弧線圈自動補償?shù)膽美钐炝郑ㄋ拇ù髮W電氣信息學院，四川成都610016）摘要：主要介紹在小接地電流系統(tǒng)中，使用消弧線圈對系統(tǒng)電容電流進行自動補償?shù)姆椒?，特別是近期推廣應用的微機控制的消弧線圈自動補償裝置的原理、接線及使用情況。關(guān)鍵詞：小接地電流系統(tǒng)；消弧線圈；自動補償采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，當某一相發(fā)生接地故障時，由于不能構(gòu)成短路回路，接地故障電流往往比負荷電流小得多，所以稱這種系統(tǒng)為小接地電流系統(tǒng)。介紹的消弧線圈自動補償裝置，主要用于中性點不接地的10kV系統(tǒng)。10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地電流通過出線的對地電容形成回路。所以，當電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模，10kV出線總長度增加，對地電容較大時，單相接地電流就不容忽視。電網(wǎng)運行經(jīng)驗表明，當單相接地電流大于10A時，電弧就會使故障發(fā)展成相間故障，造成事故跳閘。目前，根據(jù)計算和實測結(jié)果，成都地區(qū)多數(shù)變電站的10kV系統(tǒng)單相接地電流都遠大于10A，所以減少單相接地的電容性電流已成為保證供電可靠性的一個重要課題。運用消弧線圈補償容性電流，是成熟的常用方法，但固定補償或人工調(diào)節(jié)分接頭的方法顯然不能很好地滿足系統(tǒng)要求。近年來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，應用微機控制進行消弧線圈自動補償已成為新趨勢。1解決方案1.1系統(tǒng)接線利用消孤線圈補償容性電流，就是用消弧線圈流入接地孤道的電感性電流抵消經(jīng)健全相流入該處的容性電流。消孤線圈的作用有兩個，一是大大減小故障點接地電流；二是減緩電孤熄滅瞬時故障點恢復電壓的上升速度。消弧線圈應接于系統(tǒng)中性點上。變電站主變壓器10kV側(cè)采用的是三角形接線，10kV系統(tǒng)是沒有中性點的，解決的辦法是將消孤線圈接在星形接線的10kV站用接地變壓器中性點上。這樣，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡等效于由對地電容和消孤線圈構(gòu)成的LC串聯(lián)電路。為避免LC串聯(lián)電路發(fā)生諧振，產(chǎn)生過電壓，消孤線圈還串聯(lián)或并聯(lián)有阻尼電阻，保證中性點的位移電壓Un小于15%相電壓。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點流過很大電流，此時必須將阻尼電阻短接或斷開。另外，接地變中性點上還裝有測中性點電壓Un的TV及測中性點電流的TA。1.2裝置原理目前，此類裝置產(chǎn)品較多，但其原理接近，結(jié)構(gòu)類似，通常的構(gòu)成情況如圖1所示。中央處理機通常采用處理能力強，可靠性高的工控機，配有相關(guān)外圍接口設備。提供與綜合自動化設備接口，支持定值及實時狀態(tài)調(diào)顯。裝置需要采集的模擬量及開關(guān)量主要包括接地變中性點電壓及電流；消孤線圈檔位、并列運行接點等。裝置的主要功能是根據(jù)采集到的中性點電壓及電流，通過調(diào)節(jié)消孤線圈檔位、投切阻尼電阻等控制手段，在系統(tǒng)正常運行或接地時對電容電流進行適當補償。補償?shù)膬蓚€最重要的指標為：脫諧度v及接地殘流Ig。其中，v=(IC-IL)/IC,由裝置實時計算得到。脫諧度決定了一是弧道中的殘余電流；二是恢復電壓上升到最大值的時間；三是恢復電壓的上升速度，它是影響滅弧的主要因素。根據(jù)運行經(jīng)驗及有關(guān)規(guī)定，最小脫諧度應小于5%,最小殘流值應小于5A。通常脫諧度和殘流范圍可在裝置上整定。2重要問題根據(jù)系統(tǒng)實際情況，選取適合的有載調(diào)節(jié)消弧線圈。首先，要根據(jù)系統(tǒng)電容電流大小來決定消弧線圈的補償范圍，即容量。如果消弧線圈在最大補償電流檔位運行，脫諧度仍大于5%，說明消弧線圈的容量已不能滿足要求。其次，要確定消弧線圈的調(diào)節(jié)步長，即分接頭數(shù)。從理論上講，最好是連續(xù)可調(diào)的消弧線圈。但由于技術(shù)方面的原因，使用帶分接頭的調(diào)匝式消弧線圈更為常見。分接頭的多少決定著可以達到的最小脫諧度，所以可以根據(jù)脫諧度指標確定分接頭總數(shù)：N=1+ln(Imax/Imin)/ln(1+2v)。Imax和Imin分別為消弧線圈分接頭對應的最大及最小電流。兩臺接地變并列運行。通常一個變電站的兩臺接地變接在兩段母線上，裝置應對其并列和分列兩種情況予以考慮。并列運行時應同時調(diào)節(jié)兩臺消弧線圈，取得適當補償，并保證兩個中性點的一致性。目前，一些廠家生產(chǎn)的裝置在這方面尚待改進。消弧線圈的工作原理是利用流經(jīng)故障點的電感電流和電容電流相位差為180°，補償電容電流減小流經(jīng)故障點電流，來達到消弧的目的。消弧線圈全補償?shù)碾姼蠰整定值滿足：?L=1/3?C其中，L為消弧線圈的電感，C為線路對地電容與相間電容之和，3為工頻角頻率過補償3L<1/3?C欠補償3L>1/3?C線路對地電容C單位是微法，因此消弧線圈的電感單位是亨。利用消弧線圈補償容性電流，就是用消弧線圈流入接地弧道的電感性電流抵消經(jīng)健全相流入該處的容性電流。消弧線圈的作用有兩個，一是大大減小故障點接地電流；二是減緩電弧熄滅瞬時故障點恢復電壓的上升速度。消弧線圈應接于系統(tǒng)中性點上。變電站主變壓器10kV側(cè)采用的是三角形接線，10kV系統(tǒng)是沒有中性點的，解決的辦法是將消弧線圈接在星形接線的10kV站用接地變壓器中性點上。這樣，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡等效于由對地電容和消弧線圈構(gòu)成的LC串聯(lián)電路。為避免LC串聯(lián)電路發(fā)生諧振，產(chǎn)生過電壓，消弧線圈還串聯(lián)或并聯(lián)有阻尼電阻，保證中性點的位移電壓Un小于15%相電壓。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點流過很大電流，此時必須將阻尼電阻短接或斷開。另外，接地變中性點上還裝有測中性點電壓Un的TV及測中性點電流的TA。從50年代開始，我國在小電流中性點不接地的35kV系統(tǒng)中采用經(jīng)消弧線圈接地方式，這對于雷雨季節(jié)中減少事故跳閘次數(shù)是很有效的。以后又開始將消弧線圈應用到6、10kV系統(tǒng)，并取得了一定的經(jīng)驗。但以前普遍采用的是固定式或手動調(diào)匝式消弧線圈，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，這種老式的消弧線圈接地補償系統(tǒng)已暴露出不少問題。(1)調(diào)節(jié)不方便：因消弧線圈采用手動調(diào)匝方式，只能依據(jù)人工計算數(shù)據(jù)和實際一次性測量數(shù)據(jù)來進行調(diào)節(jié)，當電網(wǎng)參數(shù)變化后，需要進行倒閘操作，停下消弧線圈調(diào)整其分接頭的位置，既費工又影響安全。(2)由于其自身固有的特點，在電網(wǎng)中只能運行在過補償狀態(tài)，當電網(wǎng)發(fā)生了事故，掉閘后重合，參數(shù)變化時，脫諧度無法控制，以致往往運行在不允許的脫諧度之下，造成中性點過電壓，三相電壓對稱遭到破壞。⑶弧光過電壓的倍數(shù)較高，國內(nèi)外研究證明，消弧線圈抑制弧光過電壓的效果與脫諧度大小有關(guān)，只有其脫諧度不超過±5%才能把過電壓的水平限制到2.6倍相電壓以下。對于老式消弧線圈系統(tǒng)，考慮到躲過全補償?shù)姆秶?，所以脫諧度取得保守一點，一般都要達到15.25%左右甚至更大，這樣消弧線圈抑制弧光過電壓的效果就很差，幾乎和不接地系統(tǒng)一樣。(4)若在欠補償狀態(tài)下運行，遇到斷線時易產(chǎn)生嚴重的諧振過電壓現(xiàn)象，這種過電壓對網(wǎng)絡絕緣所表現(xiàn)的危害比由電弧接地過電壓所產(chǎn)生的更大。因此，這種老式消弧線圈已經(jīng)不再應用。取而代之的是自動跟蹤補償裝置。自動跟蹤補償裝置利用微機技術(shù)進行實時測量電網(wǎng)中的電壓、電流，據(jù)此計算電網(wǎng)的實時電容電流，控制調(diào)節(jié)消弧線圈電抗值，以達到最佳補償狀態(tài)。目前我國自動跟蹤補償裝置分為兩種模式：隨動式補償系統(tǒng)和動態(tài)補償系統(tǒng)。自動補償?shù)南【€圈主要有三種類型：(1)調(diào)隙式；(2)調(diào)匝式；(3)偏磁式。調(diào)隙式：調(diào)隙式屬于隨動式補償系統(tǒng)，其消弧線圈為動芯式結(jié)構(gòu)。通過移動鐵芯改變磁路磁阻達到連續(xù)調(diào)節(jié)電感的目的，其調(diào)整只能在低電壓或無電壓的情況下進行，在實際運行中由于機械的慣性和電機的控制精度問題，調(diào)節(jié)精度相對較差。此外，其工作噪音大，由于動芯式消弧線圈的調(diào)節(jié)主要靠機械連動，當施加高壓后振動噪音很大，而且隨著使用時間的增長，內(nèi)部將會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，可靠性相對鉸低。調(diào)匝式：該類裝置屬于隨動式補償系統(tǒng)，它同調(diào)隙式的唯一區(qū)別是將動芯式消弧線圈用有載調(diào)匝式消弧線圈取代。這種消弧線圈一般可利用原有的人工調(diào)匝消弧線圈改造而成，即采用有載調(diào)節(jié)開關(guān)改變工作繞組的匝數(shù)，達到調(diào)節(jié)電感的目的。與調(diào)隙式相比，消除了消弧線圈的高噪音，但缺點是犧牲了補償效果，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能離散地分檔調(diào)節(jié)。以上兩種類型的裝置在電網(wǎng)的電容電流發(fā)生變化時，通過控制裝置調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值，使消弧線圈接近全補償狀態(tài)，其脫諧度在±5%范圍。為了避免出現(xiàn)過高的串聯(lián)諧振過電壓，在消弧線圈接地回路串接了阻尼電阻，將穩(wěn)態(tài)諧振過電壓限制到允許的范圍內(nèi)。由于電阻的功率限制，在出現(xiàn)接地故障后必須迅速切除，這樣對于暫態(tài)諧振過電壓并沒有得到徹底