消弧线圈自动调谐及接地选线的原理与分析

王飞

摘要：中性点经消弧线圈接地方式几十年来在我国10-35KV电网上得到了广泛的应用，也积累了大量的运行经验。而本站又采用了消弧线圈自动调谐及接地选线成套装置，补偿的有效性大大提高，也显著提高了接地选线的准确性和可靠性。本文章对消弧线圈接地的优越性和该装置的准确选线的原理做了具体分析。

关键词：中性点接地；消弧线圈；自动调谐；选线

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

配网系统中，中性点接地方式正确选择非常重要，能够直接影响到：供电可靠性；线路和设备的绝缘水平；单相短路电流对设备的损伤程度；继电保护装置的功能；对通信和信号系统的影响等。目前10~35KV电网采用较多的方式主要有不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地等。本站10KV中性点接地采用的是经消弧线圈接地，采用的装置是上海思源电气有限公司生产的“XHK- Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及接地选线成套装置”。此装置是并联中电阻技术，实现快速补偿和准确选线的完美结合，该选线方法的准确性达到了100%，真正实现“选线inside”。

一、中性点经消弧线圈接地方式

为了减少单相接地的电容性电流，从二三十年代就应用了消弧线圈。它接在供电变压器的中性点，目的是使经消弧线圈流入接地弧道的电感性电流抵消经全相流入该处的电容性电流。从而使接地大大减小。

10KV电网因变压器绕组是三角形接线，没有可供接地消弧线圈的中性点。为了接入消弧线圈，需人为建立一个中性点。解决的方法是在10KV母线上接上一个星形接线的三相变压器，在它的中性点接消弧线圈，如图（1）：

图（1）消弧线圈

如图所示，流过接地弧道的电流也由电容电流Ic和电感电流IL组成，它们可互相抵消。这就促使电弧自动熄灭。经消弧线圈接地方式的优点是一方面和不接地方式一样，可带着单相接地故障运行一段时间（小于2小时），另一方面它又降低了由单相接地发展为二相短路的概率。

二、消弧线圈的种类

按改变电感方法的不同，消弧线圈可分为四类:(1)有分接头可调匝数的；（2）可动铁芯或可调气隙的；（3）有直接偏磁的；（4）其他类型的。

（1）可调匝式消弧线圈

目前我国电网中的消弧线圈都是调匝式的，国外绝大多数也是这样的。有载调匝式消弧线圈是一带铁芯的电感线圈，设有多档位分接头，通过有载开关调整分接头的位置，来改变消弧线圈的电感量。

消弧线圈接在变压器或发电机的中性点上，当系统发生单相接地时，消弧线圈提供的感性电流与系统的电容电流相位相反，接地弧道中的残流即为电感电流与电容电流的差值。调整电感电流，就可以使接地残流达到最小值，从而消除接地过电压。

消弧线圈的补偿是预补偿，即在系统发生单相接地前，消弧线圈已处于最佳补偿状态，这也是现在的补偿装置所普遍采用的方式。

从补偿效果来看，调匝式消弧线圈装置是最理想的消弧线圈装置，因为它结构简单，调节原理清晰，补偿速度快，不会产生谐波。对瞬时性单相接地故障具有快速补偿能力（预调节），极大地减少了系统由瞬时性单相接地故障发展成永久接地故障的几率，系统安全可靠。

消弧线圈的选型应参考系统的电容电流，根据电容电流大小来决定消弧线圈的补偿范围。一般来说，系统应按电压等级估算电容电流，每一电压等级总电容电流应为线路，母线及其它一次设备的电容电流之和。实际计算时往往将变电站设备的电容电流纳入线路电容电流中的方法计算。即：Ic=∑Ic+∑Iline

根据我国电力行业标准DL/620-1997，消弧线圈的容量应根据电网5-10年的发展规划确定，并按下式计算：W=1.35IcUn/W=(1.5~2)IcUn/

式中：W—消弧线圈的容量，kVA

Ic—电容电流，A

Un—系统标称电压，kV

（2）可调气隙式消弧线圈

可调气隙式消弧线圈的工作原理是靠移动插入线圈内部的可动铁芯来改变磁导率从而改变线圈电感的。从理论上来讲这种消弧线圈的电感可连续调节，但实际上因为机械的惯性和电机的控制精度问题在工程中做不到。其主要缺点是响应慢，动作时间取决于可动铁芯的移动时间，可致数十秒；在额定电压下调节电感时噪音相对较大，有时会因脏污引起机械上动作失灵。

（3）直流偏磁式消弧线圈

直流偏磁式的消弧线圈靠改变直流励磁电流来调节电感，是连续可调的。目前还没有成熟产品，国际上也很少使用。

除上述常见的消弧线圈外，还有其他类型的可调消弧装置，其共同点是利用晶闸管。例如，利用一台电感不变的消弧线圈，与它并联一台变压器，在其低压二次侧接几组电容器组，通过晶闸管控制接入电容器组的组数就可调节从消弧线圈两端看的等值电感量。目前这种消弧线圈也缺乏工程应用的实践经验。

三、消弧线圈自动调谐的原理

消弧线圈的自动调谐是靠自动装置按电网电容的变化改变消弧线圈的电感，使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿。一般是在单相故障发生之前，也即在正常运行状态下预先调节消弧线圈电感，且与电网对地电容形成串联谐振。

控制器以脱谐度和残流作为是否需要调节消弧线圈补偿电流的判断依据。投运前先将脱谐度和接地残流设定为某一个范围，当系统的脱谐度或残流超出此范围，控制器发出指令，调整消弧线圈的档位，使调整后的脱谐度及残流满足要求。

计算脱谐度和残流的公式如下：

ε= / ICIδ= IL-IC

其中ε为脱谐度，Iδ为残流，IL为消弧线圈电感电流，IC为电网的电容电流。

由上述公式可知，只要测量出电网的对地电容电流，即可根据电网的脱谐度和残流的设定值计算出消弧线圈的电感电流，从而确定补偿档位。本装置采用预调节方式，补偿档位确定后，控制器立刻将消弧线圈调节至相应档位。因此，关键是测量电容电流。当系统正常运行时，其零序回路的等值电路图，如图（2）所示。

U0：系统的不对称电压；

C：系统对地的等效电容；

R：回路电阻；

L：有载调节消弧线圈。

图（2）系统的零序等效电路

当消弧线圈在L1档时，测量零序回路电流为I1，当消弧线圈在L2档时，测量零序回路电流为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=

控制器以脱谐度和残流为判断依据的，投运前先将脱谐度的范围设定为

ε=ε1~ε2，Iδ= Iδ1- Iδ2，当系统的脱谐度、残流超出此范围，控制器发出指令，控制电机来调整消弧线圈的有载开关，使调整后的脱谐度及残流满足要求。

四、接地选线的原理

中性点经消弧线圈接地故障线路的选择是长期困扰供电系统的一道难题，国内外研究机构和生产厂家对此都进行了大量的研究并推出了基于不同选线原理的各种小电流接地系统故障选线装置。运行结果表明：现有的小电流接地选线装置均存在不同程度的不足，影响到装置选线的准确性。XHK- Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及选线成套装置采用并联中电阻选线方法，在接地时短时投入并联电阻，投入时间不超过1秒，向接地点注入有功分量，使接地线路的电流幅值与相位都有很明显的变化，区别于其它正常线路。对金属接地、高阻接地和母线接地，都可以准确的选出接地线路。这种选线方法，与以往的小电流选线相比，选线时流入接地点的电流幅值大、相位变化明显，选线准确率为100%。普通选线保留了以前的人工智能、零序阻抗变化、谐波变化、五次谐波等多种选线算法进行表决的综合选线方法，避免了同类装置的不足之处显著提高了接地选线的准确性和可靠性。

单相接地发生后，系统等效电路见图（3），通过理论计算得到各回出线线路系数K和电阻投切有关的系统系数б，根据系数б判定是母线接地还是非母线接地，通过线路系数K找出接地故障线路。

图（3）并聯中值电阻选线等效图

其中系数：б=

式中为第i条线路并联电阻投切前后的零序电流的变化量，而为第j条线路并联电阻投切前后的零序电流的变化量。

线路系数K由以下式子确定：

式中：gd为接地导纳

g0为并联电阻导纳

x为对地总电容导纳-消弧线圈导纳

K的实际意义为故障线路和正常线路零序电流之比

统电容电流的实际大小，g0的取值保证在线路发生单相接地时，故障线路比正常线路零序电流有着明显增大。如果是母线接地，各地线路零序电流增加的比率相同，K值趋近于100%。

中性点装设消弧线圈之后，当系统发生单相接地时，经消弧线圈补偿之后的接地点残流通常小于5A，出线零序CT二次侧电流很弱，容易受到干扰影响选线的准确性。并联电阻后，增加了零序电流的有功分量，采用独特的DK选线法（专利号为：ZL022153373）使选线准确率确实达到100%。DK选线方法克服了残流增量法接地后调整消弧线圈以及对高阻接地选线不准的缺点，能够正确对金属接地、高阻接地和母线接地进行选线，甚至不需要知道零序CT的极性，对极性难以判断的出线也可以正确选线，选线准确性达到100%。调匝式消弧线圈并联中电阻选线方式，综合了调匝式消弧线圈补偿速度快和电阻选线两种方式的优点，既保持了电阻接地可以准确选线的优点，又可以减少接地点残流，预调式补偿方式的消弧线圈还限制弧光接地过电压，确保对瞬时性接地进行有效补偿和对于永久性接地故障准确选线，必要时可以跳闸。

现场试验结果表明：在各种线路接地试验中，并联中电阻选线能够显著增加故障线路零序电流，选线全部正确，相对其它同时参加试验的选线装置，该装置的选线性能远为优越。并联电阻投运时，对系统无冲击，并能进一步降低中性点电压，不会影响设备安全运行。

小电流接地选线模块配在控制器内部，通过计算分析故障时的零序电压电流参数，判断接地线路。可以选配继电器输出模块，根据保护需要可迅速切除故障线路。

结语

综上所述，在10-35KV电网中线路单相接地的现象是一个常见的问题，国内外普遍采用的是中性点经消弧线圈接地且自动调谐的方法；科学选线，应用新技术新设备，减少单相接地故障的发生，确保配电网安全、经济和稳定运行。

参考文献：

[1]李福寿.消弧线圈自动调谐技术讲义.2002.01.

[2]XHK- Ⅱ-ZP+型消弧线圈自动调谐及接地选线成套装置使用说明书.