简析自动跟踪补偿消弧装置技术

张东海

摘 要：消弧线圈是当中性点不接地的电网发生单相接地故障时补偿电网内电容电流的电气设备。它能防止间歇性接地或电弧稳定性接地的产生，起到熄灭电弧作用。当前城市发展日新月异，电网中电缆所占比重越来越高，导致系统的电容电流越来越大，远远超过了规程规定，给消弧线圈补偿电网内电容电流技术带来了新问题。文章通过对消弧线圈自动跟踪补偿消弧装置技术的分析，认为自动跟踪补偿消弧装置技术，是保障中性点不接地的电网安全运行的一项可靠的先进的技术。

关键词：自动跟踪补偿；消弧；调谐；可靠

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0012-02

1 概 述

目前，城乡配电网多为非有效接地系统，早期供电网络结构比较简单，系统不大，输电线以架空线为主，由于雷击、树木和大风等因素的影响，单相接地故障是配电网中出现概率最大的一种故障，并且往往是可恢复性的故障。由于非有效接地系统的中性点不接地，即使发生单相金属性永久接地或稳定电弧接地，仍能不间断供电，这是这种电网的一大优点，对供电的可靠性起到了积极作用。

但随着供电系统的不断完善，电缆线路的增加，配电网的对地电容达到一定数值后，配电网的供电可靠性将受到威胁。

首先，当配电网发生单相接地时，接地电流较大，电弧很难熄灭，可能发展成相间短路；

其次，当发生间歇性弧光接地时，易产生弧光接地过电压，从而波及整个配电网。为了解决这些问题，在配电网中性点装设消弧线圈是一项有效的措施。其工作原理：中性点不接地的电网，在正常情况下，三相线路的各相对地电容电流是相等的，它们的矢量和零；当发生单相接地故障时，接地相的电容电流变为零，那么三相的电容电流矢量和将不为零，接地点有电容电流流过；若系统中性点接入消弧线圈，当发生单相接地故障等时，将有一个电感电流，它和接地点电容电流方向相反，因此在接地点相互补偿使接地电流减小，如果消弧线圈选择得当，可使接地点电流小于生弧电流，就不会产生断续电弧和过电压现象。

早前因电网结构比较简单，系统不大，采用继电型补偿装置就能满足需要；而当前，社会迅速发展，城市建设日新月异，配电网的扩大迅速，因美观需要，采用电容电流远大于架空线的电缆线路（据计算， 10 kV线路每公里电缆的电容电流约为架空线路的63倍）；加上反应缓慢的继电器控制系统，给消弧线圈消弧带来新挑战，引起常用消弧线圈的最大补偿电流小于系统的电容电流，消弧线圈运行在“欠补偿”状态，致使运行中容易发生谐振过电压，从而导致接地电弧无法熄灭，严重影响系统的可靠性，影响人身及设备的安全。

据有关通报资料，广州南沙区早前就有3个110 kV变电所安装了3套调隙式消弧线圈的继电型补偿装置，由于城市建设发展，配电网的迅速扩大以及电缆线路的增加，控制部分又使用电磁继电器，控制回路复杂且运行不稳定，使该三套消弧线圈均处于停运状态。

近年，随消弧线圈自动跟踪补偿装置技术的应用，特别是智能自动跟踪补偿装置，很好的以上问题，给中性点不接地的电网发生单相接地时电容电流的补偿技术带来了新景象。

2 自动跟踪补偿消弧装置

自动跟踪补偿消弧装置运用了微机控制器，能实时准确监测电网电容电流等参数，在中性点不接地的电网发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值来补偿电容电流。具有运算速度快、集成度高、抗干扰能力强，多路采集输入信号，响应速度快、精度高等特点，为消弧补偿技术带来了全新面貌。它主要由三大核心部件构成：消弧线圈、接地变压器及自动跟踪调谐控制器。

2.1 接地变压器

中性点绝缘的电力系统，无中性点引出，这就需要先通过接地变压器来形成一个人为中性点，再带接消弧线圈，以利用其电感电流来补偿故障点电容电流。接地变压器采用Z型结线（或称曲折型结线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上，这样零序磁通能沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿漏磁磁路流通的，所以Z型接地变压器的零序阻抗很小。它具有零序阻抗低，激磁阻抗大，功耗小等特征。它的运行特点是长时空载，短时过载；当系统发生接地故障时，对正序负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗，可使接地保护可靠动作。

2.2 消弧线圈

消弧线圈是自动跟踪补偿消弧装置形成感性补偿电流的主要部件。它的作用是当电网发生单相接地故障后，故障点流过电容电流，消弧线圈提供电感电流进行补偿，使故障点电流降至要求量，有利于防止弧光过零后重燃，达到灭弧的目的，降低高幅值过电压出现的几率，防止事故进一步扩大。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的幅值，同时也最大限度的减小了故障点热破坏等。消弧线圈的调节方式主要有：调气隙式、调匝式、调容式、可控硅调节式。

2.2.1 调气隙式

主要通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。有工作噪音大、可靠性差、调节精度差、过电压水平高等缺点，已很少使用。

2.2.2 调匝式

调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出若干个分接头，用有载分接开关进行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。调匝式因调节速度慢，只能工作在预调谐方式，即在系统正常运行无接地发生时，消弧线圈跟踪到最佳补偿位置，接地后不再调节。为保证较小的残流，必须在谐振点附近运行。这将导致中性点电压升高，因此需加装阻尼电阻进行限压。

2.2.3 调容式

通过调节消弧线圈二次侧电容量大小来调节消弧线圈的电感电流。二次绕组连接电容调节柜，当二次电容全部断开时，主绕组感抗最小，电感电流最大。二次绕组有电容接入后，使主绕组感抗增大，电感电流减小。因此通过调节二次电容的容量即可控制主绕组的感抗及电感电流的大小。电容器的内部或外部装有限流线圈，以限制合闸涌流。电容器内部还装有放电电阻。因调容式调节速度快，可实现接地后调节，可不加阻尼电阻。

2.2.4 可控硅调节式

可控硅调节式消弧线圈是把高短路阻抗变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组由两个反向连接的可控硅短接，调节可控硅的导通角由0～180 °之间变化，使可控硅的等效阻抗在无穷大至零之间变化，输出的补偿电流就可在零至额定值之间得到连续无极调节。由于可控硅工作于与电感串联的无电容电路中，其工况既无反峰电压的威胁又无电流突变的冲击，可靠性得到了保障。可控硅调节式调节速度极快，正常时消弧线圈工作在远离谐振点的位置，不加阻尼电阻。

2.3 自动跟踪调谐控制器

自动跟踪调谐控制器是消弧线圈自动跟踪补偿装置工作的指挥中心。它能准确地完成调谐功能，就是在中性点不接地的电网发生单相接地故障时使电网电感电流接近或等于电容电流。工程上用脱谐度V来描述调谐程度，其中V等于电路的电容电流与电感电流之差除电容电流。

当V=0时，即消弧线圈的电感电流等于电容电流，流过接地点的电流为零，称为全补偿；

当V>0时，即消弧线圈的电感电流小于电容电流，接地点尚有未补偿的电容性电流，称为欠补偿；

V<0时，即消弧线圈的电感电流大于电容电流，接地点具有多余的感性电流，称为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。这些谐振过电压给电网带来的不是安全因素而是危害。

因此，当电网未发生单相接地故障时，希望消弧线圈运行在远离谐振点。目前，消弧线圈自动调谐装置可分为随动式补偿和动态补偿。随动式补偿的工作方式是：自动跟踪电网电容电流的变化，随时调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串一电阻，增加电网阻尼率，将谐振过电压限制在允许的范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高压调整。

而动态补偿的工作方式是：在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点，彻底避免串联谐振过电压和各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，瞬间调整消弧线圈到最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性。自动跟踪调谐控制器的微机控制器能通过各种不同的测量计算方法实时监测系统的电容电流等参数，自动快速地完成跟踪补偿的各种反应和调节；例如根据电网的脱谐度和残流的要求，当系统的脱谐度超出设定范围时，控制器会发出指令，调整消弧线圈使脱谐度及残流精确地满足要求。因为微机技术应用，使自动跟踪调谐控制器具有了运算速度快、集成度高、抗干扰能力强、响应速度快、精度高等特点，成就了整个自动跟踪补偿消弧装置先进可靠的特色。

福州地区现有新建变电站10kV配电系统已广泛采用自动跟踪补偿消弧装置，例如，福州堤边110 kV变电站、福州岩洲110 kV变电站、平潭前进110 kV变电站等。它们应用了上海思源智能型自动跟踪补偿消弧线圈装置，能自动跟踪补偿电网电容电流，使之保持于设定参数范围内；能消除电网系统内部过电压及谐振过电压，电网发生接地故障时自动报警；具有远动输出口，便于与上位机通讯，响应速度快、精度高， 装置采样输入信号采用多路径输入，增加实时采样的取点密度，从而提高采样输入信号的精度、可靠性；控制器运算速度快、集成度高、抗干扰能力强，多路采集输入信号和输出指令全面隔离，出口双地址控制，杜绝干扰而引起的测量误差、误动作。

对这些变电站自动跟踪补偿消弧装置几年的运行情况追踪调查，虽这些变电站周围城市建设迅速，配电全部电缆化，但这些变电站的自动跟踪补偿消弧装置都运行良好，无故障发生，表明了它们的适宜性和可靠性。

3 结 语

随着电网的发展，微机技术的应用，中压电网中性点采用消弧线圈接地的优越性已逐渐显示出来。而自动跟踪补偿消弧装置技术的成熟，必将使其成为保障中性点不接地的电网安全运行的主力军。

参考文献：

[1] 胡玉霞.电力消弧线圈综述[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 华田生.变电站电气设备运行[M].北京：电力工业出版社，2004.