35 kV消弧线圈的容量选择与计算

王晓蕾

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

35 kV消弧线圈的容量选择与计算

王晓蕾

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

针对35 kV配电系统大量使用电缆出线造成的接地电容电流大幅增加问题，采用消弧线圈接地，消弧线圈产生感性电流补偿接地点的电容电流，减小接地电流，降低故障相电压恢复速度，使接地点电弧自动熄灭.结合工程实例计算35 kV单相接地电容电流，为合理选择消弧线圈容量提供了参考.

消弧线圈; 电容电流; 容量选择

随着石油化工建设规模的扩大，110 kV变电所的增多，35 kV配电系统的安全性、可靠性越来越重要.中性点接地方式的选择是直接影响这两个指标的重要因素.35 kV配电系统的电缆出线数较多，且配电线路较长.电缆线路的大量使用使得配电网单相接地电容电流大幅度增加.当35 kV系统单相接地电容电流大于10 A时，电弧有可能不自行熄灭，并极易发展为相间短路故障，且单相接地为间歇性弧光时，会引起幅值很高的弧光过电压，很容易击穿系统内绝缘较薄弱的设备，引发严重的事故.采用消弧线圈接地时，消弧线圈产生的感性电流补偿了接地点的电容电流，降低了故障相电压恢复速度，使接地点电弧自动熄灭.因此，必须正确计算系统的电容电流值.计算单相接地故障的电容电流时，选择合理消弧线圈容量是关键[1].本文拟介绍消弧线圈的基本工作原理，以某石化项目为例，结合工程实例计算35 kV系统的电容电流，确定消弧线圈容量.

1 消弧线圈的工作原理和补偿方式

1.1 消弧线圈的工作原理

消弧线圈是一个具有铁芯的电感线圈.其电阻很小，电抗很大.线圈具有抽头.其电抗值可通过改变线圈的匝数来调节.铁芯具有较大的空气歇，使电抗值稳定，从而使电压与电流成正比[2].

在正常运行时，中性点对地电压为零，消弧线圈中没有电流.图1所示，单相(如W相)发生接地故障时，接地点对地电压为零，中性点对地电压上升为相电压，非故障相对地电压上升为线电压，网络的线电压不变.这与中性点不接地系统相似，此时，消弧线圈在中性点电压的作用下，有电感电流IL通过.该电流通过接地点形成回路，与单相接地的接地电容电流IC方向相反(图2)，在接地处相互抵消.这被称为电感电流对接地电流的补偿.如果适当选取消弧线圈的匝数，使流过接地点的电感电流恰好等于电容电流，那么接地点的电流会变得很小或等于零，使故障相恢复电压速度减小，接地点电弧自动熄灭，可消灭间歇性电弧的产生，从而使系统自动恢复正常.

图1 中性点经消弧线圈接地的电路图

图2 中性点经消弧线圈接地的向量图

1.2 消弧线圈的补偿方式

消弧线圈的脱谐度V表征偏离谐振状态的程度，可以用来描述消弧线圈的补偿程度[2].

V=(IC-IL)/IC×100%

式中：IC——对地电容电流，A；IL——消弧线圈电感电流，A.

消弧线圈的工作状态即电感电流对接地电流的补偿程度，一般有3种：全补偿、欠补偿和过补偿.

1.2.1 全补偿

全补偿状态指电容电流与电感电流大小相等，方向相反，即V=0，IL=IC，接地处电流为零.现实中并不采用这种方式，因为正常运行时，各相对地电压不可能完全对称，致使在未发生接地故障情况下，中性点对地之间出现了一定的电压(称为中性点的位移电压).此电压将引起串联谐振过电压，危及电网设备的绝缘.

1.2.2 欠补偿

欠补偿状态指电感电流小于电容电流，即V>0，IL

1.2.3 过补偿

过补偿状态指电感电流大于电容电流，即V<0，IL>IC，单相接地处有感性电流流过.过补偿既能消除接地处的电弧，又不会产生谐振过电压.这是因为停电检修部分线路或系统频率降低，使接地电流IC减小，IL>>IC，远离产生谐振的条件.即使电网发展使电容电流增大，由于消弧线圈有一定的裕度，也有IL>IC，不会产生谐振，可以继续使用一段时间，故过补偿在电网中被广泛使用.

消弧线圈接地系统在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%[3].消弧线圈宜采用过补偿运行方式.

2 消弧线圈自动跟踪补偿装置

在电容电流变化较大的场所，采用自动跟踪动态补偿式消弧线圈可以补偿电容电流，使其残留很少，瞬时性接地故障自动消除而不影响供电[4].

2.1 自动补偿的消弧线圈

(1)预调式.系统正常运行时，消弧线圈预先调节，等候在补偿位置，当系统发生单相接地故障时，消弧线圈零延时进行补偿.预调式一次设备的电子元器件较少，结构简单可靠，故障发生时补偿不依赖于二次电源.调匝式消弧线圈即为预调式自动补偿的消弧线圈.

(2)随调式.系统正常运行时，消弧线圈远离补偿位置，当系统发生单相接地故障时自动将消弧线圈调节到补偿位置.它至少需要60 ms，速度较慢，且一次设备的电子元器件较多，影响可靠性，故障发生时补偿要依赖于二次电源.直流偏磁式消弧线圈、调容式消弧线圈即为随调式自动补偿的消弧线圈.

2.2 自动跟踪补偿消弧线，系统圈改变电感的方式

2.2.1 调匝式

调匝式消弧线圈是在消弧线圈上设有多个分接头，采用有载调压开关调节电抗器的抽头以改变电感值.电网正常运行时，实时测量流过消弧线圈电流的幅值，计算出电网当前的对地电容电流，并根据预先设定的最小残流值，通过控制器将有载调压分接头调到需要的补偿档位.当发生接地故障后，补偿接地时电容电流，使故障点的残流限制在设定的范围内.

调匝式消弧线圈的主要特点为：结构简单，操作方便，噪声低，能够自动跟踪电网运行，接地补偿时间可做到零秒响应.它以内嵌式工控机作为核心，功能强大，可靠性高.目前我国电力系统中运行的具有自动跟踪补偿功能的消弧装置大部分采用调匝式消弧线圈.

2.2.2 调容式

调容式消弧线圈在绕组的二次侧并联若干组采用真空开关或晶闸管通断的电容器，用来调节二次侧电容的容抗值，以满足减小一次侧电感电流的要求.其电容值的大小及组数有多种排列组合，以满足电容调节范围和精度的要求.但是，调容式消弧线圈不能连续调节.

2.2.3 调气隙式

调气隙式消弧线圈的电抗器铁芯由静止芯和动芯组成.铁芯下半部分同线圈一起固定在框架上；上半部分铁芯(用电动机带动传动机构)可调，通过调节气隙大小达到改变电抗器电抗值的目的.

2.2.4 直流偏磁式

直流偏磁式消弧线圈的交流工作线圈内布置了一个铁芯磁化段，通过改变铁芯磁化段磁路上直流助磁通的大小来调节铁芯的磁饱和程度，从而实现电感的连续可调.

3 消弧线圈的容量选择及计算

3.1 电容电流计算方法

计算单相接地故障时电容电流IC是合理选择消弧线圈容量的关键.电网中的单相接地电容电流由电力线路和电力设备(如同步发电机、大容量同步电动机及变压器等)两部分的电容电流组成[2]，即：

IC=IC′+IC″

(1)

式中：IC′——电力线路接地电容电流，A；

IC″——电力设备接地电容电流，A.

(1)电力线路的单相接地电容电流为：

(2)

式中: Up——额定线电压，kV；

ω=2πf，f为50Hz；

C——单位长度电力线路的对地电容.

(2)电力设备接地电容电流估算公式为：

IC″=αIC′

(3)

式中，α——变电所附加的接地电容电流比例(表1)[1].

表1 变电所附加的接地电容电流比例

3.2 实际应用

某石化项目新建一座110 kV的全厂总变电站(以下称总变)，总变向各区域变电所和大电机供电.建设最终规模为4台90 MVA变压器，首期建设2台90 MVA自冷有载调压电力变压器.电压比为110 kV/35 kV.110 kV系统和35 kV系统均采用双母线方式，110 kV出线回路为2回，35 kV出线回路为16回(其中2回为备用).由于35 kV供电回路较多，考虑到各区域变电所的供电回路皆为电缆回路，并且供电线路较长，单相接地电容电流可能会急剧增加.

这里以35 kV的I、II段母线电容电流计算为例，选择消弧线圈的容量[4].

(1)电力线路接地电容电流计算如下：

根据厂家样本查阅的交联聚乙烯电缆单位长度电容量：

ZRA-YJV-26/35-3×150的线路电容为0.153 mF/km;ZRA-YJV-26/35-3×185的线路电容为0.163 mF/km;ZRA-YJV-26/35-3×95的线路电容为0.135 mF/km.

Ⅰ、Ⅱ段母线电缆规格及长度如表2所示.

表2 Ⅰ、Ⅱ段母线电缆规格及长度

以ZAR-YJV-26/35-3×150为例，电缆长度为0.7 km.

电力线路接地电容电流为：

IC′=IC l′×L=2.91(A)

式中：IC l′——单位长度电力线路接地电容电流，A;

L——电缆长度，km.

经过计算，35 kW系统Ⅰ段电力线路接地电容电流为25.91 A，Ⅱ段电力线路接地电容电流为26.57 A.

(2)变电站附加的接地电容电流值为13%，且主变容量相同.

Ⅰ段：IC=IC′+IC″=25.91+25.91×0.13=29.27(A)

Ⅱ段：IC=IC′+IC″=26.57+26.57×0.13=30.02(A)

经过计算，总变电站Ⅰ段总电容电流为29.27 A,Ⅱ段总电容电流为30.02 A.二者均大于规范中35 kV系统允许电容电流上限值10 A，需投入消弧线圈补偿.对于35 kV系统采用经消弧线圈的接地方式.

(3)根据文献[3]，自动跟踪补偿功能的消弧装置消弧部分的容量为：

(4)

式中，Un——系统标称电压，kV.

Ⅰ段消弧线圈容量为：

WⅠ=1.35×28.9×35/1.732≈788.4(kVA)

Ⅱ段消弧线圈容量为：

WⅡ=1.35×30.02×35/1.732≈819.0(kVA)

考虑电力线路的综合因素后，Ⅰ段、Ⅱ段各安装一套消弧线圈，容量不小于1 000kVA.

4 结束语

(1)随着配网系统安全可靠性要求的日益提高，35kV电缆线路的广泛应用，消弧线圈的应用越来越广泛.

(2)通过计算某石油化工项目110kV总变电所的35kV单相接地故障电容电流，为消弧线圈容量的选择提供了设计思路及方法.

[1] 中国航空工业规划设计院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社，2005.

[2] 《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册(上、下册) [M].北京：冶金工业出版社，1996.

[3] 中国电力企业联合会.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[4] 中国电力企业联合会.3kV～110kV变电站设计规范[S] . 北京：中国计划出版社，2008.

Capacity Selection and Calculation of 35 kV Arc Suppression Coil

WANG Xiao-lei

(Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd,Beijing 100107, China)

In the 35 kV power distribution system, the cable outlet is adopted, and the large amount of cable makes the capacitive current of the system increase greatly. The arc suppression coil is adopted to ground, and the arc suppression coil generates inductive current to compensate the capacitive current of the grounding point, thus reducing the grounding current, reducing the recovery speed of the fault phase voltage and automatically extinguishing the grounding arc. Therefore, the reasonable selection of arc suppression coil capacity is particularly important to the distribution system. In this paper, the capacitive current of 35 kV single-phase grounding is calculated with an engineering example, and the arc suppression coil capacity is rationally chosen.

arc suppression; coil capacitance current; capacity selection

2017-04-11

王晓蕾(1980-)，女，河南郑州人，工程师，研究方向为石油化工工程的供配电系统设计.

1006-3269(2017)02-0059-04

TM475

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.013