小電流接地系統消弧線圈調諧方式的存在問題分析

慕嬌嬌，陳球武，陳凱，肖遙，張進龍

(廣西大學電氣學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

電力網中性點接地方式，與電壓等級、單相接地短路電流、過電壓水平、系統供電可靠性和連續性等有關，主要有中性點直接接地、中性點不接地、中性點經消弧線圈接地、中性點經高電阻接地等4種方式。當接地電容電流超過允許值時，可采用消弧線圈補償電容電流，保證接地電弧瞬間熄滅，以消除弧光間歇接地過電壓。理想的消弧線圈在正常運行時，能實時監測電網單相接地電流的大小，此時消弧線圈的電抗值很大，相當于中性點不接地系統。在發生單相接地故障時，能在極短時間內調節電抗值，使接地點殘流基波無功分量為零［1］。

2 消弧線圈的作用

消弧線圈接在中性點與大地之間。中性點絕緣時，如果系統發生單相故障，接地相電壓降為零，非故障相電壓上升為線電壓，而中性點對地電壓升高至相電壓，這就使得中性點產生了一個位移電壓，這時在中性點接入一個電感線圈，在位移電壓的作用下會使電感線圈中流過感性電流，這個感性電流經過大地與故障點的容性電流交匯，提供一個電感電流IL補償接地電容電流Ic，大大減小了故障點的電流，使接地電流減小，也使得故障相接地電弧兩端的恢復電壓速度降低，達到自動熄滅電弧的目的。當消弧線圈正確地調諧時，不僅可以有效地減少產生弧光接地的幾率，同時也最大限度地減少了故障點熱破壞作用及接地過電壓等，對于故障點電弧的自熄以及系統的安全運行都有很大的作用［2－4］。

3 單相接地故障暫態分析—諧振電流回路

為了計算故障點的殘流，利用戴維南定律可以從圖1中得出計算中性點經消弧線圈接地系統發生A相接地時殘流的等值電路(又稱電流諧振回路)［5，6］，C0為電網三相對地的總分布電容，L為消弧線圈的電感，R為接地點的過渡電阻。

圖1 中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障時的等值圖

圖2 電流諧振回路

圖2中為中性點經消弧線圈接地系統的中性點偏移電壓為發生單相接地后殘留的有功分量，為電網三相總地接地電容電流，為消弧線圈提供地電感電流，;d為中性點經消弧線圈接地系統的阻尼率，，通常用百分數來表示。v為消弧線圈的脫諧度，，也用百分數來表示。

消弧線圈的脫諧度v可以用上式表示，采用百分比的形式。通過上式可以看出，消弧線圈可以顯著降低接地點的故障電流，使得接地電弧比較容易自熄，消弧線圈可以運行在以下三種方式［5－7］:

(1)欠補償(v＞0)。當電流諧振電路處于欠補償狀態時，因v＞0，IC＞IL，此時殘流Iδ中不僅含有有功分量，同時還含有一定的無功電容電流分量。殘流的大小比全補償時大，其相位超前于。如果消弧線圈運行在欠補償的方式下，當線路由于故障被切除或者某一相缺失的情況下，配電網總的電容電流將減小，消弧線圈很可能從欠補償過渡到全補償狀態也會造成諧振。

(2)全補償(v=0)。當電流諧振電路恰好處于諧振點時，因v=0，IC=IL，此時消弧線圈的電感電流和配電網的電容電流大小相等，相位相反，相互抵消，故Iδ=IR，即殘流中僅含有功電流，其相位與零序電壓相同。消弧線圈運行在全補償的狀態，故障點電流接近于零達到最小，但是在這種補償度方式下可能會造成諧振，產生過電壓。

(3)過補償(v＜0)。當電流諧振電路處于過補償狀態時，因v＜0，IC＜IL，此時中不僅含有有功分量，同時還含有一定的無功電感電流分量。殘流值同樣明顯增大，其相位滯后于。

配電網正常運行時，消弧線圈工作在脫諧狀態。當出現單相接地后，故障發生時再通過快速的自動跟蹤補償系統迅速調整到全補償點上以實現接地電流最小，故障點電弧熄滅，自動消除瞬時性故障，降低永久性故障的危害。優點是正常運行時中性點偏移電壓較低，它可完全避免諧振，無需阻尼電阻。但缺點是該類消弧線圈在系統發生單相接地之后才啟動調諧，勢必導致在接地發生后到調至諧振狀態前的這段時間內接地點的故障電流仍較大，有可能在消弧之前己經把絕緣燒毀，導致瞬時性的故障轉化為永久性故障。因此消弧線圈的脫諧度應該根據系統運行方式的變化來調整，達到合理的補償效果。

4 單相接地故障暫態分析

中性點通過消弧線圈接地運行方式的配電網發生單相接地故障時，依據工頻熄弧原理，非故障相和故障相都會產生間歇性的弧光過電壓。設故障相電源電壓達到最大值為［8］。

故障相的過電壓可表示:

非故電壓可障相產生的可表示為:

經消弧線圈接地的諧振接地過程具有很強的暫態分量和暫態特性，諧振接地發生單相接地故障時，故障點流過的暫態電流是由電感性暫態電流和電容性暫態電流構成的。兩者的頻率和幅值都不相同，所以不會在暫態過程中相互補償而變為零，進而使暫態接地電流的幅值增大

5 消弧線圈的展望

(1)在電網正常運行情況下，為了滿足正常中心點位移電壓不超過某一極限的要求而不得不將消弧線圈的脫諧度整定在較大的數值，使接地殘流加大，補償效果降低。

(2)在電網出現單相接地后，消弧線圈發揮有利作用并且脫諧度越小效果越好，最好是全補償，但完全補償時，卻是電感和三相對地電容發生交流串聯諧振的條件。

從上面可以得出正常和故障兩種情況存在相對的矛盾［9，10］。現有的方法是采用增大電網阻尼率d的方法，即消弧線圈并聯或串聯電阻接地方案，這種方案在生產實踐中發揮了有益的作用，但是增大必然造成接地殘流增大。另外，附加大容量的電阻從設計到制造安裝維護都有一定的困難。而且現有的消弧線圈在結構上和調諧控制方式上均存在對熄弧不利的因素。

基于現代微電子科學和電力電子技術的發展，要想實現動態補償方案。設想一種快速可調的消弧線圈，正常運行時置于距離諧振點不遠的一個過補償點位置處，這樣發生單相接地故障時，因為此時接地故障殘流己經得到有效的補償，因此即使消弧線圈不作任何調整，也能自動消除系統中發生的大部分電弧接地故障，消弧線圈對于接地故障的響應時間為0s;而對于少數不能被消除的電弧接地故障，則將具有快速響應特性的消弧線圈迅速調整到諧振點，使其徹底熄滅。我們稱消弧線圈的這種調諧控制方式為“預隨調式”。

采取這種控制策略的消弧線圈在電網正常運行時，消弧線圈不在諧振點，不會引起中性點位移過電壓，不用串聯或并聯阻尼電阻，避免了在電網一次回路中串聯或并聯電阻帶來的一系列問題，而且由于消弧線圈在故障發生的瞬間起到了有效的補償作用，提高了故障瞬間的熄弧能力;快速可調節的消弧線圈在故障后能夠迅速的向諧振點移動，這使得消弧線圈的熄弧能力大大提高。

6 結論

隨著我國電力事業的迅猛發展，小電流接地系統中性點應用消弧線圈能夠起到很好地保護作用，降低了單相接地故障地破壞程度。但是消弧線圈的自動跟蹤調節功能還應該深入研究，消弧線圈的脫諧度應能夠自動跟蹤電網電容電流的變化而調整，并使之快速可連續調節，充分發揮其補償功能，今后需要以此為理論依據做進一步地實驗研究。

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