淺談消弧裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉錦新

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的先進(jìn)設(shè)備投入使用。人們對電網(wǎng)供電的可靠性的要求也隨之提高。對于10kV配網(wǎng)為保證供電的可靠性一般中性點(diǎn)要采用經(jīng)消弧裝置接地，本文對消弧裝置的原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：消弧裝置；電力系統(tǒng)；電弧

中圖分類號：F406 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

概述

近幾年來我國社會水平和工業(yè)化程度有了很大程度的提高，與此同時人們對電網(wǎng)供電可靠性的要求也隨之提高。目前我國工廠內(nèi)配網(wǎng)電壓在10kV左右，對于10kV配網(wǎng)為保證供電可靠性，消除間隙性弧光接地過電壓，電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。隨著技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在電網(wǎng)中逐漸采用了消弧裝置來替代消弧線圈。

1 消弧裝置重要性

現(xiàn)階段我國對于10kV配電網(wǎng)，為了提高電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性普遍采用是中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時，另外兩相對地電位為故障前電壓的1.73倍左右。一般當(dāng)輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時，流經(jīng)故障點(diǎn)的電流雖然為所有接地線路電容電流之和，但是故障電流不大短時間內(nèi)不會造成嚴(yán)重的后果。但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，輸電容量的增加及輸電線路出線數(shù)量的增多，系統(tǒng)單相故障接地后流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流較大，接地電弧無法及時熄滅從而產(chǎn)生較大的間隙性弧光接地過電壓。弧光接地過電壓一般是相電壓的3.5倍左右，可以導(dǎo)致相關(guān)絕緣性薄弱的設(shè)備被擊穿損壞。

另外，電磁式的熔斷器和互感器鐵芯飽和時會發(fā)生諧振過電壓現(xiàn)象，從而導(dǎo)致相關(guān)的熔斷器和互感器損壞，威脅配網(wǎng)線路的供電安全。如果輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時接地電弧無法及時消滅，會破壞線路的絕緣從而造成輸電線路相間短路最終損壞設(shè)備造成停電事故的發(fā)生。在此種情況下，如果有人接觸到故障部位，將大大的加重對其傷害，甚至造成觸電人員的死亡。

2 消弧裝置工作原理

由上面的分析可知，當(dāng)接地電弧無法被及時熄滅時必須在中性點(diǎn)連接消弧裝置。對于10kV配電網(wǎng)絡(luò)一般情況下，當(dāng)單相接地故障電流超過10A時中性點(diǎn)必須經(jīng)消弧裝置接地。通過接入消弧裝置使得流過接地點(diǎn)的電流小于故障電弧維持電流，從而達(dá)到消除接地點(diǎn)電弧的作用。

供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時等效電路圖如圖1所示。

假設(shè)供電系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，線路中的故障電流為I0，IC代表流過故障點(diǎn)的對地容性電流，IL代表流經(jīng)消弧裝置的感性電流，因此總的故障電流I0的計(jì)算公式（2）如下

在上式中：j代表復(fù)數(shù)因子， 代表角頻率，rad/s。U0代表電網(wǎng)的不平衡電壓，V。IC代表容性電流，A。 IL代表感性電流，A。

通過上式（2）分析可知，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時可以調(diào)節(jié)消弧裝置使是裝置的感性電流能夠中和故障點(diǎn)處的容性電流，使得故障接地點(diǎn)的無功電流分量為0。因此，通過合理的調(diào)節(jié)消弧裝置的電感量就能夠?qū)⒐收宵c(diǎn)的故障電流控制在10A以下從而達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。另外，消弧裝置能夠像過零電弧熄滅，避免電弧的重燃，從而使得接地電弧徹底熄滅。根據(jù)DL/T 620—《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中的規(guī)定，3-10kV的輸電線路線路構(gòu)成的系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地故障電流大于10 A時，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。[2]另外對于高于10kV但低于66kV高壓電網(wǎng)系統(tǒng)，為了保障供電的可靠性，當(dāng)故障電流大于10 A時尤其要注意消弧裝置的安裝。

另外，通過計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前的脫諧度（如式1）與相關(guān)的設(shè)定值比較，決定是否調(diào)節(jié)消弧裝置的分接頭。

在式（2）中，代表消弧電容電流量，代表消弧電感電流。

3 XHK-Ⅱ型消弧線圈的應(yīng)用

本文以思源電氣XHK-Ⅱ型消弧裝置在廣東電網(wǎng)公司某變電站的應(yīng)用為例，進(jìn)行具體的分析探討。

思源電氣XHK-Ⅱ型消弧裝置是由可調(diào)消弧線圈加小電阻、接地變壓器及其他裝置共同組成。其中，接地變壓器具有功耗小、勵磁阻抗較大、勵磁阻抗

大等諸多優(yōu)點(diǎn)。消弧裝置中的接地變壓器每一相由兩個相等的串聯(lián)繞組組成，鐵芯上每個繞組之間和次級繞組之間的零序磁通為零。對于3—10kV的電網(wǎng)，變壓器的繞組一般采用的是三角形接法，因此需要從消弧裝置中的接地變壓器引出

中性點(diǎn)。對于110kV和220kV電網(wǎng)而言，變壓器的繞組通常采用的是星形接法，變壓器本身就有中性點(diǎn)引出因此不需要使用消弧裝置中的接地變壓器。

電網(wǎng)輸電線路正常運(yùn)行時的等值電路，如圖2。

在圖2中，U1代表中性點(diǎn)電壓，U0代表輸電系統(tǒng)的不對稱電壓，C代表對地等效電容，L代表消弧裝置的電感，R代表輸電回路的電阻。

通過對圖二的分析可知，消弧裝置中的電感量L和不對稱電壓U0有可能會形成諧振回路。當(dāng)系統(tǒng)的對地電容C為固定的情況下，通過調(diào)節(jié)消弧裝置中的電感量L的大小最終能夠組成串聯(lián)諧振回路，此時中性點(diǎn)的電壓U1和輸電回路中的電流同相位，并且U1的數(shù)值將達(dá)到最高值。根據(jù)串聯(lián)諧振原理發(fā)展出角度跟蹤法和最大電壓法兩種對地電容的跟蹤算法。其中，角度跟蹤法的思想是通過調(diào)節(jié)消弧裝置中電感量L是的中性點(diǎn)的電壓的相角和中性點(diǎn)電流的相角相同。最大電壓法的思路是找到和系統(tǒng)電容量C相對應(yīng)的消弧裝置中電感量L，從而使得中性點(diǎn)電壓U1的幅值達(dá)到最大。以上兩種方法對系統(tǒng)對地電容C的測量是比較準(zhǔn)確的，但是這兩種方法容易受到電網(wǎng)中其他測量擾動的影響，并且測量周期比較長，無法對系統(tǒng)的對地電容C進(jìn)行實(shí)時的檢測。

現(xiàn)階段消弧裝置中對L的選擇一般采用的是狀態(tài)參數(shù)法。具體的計(jì)算公式如下：

在上式（3）、（4）中U0代表輸電系統(tǒng)的不對稱電壓，XC代表的是消弧裝置中的電抗量，XL代表的是消弧裝置中電感量。由上式（3）、（4）可以求出R和XC。然后再和控制器中的脫諧度進(jìn)行比較，如果超出了脫諧度的設(shè)定范圍，則通過調(diào)節(jié)消弧裝置中的開關(guān)對電感量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其脫諧度能夠滿足相關(guān)的設(shè)定要求。endprint

下面以廣東電網(wǎng)公司佛山某變電站中性點(diǎn)接消弧裝置為例，進(jìn)行相關(guān)的分析。由參考文獻(xiàn)[3]中的分析可知，該變電站為10kV變電站系統(tǒng)一共分三段，主要是為該地提供10kV電源。由文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)分析可知，變電站對地電容電流為29A遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了國家標(biāo)準(zhǔn)10A的要求，因此必須要安裝相關(guān)消弧裝置。根據(jù)該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，消弧裝置的容量最低要求是227kVA，因此應(yīng)當(dāng)選擇型315kVA的消弧裝置，則裝置中接地變壓器的容量也應(yīng)當(dāng)選擇315kVA型。

4 消弧裝置使用注意事項(xiàng)

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)采用了中性點(diǎn)接消弧裝置后，還需要注意以下幾點(diǎn)問題：

（1）現(xiàn)階段采用消弧裝置的電網(wǎng)系統(tǒng)也安裝了相應(yīng)的故障選線裝置，但是大多數(shù)的消弧裝置和故障選線系統(tǒng)不匹配。消弧裝置的反應(yīng)動作時間一般要短于故障選線裝置的反應(yīng)時間。當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，消弧裝置的反應(yīng)時間一般在30-40ms之間，相關(guān)的裝置在這段時間內(nèi)相繼動作。因此，故障選線裝置必須在此段時間內(nèi)及時的選出故障線路所在相，但是在目前階段一般的選線裝置反應(yīng)動作速度較慢，很難做到30ms內(nèi)進(jìn)行動作選出相應(yīng)的故障相。

針對這個問題，通常情況不能采取延長消弧裝置動作時間的做法，因?yàn)椴扇⊙娱L動作時間會降低諧振過電壓的效果。因此，在選用消弧裝置時最好同時選用該商家的故障選線裝置，從而達(dá)到相互匹配的目的。另外，在選取故障選線裝置時還要選取相匹配的門檻電壓值。一般情況下，消弧裝置的動作電壓為相電壓的40%左右，為了保證選線裝置能夠提前與消弧裝置動作必須使得選線裝置的門檻電壓值低于40%。

（2）對于兩段母線的并聯(lián)運(yùn)行問題，如果兩段母線上同時都安裝有相應(yīng)的消弧裝置和選線裝置，當(dāng)一次供電系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時，兩段母線上的相關(guān)裝置會同時動作切出故障。如果此時，相關(guān)的工作人員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)操作規(guī)范很容易造成操作失誤。因此對于此種問題相關(guān)的操作人員要認(rèn)真對待正確的分析和判斷。

（3）對于含有高能限壓電阻的消弧裝置，應(yīng)當(dāng)合理的選取它的電阻容量。和變電站的設(shè)計(jì)思路相類似，在選取消弧裝置的容量時要留出一定的裕量。該類消弧裝置的電流容量一般不會超過80A。在選擇消弧裝置電流容量時應(yīng)當(dāng)考慮配網(wǎng)系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式下的電容電流。對于運(yùn)行中的消弧裝置，當(dāng)系統(tǒng)的容量快速增大接近消弧裝置的電流容量時，應(yīng)當(dāng)及時更換更大容量的高能限壓電阻。

結(jié)語

由上文的分析可知，隨著電力系統(tǒng)輸電線路容量的快速增長，一旦發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)的故障電弧不容易及時的熄滅，而中性點(diǎn)接消弧裝置能夠有效的解決該問題，因此消弧裝置對于保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要的意義。本文對消弧裝置的消弧原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討，希望能夠?qū)窈笙⊙b置的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]尹曉霞.消弧裝置在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的運(yùn)用[J].人民長江，2009（06）.

[2]王雙棉，崔立新. 淺談自動調(diào)諧消弧裝置在電力系統(tǒng)中的作用[J].黑龍江科技，2013（08）.endprint

下面以廣東電網(wǎng)公司佛山某變電站中性點(diǎn)接消弧裝置為例，進(jìn)行相關(guān)的分析。由參考文獻(xiàn)[3]中的分析可知，該變電站為10kV變電站系統(tǒng)一共分三段，主要是為該地提供10kV電源。由文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)分析可知，變電站對地電容電流為29A遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了國家標(biāo)準(zhǔn)10A的要求，因此必須要安裝相關(guān)消弧裝置。根據(jù)該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，消弧裝置的容量最低要求是227kVA，因此應(yīng)當(dāng)選擇型315kVA的消弧裝置，則裝置中接地變壓器的容量也應(yīng)當(dāng)選擇315kVA型。

4 消弧裝置使用注意事項(xiàng)

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)采用了中性點(diǎn)接消弧裝置后，還需要注意以下幾點(diǎn)問題：

（1）現(xiàn)階段采用消弧裝置的電網(wǎng)系統(tǒng)也安裝了相應(yīng)的故障選線裝置，但是大多數(shù)的消弧裝置和故障選線系統(tǒng)不匹配。消弧裝置的反應(yīng)動作時間一般要短于故障選線裝置的反應(yīng)時間。當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，消弧裝置的反應(yīng)時間一般在30-40ms之間，相關(guān)的裝置在這段時間內(nèi)相繼動作。因此，故障選線裝置必須在此段時間內(nèi)及時的選出故障線路所在相，但是在目前階段一般的選線裝置反應(yīng)動作速度較慢，很難做到30ms內(nèi)進(jìn)行動作選出相應(yīng)的故障相。

針對這個問題，通常情況不能采取延長消弧裝置動作時間的做法，因?yàn)椴扇⊙娱L動作時間會降低諧振過電壓的效果。因此，在選用消弧裝置時最好同時選用該商家的故障選線裝置，從而達(dá)到相互匹配的目的。另外，在選取故障選線裝置時還要選取相匹配的門檻電壓值。一般情況下，消弧裝置的動作電壓為相電壓的40%左右，為了保證選線裝置能夠提前與消弧裝置動作必須使得選線裝置的門檻電壓值低于40%。

（2）對于兩段母線的并聯(lián)運(yùn)行問題，如果兩段母線上同時都安裝有相應(yīng)的消弧裝置和選線裝置，當(dāng)一次供電系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時，兩段母線上的相關(guān)裝置會同時動作切出故障。如果此時，相關(guān)的工作人員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)操作規(guī)范很容易造成操作失誤。因此對于此種問題相關(guān)的操作人員要認(rèn)真對待正確的分析和判斷。

（3）對于含有高能限壓電阻的消弧裝置，應(yīng)當(dāng)合理的選取它的電阻容量。和變電站的設(shè)計(jì)思路相類似，在選取消弧裝置的容量時要留出一定的裕量。該類消弧裝置的電流容量一般不會超過80A。在選擇消弧裝置電流容量時應(yīng)當(dāng)考慮配網(wǎng)系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式下的電容電流。對于運(yùn)行中的消弧裝置，當(dāng)系統(tǒng)的容量快速增大接近消弧裝置的電流容量時，應(yīng)當(dāng)及時更換更大容量的高能限壓電阻。

結(jié)語

由上文的分析可知，隨著電力系統(tǒng)輸電線路容量的快速增長，一旦發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)的故障電弧不容易及時的熄滅，而中性點(diǎn)接消弧裝置能夠有效的解決該問題，因此消弧裝置對于保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要的意義。本文對消弧裝置的消弧原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討，希望能夠?qū)窈笙⊙b置的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]尹曉霞.消弧裝置在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的運(yùn)用[J].人民長江，2009（06）.

[2]王雙棉，崔立新. 淺談自動調(diào)諧消弧裝置在電力系統(tǒng)中的作用[J].黑龍江科技，2013（08）.endprint

下面以廣東電網(wǎng)公司佛山某變電站中性點(diǎn)接消弧裝置為例，進(jìn)行相關(guān)的分析。由參考文獻(xiàn)[3]中的分析可知，該變電站為10kV變電站系統(tǒng)一共分三段，主要是為該地提供10kV電源。由文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)分析可知，變電站對地電容電流為29A遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了國家標(biāo)準(zhǔn)10A的要求，因此必須要安裝相關(guān)消弧裝置。根據(jù)該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，消弧裝置的容量最低要求是227kVA，因此應(yīng)當(dāng)選擇型315kVA的消弧裝置，則裝置中接地變壓器的容量也應(yīng)當(dāng)選擇315kVA型。

4 消弧裝置使用注意事項(xiàng)

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)采用了中性點(diǎn)接消弧裝置后，還需要注意以下幾點(diǎn)問題：

（1）現(xiàn)階段采用消弧裝置的電網(wǎng)系統(tǒng)也安裝了相應(yīng)的故障選線裝置，但是大多數(shù)的消弧裝置和故障選線系統(tǒng)不匹配。消弧裝置的反應(yīng)動作時間一般要短于故障選線裝置的反應(yīng)時間。當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，消弧裝置的反應(yīng)時間一般在30-40ms之間，相關(guān)的裝置在這段時間內(nèi)相繼動作。因此，故障選線裝置必須在此段時間內(nèi)及時的選出故障線路所在相，但是在目前階段一般的選線裝置反應(yīng)動作速度較慢，很難做到30ms內(nèi)進(jìn)行動作選出相應(yīng)的故障相。

針對這個問題，通常情況不能采取延長消弧裝置動作時間的做法，因?yàn)椴扇⊙娱L動作時間會降低諧振過電壓的效果。因此，在選用消弧裝置時最好同時選用該商家的故障選線裝置，從而達(dá)到相互匹配的目的。另外，在選取故障選線裝置時還要選取相匹配的門檻電壓值。一般情況下，消弧裝置的動作電壓為相電壓的40%左右，為了保證選線裝置能夠提前與消弧裝置動作必須使得選線裝置的門檻電壓值低于40%。

（2）對于兩段母線的并聯(lián)運(yùn)行問題，如果兩段母線上同時都安裝有相應(yīng)的消弧裝置和選線裝置，當(dāng)一次供電系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時，兩段母線上的相關(guān)裝置會同時動作切出故障。如果此時，相關(guān)的工作人員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)操作規(guī)范很容易造成操作失誤。因此對于此種問題相關(guān)的操作人員要認(rèn)真對待正確的分析和判斷。

（3）對于含有高能限壓電阻的消弧裝置，應(yīng)當(dāng)合理的選取它的電阻容量。和變電站的設(shè)計(jì)思路相類似，在選取消弧裝置的容量時要留出一定的裕量。該類消弧裝置的電流容量一般不會超過80A。在選擇消弧裝置電流容量時應(yīng)當(dāng)考慮配網(wǎng)系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式下的電容電流。對于運(yùn)行中的消弧裝置，當(dāng)系統(tǒng)的容量快速增大接近消弧裝置的電流容量時，應(yīng)當(dāng)及時更換更大容量的高能限壓電阻。

結(jié)語

由上文的分析可知，隨著電力系統(tǒng)輸電線路容量的快速增長，一旦發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)的故障電弧不容易及時的熄滅，而中性點(diǎn)接消弧裝置能夠有效的解決該問題，因此消弧裝置對于保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要的意義。本文對消弧裝置的消弧原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討，希望能夠?qū)窈笙⊙b置的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]尹曉霞.消弧裝置在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的運(yùn)用[J].人民長江，2009（06）.

[2]王雙棉，崔立新. 淺談自動調(diào)諧消弧裝置在電力系統(tǒng)中的作用[J].黑龍江科技，2013（08）.endprint