變電站消弧線圈增容改造方案分析

關鍵詞：消弧線圈；中性點；增容改造

中圖分類號：TM475 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0072-04

DOl：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.019

0 引言

廊坊電網中 110kV 及以上變電站的低壓側均采用的是中性點經消弧線圈接地運行方式。隨著 10kV 電纜出線的不斷增加，電容電流也逐漸增大，直接導致站內安裝的消弧線圈容量不足。2023年，廊坊供電公司先后對安錦、大學城、王常甫、董常甫等變電站進行電容電流測量，消弧線圈都在最高檔位或接近最高檔位運行，其中董常甫257、王常甫247和257、大學城257消弧線圈容量已經嚴重不足。

如果 10kV 電網發生單相接地故障，故障點電流將是系統非故障相電容電流和消弧線圈電流之和，由于電容電流不容易熄滅，若消弧線圈無法滿足過補償要求，則容易引起間歇性弧光過電壓，造成電纜線路絕緣損壞，由單相接地轉為相間故障，威脅配電網運行安全[]。

消弧線圈容量不足最好的解決方案就是更換容量更大的設備，但又會造成原有消弧線圈的浪費，經濟成本較高[2]。林海等人[3]提出在出線末端采用分散補償的方式，即在用戶側加裝消弧線圈，補償接地電容電流，取得較好效果，但是用戶站不屬于變電檢修中心管轄范圍，方案實行需要多方協調配合。

針對設備成本及管轄范圍的限制，參考各種中性點接地方式的優勢，本文提出兩種改造方案，并分別進行詳細分析，最后給出適用場景。

1中性點接地方式介紹

1.1 中性點不接地系統

中性點不接地系統中發生單相接地故障時，接地相電壓和電容電流均會降為零，同時中性點電位也會發生偏移，如圖1所示。

圖1中性點不接地系統

以C相接地為例，中性點對地電壓 U₀ 、C相電源電壓 U_c 和C相對地電壓 U_c0 關系為：

U₀+U_C=U_C0=0

由式（1）可知， U₀=-U_C， 中性點對地電位升高為相電壓，在圖1（b）的相位圖中向 U_c 的反方向偏移。根據相量圖也可計算出，A、B兩相對地電壓 U_A0，U_B0 分別為：

由式（2）（3）可得，未故障相對地電位升高為 倍相電壓，對地電容電流也隨之升高 倍。但相間電壓未發生變化，三相仍然對稱，可帶故障繼續運行。同時通過接地點的電容電流為非故障相之和，即：

式中： I_k?I_A?I_B 分別為故障后的故障點電流、A相和B相電容電流； 分別為故障前三相電容電流。

容性故障電流不易熄滅，反復復燃會造成弧光過電壓，引起電壓互感器鐵磁諧振、電纜接頭絕緣損壞（容易引起相間故障）等，嚴重威脅設備安全運行，甚至造成事故范圍擴大。

1.2 中性點經消弧線圈接地系統

經消弧線圈接地系統如圖2所示。

圖2經消弧線圈接地系統

GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》3.1.3條規定，對于架空線路或電纜系統，如果電容電流大于10A又需要在接地故障條件下持續運行，可以采用中性點諧振接地運行方式（經消弧線圈接地）。相對于不接地運行方式，系統發生單相接地時，消弧線圈的感性電流與系統的容性故障電流在接地故障點處矢量相加，使故障點的殘余電流限制在不能燃弧的低水平上，消弧線圈補償的作用降低了故障相恢復電壓上升的速度和幅值。補償效果決定于消弧線圈感抗大小[4]。

1.3 中性點經小電阻接地系統

將圖2中的消弧線圈更換為阻值不大于 20Ω 的電阻，就構成小電阻接地系統。采用小電阻接地，主要是因為經消弧線圈接地系統的故障選線功能準確率比較低，運行部門只能與調度配合，通過逐條線路試拉合的原始方法查找接地，增加了查找故障線路的難度，延長了系統的故障運行時間，對系統安全造成威脅。

發生接地故障后，小電阻接地系統通過零序保護快速切除故障線路，同時該電阻與系統對地電容構成并聯回路，電阻的耗能特性使它成為電容電荷釋放元件，電阻同時也起到防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓的作用。其不足之處在于，當發生單相接地故障時，無論是永久性故障還是瞬時性故障，均切除故障線路，跳閘次數大大增加，影響了對用戶的正常供電，供電可靠性降低。

2 增容改造方案

為緩和廊坊地區消弧線圈容量嚴重不足的緊迫形勢，并最大可能利用現有資源，本文提出以下兩種解決方案。

2.1 消弧線圈并聯小電阻

該裝置在原有的消弧線圈基礎上，并聯一個小電阻，構成靈活接地系統，如圖3所示。一次裝置不需要其他改動，如圖4所示，對控制系統改動也不大。

若發生瞬時性接地故障，故障將很快消失，靈活接地控制器不會控制智能電阻投入，系統迅速恢復為正常運行狀態，整個過程不會跳閘停電；若延時 t_d 時間（例如3s），接地故障仍不消失，可以認為發生了永久性接地故障，此時，投入智能電阻，配合繼保裝置切除故障線路。在整個操作過程中，系統實時監控中性點的運行狀態，若中性點電壓恢復正常，說明動作正常，故障線路已經跳閘，控制裝置自動切除智能電阻，系統恢復到正常運行狀態；若中性點電壓依然很高，則認為系統跳閘異常，故障線路未跳閘，控制裝置切除智能電阻，同時輸出異常告警。

靈活接地裝置綜合了消弧線圈接地與小電阻接地的優點，但是該方案也具有如下不足：

圖3消弧線圈并聯小電阻系統

圖4一次裝置改造圖

1靈活接地裝置的初衷是瞬時故障由消弧線圈補償，永久性故障由小電阻補償，二者互補。但如果消弧線圈容量嚴重不足，對于瞬時故障，由于電容電流較大，也會產生弧光過電壓。為彌補這一點，就需要縮短智能電阻投入時間 t_d ，確保故障線路及時切除。這樣一來，對于線路瞬時故障，也可能造成故障切除，影響系統可靠性。

2）需要對保護裝置進行改造。出線沒有零序CT需要增加零序CT，已經安裝的零序CT需要檢查變比是否合適。同時，需要核對保護裝置是否有零序保護，該裝置需要零序保護跳閘。

2.2 站內分散補償

該方案就是在站內再增加一個或多個固定容量的消弧線圈，如圖5所示。例如當前電容電流 300A 現有消弧線圈補償范圍 100～250A ，此時可以增加固定補償200A的消弧線圈，相當于系統電容電流降低到 100A ，現有消弧線圈可以完全滿足要求。該方案中，固定容量消弧線圈長期投入運行，可以與現有消弧線圈通過電纜并聯至接地變中性點，使用同一個開關柜。只需要更換一個開關柜內電流互感器，不需要對線路保護裝置進行改造。

圖5分散補償方案圖

新的成套裝置相當于給系統并聯一個電抗器，不需要考慮阻尼電阻、并聯中電阻、接地變二次帶負荷問題，所以裝置體積小，在現有站內空間可以安裝。同時，相對于增加一個大容量消弧線圈，成本較低。

與并聯小電阻方案相比，站內分散補償可能涉及接地變容量問題5。因為接地變需要與消弧線圈容量相配合，靈活接地裝置之所以不考慮接地變容量，是因為小電阻投入時，消弧線圈相當于被短接，只要小電阻與接地變容量匹配即可。而對于該方案，接地變本來與現有消弧線圈容量匹配，如果增加長期投入的固定容量消弧線圈與之并聯，接地變容量可能存在不足。

3 總結及建議

本文從解決廊坊地區消弧線圈容量不足的實際問題出發，在深入分析不同中性點接地方式特點的基礎上，提出兩種解決方案。其中并聯小電阻方案能充分利用兩種接地方式的優勢，不需要額外占用空間，但需要對保護系統進行改造，適用于出線已裝有零序CT且消弧線圈容量缺額較小的場景。而分散補償方案不需要對保護裝置進行改動，投入成本較低，但可能會涉及接地變容量不匹配問題，適用于站內空間相對充裕且消弧線圈容量缺額較大的場景。從長遠角度來看，廊坊地區配電網規模進一步擴大是必然趨勢，因此建議采用分散補償為主、并聯小電阻方案為輔的策略，這樣更符合長遠利益。

[參考文獻]

[1]周躍.110kV變電站低壓系統電容電流計算及消弧線圈配置[J].電工電氣，2015（11）：62-64.

[2]郭紅梅.自動調諧消弧線圈容量不足的改進方法[J].企業技術開發，2013，32（18）：1-2.

[3]林海，梁志瑞.消弧線圈分散補償單相接地故障運行特性分析[J].電測與儀表，2018，55（17）：27-31.

[4]嚴倚天，趙志剛，嚴浩軍.中壓配電網消弧線圈分布式補償的仿真研究[J].浙江電力，2018，37（3）：42-47.

[5]侯義明.變電站消弧線圈大容量改造方案幾個問題的商榷[J].供用電，2016，33（1）：72-75.

收稿日期：2025-04-29作者簡介：張華（1984一），男，河北文安人，高級工程師，研究方向：設備狀態監測。