消弧线圈的工作原理 李天林

我国的高压电力系统的中性点运行方式分为中性点直接接地（又称为大电流接地系统）和中性点不直接接地（又称小电流接地系统）两大类，后者又分为中性点不接地和经消弧线卷接地两种，他们在发生单相接地时，由于线电压可以保持不变，系统一般仍可以维持一段时间的运行，但是接地点将流过整个系统的对地电容电流（零序电流），该电流的大小取决于系统的总的各相对地电容的大小，如该电流大则接地点产生的电弧也大，对系统的安全远行有较大的潜在危险，因此在系统的中性点串上一个电感（消弧线圈）起到限制该电流的作用，根据接地电流的大小，选择不同的电感值，可以使接地点的接地电流限制在一个较小的数值，以前没有自动跟踪补偿的时候，该电感选择可以采用过补偿和欠补偿运行方式，现在已经有很多自动跟踪补偿的设备产品可选用。该问题在一般的电力系统分析和工厂供电书籍中均有叙述分析可参考

消弧线圈主要是由带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成，它们被放在充满变压器油的油箱内。绕组的电阻很小，电抗很大。消弧线圈的电感可用改变接入绕组的匝数加以调节。在正常运行状态下，由于系统中性点的电压是三相不对称电压，数值很小，所以通过消弧线圈的电流也很小，电弧可能自动熄灭。

一般采用过补偿方式，就是电感电流略大于电容电流

消弧线圈是一种带铁芯的电感线圈。它接于变压器（或发电机）的中性点与大地之间，构成消弧线圈接地系统。正常运行时，消弧线圈中无电流通过。而当电网受到雷击或发生单相电弧性接地时，中性点电位将上升到相电压，这时流经消弧线圈的电感性电流与单相接地的电容性故障电流相互抵消，使故障电流得到补偿，补偿后的残余电流变得很小，不足以维持电弧，从而自行熄灭。这样，就可使接地迅速消除而不致引起过电压。

消弧线圈自动补偿的应用

李天林

（四川大学电气信息学院，四川成都610016）

摘要：主要介绍在小接地电流系统中，使用消弧线圈对系统电容电流进行自动补偿的方法，特别是近期推广应用的微机控制的消弧线圈自动补偿装置的原理、接线及使用情况。

关键词：小接地电流系统；消弧线圈；自动补偿

采用中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，当某一相发生接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小得多，所以称这种系统为小接地电流系统。介绍的消弧线圈自动补偿装置，主要用于中性点不接地的10 kV 系统。10 kV系统发生单相接地故障时，接地电流通过出线的对地电容形成回路。

所以，当电网发展到一定规模，10kV出线总长度增加，对地电容较大时，单相接地电流就不容忽视。电网运行经验表明，当单相接地电流大于10 A时，电弧就会使故障发展成相间故障，造成事故跳闸。目前，根据计算和实测结果，成都地区多数变电站的10 kV系统单相接地电流都远大于10 A，所以减少单相接地的电容性电流已成为保证供电可靠性的一个重要课题。运用消弧线圈补偿容性电流，是成熟的常用方法，但固定补偿或人工调节分接头的方法显然不能很好地满足系统要求。近年来，随着计算机技术的迅速发展，应用微机控制进行消弧线圈自动补偿已成为新趋势。

1 解决方案

1．1系统接线

利用消弧线圈补偿容性电流，就是用消弧线圈流入接地弧道的电感性电流抵消经健全相流入该处的容性电流。消弧线圈的作用有两个，一是大大减小故障点接地电流；二是减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度。消弧线圈应接于系统中性点上。变电站主变压器10 kV侧采用的是三角形接线，10 kV系统是没有中性点的，解决的办法是将消弧线圈接在星形接线的10 kV站用接地变压器中性点上。这样，系统零序网络等效于由对地电容和消弧线圈构成的LC串联电路。为避免LC串联电路发生谐振，产生过电压，消弧线圈还串联或并联有阻尼电阻，保证中性点的位移电压Un小于15％相电压。当系统发生单相接地时，中性点流过很大电流，此时必须将阻尼电阻短接或断开。另外，接地变中性点上还装有测中性点电压Un的TV及测中性点电流的TA。

1．2 装置原理

目前，此类装置产品较多，但其原理接近，结构类似，通常的构成情况如图1所示。

中央处理机通常采用处理能力强，可靠性高的工控机，配有相关外围接口设备。提供与综合自动化设备接口，支持定值及实时状态调显。装置需要采集的模拟量及开关量主要包括接地变中性点电压及电流；消弧线圈档位、并列运行接点等。装置的主要功能是根据采集到的中性点电压及电流，通过调节消弧线圈档位、投切阻尼电阻等控制手段，在系统正常运行或接地时对电容电流进行适当补偿。

补偿的两个最重要的指标为：脱谐度v及接地残流Ig。其中，v＝（IC－IL）

／IC，由装置实时计算得到。脱谐度决定了一是弧道中的残余电流；二是恢复电压上升到最大值的时间；三是恢复电压的上升速度，它是影响灭弧的主要因素。根据运行经验及有关规定，最小脱谐度应小于5％，最小残流值应小于5 A。通常脱谐度和残流范围可在装置上整定。

2 重要问题

1）根据系统实际情况，选取适合的有载调节消弧线圈。首先，要根据系统电容电流大小来决定消弧线圈的补偿范围，即容量。如果消弧线圈在最大补偿电流档位运行，脱谐度仍大于5％，说明消弧线圈的容量已不能满足要求。其次，要确定消弧线圈的调节步长，即分接头数。从理论上讲，最好是连续可调的消弧线圈。但由于技术方面的原因，使用带分接头的调匝式消弧线圈更为常见。分接头的多少决定着可以达到的最小脱谐度，所以可以根据脱谐度指标确定分接头总数：N＝1＋ln（Imax／Imin）／ln（1＋2v）。Imax和Imin分别为消弧线圈分接头对应的最大及最小电流。

2）两台接地变并列运行。通常一个变电站的两台接地变接在两段母线上，装置应对其并列和分列两种情况予以考虑。并列运行时应同时调节两台消弧线圈，取得适当补偿，并保证两个中性点的一致性。目前，一些厂家生产的装置在这方面尚待改进。

消弧线圈的工作原理是利用流经故障点的电感电流和电容电流相位差为180°，补偿电容电流减小流经故障点电流，来达到消弧的目的。消弧线圈全补偿的电感L整定值满足：

ωL＝1／3ωC

其中，L为消弧线圈的电感，C为线路对地电容与相间电容之和，ω为工频角频率

过补偿ωL<1／3ωC

欠补偿ωL>1／3ωC

线路对地电容C单位是微法，因此消弧线圈的电感单位是亨。

利用消弧线圈补偿容性电流，就是用消弧线圈流入接地弧道的电感性电流抵消经健全相流入该处的容性电流。消弧线圈的作用有两个，一是大大减小故障点接地电流；二是减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度。消弧线圈应接于系统中性点上。变电站主变压器10 kV 侧采用的是三角形接线，10 kV系统是没有中性点的，解决的办法是将消弧线圈接在星形接线的10 kV站用接地变压器中性点上。这样，系统零序网络等效于由对地电容和消弧线圈构成的LC串联电路。为避免LC串联电路发生谐振，产生过电压，消弧线圈还串联或并联有阻尼电阻，保证中性点的位移电压Un小于15％相电压。当系统发生单相接地时，中性点流过很大电流，此时必须将阻尼电阻短接或断开。另外，接地变中性点上还装有测中性点电压Un的TV及测中性点电流的TA。

从50年代开始，我国在小电流中性点不接地的35kV系统中采用经消弧线圈接地方式，这对于雷雨季节中减少事故跳闸次数是很有效的。以后又开始将消弧线圈应用到6、10kV系

统，并取得了一定的经验。但以前普遍采用的是固定式或手动调匝式消弧线圈，随着电力系统的发展，这种老式的消弧线圈接地补偿系统已暴露出不少问题。

(1)调节不方便：因消弧线圈采用手动调匝方式，只能依据人工计算数据和实际一次性测量数据来进行调节，当电网参数变化后，需要进行倒闸操作，停下消弧线圈调整其分接头的位置，既费工又影响安全。

(2)由于其自身固有的特点，在电网中只能运行在过补偿状态，当电网发生了事故，掉闸后重合，参数变化时，脱谐度无法控制，以致往往运行在不允许的脱谐度之下，造成中性点过电压，三相电压对称遭到破坏。

(3)弧光过电压的倍数较高，国内外研究证明，消弧线圈抑制弧光过电压的效果与脱谐度大小有关，只有其脱谐度不超过±5%才能把过电压的水平限制到2.6倍相电压以下。对于老式消弧线圈系统，考虑到躲过全补偿的范围，所以脱谐度取得保守一点，一般都要达到15.25%左右甚至更大，这样消弧线圈抑制弧光过电压的效果就很差，几乎和不接地系统一样。(4)若在欠补偿状态下运行，遇到断线时易产生严重的谐振过电压现象，这种过电压对网络绝缘所表现的危害比由电弧接地过电压所产生的更大。

因此，这种老式消弧线圈已经不再应用。取而代之的是自动跟踪补偿装置。

自动跟踪补偿装置利用微机技术进行实时测量电网中的电压、电流，据此计算电网的实时电容电流，控制调节消弧线圈电抗值，以达到最佳补偿状态。目前我国自动跟踪补偿装置分为两种模式：随动式补偿系统和动态补偿系统。自动补偿的消弧线圈主要有三种类型：(1)调隙式；(2)调匝式；(3)偏磁式。

(1)调隙式：

调隙式属于随动式补偿系统，其消弧线圈为动芯式结构。通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的，其调整只能在低电压或无电压的情况下进行，在实际运行中由于机械的惯性和电机的控制精度问题，调节精度相对较差。此外，其工作噪音大，由于动芯式消弧线圈的调节主要靠机械连动，当施加高压后振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内部将会出现松动现象，可靠性相对铰低。

(2)调匝式：

该类装置属于随动式补偿系统，它同调隙式的唯一区别是将动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代。这种消弧线圈一般可利用原有的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的。与调隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但缺点是牺牲了补偿效果，不能连续调节，只能离散地分档调节。

以上两种类型的装置在电网的电容电流发生变化时，通过控制装置调节消弧线圈的电感值，使消弧线圈接近全补偿状态，其脱谐度在±5%范围。为了避免出现过高的串联谐振过电压，在消弧线圈接地回路串接了阻尼电阻，将稳态谐振过电压限制到允许的范围内。由于电阻的功率限制，在出现接地故障后必须迅速切除，这样对于暂态谐振过电压并没有得到彻底消除。

(3)偏磁式：

该装置属于动态式补偿系统，其消弧线圈是利用外加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻从而达到改变消弧线圈电抗值的目的。可实现连续调节，全静态结构，调节范围大，调节速度快。在正常运行方式下，不施加励磁电流，将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态，脱谐度约为15%。由于采用避开谐振点的动态补偿方式，也就不必采取限制串联谐振过电压的方法。当电网发生单相接地后，瞬间(约20ms)调节消弧线圈实施最佳补偿。但缺点是存在需补加直流电流问题。