小电流接地系统消弧线圈调谐方式的存在问题分析

慕娇娇，陈球武，陈凯，肖遥，张进龙

(广西大学电气学院，广西 南宁 530004)

1 引言

电力网中性点接地方式，与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、系统供电可靠性和连续性等有关，主要有中性点直接接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经高电阻接地等4种方式。当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。理想的消弧线圈在正常运行时，能实时监测电网单相接地电流的大小，此时消弧线圈的电抗值很大，相当于中性点不接地系统。在发生单相接地故障时，能在极短时间内调节电抗值，使接地点残流基波无功分量为零［1］。

2 消弧线圈的作用

消弧线圈接在中性点与大地之间。中性点绝缘时，如果系统发生单相故障，接地相电压降为零，非故障相电压上升为线电压，而中性点对地电压升高至相电压，这就使得中性点产生了一个位移电压，这时在中性点接入一个电感线圈，在位移电压的作用下会使电感线圈中流过感性电流，这个感性电流经过大地与故障点的容性电流交汇，提供一个电感电流IL补偿接地电容电流Ic，大大减小了故障点的电流，使接地电流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到自动熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确地调谐时，不仅可以有效地减少产生弧光接地的几率，同时也最大限度地减少了故障点热破坏作用及接地过电压等，对于故障点电弧的自熄以及系统的安全运行都有很大的作用［2－4］。

3 单相接地故障暂态分析—谐振电流回路

为了计算故障点的残流，利用戴维南定律可以从图1中得出计算中性点经消弧线圈接地系统发生A相接地时残流的等值电路(又称电流谐振回路)［5，6］，C0为电网三相对地的总分布电容，L为消弧线圈的电感，R为接地点的过渡电阻。

图1 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的等值图

图2 电流谐振回路

图2中为中性点经消弧线圈接地系统的中性点偏移电压为发生单相接地后残留的有功分量，为电网三相总地接地电容电流，为消弧线圈提供地电感电流，;d为中性点经消弧线圈接地系统的阻尼率，，通常用百分数来表示。v为消弧线圈的脱谐度，，也用百分数来表示。

消弧线圈的脱谐度v可以用上式表示，采用百分比的形式。通过上式可以看出，消弧线圈可以显著降低接地点的故障电流，使得接地电弧比较容易自熄，消弧线圈可以运行在以下三种方式［5－7］:

(1)欠补偿(v＞0)。当电流谐振电路处于欠补偿状态时，因v＞0，IC＞IL，此时残流Iδ中不仅含有有功分量，同时还含有一定的无功电容电流分量。残流的大小比全补偿时大，其相位超前于。如果消弧线圈运行在欠补偿的方式下，当线路由于故障被切除或者某一相缺失的情况下，配电网总的电容电流将减小，消弧线圈很可能从欠补偿过渡到全补偿状态也会造成谐振。

(2)全补偿(v=0)。当电流谐振电路恰好处于谐振点时，因v=0，IC=IL，此时消弧线圈的电感电流和配电网的电容电流大小相等，相位相反，相互抵消，故Iδ=IR，即残流中仅含有功电流，其相位与零序电压相同。消弧线圈运行在全补偿的状态，故障点电流接近于零达到最小，但是在这种补偿度方式下可能会造成谐振，产生过电压。

(3)过补偿(v＜0)。当电流谐振电路处于过补偿状态时，因v＜0，IC＜IL，此时中不仅含有有功分量，同时还含有一定的无功电感电流分量。残流值同样明显增大，其相位滞后于。

配电网正常运行时，消弧线圈工作在脱谐状态。当出现单相接地后，故障发生时再通过快速的自动跟踪补偿系统迅速调整到全补偿点上以实现接地电流最小，故障点电弧熄灭，自动消除瞬时性故障，降低永久性故障的危害。优点是正常运行时中性点偏移电压较低，它可完全避免谐振，无需阻尼电阻。但缺点是该类消弧线圈在系统发生单相接地之后才启动调谐，势必导致在接地发生后到调至谐振状态前的这段时间内接地点的故障电流仍较大，有可能在消弧之前己经把绝缘烧毁，导致瞬时性的故障转化为永久性故障。因此消弧线圈的脱谐度应该根据系统运行方式的变化来调整，达到合理的补偿效果。

4 单相接地故障暂态分析

中性点通过消弧线圈接地运行方式的配电网发生单相接地故障时，依据工频熄弧原理，非故障相和故障相都会产生间歇性的弧光过电压。设故障相电源电压达到最大值为［8］。

故障相的过电压可表示:

非故电压可障相产生的可表示为:

经消弧线圈接地的谐振接地过程具有很强的暂态分量和暂态特性，谐振接地发生单相接地故障时，故障点流过的暂态电流是由电感性暂态电流和电容性暂态电流构成的。两者的频率和幅值都不相同，所以不会在暂态过程中相互补偿而变为零，进而使暂态接地电流的幅值增大

5 消弧线圈的展望

(1)在电网正常运行情况下，为了满足正常中心点位移电压不超过某一极限的要求而不得不将消弧线圈的脱谐度整定在较大的数值，使接地残流加大，补偿效果降低。

(2)在电网出现单相接地后，消弧线圈发挥有利作用并且脱谐度越小效果越好，最好是全补偿，但完全补偿时，却是电感和三相对地电容发生交流串联谐振的条件。

从上面可以得出正常和故障两种情况存在相对的矛盾［9，10］。现有的方法是采用增大电网阻尼率d的方法，即消弧线圈并联或串联电阻接地方案，这种方案在生产实践中发挥了有益的作用，但是增大必然造成接地残流增大。另外，附加大容量的电阻从设计到制造安装维护都有一定的困难。而且现有的消弧线圈在结构上和调谐控制方式上均存在对熄弧不利的因素。

基于现代微电子科学和电力电子技术的发展，要想实现动态补偿方案。设想一种快速可调的消弧线圈，正常运行时置于距离谐振点不远的一个过补偿点位置处，这样发生单相接地故障时，因为此时接地故障残流己经得到有效的补偿，因此即使消弧线圈不作任何调整，也能自动消除系统中发生的大部分电弧接地故障，消弧线圈对于接地故障的响应时间为0s;而对于少数不能被消除的电弧接地故障，则将具有快速响应特性的消弧线圈迅速调整到谐振点，使其彻底熄灭。我们称消弧线圈的这种调谐控制方式为“预随调式”。

采取这种控制策略的消弧线圈在电网正常运行时，消弧线圈不在谐振点，不会引起中性点位移过电压，不用串联或并联阻尼电阻，避免了在电网一次回路中串联或并联电阻带来的一系列问题，而且由于消弧线圈在故障发生的瞬间起到了有效的补偿作用，提高了故障瞬间的熄弧能力;快速可调节的消弧线圈在故障后能够迅速的向谐振点移动，这使得消弧线圈的熄弧能力大大提高。

6 结论

随着我国电力事业的迅猛发展，小电流接地系统中性点应用消弧线圈能够起到很好地保护作用，降低了单相接地故障地破坏程度。但是消弧线圈的自动跟踪调节功能还应该深入研究，消弧线圈的脱谐度应能够自动跟踪电网电容电流的变化而调整，并使之快速可连续调节，充分发挥其补偿功能，今后需要以此为理论依据做进一步地实验研究。

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