宁夏电网消弧线圈配置合理性评价

吴旭涛，邢　琳，樊庆龄，黄颜萍

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川　750011；2.国网河北省电力公司经济技术研究院，河北石家庄　056002；3.河南经纬电力设计院，河南郑州 450000）

宁夏电网已安装的消弧线圈投运率明显偏低，离线调档式消弧线圈投运率不足30%，自动跟踪补偿消弧线圈的投运率也不到40%，导致了大量设备的闲置和不必要的浪费。此外，一些变电站虽然装设了消弧线圈，消弧线圈也正常地投入了运行，但因系统单相接地引发的相间短路事故依然时有发生，消弧线圈的投入并未发挥应有的作用。

1　研究现状及需要解决的问题

1.1　消弧线圈配置原则

根据文献［1-2］ ，消弧线圈是一个铁心有气隙的电感，接在中性点与地之间，如图1所示，其伏安特性相对来说不易饱和。当系统发生单相接地时，接地电流的计算见式（1）。

图1　安装了消弧线圈的中性点非有效接地系统

图1中，EC为发生单相接地前，接地点对地电位；Ijd为单相接地电流；C11、C12、C13为系统各相对地电容；L为消弧线圈的电感。

当电感L按式（2）所示的完全调谐选取时，接地的电容电流分量完全被消弧线圈的电感电流所补偿，即Ijd将减小为零，接地电流就会熄灭。

为避免中性点电位显著上升，造成系统三相对地电压产生较大的偏移，在实际的消弧线圈选择中，总是将L值选择的与式（2）所示的完全调谐有所差别，而用式（3）的脱谐度表示脱离谐调的程度。

式中：Ib—消弧线圈的补偿电流；

IC—系统对地的电容电流。根据文献［3］ ，消弧线圈接地系统，在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%；消弧线圈接地系统故障点的残余电流不宜超过10 A，必要时可将系统分区运行。

为防止电网中有一条线路跳闸时，或当线路非全相运行时，或U0偶然升高导致消弧线圈饱和而至L值变小时，系统接近谐振状态而产生严重的中性点位移，因此文献［1］ 规定，消弧线圈宜采用过补偿运行方式。

此外对于消弧线圈的应用，文献［1］ 要求，消弧线圈的容量应根据系统5-10年的发展规划确定，其计算应按式（4）进行。

式中：W—消弧线圈的容量，kVA；

Un—系统标称电压，A。

对于消弧线圈装设地点的配置，文献［3］ 还要求：应保证系统在任何运行方式下，断开一、二回线路时，大部分不致失去补偿。不宜将多台消弧线圈集中安装在系统中的一处。接于YN，d接线的双绕组或YN，yn，d接线的三绕组变压器中性点上的消弧线圈容量，不应超过变压器三相总容量的50%，并不得大于三绕组变压器的任一绕组的容量。如需将消弧线圈接于YN，yn接线的变压器中性点，消弧线圈的容量不应超过变压器三相总容量的20%，但不应将消弧线圈接于零序磁通经铁心闭路的YN，yn接线的变压器，如外铁型变压器或3台单相变压器组成的变压器组。如变压器无中性点或中性点未引出，应装设专用接地变压器，其容量应与消弧线圈的容量相配合。

1.2　宁夏电网消弧线圈运行现状

各单位消弧线圈的安装使用情况如表1所示。由表1可知，截止2009年6月，宁夏电网10～35 kV系统共计安装消弧74台，实际投入运行23台，投运率为31.1%。其中安装离线调档式消弧线圈27台，实际投入运行6台，投运率22.2%；自动跟踪补偿消弧线圈47台，实际投入运行17台，投运率36.2%。

表1　宁夏电网消弧线圈安装使用情况

表1统计数据表明，宁夏电网超过三分之二的已安装消弧线圈处于闲置状态，一方面造成了极大浪费，同时也给配电网运行带来了极大的安全隐患。

1.3　需要解决的问题

针对宁夏电网大量已安装消弧线圈的闲置问题，需要根据配置原则，着重从以下几个方面对消弧线圈配置合理性进行分析，并有的放矢提出解决措施∶

（1）消弧线圈配置容量与实际需求的匹配问题。

（2）消弧线圈补偿能力与实际需求的匹配问题。

（3）消弧线圈补偿作用与实际需求的匹配问题。

2　宁夏电网消弧线圈配置合理性分析

2.1　在运消弧线圈及所在系统主要参数

为了考核消弧线圈的应用效果，对宁夏电网27座110～220 kV变电站的29台35 kV消弧线圈采用人工单相接地方式进行了补偿效果的模拟试验，试验结果如表2所示。

被试消弧线圈中，离线调档式消弧线圈20台，预调式自动跟踪补偿消弧线圈7台，随调式自动跟踪补偿消弧线圈2台。试验通过对中性点经消弧线圈接地系统，即谐振接地系统的出线进行单相人工接地，对相关的电压、电流及时间参量进行测试。

表2中，Ug为消弧线圈的电压等级；Se为消弧线圈额度容量；UTg为安装消弧线圈的变压器额定电压；Ib为消弧线圈补偿电流，取消弧线圈运行档位的铭牌电流值；Ic为实测系统电容电流基波有效值；Icl为补偿后的系统接地点残流稳态有效值。

表2　被试消弧线圈的基本情况

2.2　在运消弧线圈容量与实际需求容量的匹配

分析表2可知，试验所涉及31.03%的系统电容电流不超过10 A，然而消弧线圈，特别是一些大容量消弧线圈的投入，反而会使单相接地的残流超过了10 A。按照表2中的实测系统电容电流，根据式4计算可得到各系统所需要配置的消弧线圈容量，即消弧线圈容量需求。将消弧线圈容量需求与系统配置的消弧线圈实际容量之比，即需求实际比进行分档，可得到每档实际配置消弧线圈的数量及占比，如表3所示。

表3　消弧线圈按需求实际比的分布状况

表3表明，试验所涉及系统的消弧线圈中，有4台的容量已不能满足要求，其中安装于220 kV GDI变电站的消弧线圈，其容量仅达到了需求的51.4%。共有5台消弧线圈容量的需求实际比介于1.0到1.3之间，约占总数的17.24%，随着系统的发展，这些消弧线圈可能将很快无法满足要求。有4台消弧线圈容量需求实际比介于1.3到2之间，约占总数的13.79%，这些消弧线圈基本能满足当前和未来一段时间发展的需要。容量需求实际比超过2的消弧线圈达到了16台，占比达到55.17%，其中有3台消弧线圈容量的需求实际比甚至超过了5倍，110 kV QYING变电站所配消弧线圈容量的需求实际比已达7.3倍。上述分析可知，宁夏电网在运消弧线圈容量大多数与实际需求不相匹配。

2.3　在运消弧线圈补偿电流与系统电容电流的匹配

由表2还可看出，对于采用了离线调档式消弧线圈的系统，按目前的档位投入运行，有30%的系统在消弧线圈补偿后，其接地点的残流超过了10 A。其中，采用了容量为1100 kVA的消弧线圈的4个系统中，有3个系统的接地点残流超过了10 A，按所在系统目前的电容电流水平，即便将消弧线圈的档位置于最低电流档位25 A，3个系统的接地电流残流依然会超过10 A。此外GDI变35 kV系统的电容电流已达到39.22 A，远超过了消弧线圈25 A的最高电流档位，消弧线圈的电流不仅无法满足补偿需要，而且处于欠补偿运行状态，消弧线圈的投入将会存在极大的风险。

对于采用了自动跟踪补偿消弧线圈的系统，有14.3%的消弧线圈投入后，接地点的残流超过了10 A，情况好于离线调档式消弧线圈。文献［4］ 规定“对于不直接连接发电机的系统，（消弧线圈的）级差电流不宜大于5 A”，即自动跟踪补偿消弧线圈投入后，接地点的残流至少应小于5 A，但试验发现有57.1%的系统，消弧线圈投入后的接地残流超过了5 A，表明大部分自动跟踪补偿消弧线圈的性能并未达到标准的要求。

由以上分析可知，在运消弧线圈无论采用离线调档方式还是采用自动跟踪补偿方式，补偿电流与系统电容电流也存在较严重不匹配现象。

2.4　宁夏电网在运消弧线圈与系统中设备主绝缘类型的匹配

长期以来，中性点非有效接地系统设备主绝缘主要采用空气、绝缘油等，消弧线圈在消除弧光接地方面发挥了重要的作用，但随着近年来固体绝缘设备应用越来越广泛，消弧线圈的作用不再明显。根据文献［5］ ，2007年8月至2008年初，B供电局220 kV BQIAO变电站曾发生过两起因35 kV干式电流互感器绝缘击穿引发的相间短路故障。2009年，B供电局220 kVHNONG变又连续发生两起类似的事故。BQIAO变电站和HNONG变电站35 kV系统均安装有自动跟踪补偿的消弧线圈，四起短路故障发生时均在投运状态，但依然未能够避免事故的发生。这表明，多方面原因导致消弧线圈的投入并不能有效防止系统单相接地引发的短路事故，消弧线圈不能有效补偿固体绝缘击穿后放电通道流过的电流就是原因之一。

固体绝缘的电气设备，其固体绝缘被击穿时所形成的碳化通道具有高阻性质，还能够承受一定的电压，因此很难发展至稳定的电弧接地。在交变的工频电压作用下，当电压低于被击穿的固体绝缘所能承受的电压时，放电通道并不会有电流流过；当电压高于被击穿的固体绝缘所能承受的电压时，则在放电通道上会流过接地电流，因此对于固体绝缘设备，当发生绝缘击穿时，放电通道上将间隙性的出现电流。由于该电流的阻性分量较大，加之无论是放电通道，还是消弧线圈的电流变化都存在过渡过程，因此无论是离线调档式消弧线圈，还是自动跟踪补偿消弧线圈，均难以对固体绝缘击穿后的接地电流进行充分补偿；同时，固体绝缘击穿后，放电通道间歇性的导通，将导致非故障相出现较高的过电压，从而造成非故障相的绝缘击穿，最终产生相间短路。消弧线圈对于空气绝缘击穿形成的弧光接地电流有较好的补偿作用，但对于固体绝缘击穿形成间歇性电弧接地，消弧线圈难以发挥其补偿作用。

3　改进消弧线圈配置的建议

3.1　消弧线圈应在系统分析的基础上分区配置

文献［2］ 规定，消弧线圈的容量应根据系统5-10年的发展规划确定。消弧线圈主要用于配电网，配电网的规划涉及面非常广泛，近年来宁夏社会经济发展迅速，系统5-10年发展规划的准确性难以有效保证。宁夏电网一些按照系统5-10年发展规划选型的消弧线圈，无论容量还是补偿电流都长期远超需求，不仅达不到熄灭接地电弧的目的，反而会造成一些系统本可以自行熄灭的接地电弧无法熄灭；同时，还有些系统电容电流过大，目前单台消弧线圈的容量已难以满足要求，因此，需要根据配网的结构特点在关键节点分区按需配置消弧线圈，以适应发展的需要，同时解决电容电流过大后，消弧线圈无法选型的问题。采用分区配置的消弧线圈，其容量比、阻抗比应合理，运行方式需合理控制，时间特性应一致。目前所有的自动跟踪补偿消弧线圈，其动作均有一个过程，时间上难以保持一致，因此很难满足分区配置的要求。

3.2　对于以固体绝缘设备为主的配网系统应采用其它防止弧光接地危害的措施

由于固体绝缘击穿形成的放电通道，消弧线圈难以有效发挥补偿作用，因此对于以固体绝缘为主的配网系统，如网架已成形且结构坚强，可考虑采用中性点经小电阻接地并通过配网自动化提高供电可靠性；网架尚在发展中、存在较大变化可能时，则可考虑采用接地转移技术［6］。利用安装在系统母线上的快速接地开关，迅速将单相接地相通过金属性接地进行旁路，有效消除弧光接地，避免因单相接地发展为相间短路故障。

4　效果评价

根据消弧线圈配置原则及模拟试验结果，宁夏电网存在因配置容量、补偿能力、补偿作用与实际需求不匹配，造成的消弧线圈配置不合理问题，导致大量消弧线圈闲置的同时，给配电网的安全运行带来了极大的安全隐患。根据配电网系统特点，采取消弧线圈的分区配置方式或其它有效的消弧措施，不仅能够避免消弧线圈配置不合理造成的浪费，更能够有效消除弧光单相接地对配电网安全运行的威胁。

5　结论

（1）宁夏电网在运消弧线圈配置不够合理，主要表现为部分消弧线圈容量和补偿电流远超实际需求，还有部分消弧线圈容量和补偿电流低于实际需求，上述两种情况的存在都导致了消弧线圈不能有效发挥应有作用。此外，随着城市配电网电缆化率的提高，固体绝缘设备应用越来越广泛，利用消弧线圈补偿系统电容电流促使接地点熄弧的效果也越来越不明显。

（2）消弧线圈应根据配网结构采取按需分区配置的原则来进行，并应考虑相关参数的匹配。当选用自动跟踪补偿消弧线圈时，尤其应关注响应时间的一致性。

（3）以固体绝缘为主的配网系统不宜采用消弧线圈。

［1］ 解广润.电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1985

［2］ 要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社，2000

［3］ 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合：DL/T 620-1997[S].

［4］ 自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件：DL/T 1057-2007[S].

［5］ 吴旭涛，邢琳.两起220 kV变电站主变压器跳闸故障分析[J].宁夏电力，2016(4):30-33.

［6］ 吴旭涛，艾绍贵，樊益平.XHG消弧消谐选线过电压保护装置的现场试验研究[J].宁夏电力，2007(2)：14-18.