變電站10 kV消弧線圈接地調節(jié)方式及故障處理

劉方韡 ，成 兵 ，汪 晨 ，喬向陽

(1.南京郵電大學，江蘇南京210046；2.蕪湖供電公司，安徽蕪湖241027)

隨著電網規(guī)模的擴大，變電站10 kV出線增多以及電纜的廣泛使用，系統(tǒng)發(fā)生單相接地引起的電容電流隨之增大。新頒標準規(guī)定：10 kV系統(tǒng)(含架空線路)單相接地故障電流大于10 A而又需要在接地故障條件下運行時應采用消弧線圈接地方式。因此，在變電站安裝消弧線圈能減小故障點的殘余電流，抑制間歇性弧光過電壓及諧振過電壓，對保證系統(tǒng)安全供電起到顯著的作用。

1 變電站中性點接地方式的比較

1.1 中性點不接地方式

該中性點接地方式比較經濟、簡便，在接地電容電流較小的條件下，系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的接地電弧可以瞬間熄滅，系統(tǒng)可帶故障運行2 h，供電可靠性相對較高，故世界各地不少中壓電網仍在采用。不過在許多情況下，中性點不接地僅為一種過渡方式，隨著電網的發(fā)展，當接地電容電流接近或達到某一臨界值（一般為10 A）時，往往會因間歇電弧接地過電壓，接地電弧無法自動熄滅，容易發(fā)展成兩相短路跳閘，導致事故范圍進一步擴大。

1.2 中性點經小電阻接地方式

該方式的優(yōu)點是：容易檢出單相接地故障線路，永久接地時切除速度快，在消除間歇電弧過電壓、防止諧振過電壓等方面有優(yōu)勢。缺點在于跳閘率高，斷路器工作負擔重，瞬時性接地也跳閘，易造成用戶短時停電，供電可靠性不高[1，2]。另外，短路電流沖擊對電纜絕緣造成的損傷較大，對電子通信設備的電磁干擾也比較嚴重，若故障不能及時跳開，電弧有可能連帶燒毀同一電纜溝里的其他相鄰電纜，從而擴大事故，造成火災。

1.3 中性點經消弧線圈接地方式

當發(fā)生單相接地時，由于消弧線圈產生的感性電流補償了故障點的電容電流，使故障點的殘流變小，從而達到自然熄弧，防止事故擴大甚至消除事故的目的。運行經驗表明，消弧線圈對抑制間隙性弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓，降低線路的事故跳閘率，減少人身傷亡及設備的損壞都有明顯的作用[1]。

綜上所述，變電站理想的中性點接地方式是，采用快速動作的消弧線圈作為接地設備，對瞬時性單相接地故障，能快速補償，正確識別故障消除并迅速退出補償；對非瞬時性單相接地故障，系統(tǒng)在消弧線圈補償?shù)耐瑫r在很短的時間（遠小于10 s）內能正確判斷接地線路，將故障線路切除，從而提高配電網的供電可靠性[3，4]。

2 消弧線圈調節(jié)補償方式及特點

消弧線圈的調節(jié)方式可分為調匝式、調容式、調節(jié)短路阻抗式等。從補償方式上分，有欠補償、過補償以及全補償。其中調節(jié)方式又可分為預調式及隨調式。預調式的消弧線圈在正常運行時其電感量在最佳補償值，即在諧振點附近運行，殘流和調諧度都控制在允許范圍內。隨調式自動補償消弧線圈在正常運行時工作在遠離諧振點的位置，這樣中性點位移電壓很低，不需要串入阻尼電阻器來限制串聯(lián)諧振引起的位移電壓的幅值[4]。

目前蕪湖供電公司管轄的變電站中，采用調匝式消弧線圈較多，約占消弧線圈總數(shù)的57%，調容式占32%，調節(jié)短路阻抗式占11%。從調節(jié)方式上分，消弧線圈采用預調式數(shù)量較多，占總數(shù)89%，隨調式占11%。

2.1 消弧線圈調節(jié)方式種類及特點

2.1.1 調匝式

調匝式消弧線圈工作原理如圖1所示。在變電站正常運行時，有載調匝式消弧線圈是一帶鐵心的電感線圈，設有多檔位分接頭，通過有載開關調整分接頭的位置，實現(xiàn)改變消弧線圈的電感量。 消弧線圈接在變壓器或發(fā)電機的中性點上，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，消弧線圈提供的感性電流與系統(tǒng)的電容電流相位相反，流過接地點的殘流即為電感電流與電容電流的差值。調整電感電流，就可以使接地殘流達到最小值，從而消除接地過電壓。 消弧線圈采用預補償方式，即在系統(tǒng)發(fā)生單相接地前，消弧線圈已處于最佳補償狀態(tài)。調匝式消弧線圈裝置補償效果最佳，補償速度快，無諧波，對瞬時性單相接地故障具有快速補償能力，減少了系統(tǒng)由瞬時性單相接地故障發(fā)展成永久接地故障的幾率[5]。

圖1 調匝消弧線圈工作原理

一般采用變壓器的有載調節(jié)機構或真空開關實現(xiàn)分接頭的調節(jié)，電感值調節(jié)范圍比較小，輸出補償電流有最小值的限制，只能達到額定值的1/2～1/3，且不能連續(xù)無級調節(jié)。由于調節(jié)分節(jié)頭的時間較長，只能采用預調的工作方式，為防止電網正常運行的串聯(lián)諧振，必須加上阻尼電阻。由于設備帶有轉動和傳動機構，因而日常維護工作量較大。

2.1.2 調容式

調容式消弧線圈工作原理如圖2所示，主要是在消弧線圈的二次側并聯(lián)若干組可控硅 （或真空開關）通斷的電容器，用來調節(jié)二次側電容的容抗值。根據(jù)阻抗折算原理，調節(jié)二次側容抗值，即可以達到改變一次側電感電流的要求。

圖2 調容式消弧線圈工作原理

電容器組的合理組合可使級差電流做得比較小，輸出范圍有所增加，調節(jié)速度也提高了不少，可以采用隨調的控制方式，不用阻尼電阻。但是級差電流越小，開關執(zhí)行機構的級數(shù)和數(shù)量就越多，需要綜合平衡。特別需要注意的是，在用可控硅投切電容器組的情況下，可控硅的工況比較惡劣，對可控硅的安全運行不利。

2.1.3 高短路阻抗變壓器式

高短路阻抗變壓器式消弧線圈工作原理如圖3所示，把高短路阻抗變壓的一次繞組作為工作繞組接入10 kV系統(tǒng)中性點，二次繞組作為控制繞組由2個反向并接的可控硅短路，可控硅的導通角由控制器控制[6]。調節(jié)可控硅的導通角在0至180°之間變化，使可控硅的等效阻抗在∞至0之間變化，則輸出的補償電流就可在0至額定值之間得到連續(xù)無極調節(jié)。

圖3 高短路阻抗變壓器式消弧線圈工作原理

系統(tǒng)在正常運行時，消弧線圈遠離補償工作點，一旦發(fā)生單相接地故障，立即將其調節(jié)到補償工作點；而當接地故障解除時，又立即將其調節(jié)到遠離補償工作點。系統(tǒng)正常運行時消弧線圈處于遠離與電網電容發(fā)生諧振的狀態(tài)，因此可確保不會發(fā)生串聯(lián)諧振，不需設置阻尼電阻，即隨調試消弧線圈。該種消弧線圈的優(yōu)點是響應速度快；接地殘流??；伏安特性在0～110%額定電壓范圍內保持較好的線性度；輸出補償電流在0～100%額定電流范圍內可連續(xù)無級調節(jié)。但是對可控硅的工作狀態(tài)要求較高，若二次回路發(fā)生故障，不能實現(xiàn)隨調，有可能導致接地殘流過大。

2.1.4 調氣隙式

將電感線圈的鐵心制成帶有氣隙的型式，利用氣隙長度的改變實現(xiàn)勵磁阻抗的改變。一般采用步進電機利用轉動、傳動機構實現(xiàn)氣隙的調節(jié)[7]。該型產品具有與調匝式一樣的缺點，而且其裝置更為復雜，較易損壞，調節(jié)過程噪音較大，調節(jié)速度慢。與調匝式不同的是，其輸出的電流可以連續(xù)無級調節(jié)，但仍然有一個最小補償電流的限制。

2.1.5 直流偏磁式

對電感線圈的鐵心注入直流磁通，通過改變直流電流的大小改變鐵心的磁飽和程度，從而改變勵磁阻抗，直流電流通過可控硅來進行調節(jié)[8]。由于采用可控硅技術，調節(jié)速度大大提高，可以采用隨調的控制方式，補償電流可以連續(xù)無級調節(jié)。但仍有最小值的限制，且裝置比較復雜，諧波要采取特別的措施加以解決。

2.2 消弧線圈補償方式種類及特點

消弧線圈共有過補、欠補、全補償3種運行方式，根據(jù)有關規(guī)程，消弧線圈一般均運行于過補償方式下。這主要是考慮到當系統(tǒng)切除線路時，不會運行在諧振狀態(tài)。

2.2.1 欠補償

指系統(tǒng)電容電流IC大于線圈電感電流IL的運行方式，即IC-IL＞0。在欠補方式下，顯示器的“殘流”顯示第一位為“+”，表示殘流為容性。

2.2.2 過補償

指系統(tǒng)電容電流IC小于電感電流IL的運行方式，即IC-IL＜0。過補方式下，顯示器“殘流”顯示符號為“一”，即殘流為感性。

在滿足 IC-IL＜ 0，|IC-IL|≤Id， 其中 Id為級差電流，即在殘流為感性、且殘流值≤級差電流時，消弧線圈不進行調檔操作。當系統(tǒng)對地電容變化，不能滿足上述條件時，則消弧線圈自動向上或下調節(jié)分頭，直至重新滿足上述條件。在過補償方式運行時，接地殘流值將不大于級差電流Id。

2.2.3 全補償

此時，系統(tǒng)的電容電流與消弧線圈補償?shù)碾姼须娏飨嗟?。由于阻尼電阻的作用，系統(tǒng)可以在此方式下運行，但此時中性點電壓偏高，故一般不選擇此種方式。

目前，實際運行中對于脫諧度一般不作要求。當發(fā)生接地故障時，要求系統(tǒng)經過補償后的接地殘余電流不大于3～5 A。

3 系統(tǒng)對地電容電流測量原理

正常運行中系統(tǒng)零序等值回路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)零序等值回路

其中：E0為系統(tǒng)不平衡電壓，該電壓是系統(tǒng)的三相對地電容不完全相等形成的固有不平衡電壓與接地變壓器中性點產生的對地電壓的合成值；XL為消弧線圈電抗；XC為系統(tǒng)對地容抗；I0為流過消弧線圈的不平衡電流（回路電流）。

由圖3可知，消弧線圈與系統(tǒng)對地電容對于系統(tǒng)不平衡電壓E0形成串聯(lián)諧振回路，當系統(tǒng)對地電容固定時，中性點電壓U0與消弧線圈電抗的諧振曲線如圖4所示。

圖4 中點電壓與消弧線圈電抗的諧振曲線

設消弧線圈處于某一檔位，其電抗為XL1，根據(jù)回路電壓定律有：

改變消弧線圈檔位，設改變后的電抗為XL2，則：

系統(tǒng)不平衡電壓E0不隨消弧線圈的電抗變化而改變，因此有：

所以：

該計算系統(tǒng)對地容抗的方法即為位移電壓法。

4 常見的故障原因及處理方法

運行中的消弧線圈設備對系統(tǒng)的安全至關重要。當10 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，會導致接地點的殘留過大，甚至發(fā)展成為相間故障，從而使故障范圍進一步擴大。因此了解消弧線圈的常見故障及其處理方法，有助于專業(yè)檢修維護人員快速展開故障搶修，確保設備安全。以下就消弧線圈設備在運行過程中易發(fā)生的幾種故障及原因、處理方法結合實例進行分析。

4.1 消弧線圈投運/未投運

10 kV系統(tǒng)消弧線圈中性點電流小于設定的門檻值（一般在20～50 mA）或者中性點一次電壓小于3.5 V。

處理辦法。觀察中性點電流、電壓情況，消弧中性點一次電壓大于3.5 V，自檢報投運。檢查中性點一次電壓是否大于3.5 V。檢查中心點電流門檻值是否被重新整定。

調容式消弧線圈，檢查調容箱內電容是否有衰減情況，同時減小阻尼電阻的阻值。調匝式消弧線圈只需將阻尼電阻的阻值減小即可。

具體案例。蕪湖供電公司220 kV鳩江變10 kV 2號消弧線圈，曾于正常運行過程中，在1號接地變017開關處于合位狀態(tài)下，發(fā)出“2號消弧線圈未投入運行”信號。經現(xiàn)場檢查，一次設備及二次控制部分，均未發(fā)現(xiàn)有明顯異常。但是其中性點電流值大約在0.004～0.009 A之間波動，此時系統(tǒng)10 kV出線約有12條在運行，電流明顯偏小。

此時調節(jié)門檻值也無濟于事，因為其最小值為20 mA。最終停下一次部分，經檢查，調容箱內1只電容由于達到工作年限發(fā)生衰減，導致控制器計算中性點電流不準確，未達到消弧線圈正常運行所需的最小電流值。因此發(fā)出 “2號消弧線圈未投入運行”信號。

4.2 消弧線圈調檔失敗

控制器發(fā)出調檔命令后，未監(jiān)測到相應的變檔信息。

處理辦法。一次設備的監(jiān)測，調容式消弧線圈監(jiān)測電容箱內是否有故障，包括電容是否損壞、真空開關是否故障。調匝式消弧線圈監(jiān)測有載開關是否故障（包括有載電機和航空插頭以及檔位分接頭）。連接設備的監(jiān)測，執(zhí)行機構包括繼電器以及相關器件是否故障，連線是否接通。

具體案例。蕪湖供電公司110 kV吉和變，原1號消弧線圈為調匝式設備。經常在運行過程中發(fā)出“調檔失敗”信號。調檔信號是由其控制部分發(fā)出，經檢修人員檢查，現(xiàn)場控制部分并無異常，所有電壓電流計算均符合系統(tǒng)運行實際情況。于是著重檢查有載調壓開關是否運行正常。經停電后檢查發(fā)現(xiàn)，有載調壓開關的控制電源跳閘，導致調壓電機失去工作電源，在控制器發(fā)出調檔信號后，并未檢測到現(xiàn)場實際檔位的變化，因此發(fā)出“調檔失敗”信號。

4.3 中性點位移過限

母線PT開口三角電壓超過15%U額（當中性點電壓超過15%U相時該信號輸出，發(fā)生接地時該信號有輸出）。

處理辦法。若發(fā)生接地時，該信號輸出為正常，無需處理；若未發(fā)生接地，則需檢查中性點電壓為何太高。應當首先查看系統(tǒng)三相負荷有沒有因為其他原因造成嚴重不平衡，當發(fā)生單相接地故障時，檢查母線互感器一次側中性點是否連接有消除諧振的設備接地。如果有，應去除，因為消弧線圈的接頭已經改變了系統(tǒng)電感參數(shù)，起到防止鐵磁諧振的作用。

4.4 檔位到底和檔位到頂

消弧線圈運行在最低檔或最高檔。

處理辦法。調容式消弧線圈在最低檔（0檔）時補償電流最大，最高檔時補償電流最??；調匝式消弧線圈在最低檔（1檔）時補償電流最小，最高檔時補償電流最大。此時注意觀察，必要時可以相應改變一檔（接地時嚴禁操作），因為預調諧裝置在偏離諧振點太遠的檔位將無法保證計算的準確性，也無法正常自動跟蹤補償。如果容量不適的報警同時出現(xiàn)，檢測系統(tǒng)電容電流，確定是否消弧線圈的容量不適合系統(tǒng)的要求。

4.5 裝置故障

控制器出現(xiàn)故障,主機與觸發(fā)控制板之間的通信異常,觸發(fā)異常等。

處理辦法。檢查電源是否故障，以及控制器內部半間是否故障。斷開控制器電源，檢查觸發(fā)控制板是否插牢，板表面是否有異?，F(xiàn)象。檢查同步信號回路、控制柜可控硅回路。

4.6 消弧線圈殘流超標（補償失?。?/h3>

殘流大于設定值時，檢查是否與容量不適同時出現(xiàn)，以此確定消弧線圈容量是否已經不適合當前系統(tǒng)的要求。

4.7 母線電壓異常

母線電壓Uab二次值小于10 V （此時裝置將停止系統(tǒng)電容電流的測量）。

處理辦法。檢查母線PT電壓以及連接線，確定是否因為PT異常引起，或因為連接線虛接引起故障報警。

4.8 中性點電壓異常

中性點電壓低于設定電壓，中性點電壓一般在30～200 V。

處理辦法。檢查中性點電壓是否滿足設定值。可能原因是該段投運的出線過少，可調節(jié)接地變分接頭調整。

5 結束語

電力系統(tǒng)的消弧線圈調節(jié)方式及運行維護是一個系統(tǒng)工程問題，在日常的維護過程中，應當重視總結與借鑒國內外電力系統(tǒng)正反兩面的運行經驗，減少事故，節(jié)約運行成本，更好更快地建設經濟穩(wěn)定的電網，以滿足國家現(xiàn)代化和人民生活水平不斷提高的需要。

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