消弧线圈工作原理及应用

消弧线圈⼯作原理及应⽤

消弧线圈⼯作原理及应⽤

⽬录

摘要 (2)

⼀、引⾔ (3)

⼆、消弧线圈作⽤原理与特征 (4)

三、消弧线圈⾃动补偿的应⽤ (7)

四、消弧线圈接地系统⼩电流接地选线 (8)

五、消弧线圈的故障处理⽅法与技术 (11)

六、结束语 (13)

参考⽂献 (14)

谢辞 (15)

摘要

本⽂通过对配电系统中性点接地⽅式和配电⽹中正常及发⽣故障时电容电流的分析，阐述了中性点经消弧线圈接地⽅式在⽬前配电⽹系统中应⽤的必要性，并从消弧线圈的⼯作原理，使⽤条件，容量选择，注意事项和故障处理等⽅⾯进⾏了探讨，同时也对⽬前国内消弧线圈装置进⾏了简单介绍。

关键词：接地；中性点；消弧线圈；电弧；补偿；

⼀、引⾔

⽬前，在我国⽬前配电⽹系统中，单相接地故障是出现概率最⼤的⼀种，并且⼤部分是可恢复性的故障，6~35 kV电⼒系统⼤多为⾮有效接地系统，由于⾮有效接地系统的中性点不接地，即使发⽣单相接地故障，但是三相线电压依然处于对称状态,所以仍能保持不间断供电，这是中性点不接地系统电⽹的⼀⼤优点，但当供电线路较长时,单相接地电流容易超过规范规定值，造成接地故障处出现持续电弧,⼀旦不能及时熄灭，可能发展成相间短路；其次，当发⽣间歇性弧光接地时，易产⽣弧光接地过电压，从⽽波及整个电⽹。为了解决这些问题，选择在系统中性点装设消弧线圈接地已经被证实是⼀项有效的措施，对电⽹的安全运⾏⾄关重要。

⼆、消弧线圈作⽤原理与特征2.1各类中性点接地⽅式及优缺点介绍

我国⽬前中性点的运⾏⽅式主要有两种：a)中性点直接接地系统

直接接地系统主要⽤在110KV及以上的供电系统和低压380V系统。直接接地系统发⽣单相接地故障时由于故障电流较⼤会使继电保护马上动做切除电源与故障点回路。中性点直接接地系统的优点是发⽣单相接地时，其它⾮故障相对地电压不升⾼，因此可节省⼀部分绝缘费⽤，供电⽅式相对安全。其缺点是发⽣单相接地故障时，故障电流⼀般较⼤，要迅速切除故障回路，影响供电的连续性，从⽽供电可靠性较差。b)中性点不接地或经消弧线圈接地

中性点不接地和经消弧线圈接地，主要⽤在35KV及以下的供电系统。不接地系统如果发⽣单相接地，系统可以正常运⾏两⼩时以内，必须找出故障点进⾏处理，否则有可能扩⼤故障。中性点不接地系统的优点是当这种系统发⽣单相接地时，三相线电压仍然处于对称状态，⽤电设备依然能正常⼯作，允许暂时继续运⾏两⼩时之内，因此可靠性和连续性⾼。其缺点是这种系统发⽣单相接地时，其它⾮故障相对地电压升到线电压，是正常时的√3倍，因此对线路和设备的绝缘要求⾼，设计⽣产时需要额外增加绝缘费⽤,不过正常设备⼀般有较⼤的绝缘裕度，应能承受这种过电压，但是对绝缘较差的设备、线路上的绝缘弱点和绝缘强度很低的旋转电机有⼀定威胁，在⼀定程度上对安全运⾏也有⼀些影响。其次由于中性点不接地配电⽹的单相接地电流很⼩，对邻近通信线路、信号系统的⼲扰⼩，这是这种接地⽅式的⼀个优点。c)在有些中性点不接地系统中，当输电线路长和线路电压⾼时，单相接地电流也

随之增⼤，许多弧光接地故障变得不能⾃动熄灭;另⼀⽅⾯，由于接地电流也还没有⼤到能产⽣稳定性的电弧的程度，于是就形成了熄弧与电弧重燃互相交替的不稳定状态，这种现象为间歇性电弧（弧光）接地。2.2弧光接地和接地电弧的危害

(1) 弧光接地中接地电弧形成的⼀般过程

⾸先在故障点形成间歇性电弧，然后随着时间增长和电荷的不断积累逐渐形成稳定性电弧接地，最后电荷积累进⼀步增多，开始持续放电形成⾦属性接地。(2)弧光接地过电压及电弧电流

发⽣单相接地故障之后,当故障电流较⼤时会产⽣单相间歇性弧光接地，由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致线路对地电容上的电荷多次不断的积累和增加再分配，

最终会在⾮故障相的电感—电容回路上引起⾼频振荡过电压。对于架空线路，过电压幅值⼀般可达3.1～3.5倍相电压，对于电缆线路，⾮故障相的过电压可达4～71倍.

弧光接地时流过故障点的电弧电流为⾼频电流和⼯频电流的和，在弧光接地或电弧重燃的瞬间,已充电的相对地电容将要向故障点放电,相当于⼀个RLC放电过程，过渡过程结束后，流过故障点的电弧电流只剩下稳态的⼯频电容电流。(3)弧光接地的危害

1)加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏，威胁设备安全；

2)在中性点不接地电⽹中，因为电压互感器接地端也是故障回路之⼀，所以有

烧毁电压互感器的可能；3)持续的弧光电流，有损坏避雷器的可能；

4)燃弧点温度⾼达5000K以上，会烧伤导线，甚⾄导致断线事故；

5)电弧不能很快熄灭，在风吹、电动⼒、热⽓流等因素的影响下，将会发展成

为相间弧光短路事故；6)电弧燃烧时会直接破坏电缆相间绝缘，极易导致相间短路事故的发⽣；

7)产⽣的跨步电压⾼，危及⼈⾝安全；

8)产⽣⾼频电流对通讯产⽣⼲扰。

9)增加电⽹损耗,加速设备的绝缘⽼化

(4)接地故障电流与电弧间的关系

维持弧光持续燃烧取决于⾼频振荡电流衰减的快慢和接地故障电流的⼤⼩，当接地点接地故障电流⼩于10A时，电弧⼤都可以⾃⾏熄灭，当接地故障电流⼤⼩在10A到30A之间时容易在接地故障处产⽣间歇性电弧，当接地故障电流⼤于30A 时，⼀般会产⽣稳定的电弧电流。

在实际运⾏中，20KV以下的系统，由于电⼒系统承受过电压的能⼒较强，允许产⽣间歇性电弧，所以，它的接地的电容电流的允许值是⼩于30A。⽽20-63KV 的系统承受过电压的能⼒较差，所以，它的接地的电容电流的允许值是⼩于10A。1.3消弧线圈补偿原理

(1)消弧线圈补偿原理就是在中性点和⼤地之间接⼊⼀个电感线圈。该⽅式在系统发⽣单相接地故障时，利⽤消弧线圈中的产⽣的电感电流对接地电容电流进⾏补偿，使得流过接地点的故障电流减⼩⾄能够使电弧⾃⾏熄灭的程度。消弧线圈的主要结构是⼀个带铁⼼的线圈电抗器，当系统正常运⾏时，由于中性点对地电压为零，消弧线圈上⽆电感电流。当单相接地故障后，接地故障点与消弧线圈的接地点形成短路电流通路。此时中性点电压升⾼为相电压，作⽤在消弧线圈上，将产⽣⼀个感性电流，在接地故障处，该电感电流与接地故障点处的电容电流相抵消，从⽽减少了接地点的电流，使电弧易于⾃⾏熄灭。消弧线圈就是这样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，降低故障相接地电弧两端的恢复电压速度，来达到消弧的⽬的。(2)消弧线圈补偿原理图如下：

消弧线圈补偿原理图

如图所⽰，在正常情况下，三相电压是基本平衡的。由于各种原因，系统发⽣单相接地故障，破坏了原有的对称平衡，系统将产⽣接地电容电流，⽽消弧线圈在当时系统中性点相电压的作⽤下，将产⽣电感电流，它们各⾃的流动⽅向如图所⽰，我们知道IL 电流滞后90°⽽IC 电流超前90°，则IL 与IC 相差180°，所以在接地故障处的电流向量之和是起相互抵消的作⽤。1.4消弧线圈引起的电⽹中性点位移电压及规范要求

中性点经消弧线圈接地的电⽹，应该做中性点位移电压校验，在正常情况下长时间中性点位移电压不应超过系统相电压的15%，中性点经消弧线圈接地的发电机，在正常情况下，长时间中性点位移电压不应超过系统相电压的10%。

3%15220e bd

U d U U ≤+=ν

v —为补偿电⽹的脱谐度，⼀般安装不⼤于10%选择，对于中性点经消弧线圈接地的发电机，⼀般按不超过±30%选择。

d —为补偿电⽹的阻尼率。对于66KV-110KV 架空线路的阻尼率d 约为3%,35KV 及以下架空线路d 取5%，电缆线路d 约为2%～4%，绝缘⽼化时，可增⾄10%。 Ubd —消弧线圈投⼊前电⽹的不对称电压，⼀般取相电压的0.8%

消弧线圈抑制弧光过电压的效果与脱谐度有关，只有脱谐度不超过±5%才能把弧光过电压的⽔平限制在2.6倍相电压以下。

实际运⾏时脱谐度可按下式确定：v=（IC-IL ）/ IC

v-脱谐度

IC-电⽹或发电机回路的电容电流A

IL-消弧线圈的电感电流A

1.5消弧线圈的补偿⽅式

a)全补偿⽅式：消弧线圈产⽣的电感电流等于电⽹电容电流，接地故障点残流为

0，即IC = IL 。从消除故障点的电弧，避免出现弧光过电压的⾓度来看，此种补偿⽅式是最理想的，但在全补偿时，正好是电感L和三相对地电容C对50Hz交流串联谐振的条件，在正常情况下，如果线路的三相对地电容不完全相等，则电源中性点对地之间就产⽣电压偏移，该偏移电压会在串联谐振回路中产⽣很⼤的电压降落，从⽽使电源中性点对地电压严重升⾼。因此，在实际应⽤中不能采⽤该种补偿⽅式。b)⽋补偿⽅式：消弧线圈产⽣的电感电流⼩于电⽹电容电流，接地故障点残余电

流为容性，即IC ＞IL 。在该种补偿⽅式下，当系统的运⾏⽅式发⽣改变时，⽐如当某个元件或某条输电线路被切除时会导致电⼒系统电容电流减⼩，则很可能会出现IC和IL电流相等的情况，⼜将发⽣串联谐振过电压。因此，该种补偿⽅式⼀般也很少被采⽤。c)过补偿⽅式：消弧线圈产⽣的电感电流⼤于电⽹电容电流，接地故障点残余电

流为感性，即IC＜IL 。⼀般说来采⽤该种补偿⽅式，可以有效避免系统发⽣串联谐振过电压的问题，在实际运⾏中获得了⼴泛的应⽤。1.6消弧线圈⾃动补偿装置的结构组成及各部分的作⽤

消弧线圈宜选⽤油浸式，装设在户内相对湿度⼩于80%场所时，消弧线圈也可以选⽤⼲式，在电容电流变化较⼤的场所，宜选⽤⾃动跟踪动态补偿式消弧线圈装置。

⾃动跟踪补偿消弧线圈装置可以⾃动适时的监测跟踪电⽹运⾏⽅式的变化，快速地调节消弧线圈的电感值，以跟踪补偿变化的电容电流，使接地故障点的残余电流始终处于规范规定的范围内。1.6.1消弧线圈的结构组成

⽬前实际应⽤中，国内⾃动跟踪补偿消弧线圈装置⼀般按改变电感⽅法的不同，⼤致可以分为以下⼏种：1调匝式消弧线圈

调匝式消弧线圈采⽤有载调压开关调节电抗器的抽头以改变电感值。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。它可以在电⽹正常运⾏时，通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电⽹当前⽅式下的对地电容电流，根据预先设定的最⼩残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发⽣接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。优点：由于采⽤预调制使其对容性的补偿在可视⽅⾯更具可靠性，切其对容性电流的补偿通过调档⽅式实现也⽐较直观易解；

缺点：不能平滑调节，补偿效果不能达到最佳状态；机械部分过多易出现机械故障，如：当系统发⽣接地时如不能迅速切开阻尼电阻则就会将其烧毁；过度频繁的调节档位易导致有载开关卡死、烧毁电机。2调容式消弧线圈

调容式消弧线圈是⼆次调节消弧线圈，消弧线圈本体由主绕组、⼆次绕组组成。

⼆次绕组连接电容调节柜。由4~5组真空接触器控制投切⼆次调节电容器，当⼆次电容器全部断开时，主绕组感抗最⼩，电感电流最⼤，⼆次绕组有电容器接⼊后，根据阻抗折算原理，相当于主绕组两端并接了相同功率的电容，使主绕组电感电流减⼩。因⽽，通过调节⼆次电容的容量即可控制主绕组的感抗及电感电流的⼤⼩.

采⽤晶闸管投切电容器的消弧线圈控制简单、速度快。但同样不能实现电感的连续调节，特别是当电⽹单相接地电容电流较⼤时，精度较低，⽆法达到最佳补偿。另外，由于需要较多的电容器和附加设备，造价⾼。3直流偏磁式消弧线圈