变电所设计中接地变、消弧线圈及自动补偿装置原理和选择 摘要：本文分析了 lOkv^p性点不接地系统的特点，以及系统对地电 容电流超标的危害，给出了电容电流的计算方法，对传统消弧线圈接 地系统在运行中存在的问题进行了简要分析，重点阐述了自动跟踪消 弧线圈成套装置的工作原理和性能特点，以及有关技术参数的选择和 配置。
1、 问题提出
随着城市建设发展的需要和供电负荷的增加，许多地方正在城区 建设
110/1 OkV终端变电所，一次侧采用电压11 OkV进线，随着城网改 造中
杆线下地，城区10kV出线绝大多数为架空电缆出线，10kV配电 网络中单相接地电容电流将急剧增加，根据国家原电力工业部《交流 电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，3—66KV系统的单相接地 故障电容电流超过
10A时，应采用消弧线圈接地方式。一般的 110/1 OkV变电所，其变压器
低压侧为△接线，系统低压侧无屮性点引 岀，因此，在变电所设计中要考虑10kV接地变、消弧线圈和自动补 偿装置的设置。
2、 10kV屮性点不接地系统的特点
选择电网中性点接地方式是一个要考虑许多因素的问题，它与电 压等级、单相接地短路电流数值、过电压水平、保护配置等有关。并 直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和 发电机的安全运行以及对通信线路的干扰。10kV中性点不接地系统（小电流接地系统） 具有如下特点：当一相发生金属性接地故障时，接 地相对地电位为零，其
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它两相对地电位比接地前升高也 倍，一般情 况下，当发生单相金属性接地故障时，流过故障点的短路电流仅为全 部线路接地电容电流之和其值并不大，发山接地信号，值班人员一般 在
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2小时内选择和排除接地故障，保证连续不间断供电。 3、系统对地电容电流超标的危害
实践表明中性点不接地系统（小电流接地系统）也存在许多问题， 随着电缆出线增多，10kV配电网络小单相接地电容电流将急剧增加, 当系统电容电流大于10A后，将带来一系列危害，具休表现如下：
（1） 当发生间歇弧光接地时，可能引起高达3.5倍和电压（见参 考
文献1）的弧光过电压，引起多处绝缘薄弱的地方放电击穿和设备瞬 间损坏，使小电流供电系统的可靠性这•优点大受影响。
（2） 配电网的铁磁谐振过电压现象比较普遍，时常发生电压互 感
器烧毁事故和熔断器的频繁熔断，严重威胁着配电网的安全可靠 性。
（3） 当有人误触带电部位时，由于受到大电流的烧灼，加重了 对触
电人员的伤害，甚至伤亡。
（4） 当配电网发生单相接地时，电弧不能自灭，很可能破坏周 围的
绝缘，发展成相间短路，造成停电或损坏设备的事故；因小动物 造成单相接地而引起相间故障致使停电的事故也时有发生。
（5） 配电网对地电容电流增人后，对架空线路来说，树线才盾 比较
突出，尤其是雷雨季节，因单相接地引起的短路跳闸事故占很大 比例。
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4、单相接地电容电流的计算
4.1空载电缆电容电流的计算方法有以下两种： (1) 根据单相对地电容，计算电容电流(见参考文献2)：
Ic=^3xUpXWxCxlO3
式中：UP —电网线电压(kV)
C —单相对地电容(F)
一般电缆单位电容为200-400 pF/m左右(可查电缆厂家样本)。
(2) 根据经验公式，计算电容电流(见参考文献3)：
IC=0.1XUPXL(4-2)
式中：UP—电网线电压(kV)
L —电缆长度(km)
4.2架空线电容电流的计算有以下两种：
(1)根据单相对地电容，计算电容电流(见参考文献2)：
Ic=^3xUpXcoxCxl03 (4-3)
式中：UP—电网线电压(kV)
C —单相对地电容(F)
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一般架空线单位电容为5-6 pF/mo
(2)根据经验公式，计算电容电流(见参考文献3)：
Ic= （2.7〜3・3）xUPxLxlO-3 （4-4）
式中：UP—电网线电压（kV）
L —架空线长度（km）
2.7—系数，适用于无架空地线的线路 3.3—系数，适用于有架空地线的线路
同杆双回架空线电容电流（见参考文献3） : Ic2= （1.3〜1.6） Ic （1.3■对应10KV线路,1.6■对应35KV线路,Ic・单冋线路电容电流）
4.3变电所增加电容电流的计算（见参考文献3）
额定电压（KV ） 増大率（%） 6 18 10 16 35 13 通过4・2和4-4比较得出电缆线路的接地电容电流是同等长度 架空线路的37倍左右，所以在城区变电站中，由于电缆线路的日益 增多，配电系统的单和接地屯容电流值是和当可观的，又由于接地电 流和正常时的相电压相養90°,在接地电流过零时加在弧隙两端的电 压为最大值，造成故障点的电弧不易熄灭，常常形成熄灭和重燃交替 的间隙性和稳定性电弧，间隙性弧光接地能导致危险的过电压，而稳 定性弧光接地会发
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展成相间短路，危及电网的安全运行。
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5、传统消弧线圈存在的问题
当3—66KV系统的单相接地故障电容电流超过10A时，应采用
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消弧线圈接地方式，通过计算电网当前脱谐度(8 = (IL- IC)/IC-
100%)
与设定值的比较，决定是否调节消弧圈的分接头，过去选用的传统消 弧线圈必须停电调节档位，在运行中暴露出许多问题和隐患，具体表 现如下：
(1) 由于传统消弧线圈没有自动测量系统，不能实时测量电网 对地
电容电流和位移电压，当电网运行方式或电网参数变化后靠人工 估算电容电流，误差很大，不能及时有效地控制残流和抑制弧光过电 压，不易达到最佳补偿。
(2) 传统消弧线圈按电压等级的不同、电网对地电容电流大小 的不
同，采用的调节级数也不同，一般分五级或九级，级数少、级差 电流大，补偿精度很低。
(3) 调谐需要停电、退出消弧线圈，失去了消弧补偿的连续性, 响应
速度太慢，隐患较大，只能适应止常线路的投切。如果遇到系统 异常或事故情况下，如系统故障低周低压减载切除线路等，来不及进 行调整，易造成失控。若此时正碰上电网单相接地，残流人，正需要 补偿而跟不上，容易产生过电压而损坏电力系统绝缘薄弱的电器设 备，引起事故扩大、雪上加霜。
(4) 由于消弧线圈抑制过电压的效果与脱谐度大小相关，实践
表明：只有脱谐度不超过±5%时，才能把过电压的水平限制在2.6倍 的相电压以下(见参考文献1),传统消弧线圈则很难做到这一点。
(5) 运行中的消弧线圈不少容量不足,
只能长期在欠补偿下运
行。传统消弧线圈大多数没有阻尼电阻，其与电网对地电容构成串联
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谐振回路，欠补偿时遇电网断线故障易进入全补偿状态（即电压谐振 状态），这种过电压对电力系统绝缘所表现的危害性比由电弧接地过 电压所产生的危害更大。既要控制残流量小，易于熄弧；又要控制脱 谐度保证位移屯压（U0=0.8U/di2+£2 （见参考文献3）不超标，这对 矛盾很难解决。鉴于上述因素，只好采用过补偿方式运行，补偿方式 不灵活，脱谐度一般达到15%—25%,甚至更大，这样消弧线圈抑制 弧光过电压效果很差，几乎与不装消弧线圈一样。
（6） 单相接地时，由于补偿方式、残流大小不明确，用于选择 接地
回路的微机选线装置更加难以工作。此时不能根据残流大小和方 向或采用及时改变补偿方式或调档变更残流的方法来准确选线。该装 置只能依靠含量极低的高次谐波（小于5%）的大小和方向来判别， 准确率很低，这也是过去小电流选线装置存在的问题之一。
（7） 为了提髙我国电网技术和装备水平，国家止在大力推行电 网
通讯自动化和变电站综合自动化的科技方针，实现四遥（遥信、遥 测、遥调、遥控），进而实现无人值班，传统消弧线圈根本不具备这 个条件。
6、自动跟踪消弧线圈补偿技术
根据供配电网小电流接地系统对地电容电流超标所产生的影响 和投运传统消弧线圈存在问题的分析，应采用自动跟踪消弧线圈补偿 技术和配套的单相接地微机选线技术。泰兴供电局采用的接地变为 上海思源电气有限公司生产的DKSC系列的，消弧线圈为该厂生产的 XHDC系列的，自动调谐和选线装置为该厂生产的
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XHK系列，全套装 置包括：中性点隔离开关G、Z型接地变压器B
（系统有中性点可不用）、 有载调节消弧线圈L、中性点氧化锌避雷器
MOA、川性点电压互感器 PT、中性点电流互感器CT、阻尼限压电阻箱R和口动调谐和选线装置 XHKJI。该项技术的设备组成示意图见附图。
附图口动调谐及选线成套装置示意图
6.1接地变压器
接地变压器的作用是在系统为△型接线或Y型接线中性点无法 引出时，引出小性点用于加接消弧线圈，该变压器采用Z型接线（或 称曲折型接线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱 上，这样连接的好处是零序磁通可沿磁柱流通，而普通变压器的零序 磁通是沿着漏磁
磁路流通，所以
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Z型接地变压器的零序阻抗很小（10Q 左右），而普通变压器要大得多。
因此规程规定，用普通变压器带消 弧线圈时，其容量不得超过变压器容量的20%,而Z型变压器则可带 90%〜100%容量的消弧线圈，接地变除可
带消弧圈外，也可带二次 负载，可代替所用变，从而节省投资费用。
6.2有载调节消弧线圈
（1） 消弧线圈的调流方式：一般分为3种，g|J：调铁芯气隙方 式、
调铁芯励磁方式和调匝式消弧线圈。目前在系统中投运的消弧线 圈多为调匝式，它是将绕组按不同的匝数，抽出若干个分接头，将原 來的无励磁分接开关改为有载分接开关进行切换，改变接入的匝数， 从而改变电感量，消弧线圈的调流范围为额定电流的30〜100%,相 邻分头间的电流数按等差级数排列，分头数按相邻分头间电流差小于 5A来确定。为了减少残流，增加了分头数，根据容量不同，目前有9 档一14档，因而工作可靠，可保证安全运行。消弧线圈还外附一个 电压互感器和一个电流互感器。
（2） 消弧线圈的补偿方式：一般分为过补、欠补、最小残流3 种方
式可供选择。
a.欠补：指运行屮线圈电感电流IL小于系统电容电流IC的运行方 式。
当0 管理范本 b.过补：指运行中电容电流IC小于电感电流IL的运行方式。当 . 管理范本 IC-IL<0,且|lC-IL| C.最小残流：在IIC-IL |<1/2 Id时，消弧线圈不进行调节；当对 地 电容变化，上述条件不满足时进行调节，直至满足上述条件。在这 种运行方式下，接地残流可能为容性，也可能为感性，有时甚至为零（ 即全补），但由于加装了阻尼电阻，屮性点电压不会超过15%相电 压。 6.3限压阻尼电阻箱 在自动跟踪消弧线 中, 因调节精度高，残流较小，接近谐振 （全补）点运行。为防止产生谐振过电压及适应各种运行方式，在消 弧线圈接地冋路应串接阻尼电阻箱。这样在运行小，即使处于全补状 态，因电阻的阻尼作用，避免产生谐振，而且中性点电压不会超过 15%相电压，满足规程要求，使消弧线圈可以运行于过补、全补或欠 补任 一种方式。阻尼电阻可选用片状电阻，根据容量选用不同的阻值。 当系统发生单相接地吋，中性点流过很大的电流，这时必须将阻尼电 阻采用电压、电流双重保护短接。 6.4调谐和选线装置 自动调谐和选线装置是整套技术的关键部分，所有的计算和控 制由它来实现，控制器实时测量出系统对地的电容电流，由此计算出 电网当前的脱谐度£,当脱谐度偏差超出预定范围吋，通过控制电路 接口驱动有载开关调整消弧线圈分接头，直至脱谐度和残流在预定范 围内为止。系统发生单相接地吋，将系统PT二次开口三角处的零序 电压及各冋路零序电流采集下来进行分析处理，通过视在功率、零序 阻抗变化、谐波变化、五次谐 . 管理范本 波等选线算法来进行选线。 . 管理范本 6.5隔离开关、电压互感器 隔离开关安装消弧线圈前，用于投切消弧线圈，由于消弧线圈内 的电压互感器不满足测量精度，需另设中性点电压互感器测量中性点 电压。 7、口动跟踪消弧线圈补偿技术的性能和特点 该装置在正常运行中每隔3S （秒）对系统电容电流、残流进行 测量计算，根据测量结果控制消弧线圈升降档，使残流（脱谐度）保 持在最小，测量时不需进行调档试探，具有响应速度快、有载开关寿 命长、跟踪准确的优点。 过补、欠补、最小残流3种运行方式任选，可在现场根据需要随 时设定变更。 在最小残流方式下运行，可使补偿后的接地残流S3%额定电流 （即消弧线圈最大电流）。 消弧线圈串联电阻方式，可限制全补时屮性点位移电压V15%相 电压，避免谐振，满足了运行规程要求。 根据企业电网的电压和容量等级，依照测出的系统电容电流等具 体参数，可选用合适型号规格的成套装置，该技术适应面人。 该技术包括的微机选线保护装置采用特殊的多种算法，可快速准 确显示单相接地线路。 8、接地变压器、消弧线圈容量和额定电流的确定 . 管理范本 (1) 根据架空线或电缆参数计算公式计算电容电流Ic (2) 消弧线圈容量的确定(见参考文献3) Q = KxIcxUP/^3 (8-1) 式中：K—系数，过补偿取1.35 Q —消弧线圈容量，kVA (3) 消弧线圈容量及额是电流的选择 根据最大电容电流Ic,确定相应的消弧线圈容量及额定电流，使 最大补偿电感电流满足要求。 (4) 接地变压器容量选择 接地变除可带消弧圈外，兼作所用变。 Sj= 4 (Q+S* SIN e )2 + (S 忙 OS e)? (8-2) 式中：Q —消弧线圈容量，kVA S—所变容量，kVA ①一功率因素角，。 SJ—接地变容量，kVA 例如某llOkV变电所，二台主变，10kV单母线分段，共24回电 缆出线，两套装置补偿，一回电缆平均长度按2kM计算，所变容量 lOOkVA, COS①=0.8。根据式(4-1)或式(4-2)有: . 管理范本 Ic = 0.1xUPxL = 0.1x10.5x2x12 = 25.2(A) 变电所增加电容电流为16%故Ic = 25.2x1.16 = 29.23(A) 根据式(8-1)： Q = KxIcxUP/也 =1.35x29・23xlO・5/p3 =239(kVA) 根据消弧线圈容量系列性及最大电容电流Ic, 确定相应的Q = 300KVA,补偿电流调节范围为25—50Ao 根据式(8-2)： = V(30(kl00*0.6)* 1 2 3+(100*0 S) s = 368 (KVA) 选用400 kVA 因此整套装置，可调电抗器选用了型号为 XHDCZ-300/10/25- 50A(九档)，容量为 300kVA,系统电压 10kV,额 定电压6.062kV,补偿电流调 节范围为25—50Ao接地变压器选用了 型号为DKSC- 400/100/10.5,10.5±5%> 容量为 400kVA,二次容量为 lOOkVA,系统电压 10.5kVo 参考文献 [1] 李福寿•消弧线圈自动调谐原理•上海交通大学出版社，1993. [2] 《变电技术问答》上册，电力工业出版社，1976年. . 管理范本 [3] 《电力工程电气设计手册》上册，水利电力部西北电力设计 院 编，水利电力出版社。 本文档部分内容来源于网络，如有内容侵权请告知删除，感谢您的配合！ . 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容