小电流接地系统消弧补偿装置的选用
摘 要：介绍电力系统中性点运行方式，小电流接地系统单相接地电流的补偿和消弧补偿装置的选用方法。
关键词：小电流接地系统 消弧补偿装置 选用
1、电力系统中性点运行方式
电力系统中性点运行方式有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地三种。中性点直接接地系统，属于大电流接地系统；中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系统，属于小电流接地系统。
1.1大电流接地系统
国内110KV及以上电力系统一般采用中性点直接接地系统，原因是：中性点直接接地系统发生单相接地时，其他未接地的两相对地电压不会升高，线路对地绝缘只需按相电压设计，可节省投资。另外，如果110KV及以上电力系统采用中性点不接地系统，因线路电容电流很大，需要很大容量的消弧补偿设备，很不经济。国内380V/220V三相四线制低压配电系统，从供电的安全、经济、方便等方面考虑，也普遍采用采用中性点直接接地系统。中性点直接接地系统的主要缺点是运行的可靠性较低，系统发生单相接地故障，即为单相短路，必须立即跳闸断电，切断故障回路。
1.2小电流接地系统
电力系统中发生单相接地故障的概率最大，约占短路故障总数的70%左右。中性点不接地系统发生单相金属性接地时，故障相对地电压为零，非障相对地电压升高为相电压的3倍，因此线路对地绝缘必须按线电压设计，使线路的投资增大。但中性点不接地系统发生单相接地时，系统三相之间的电压并未改变，系统仍可短时期内（规程规定：不超过2小时）继续运行，通过小电流接地选线和故障线路试拉等措施，在不中断系统供电的情况下，及时检查、排除故障线路，保证系统正常运行。从供电的安全、可靠性等角度考虑，我国《矿山电力设计规范》（GB50070-2009）规定“向井下或露天矿场和排废场供电的6KV或10KV系统
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不得采用中性点直接接地方式”。
2、小电流接地系统单相接地电流的补偿
国内35KV、10KV和6KV配电系统通常为小电流接地系统，，许多较大规模变电站的10KV或6KV出线较多，并多为电缆出线，单相接地电流较大。以我公司本部110KV总降压变电所和莱新铁矿新建35KV总降压变电所为例，公司本部110KV总降压变电所6KV出线回路为24路，补偿前的单相接地电流高达140A；莱新铁矿新建35KV总降压变电所6KV出线回路为30路，单相接地电流预计为80A。我国《矿山电力设计规范》（GB50070-2009）规定“当6KV或10KV系统发生单相接地故障不要求立即切除故障回路而需要故障回路短时期运行时，应采用不接地、高电阻接地或消弧线圈接地方式，并应将流经单相接地故障点的电流限制在10A以内”，因此系统内安装消弧线圈补偿装置是十分必要的。
2.1中性点不接地系统单相接地电流的性质
中性点不接地系统正常运行时，三相对地电压分别为相电压UA、UB、UC,如果发生一相接地﹝图1（a）C相接地﹞，接地C相对地电压为零，中性点电位
??????U??U?和U???U??U?,均上升为线为?UC，其他两相对地电压分别为UAACBBC??，根据基尔霍夫定律??和I电压值，通过对地电容形成电容电流IcAcB?90°，为电容性???(I???I??),由图1（b）向量图可知，接地电流I?C超前UIcccAcB?电流。
（a） （b）
图1 中性点不接地系统单相接地时的电路图和向量图
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2.2单相接地电流的危害
根据运行经验，单相接地的电容性电流超过10A时，在接地点处会形成周期性燃烧和熄灭的间歇性电弧，对系统运行造成一系列危害：
（1）间歇性电弧会在电网中引起振荡，使线路对地产生2.5～3倍相电压峰值的过电压，造成线路、设备绝缘击穿，使事故扩大。
（2）在电网中产生铁磁谐振过电压，引起电压互感器烧毁和熔断器熔断，严重威胁电网的运行安全。
（3）接地电流过大会增加跨步过电压，容易造成人身伤害。 （4）对并行敷设的通讯电缆中的通讯信号产生干扰。 2.3消弧线圈的作用
在中性点不接地系统中一般采用安装消弧线圈的方法，来减小单相接地故障电流造成的危害，消弧线圈的作用是：
（1）消弧线圈中电感电流对单相接地电容电流的补偿作用，使系统发生单相接地故障的电流减小。
（2）降低电弧熄灭时故障点电弧恢复电压上升的初速度，使电弧不易重燃。 （3）使系统三相对地电压在熄弧后迅速恢复对称，降低电弧接地过电压的幅值。
（4）由于消弧线圈的电感远小于电磁式电压互感器的励磁电感，零序回路中电感参数主要决定于消弧线圈，并使系统中性点电位得到相对稳定，避免由于电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振。
2.4消弧线圈的安装方法
由于国内10KV和6KV配电系统为中性点不直接接地系统，变电所的主变压器二次侧（10KV或6KV侧）多采用△接线，主变压器二次绕组无中性点引出，通常采用接地变压器制造系统中性点接入消弧线圈的方式，对单相接地电流进行补偿，如图2所示。接地变压器采用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Z型接地变压器的零序阻抗很小（10Ω左右），而普通变压器要大得多。按规程规定，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% ～
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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。
（a） （b）
图2消弧线圈安装方式和正常运行的等值图
2.5消弧线圈的功能要求
为使系统单相接地故障电流的补偿达到最佳效果，对消弧线圈的功能要求是：
（1）消弧线圈的控制装置要具有对系统电容电流自动跟踪测量的功能，并依据测量结果及时、准确调节消弧线圈的补偿程度，满足对电网电容电流补偿要求。
（2）消弧线圈的响应要快，能在最短的时间内对系统单相接地故障电流进行精确稳定的补偿。
（3）系统正常运行时，要求消弧线圈引起的中性点电压偏移小于15%标称相电压。
（4）具有多套消弧线圈并列运行的扩展功能。
（5）消弧线圈的补偿方式和幅度要能灵活调节，满足过补偿、全补偿、欠补偿要求。
（6）运行维护简单方便，使用寿命长。 2.6消弧线圈的运行方式
消弧线圈的运行补偿方式分为欠补偿、过补偿、全补偿三种方式。欠补是指运行中消弧线圈电感电流IL小于系统接地电容电流IC的运行方式。过补是指运行中消弧线圈的电感电流IL大于系统接地电容电流IC的运行方式。全补是指运
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行中消弧线圈电感电流IL等于系统接地电容电流IC的运行方式，由于全补偿运行方式在电网无接地的正常运行情况下，容易出现串联谐振现象，不建议采用。在实际运行中，消弧线圈应采用过补偿运行方式。当运行中消弧线圈容量不足时，可以采用欠补偿运行方式，但必须注意当某些线路切除时，接地电容电流会减小，应避免出现全补偿状态引起的系统串联谐振过电压。
2.7几种消弧线圈的性能比较
消弧线圈有调匝式、调容式、相控式和直流偏磁式四种调谐方式。 2.7.1调匝式消弧线圈
调匝式消弧线圈是通过有载开关调节消弧线圈的分接抽头，来改变消弧线圈电感量进行补偿调节的，是电力系统经常采用一种形式。由于是通过有载开关调节消弧线圈的分接抽头，所以是有接点、有级调节。存在的不足是：
（1）调节速度慢，每调一个档位要十几秒钟； （2）补偿电流有级差，残流大，补偿效果差；
（3）只能采用预调的方式，在电网未发生单相接地时调节到谐振点附近，容易导致电网串联谐振过电压；
（4）为了解决电网串联谐振问题，消弧线圈回路内要接入阻尼电阻，系统发生单相接地时阻尼电阻如不及时切除，容易导致阻尼电阻崩烧。
（5）使用寿命短，维修量大。 2.7.2调容式消弧线圈
调容式消弧线圈不对消弧线圈的电感值进行调节，而是通过安装并联电容器，并通过改变并联电容器的电容量使输出的补偿电流发生相对变化。由于这种调谐方式存在着电容器浪涌、可靠性差、使用寿命短、在电网发生接地后容易导致故障扩大等问题，较少采用。
2.7.3相控式消弧线圈
相控式消弧线圈是通过两组正反向并联的晶闸管与消弧线圈串联后接地，通过改变晶闸管的导通角调节补偿的感性电流。由于这种调谐方式会产生大量谐波，不具备防止电网发生铁磁谐振的功能，电网发生弧光接地时补偿效果极差，所以目前国内电网已不采用这种调谐方式。 2.7.4直流偏磁式消弧线圈
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小电流接地系统直流偏磁式自动调谐消弧装置的选用
