消弧线圈工作原理及应用

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：

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%。

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

该装置的消弧线圈是利用外加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻从而达到改变消弧线圈电抗值的目的。在电网正常运行时不施加励磁电流，将消弧线圈调整到远离谐振点的状态，避免串联谐振过电压的产生而无须阻尼电阻。同时实时检测电容电流的大小，当电网发生单相接地故障后，瞬间调节消弧线圈，实施最佳补偿。可实现连续调节，全静态结构，调节范围大，调节速度快。但缺点是存在需补加直流电流问题。

4相控式消弧线圈

相控式消弧线圈一次绕组接入电网,二次绕组用晶闸管短路,通过调节晶闸管的触发角来控制电流,实现输出电流的可控调节,三次绕组连接滤波器电路,用来平衡产生的3 次和5 次谐波电流,从而使总谐波电流畸变率控制在设计范围之内。

5调气隙式消弧线圈

调气隙式消弧线圈是将铁芯分成上下两部分，下部分铁芯同线圈固定在框架上，上部分铁芯用电动机带动传动机构可调，通过调节气隙的大小达到改变电抗值的目的。具体说为消弧线圈工作时通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的，其调整只能在低电压或无电压的情况下进行，在实际运行中由于机械的惯性和电机的控制精度问题，调节精度相对较差。此外，其工作噪音大，由于动芯式消弧线圈的调节主要靠机械连动，当施加高压后振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内部将会出现松动现象，可靠性相对铰低。

常规成套消弧线圈补偿装置一般由接地变压器（当系统中有中性点时则不用增加接地变压器）、有载调节式消弧线圈、限压阻尼电阻箱、微机测量控制器组成.

接地变压器

1)正常运行时长期处于空载运行状态，其零序阻抗、空载损耗很小

2)主要目的是为了引出理想的人工中性点连接消弧线圈；

有载调节式消弧线圈

带有载分接开关的调匝式消弧线圈，正常不接地的情况下几乎处在空载状态下进行，空载损耗小，使用寿命较长，工作时利用每个分接头的搭接位置确定电感量来计算电网电容电流和脱谐度。

限压阻尼电阻箱

1)在正常运行时可以起到中性点电压偏移的作用

2)在发生单相接地故障时，为避免阻尼电阻降低消弧线圈的补偿能力，可以将电阻短接，同时也避免了电阻的过热。

3)控制回路1是根据中性点电压偏移值来控制交流接触器KM1，若该值超过设定值，则电压继电器动作，控制交流接触器闭合接点短接阻尼电阻。

4)由直流接触器KM2、中间继电器、过流继电器组成的控制回路2，当系统接地流过消弧线圈的电流超过设定值时，电流继电器动作，通过中间继电器使直流接触器闭合短接阻尼电阻。双套措施互补，保证了电阻可靠短接。若配有接地选线装置，阻尼电阻在接地0.5 S后被短接。

微机控制器

采用在线实时测量法，可快速、准确、直观、完整地显示电网的有关参数，根据设定值自动或手动调整消弧线圈分头，使其随时运行在最佳工作状态。

1.7 消弧线圈的补偿容量

消弧线圈的补偿容量可按下式计算确定

Q=K Ic Un/

Q-消弧线圈容量 KVA

K-系数，过补偿取1.35，欠补偿时按脱谐度确定

Ic-电网或发电机回路的电容电流，A

Un-电网或发电机回路的标称电压，KV

式中的电容电流统计计算时，应包括系统电网的全部架空线路和电缆线路的电容电流，同时还应考虑变电站母线和电器设备产生的电容电流，对于发电机回路应包括发电机，变压器和连接导体产生的电容电流。对于计算配电系统电网的电容电流时，应考虑电网5-10年的发展，还应考虑所选的消弧线圈工作电流下限值是否与系统最小运行方式下的电容电流相适应，当变压器无中性点或者中性点未引出时，应采用专用的接地变压器，消弧线圈的补偿容量还应与接地变压器一次侧容量相匹配。

五、消弧线圈的安装和故障处理方法

消弧线圈安装时应注意以下内容

在任何运行方式下大部分电网不应失去消弧线圈的作用，还要避免将多台消弧线圈集中安装在一起，也不应该在整个电网系统中仅仅安装一台消弧线圈。

消弧线圈不应安装于零序磁通经铁芯闭路的YNyn结线变压器的中性点上，如外铁型变压器或三台单相变压器组成的变压器组。

消弧线圈在运行的过程中常常会出现各种故障,分析消弧线圈的常见的故障处理方法，包括常规处理法、消弧线圈装置异常处理、动作故障处理等。

5.1常规处理法

当系统需要进行倒运行操作时，会引起中性点位移电压增大，如果超过相电压的15％ ，则系统会报出消弧线圈动作信号。此时现场人员应立即汇报调度，并恢复原运行方式。若信号自己消失，则可能属于消弧线圈的补偿度不合适，此时应根据调度的命令，拉开消弧线圈前端隔离开关，重新调整补偿度，重新投入消弧线圈，再进行倒运行。

如果消弧线圈动作后，发现内部确有故障，应立即停止运行。若接地故障区段已查明，则将接地故障切除以后，检查接地信号就会消失。只有在中性点位移电压很小时，方可用隔离开关将消弧线圈装置拉开。如果接地故障未查明，或中性点位移电压超过相电压的15％ 时，接地信号未消失，则不准用隔离开关拉开消弧线圈。应严格按照如下的操作顺序进行处理：

1)投入备用变压器或者备用电源。

2)将接有消弧线圈的变压器各侧断路器断开。

3)拉开消弧线圈的隔离开关，隔离故障。

4)恢复原运行方式。

5.3 消弧线圈动作故障处理

确认消弧线圈信号动作正确无误后，立即将接地相别、接地性质、仪表指示值、继电保护和信号装置及消弧线圈的运行情况向电网值班调度员汇报，并要求将接地故障尽快消除。

派人巡视母线、配电设备、消弧线圈所连接的变压器。若接地故障持续15 min未消除，应立即派人检查消弧线圈本体，上层油温应正常，应无冒烟喷油现象，套管应无放电痕迹，接头应无发热现象，并每隔20 min检查一次。若上层油温超过95℃，持续运行时间超过规定值，应要求电网调度员停用消弧线圈。

在消弧线圈动作时间内，不得对其隔离开关进行任何操作。电网发生单相接地时，消弧线圈可继续运行2 h，以便运行人员采取措施，查出故障点并及时处理。

六、结束语

本论文从电力系统中性点接地方式谈起，详细分析了消弧线圈的工作原理，结构特征，使用条件，补偿方式，运行特点以及在实际使用中常见的故障及处理方法等，揭示了中性点经消弧线圈接地的接地方式，对电网的安全运行具有重大意义。

参考文献：

[1]许建仁 濮卫萍.消弧线圈接地系统单相接地的选线原理和应用[J].浙江电力，2003,3：51-54

[2] 符信勇，万军彪.消弧线圈在配电网的应用及效果[J].江西电力，2004（2）:5-6

[3] 李继春.消弧线圈装置的发展和运用[J].煤炭工程，2003（3）:33-35

[4] 钟宏.  配电网中性点接地方式的选择[J].四川电力技术，2006,29（5）：38-39

[5] 张玲. 自动跟踪补偿消弧线圈装置的应用[J].电力学报，2006,21（2）：172-175

[6] 卞铠生.工业与民用供配电设计手册（第四版）上册 [M].2016,12: 52-62

[7] GB/T 500-2014 交流电气装置的过电压和绝缘配合设计规范[S]

[8] DL/T5222-2005 导体和电器选择设计技术规定[S]