消弧线圈自动调谐装置在10KV配电网中运用分析

消弧线圈自动调谐装置在10KV配电网中运用分析

王祉殷

广东威恒输变电工程有限公司 528200

摘要：消弧线圈可以连接变压器中性点以及大地，从而形成接地系统，有效保护电力的安全、稳定输送，是小电流接地的一种系统。本文深入分析、消弧线圈的结构、补偿原理、特性、接地方式、阻尼电阻以及接地容变量选择等内容，希望对我国的10KV配电网的运行安全有积极的影响。

关键词：消弧线圈；10KV配电网；接地方式

引言：在10KV配电网中，如果变压器的中性点不接地，就会导致其出现单相金属性故障的发生。在以前，这种故障可以在短时间内解决，但是随着城乡居民用电需求的增加，电网的不断扩大，电缆线路众多，因此导致对地电容电流的大量增加，因此在发生短路故障的时候，由于电流较大，就会造成停电事故。而应用消弧线圈，可以减小接地电流，从而避免故障的扩大。

1消弧线圈的结构以及补偿原理

1.1消弧线圈的结构

消弧线圈的结构十分简单，中间的三个铁芯和上面的线圈组成了Z型的变压器，并且这个变压器是接地装置，三相引出头1,2,3和配网相互连接，并且中性点和两侧的绕组相互连接，两边的柱子上存在绕组，并且和铁芯上的两个绕组交叉连接，最终与接地变压器的中性点以及大地相连，最终形成了消弧线圈[1]。在电网运行的时候，三相对称电压会加到接地变压器的三端，可以在铁芯的位置形成正序的磁通，但是在铁芯的上下两端所进行的交汇是零，并且通过消弧线圈的两端的电压也是零。一旦在配网中存在单相接地的故障，那么就会导致零序电压的数值出现变化，而此时变压器上面所显示的电压数值也会变成零。因为这个时候的零序电压已经被消弧线圈抵消了。如图1所示，是消弧线圈的结构示意图。

图1 消弧线圈的结构示意图

1.2消弧线圈的补偿原理

消弧线圈在应用的时候，其作用是补偿配网中的电流，使其保持平衡的状态，而接地点的电流下降以后，就能够避免在配网短路的时候电弧重燃，确保能够提供稳定安全的用电。在应用的时候，消弧线圈在应用的时候还可以使电压在恢复的时候速度变低，这样就不会发生电弧重燃所导致的电压急剧升高而造成的恶劣影响。系统的运行一般存在三个相，假设它们为C1、C2、C3，当它们处于对称的情况时，电流就相同，并且相位相差为120°，如果其中的某一个相出现了故障，就会导致其电压降低为零，而这时候的接地零序电压为负数。但是其他的两个相电压在出现波动以后会逐渐上升，此时接地点处的电容电流可以用下列公式计算：

在这个公式中，U代表的是电阻，I代表的是电流，当I3,1和I3,2分别比U1和U2大90°，那么要想计算电容电流的绝对值数值，就要应用下列的计算公式：

这个时候，相位为I1的电压比零序电压超前90°，因为受到零序电压的影响，此时的消弧线圈电流也在零序电压之后90°，因此这个电压的决定值是：

其中U0表示的是零序电压，而IL则是经过消弧线圈的电感电流。因为IL与I3之间的相位差了180°，这个时候在故障点的电流就可以达到平衡的状态，从而实现稳定的运行。

2消弧线圈的特性

2.1谐波特性

    工作人员在对消弧线圈处于不同的电容量之下的电流谐波进行计算，可以发现线圈的谐波电流会根据电容量的变化而变化。如果电容量为额定，或者是50%额定，那么谐波的含量就非常小。在电容量为1/4或者是3/4额定的时候，谐波就会达到最大值的7%[2]。因此工作人员只需要对消弧线圈的特性参数进行调整，就能够减小谐波。

2.2伏安特性

    伏安特性也就是指一个元件的两端的电压和通过这个元件的电流之间存在的一种关系，对于电阻而言，其两端的电压与通过这个电阻的电流是呈现出正比例的关系的，因此电阻的伏安特性也就是一个直线。在对消弧线圈的伏安特性进行试验的时候，可以采用串联谐振法。在对消弧线圈进行调谐正确之后，以及投入使用之前，需要对消弧线圈的伏安特性进行测量。具体的做法是利用线圈的电感以及电容组成一个串联回路，使其感抗以及容抗能够得到最高电压以及最大电流。此时，工作人员需要利用线圈的电感值，对电容量进行估算，然后利用串联以及并联方法组合成想要的电容量，接着就要断开电源，并调节三相电压，将电流表调整为10KV，读取到对应的数值。接着工作人员要对电压器进行调节，使电压为零，再将电源打开。随后，工作人员要将消弧线圈的抽头位置改变，此时电容器中的电容量也会改变，和电感量互相匹配，重复上述的步骤，测量10KV时的电流值。最后，工作人员只需要根据电流值就可以得到消弧线圈的伏安特性曲线。

310kV配网的中性接地方式

    在接入消弧线圈的时候，工作人员需要将其与电源的中性点连接，这样在出现单相接地故障的时候，就可以保护配网的安全运行。当单相接地故障发生的时候，绕组如果没有存在故障，也会承受一定的电压，这个电压是原来的倍，但是这种出现损耗的情况在各个位置并不均匀，可能会出现局部电压激增，导致局部线路过热的情况，影响变压器的稳定运行，甚至还会使其使用寿命减少。因此在接入接地的消弧线圈的时候，需要保证其容量小于变压器的容量的20%。本文中的消弧线圈接线方式选择了Z型接线方式，并且使每相的绕组都有2段，并且处于不同的铁芯柱子上，而且让两段线圈反极性连接，使消弧线圈的零度阻抗更小。此种接地方式所造成的损耗更小，而变压器中的电容量又能够得到95%的利用，对配网中的不对称电压的调节有用。

4阻尼电阻

4.1阻尼电阻的接入

阻尼电阻的接入是为了避免谐振过压，从而对装置形成保护的部分。本文中使用阻尼电阻最主要的目的就是在系统出现谐振的情况时，保证中性点的电压与15%的相电压小，这样才能够报保证系统的稳定、安全运行，从而避免谐振过电压。如果系统出现了单相接地故障，此时中性点会流过较大的电流，这时候就要阻尼电阻进行短接，使用可控硅，隔离一次与二次的回路[3]。此时，中性点的电压和电流会急剧增高和增大，如果它们超过了设定数值，可控硅就会被触动，从而进行导通，使阻尼电阻短接，这样既能够保护变压器的安全，又能够避免发生更大的故障。一直到单相接地故障消失或者被解决，可控硅就会在过零的时候自己断开，从而使变压器能够正常运行。

4.2阻尼电阻的取值

   在配网运行的过程中，串联的阻尼电阻可以在其正常运行的时候发挥出作用，但是在发生单相接地的故障时，因为在变压器的中性点位置的电流较大，就需要阻尼电阻对短路进行保护。工作人员在进行阻尼电阻取值的时候，需要确保消弧线圈处于全补偿状态，也就是当系统处于谐振点的时候，此时阻尼电阻可以使中性点的电压升高受到限制，并且能够抑制谐振电压过高。

4.3阻尼电阻的保护形式

当配网系统出现单相接地故障的时候，那么此时的变压器中性点的电压就会急剧升高，经过中性点的电流较大，这个时候必须将阻尼电阻进行短路保护。在接入阻尼电阻的时候，工作人员需要同时安装一个交流电源操作的单相真空开关和一个直流电流操作的单相真空开关，对阻尼电阻形成保护，而且两个开关都必须由独立的电路执行操作命令。

5消弧线圈的容量选择以及运行情况

5.1消弧线圈的容量选择

消弧线圈的容量选择，需要根据系统在发生单相接地故障的时候所产生的电容电流的大小进行确定，并且还要比故障时的电流要大，这样在使用中就可以保证配网的安全。消弧线圈的容量选择计算公式为：

在这个公式中，Q是指消弧线圈的容量，1.35是过补偿的系数，而Un则是系统的标准电压，而IC则是对地电容电流的大小。在变电管理三所110kV敦厚站10kV消弧线圈更换工程中，对地的电容电流应该根据实际的测量数据进行确定，在进行新建工程的时候，则需要根据配电网的网络规划以及设计的资料进行计算，从而确定对地电容电流。要想选择接地变压器的容量，其计算公式为：

在上面的公式中，S指的是所变容量，而指的是功率因素角，SJ表示的是接地变容量。在配网的运行过程中，接地的变压器在实际运行的过程中其容量一般和消弧线圈处于相同的水平。当接地的变压器并没有其他的负载时，只存在一个消弧线圈，那么它们的容量是一致的，但是如果存在其他的负载，也就是变压器本身承担作用，就要具有更大的容量，而具体的数值应该根据二次侧容量确定。在系统出现单相接地故障的时候，需要保证接地电阻流经的电流与二次负荷电流和零序电流的矢量和相等。

5.2消弧线圈的运行情况

在应用消弧线圈对变压器进行保护的时候，当出现单相接地故障时，要想避免在线路跳闸以后出现串联谐振的现象，就应该利用消弧线圈进行补偿，如果补偿的容量不足，就需要采取欠补偿的形式运行[4]。在一般的情况下，配网运行的不对称度应该小于或等于15%，而且中性点的电压需要保持在15%以内，在操作1小时以内，应该使其允许值设为30%。如果消弧线圈两端的电压已经超过了15%的相电压，那么此时消弧线圈就已经处于工作中，也就是已经发生了接地故障，需要工作人员尽快寻找接地点。在系统发生接地故障的时候，工作人员不能够停止消弧线圈的运行。当消弧线圈内部存在异响或者出现放电的声音，或者是线圈的套管被严重破坏的时候，工作人员需要先对接地线路进行停电处理，然后再硬质消弧线圈的使用，对系统进行详细的检查。如果消弧线圈出现较多的异常情况，工作人员需要对这些异常情况进行记录，并且及时进行调度。

6中性点电压的调整

6.1中性点位移电压异常出现的危害

在电缆线配网运行中，中性点的位移电压如果偏高，或者偏低都会对配网安全造成较大的危害。如果不对称的电压较低，并且有限的位移无法满足自动调谐装置的电压要求，此时调节器的灵敏度以及准确性都出现了下降的趋势，就会导致调节器做出较多的调档的指令，而其中电流值和脱谐度值出现频繁的变化，处于不稳定的状态。此时，因为受到系统电压处于波动状态时的影响，消弧线圈也会出现频繁的调档的情况，从而使装置以及系统处于不稳定的运行中。在架空线配网的运行中，如果系统的不对称性较大，已经达到了1.5%-2.0%，此时消弧线圈的谐振就会较大，使中性点的位移电压达到5%-12%，此时就会造成三相电压出现严重的不平衡现象，使系统运行的安全性受到威胁。而且中性点的电流也会增大，从而导致阻尼电阻温度升高，可能会存在接地短路消失以后阻尼电阻不能恢复如初的情况。

6.2中性点位移电压的调整方法

    鉴于中性点位移电压异常存在的危害，工作人员需要在对配网进行检查的时候及时发现电压的异常变化，然后对中性点的位移电压进行调整。在配网系统中，接地变有3个抽头，在位移电压出现异常的时候，工作人员可以对抽头采取调档处理，这样不仅可以使中性点的电压降低或者增加。因为系统的不对称是因为电容不平衡所导致的，对地电容量最小的一般是电压最高相，而对地电容量最大的一般是电压最低相，这也就造成了电压最高相提高电容以后就能够降低电压，而反之则可以增加电压。例如，在进行10KV配网的消弧线圈字运行中的情况进行分析时，对其进行调查，了解到此段配网的不平衡电压是2.5V，而在中性点的位移电压是11.6V，在一般情况中，消弧线圈应该在7档进行运行，并且电容电流是42.3A，电感电流为47.6A。但是因为受到不平衡的电压的影响，处于中性点的位移电压较小，此时调节器因为受到波动，而出现电容电流数值不稳定的情况，导致测量出的数值都是错误的。此时，工作人员就要将相分接头从额定的位置调整到11kV，并且保持其他的两个相数值不变，这样调节器受到的干扰就变少，电流数值相对稳定，可以保证装置的稳定、安全运行。

结论：总之，在现代社会的发展过程中，工业生产以及人们的生活对用电安全与稳定提出了更高的要求。为了避免单相接地故障对城乡用电安全造成威胁，就需要使用消弧线圈自动调谐装置，利用消弧线圈的自动补偿功能，使单相接地故障的危险降到最低，保障正常供电。

参考文献：

[1]吕争,李建军. 消弧线圈在变电站10 kV系统的应用[C]//.第十三届中国钢铁年会论文集——10.冶金设备与工程技术.,2022:180-184.

[2]雷巧红,鞠成山.变电站消弧线圈并低阻改造后保护整定计算分析[J].农村电气化,2022(08):19-21.

[3]刘祚宇,马佳艺,袁林.一起10 kV消弧线圈中性点过电流故障分析与处理[J].东北电力技术,2022,43(05):57-59+62.

[4]刘健,王毅钊,张小庆.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障数据分析[J].供用电,2022,39(04):40-44.