接地变及消弧线圈要点.pdf

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1、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 北极星电力网技术频道作者 : 2009-7-1 13:12:49 (阅 2967 次) 所属频道 : 电网关键词 : 消弧线圈 中性点不接地 摘要：本文分析了10kV 中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 110/10kV 终端变电所，一次侧采用电压110kV 进线

2、，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，366KV 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 110/10kV 变电所，其变压器低压侧为接线，系统低压侧无中 性点引出，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 中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

3、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，其它两相对地电位比接地前升高3 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，发出接地信号， 值班人员一般 在 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 配电网络中单相接地电容电流将急剧增加， 当系统电容电流

4、大于10A 后，将带来一系列危害，具体表现如下： （1）当发生间歇弧光接地时，可能引起高达3.5 倍相电压 (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一优点大受影响。 （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

5、的事故也时有发生。 （5）配电网对地电容电流增大后，对架空线路来说，树线矛盾 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。 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)： 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=0.1 UP L (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

6、两种： （1）根据单相对地电容，计算电容电流(见参考文献 2)： 式中： UP电网线电压 (kV) C 单相对地电容 (F) 一般架空线单位电容为5-6 pF/m。 （2）根据经验公式，计算电容电流(见参考文献 3)： Ic= (2.73.3)UP L 10-3 (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=（1.31.6）Ic （1.3-对应 10KV 线路,1.6-对应 35KV 线路, Ic-单回线路电容电流） 4.3 变电所增加电容电流的

7、计算(见参考文献 3) 表 1 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，配电系统的单相接地电容电流值是相当可观的，又由于接地电 流和正常时的相电压相差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 定性弧光接地会发展成相间短路，危及电网的安全运行。 5、传统消弧线圈存在的问题 当 366KV 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，通过计算电网当前

8、脱谐度（ = (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

9、应速度太慢，隐患较大， 只能适应正常线路的投切。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，残流大，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 谐振回路，欠

10、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 谐度保证位移电压（ U0=0.8U/d2+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。

11、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）为了提高我国电网技术和装备水平，国家正在大力推行电 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

12、系列的，自动调谐和选线装置为该厂生产的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 、中性 点电压互感器 PT、中性点电流互感器CT、阻尼限压电阻箱R 和自动 调谐和选线装置 XHK-II 。该项技术的设备组成示意图见附图。 附图 自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，引出中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

13、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 （10 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，即：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 来的无励磁分接开关改为有载分接开关进行切换，改变接

14、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30100%，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： 指运行中线圈电感电流IL 小于系统电容电流IC 的运行 方式。当 0IC-IL Id ，（Id 为消弧线圈相邻档位间的级差电流）， 即当残流为容性且残流值 级差电流时，消弧线圈不进行调档。若对 地电容发生变化不

15、满足上述条件时，则消弧线圈将向上或向下调节分 头，直至重新满足上述条件为止。 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 IC-IL 0， 且IC -IL Id ， 即在残流为感性且残流值 级差电流时， 消弧线圈不进行调档。 若对地电容发生变化不满足上述条件时，则消 弧线圈的分接头将进行调节，直至重新满足上述条件为止。 c. 最小残流：在 IC-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，中性点电压不会超

16、过15% 相电压。 6.3 限压阻尼电阻箱 在自动跟踪消弧线圈中，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 弧线圈接地回路应串接阻尼电阻箱。这样在运行中， 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时， 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

17、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时，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。系统发生单相接地时，将系统PT 二次开口三角处的零序 电压及各回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、五次谐波等选线算法来进行选线。 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、自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

18、）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3% 额定电流 （即消弧线圈最大电流）。 消弧线圈串联电阻方式， 可限制全补时中性点位移电压15%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，该技术适应面大。 该技术包括的微机选线保护装置采用特殊的多种算法，可

19、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 （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 = KIc UP/3 (8-1) 式中： K 系数，过补偿取1.35 Q 消弧线圈容量， kVA （3）消弧线圈容量及额定电流的选择 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。 式中： Q 消弧线圈容量， kVA S 所变容量， kVA 功率因素角， SJ 接地变容量， kVA 例如某 110kV 变电所，二台主变

20、， 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 100kVA， COS = 0.8 。根据式（ 4-1）或式（ 4-2）有： Ic = 0.1UP L = 0.1 10.5 2 12 = 25.2(A) 变电所增加电容电流为16%故 Ic = 25.21.16 = 29.23(A) 根据式（ 8-1）： Q = KIc UP/3 = 1.35 29.2310.5/ 3 = 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2550A。 根据式（ 8-2）： 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2550A。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 100kVA ，系统电压 10.5kV。