关键词:中性点 间歇性弧光过电压 消弧线圈 接地电容电流
摘要:本文对中性点几种接地方式进行了比较讨论,介绍了中性点经消弧线圈接地的原理,分析了消弧线圈对提高煤矿供电可靠性、安全性的重要作用。
中性点运行方式,是指电力系统中星形联接的发电机和变压器中性点的运行方式。电力系统的中性点运行方式有不接地、经电阻接地、经电抗接地、经消弧线圈接地、直接接地等几种方式。我国目前所采用的中性点接地方式主要有三种,即直接接地、不接地、经消弧线圈接地。《煤矿安全规程规定》第443条规定:“严禁井下配电变压器的中性点直接接地,严禁由地面上中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。”所以在煤矿供电系统中不采用中性点直接接地方式。另外《煤矿安全规程》第457条规定:“矿井高压电网,必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。”
一、中性点不接地
采用中性点不接地方式,当发生单相接地时,电网的线电压保持不变,对三相用电设备的运行没有直接影响,线路可以带故障运行0.5~2h,这就保证了煤矿供电的连续性,减少了停电次数。但该系统在发生单相接地时同时会产生以下几点严重危害:
1、间歇性弧光接地引起过电压 中性点不接地供电系统中,当电容电流一旦过大,接地点就会产生持续或断续电弧,持续电弧的燃烧极易引起相间短路。接地点电弧不能自行熄灭。当出现间歇性电弧接地时,断续电弧在电网的电感和对地电容形成的振荡回路中引起揩振产生弧光接地过电压,这种过电压可以达到相电压的3~5倍或更高,它遍布于整个电网中,并且持续时间长,可达几个小时,它不仅击穿电网中的绝缘薄弱环节,而且对整个电网绝缘都有很大的危害。
弧光接地过电压还会使电压互感器发生饱和,激发铁磁谐振,导致电压互感器严重过载,造成熔断器熔断或互感器烧毁。由于弧光接地过电压持续时间长,能量极易超过避雷器的承受能力,导致避雷器爆炸。这类故障已成为这类电网安全运行的最大威胁。
2、造成接地点热破坏及接地网电压升高 单相接地电容电流过大,使接地点热效应增大,对电缆等设备造成热破坏,并且该电流流入大地后由于接地电阻的原因,使整个接地网电压升高,危害人身安全。
3、引起杂散电流 当接地点电容电流流入大地后,在大地中将形成杂散电流,该电流可能产生火花,引起矿井瓦斯爆炸。
为有效限制单相接地电容电流,保障煤矿供电系统的安全性和可靠性,现在多采用中性点经消弧线圈接地的供电方式。
二、经消弧线圈接地
1、消弧线圈的作用及原理 消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后,提供一电感电流,补偿接地时的电容电流,使接地电流减小,也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低,达到熄灭电弧的目的。
1)减少故障点的接地电流 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(例如C相)接地故障(如图所示),
破坏了原有的平衡,系统将产生接地电容电流IC,中性点的对地电压UN升高为相电压,其大小与接地相电压UC大小相等但方向相反。此时有电流IL流过消弧线圈,IL的相位滞后
于UN90°,从向量图中可以看出,ICA和ICB所组成的总电容电流IC将超前UN90°,电感电流IL与电容电流IC正好相位相反,而且IL也流经故障点,从而对单相接地所产生的电容电流实现了补偿。此时C相的接地电流为:Ic=ICA+ICB+IL,只要适当调节消弧线圈的电抗值,就可将接地电流减小到不能建立电弧的程度。
2)减缓电弧熄灭瞬间故障点恢复电压的上升速度 接地点弧隙的恢复电压是由故障相实际电网电压和中性点电压叠加而成的,故障相实际电网电压在熄弧瞬时超前电流相位90°达到正最大值,并仍按正弦规律变化,而中性点电压在熄弧瞬时却滞后电流90°达到负最大值,并逐渐衰减,因此灭弧后由于电容上的电荷经消弧线圈电感放电形成慢慢衰减的自由振荡过程,弧隙电压是缓慢上升的,故不容易发生重燃。
3)根据消弧线圈中感性电流对接地容性电流的补偿程度,可分为完全补偿(IL=ICB+ICA)、欠补偿(ILICB+ICA) 完全补偿时,虽然接地处电流为零,但因XL=XC正是电流谐振的关系,正常运行时一旦中性点出现对地电压,会在谐振回路中产生很大电流,使消弧线圈上产生很大电压,造成中性点对地电压升高,有可能造成设备的损坏。因此一般不采用完全补偿。进行欠补偿时,一旦电网中部分线路被断开,使接地电流减小,有可能变成完全补偿。因此,欠补偿方式一般也少用。过补偿时不会出现上述缺点,所以一般多采用过补偿方式。在工程上也用脱谐度()来描述过补或欠补,当V>0时为欠补偿,V<0时为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看,脱谐度的绝对值越小越好,但是在电网正常运行时,小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压,如某6KV电网,在消弧线圈处于全补偿状态时,电网正常运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10~25倍,所以当电网不发生单相接地故障时,消弧线圈的脱谐度越大越好。
2、消弧线圈的发展 早期,消弧线圈采用人工调匝式固定补偿,其主要工作方式是:将消弧线圈整定在过补偿状态,其过补程度的大小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移
电压超过相电压的15%,但是这种装置长期运行在过补偿状态,当电网中发生了事故跳闸或其它参数变化时,脱谐度无法控制,以至往往运行在不允许的脱谐度下,造成中性点过电压,三相电压对称遭到破坏。可见固定补偿方式很难适应变动比较频繁的电网,这种系统已逐渐不再使用,取代它的是能够跟踪电网电容电流进行自动调谐的装置,这类装置双分为两种,一种称之为随动式补偿系统。这种系统的工作方式是:自动跟踪电网电容电流的变化,随时调整消弧线圈,使其保持在谐振点,在消弧线圈中串一电阻,增加电网阻尼率,将谐振过电压限制在允许的范围内。当电网发生单相接地故障后,控制系统将电阻短接掉,达到最佳补偿效果。另一种称之为动态补偿系统。动态补偿系统的工作方式是:在电网正常运行时,调整消弧线圈远离谐振点,彻底避免串联谐振过电压和各种谐振过电压产生的可能性,当电网发生单相接地后,瞬间调整消弧线圈到最佳状态,使接地电弧自动熄灭。
１ 概述
消弧线圈的主要作用有两点：一是使故障点的电流大大减少，二是使故障相电压恢复的速度大大下降。
如图１所示，若在正常情况下，三相电压是基本平衡的。由于各种原因，系统发生单相（例如Ａ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ＩC，消弧圈
在当时系统中性点相电压的作用下，将产生电感电流ＩL它们各自的流动方向如图１所示。从图２向量图中，可以看出，ＩL与ＩC相差１８０°，所以是起相互抵消的作用。
当系统未发生单相接地时，根据电工原理可以知道，在对称情况下，各相对地电压相等，在这些电压作用下，各相对地电容产生的电容电流ＩCA＝ＩCB＝ＩCC＝ＩCO，分别越前于ＵA、ＵB、ＵC电压的９０°。当发生单相接地故障时（例如Ａ相金属性接地）相当于在故障相上，加一个与ＵA大小相同，但方向相反的相电压—Ｕφ，则故障相对地电压ＵA＝０，而中性点对地电压升高到相电压，其他两相对地电压升高〖KF（〗３〖KF）〗倍，即Ｕ′B＝Ｕ′C＝〖KF（〗３〖KF）〗Uφ，在Ｕ′B、Ｕ′C电压的作用下，所产生的电容电流Ι′CB、Ι′CC分别越前于Ｕ′B、Ｕ′C电压的９０°，其相量和ＩC即为流过A相故障点的电容电流。它的大小是正常时一相对地电容电流的３倍，方向滞后于A相正常时电压９０°。
经消弧线圈接地系统，当发生单相接地时，如果消弧线圈调整的适当，则流过故障点的残流很小，因此大大有利于故障点电弧的熄灭。
２ 消弧线圈的整定
消弧线圈的整定，主要考虑以下两点原则：
（１） 使流过故障点的残流应尽量小。因为残流越小，接地电弧的危害就越小，有利
于电弧的熄灭。但是要想使残流小，就得将消弧线圈所产生的补偿电流ΙＬ，调到接近于电容电流IＣ，使IＬ≈IC，此时流过故障点的残流将很小。但是，此时消弧线圈的电感和系统对电地容组成了振荡回路，在一定的条件下，可能发生串联谐振，使系统中性点和系统电压达到较高的谐振过电压，危及设备的安全运行。
（２） 在正常运行时，中性点的位移电压不超过相电压的１５％，故消弧线圈的调整，应采取过补偿和欠补偿的方式。实践证明在同时满足故障点残流和中性点位移电压规定的条件下，过补偿和欠补偿对灭弧的影响差不多。但在欠补偿运行时，当网络因故障或其他原因，使某些线路断开后，可能构成串联谐振，产生危险的过电压，所以，一般情况下，不宜采取欠补偿的运行方式，而采用过补偿的运行方式。
如果消弧线圈的容量不足，也可以采取欠补偿的运行方式，但必须事先进行断线后可能产生过电压的验算，使可能出现最大的中性点位移电压不超过相电压的６０％～７０％。
３ 消弧线圈的配置
当系统发生单相接地时，接地电容电流超过下列数值时，均应采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。
3～6ｋＶ网络电容电流IC≥３０A
１０ｋＶ网络电容电流IC≥2０A
２０～６０ｋＶ网络电容电流IC≥１０A
消弧线圈的容量选择，应根据网络总的电容电流来确定，还应考虑电网的发展，并按
过补偿运行方式进行设计，其容量可按下列公式计算：
Ｓｋ＝１．３５ＩC·Ｕφ
式中 Ｓｋ——消弧线圈容量kVA
ＩC——电网接地电容电流A
Ｕφ——电网的相电压kV
１．３５——计算系数
４ 消弧线圈的安装
消弧线圈的安装地点，应根据地区的实际电网的具体情况来决定，但要保证电网在任何运行方式下，都能满足过补偿运行的要求，并考虑系统的发展，不应将多台消弧线圈集中安装在电网的某一处，应分散安装在网络中的各个供电中心，这样不仅可以分区运行，而且在发生单相接地故障时，不致使大部分网络失去消弧线圈的补偿。在供电网络内应尽量避免只安装一台消弧线圈运行。
消弧线圈的外部接线是上端经刀闸与变压器中性点相联结，下端与发电厂变电站的接地网相联结。应当指出，并不是任何一台变压器的中性点，都能接消弧线圈，在选择装消弧线圈的变压器时，一方面要考虑和消弧线圈串联的变压器的阻抗，另一方面还要考虑因接入消弧线圈而使变压器过负荷的条件，以下几条可供参考。
（１） 在Y/△接线的变压器，消弧线圈的电流是流过变压器线圈的，因变压器有一个
接成三角形的线圈，无论磁路的结构如何，在这个线圈中，一定会出现抵消零序电流的环流。所以，消弧线圈的容量，不大于该变压器额客容量的５０％时，变压器不会受到任何不利的影响。
（２） 对于Y/Y/△接线的三线圈变压器，因考虑三线圈变压器的容量比，为满足变压器２h过负荷３０％的规定，则消弧线圈的容量，不得大于三线圈变压器的任一线圈的容量，一般选择消弧线圈的容量为不大于该变压器容量的1/3。
（３） 对Y/Y接线的三相内铁型变压器，因考虑到受零序电压降和铁壳损失的限制，一般消弧线圈的容量，不宜大于变压器额定容量的２０％。
（４） Y/Y接线的单相变压器组或外铁型三相变压器，因其零序阻抗很大，不应将消弧线圈接在这种变压器的中性点上。
５ 消弧线圈的调整原则
消弧线圈的调整应以过补偿运行为基础。由于消弧线圈容量的限制或在特殊运行方式下，允许采用欠补偿运行，但必须事先进行断线过电压的验算，使可能出现的最大中性点位移电压，不超过相电压的６０％～７０％。
在网络中同时有几台消弧线圈并联运行时，当网络发生单相接地，通过故障点的电感电流IL为各个消弧线圈的算术和，此时，网络消弧线圈应按照总和的电感电流进行整定。
在整定时，应满足以下几点要求：
（１） 正常情况下，改变系统的运行方式，需要调整消弧线圈的补偿电流时，只调整
一个消弧线圈的抽头，就能满足所需调整的需要。
（２） 要满足系统的主要部分，在分区运行时，都应处在过补偿运行状态。
（３） 消弧线圈的调整，还应考虑到在系统发生单相接地时，流经故障点的残流越小越好，一般不应大于５A；中性点位移电压，在正常运行时，不应超过相电压的１５％，特殊情况下，一小时内不得超过相电压的３０％；发生接地故障时，不得超过相电压的１００％。
（４） 脱谐度一般不大于１０％，脱谐度意为脱离谐振点的程度，它是IC与IL之差与IC之比。
即 V＝×１００％
６ 消弧线圈的操作
（１） 在系统发生单相接地故障时，禁止用刀闸断开消弧线圈，因为消弧线圈是经刀闸与变压器中性点相联接的，在系统接地情况下，拉开中性点刀闸，将会造成带负荷拉刀闸。
（２） 若接地运行超过消弧线圈规定的时间，且上层油温超过９０°C时，此时消弧线圈必须退出运行，其方法有两种：一是将故障相进行临时的人工接地，然后将消弧线圈退出运行。二是用代有消弧线圈的变压器高压侧开关，将变压器和联接在变压器中性点上的消弧线圈一齐退出运行。
（３） 在正常情况下，可以直接用消弧线圈的刀闸，进行消弧线圈投入或退出运行的操作，但当中性点位移电压超过相电压的１/２时，如需要将消弧线圈退出运行，应采用变压器高压侧开关，将变压器和联接在变压器中性点上的消弧线圈一齐退出运行。
（４） 调整消弧线圈抽头时，无论增大补偿或减少补偿，均应将该消弧线圈从网络中退出运行后，再进行抽头的调整（上调或下调），调整后即时投入运行。
（５） 不能将消弧线圈同时接于两台变压器中性点上运行，只能接于一台变压器中性点上运行，若消弧线圈需要从一台变压器中性点，转入另一台变压器中性点上运行时，应先将消弧线圈从原运行变压器上断开，再投入到另一台运行中变压器上。
（６） 原运行中的变压器，代有消弧线圈运行，现在需要将原变压器停止运行，备用变压器投入运行，其消弧线圈的操作，应遵守下列程序：
①投入备用变压器，使其运行正常。
②将消弧线圈从原变压器中退出运行。
③将消弧线圈投入到新加入运行的变压器中性点上运行。
④原变压器停止运行。
（７） 输配电线路投入与退出，其消弧线圈的操作，应遵守下列程序进行：
① 在过补偿运行方式下
ａ 增加系统运行线路长度时（即投入线路），应在线路未投入前，先将消弧线圈退出运行，待消弧线圈抽头调到需要的新位置上（由小调大），投入消弧线圈，最后再投入待运行的线路。
ｂ 减少系统运行线路长度时（即退出线路），应先将需要退出的线路停止运行，然后将消弧线圈退出运行，待消弧线圈抽头调到需要的新位置上（由大调小），再投入消弧线圈。
② 在欠补偿运行方式下
ａ 增加系统运行线路长度时（即投入线路），应先将需要投入的线路加入运行，然后将消弧线圈退出运行，待消弧线圈抽头调整到需要的新位置上（由小调大），再投入消弧线圈。
ｂ 减少系统运行线路长度时（即退出线路），应在所需停运的线路未停运前，先将消弧线圈退出运行，待消弧线圈抽头调到需要的新位置上（由大调小），投入消弧线圈，最后再退出所需停运的线路。
（８） 对于装有１０kV消弧线圈的变电站，其１０kV配电路线经刀闸、负荷开关或产气开关进行联络，若需要解、并环操作时，应先将消弧线圈退出运行，待解、并环操作完毕后，根据线路长短情况，适当调整消弧线圈抽头，然后再将消弧线圈投入运行。
应当说明，随着季节的变化、温差变化、导线弧垂及地面植物生长，干枯等原因，均可能引起电容电流发生变化，为防止消弧线圈的异常动作，每年应根据网络的变化，网络线路长度增减情况等，都应进行一次电容电流的计算。如电容电流值变化较大时，应进行实测，根据电容电流的实测结果，列出网络中每条线路电容电流值的明细表，以供进行消
弧线圈调整之用。
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