新聞主題	柴油發電機的中性點經消弧線圈接地系統

 

我國的中壓配電網中性點一般采用非有效接地方式；電容電流比較小的網絡，采用中性點不接地方式；3～10kV架空線路構成的系統和所有35（66）kV電網，當單相接地故障電流大于10A時，以及3～10kV電纜線路構成的系統，當單相接地故障電流大于30A時，應采用消弧線圈接地（諧振接地）方式。消弧線圈自動調諧裝置的發明，推動了諧振接自動熄滅的可能性也大為提高。另外，如能選擇到可靠的自動調諧裝置和可靠的自動接地選線裝置，并且電纜線路等的絕緣水平能適應，電纜網絡也應該優先考慮采用諧振接地方式，以提高供電可靠性。

 

中性點非有效接地（小電流接地）電網發生單相接地故障時，不影響對負荷的供電，一般情況下，允許繼續運行1～2h。但電網帶接地點長期運行，接地電弧以及在非故障相產生的過電壓，可能會燒壞電氣設備或造成絕緣薄弱點擊穿，引起短路，導致跳閘停電。因此，非有效接地電網應裝設反應單相接地的保護裝置，其功能是選擇出接地故障線路并發出指示信號。為了與用于直接跳閘的保護相區別，一般將其稱為小電流接地選線。根據繼電保護的基本定義，小電流接地選線實際也是保護的一種形式。在發生小電流接地故障后，選出故障線路并動作于信號，以便運行人員及時采取措施消除故障。

 

中性點經消弧線圈接地電路圖

 

一、不接地系統單相接地故障時的選線

 

由電力系統繼電保護原理課程可知，中性點不接地系統，單相接地故障時的特點是：

（1）中性點位移電壓為相電壓，母線電壓互感器開口三角形出現3U。電壓。

（2）非故障線路電容電流就是該線路的零序電流。

（3）故障線路首端的零序電流數值上等于系統非故障線路全部電容電流的總和，其方向為線路指向母線。與非故障線路中零序電流的方向相反，該電流由線路首端的電流互感器反應到二次側，這就是中性點不接地系統基波零序電流方向自動接地選線裝置所用的工作原理。

 

二、經消弧線圈接地系統單相接地故障時的選線

 

中性點接入消弧線圈的目的主要是消除單相接地時故障點的瞬時性電弧。它的作用是盡量地減小故障接地電流，減緩電弧熄滅瞬間故障點恢復電壓的上升速度。

在過補償的條件下經消弧線圈電感電流補償后，接地電流與未經補償時的接地電流比較明顯小了許多，故障線路的零序電流和故障線路的零序電流方向完全相同，而數值大小也無明顯差異。所以在中性點經消弧線圈接地的電網中，就不能利用基波零序電流的數值大小和方向來作自動接地選線的依據。比較有效的判接地方案是五次諧波判別法和有功分量判別法。

 

三、五次諧波判別法實現接地選線的原理

 

在電力系統中，由于發電機的電動勢中存在著高次諧波，某些負荷的非線性也會引起高次諧波，所以系統中的電壓和電流均含有高次諧波分量，其中以五次諧波分量數值最大。中性點經消弧線圈接地的系統中，在單相接地時消孤線圈的電感電流補償接地電容電流是對基波零序電流而言的，對于五次諧波來說，情況就大不相同了。

中性點經消弧線圈接地的系統發生單相接地故障時，在五次諧波零序等值電路中，消弧線圈中流過感性的零序五次諧波電流，非故障線路為容性的零序五次諧波電流，它們在接地故障點匯合后成為故障線路的故障相接地電流。對于五次諧波來說，由于消弧線圈的電抗（5ωL）增大五倍，通過消弧線圈的電感電流減小五倍；而線路容抗（1/5ωC）減小五倍，電容電流增加五倍。所以消弧線圈的五次諧波電流相對于非故障相五次諧波接地電容電流來說是非常小的，可以認為對于五次諧波而言，相當于中性點不接地系統，并不起補償作用。所以有如下結論：

（1）中性點經消弧線圈接地系統，在發生單相接地故障時，故障線路首端的五次諧波零地方式的應用，因為它能夠自動跟蹤電網電容電流的變化，使接地點殘余電流盡可能小，故障電弧序電流在數值上等于系統非故障線路五次諧波電容電流的總和。

（2）故障線路首端的五次諧波零序電流其方向與非故障線路中五次諧波零序電流方向相反。

以上結論與中性點不接地系統中基波零序電流的規律完全相同。因此，當發生單相接地時，故障線路的首端五次諧波零序電流方向從線路指向母線，落后于五次諧波零序電壓90°；非故障線路首端的零序電流為本線路五次諧波零序電容電流，方向從母線流向線路，超前于五次諧波零序電壓90°。該結論就是中性點經消弧線圈接地系統的單相接地選線的判別依據，即五次諧波判別法。

 

四、有功分量判別法接地選線的原理

 

五次諧波判別法與基波零序電流判別法都存在一個主要的缺點，即當系統的引出線較少、長度較短時，單相接地故障線路的五次諧波和基波零序電流均較小，其方向也較難判別，因此其接地判別的準確率并不是很高。當消弧線圈采用自動跟蹤消弧線圈并經阻尼電阻接地時，系統單相接地選線可以采用基波有功分量判別法。

基波有功分量判別法的原理是：單相接地時，故障線路通過接地點與消弧線圈和阻尼電阻構成串聯回路。該回路在中性點零序電壓U₀作用下，產生的基波零序電流必然流經阻尼電阻，因而基波零序電流含有有功分量。而有功分量在消弧線圈的電感電流對接地電容電流補償中是不會被補償消失的，因此該有功分量電流將全部流回故障線路的首端，被零序電流互感器測量出來。而非故障線路沒有與消弧線圈阻尼電阻構成回路，必然沒有流過消弧線圈的有功電流分量，只有本線路的零序電容電流，其中包含的有功電流為線路對地泄漏電流，數值很小。因此可以測量各線路基波零序電流中的有功電流分量值，比較它們的大小，最大者即為接地線路。

有功分量判別法是接地選線的一種新技術，該方法必須與帶阻尼電阻的自動跟蹤消弧線圈裝置配套使用。其理論與實際驗證，都證明了其選線準確率很高。

新一代微機接地選線裝置可適用于小電流接地系統中性點不接地、中性點經消弧線圈（老式消弧線圈，手動調節）直接接地、中性點經自動跟蹤消弧線圈和阻尼電阻接地三種情況。這三種接地選線的方式，由微機接地選線裝置的控制字決定。當選擇控制字為0（00）時，選線方式定義為中性點不接地系統，程序按基波零序電流方向原理工作；當選擇控制字為1（01）時，其補償方式定義為中性點經消弧線圈直接接地，軟件按五次諧波判別法原理工作；當選擇控制字為2（10）時，其補償方式定義為中性點經自動跟蹤消弧線圈及阻尼電阻接地，軟件按有功分量判別法原理工作。

 

發電機房接地裝置布置圖

 

五、自動跟蹤消弧線圈裝置

 

由于消弧線圈的電感電流可以抵消接地點流過的電容電流，當調節很好時，電弧大多能自滅。因為接地電流得到補償，單相接地并不會發展為相間故障，所以中性點經消弧線圈接地方式的供電可靠性大大高于其他接地方式，但舊式消弧線圈也存在如下缺點。

1、舊式消弧線圈缺點

（1）調整不能及時進行

我國電網中目前普遍使用的都是手動調匝消弧線圈，在需要調分接頭時，必須使消弧線圈退出運行，即不能在線調消弧線圈。因其調節不便，在實際使用中很少根據電網電容電流的變動及時地調整分接頭位置。還因為沒有在線的實時測量系統電容電流的設備，運行人員無法判斷出是否需進行調節及調節到哪個擋位。因而實際上雖裝有消弧線圈，在電力網絡運行方式發生變化時，卻不能很好地補償電容電流，仍然有弧光不自滅及過電壓等問題出現。

（2）單相接地選線不準確

當系統發生單相接地時，由于接地點殘流很小（接地點殘流就是經消弧線圈補償后還剩有的高次諧波和有功分量電流），當消弧線圈處于過補償狀態時，故障線路與非故障線路的基波零序電流無論在數值和方向上均無法區分。近年來多采用零序電流的五次諧波方向來判別接地線路，但是在實際使用中，因五次諧波含量較小（≤5％），且經常處于變化之中，而TV和TA是按基波設計的，對五次諧波存在較大的附加相位移，造成五次諧波功率方向繼電器自動判接地不準。據有關資料統計，五次諧波法判接地準確率大約只有60％～70％，使接地故障不能及時得到處理。

2、自動跟蹤消弧線圈原理介紹

自動跟蹤消弧線圈采用微機自動跟蹤控制器，在線測量計算系統電容電流等有關參數，根據補償度等定值自動調整消弧線圈分接頭，使消弧線圈有載分接頭調在最佳位置。自動跟蹤消弧線圈裝置按改變電感方法的不同分為如下四種類型：有載開關調匝式（電感有級可調）、可調氣隙式（無級調電感）、直流偏磁式（無級調電壓）、晶閘管調電感式（電感有級可調）。

可調氣隙式是靠移動插入線圈內部可動鐵芯來改變磁導率從而改變線圈電感的，由于這種鐵芯是可連續移動，因此電感連續可調。但它響應時間長，最長可達數十秒且噪聲大。直流偏磁式是通過加入直流電流改變線圈鐵芯的磁通工作點，達到調電感的目的。晶閘管調電感式是利用四組晶閘管不同導通方式將4個電容按15種組合方式投入中性點變壓器的二次側來改變一次側的阻抗，從而達到改變消弧線圈電感的目的。

直流偏磁式和晶閘管調感式由于是全電子式，調感方便，較容易實現全狀態調感。全狀態調感是指在正常運行狀態、金屬接地狀態、間歇電弧接地狀態，即在各種狀態下均能自動調感。有載開關調分接頭和調氣隙式消弧線圈因為機械調感速度較慢，不能實現全狀態自動調感。

我國電網中的消弧線圈都是分接頭調匝式消弧線圈，國外大部分也是采用此類方式調感。雖然此類機械式調感速度較慢，但將無載開關換為有載開關并采用非預調式，即測量時不進行調擋操作，從而較大地減小了測量周期，使有載分接頭調感自動跟蹤消弧線圈裝置進入了實用階段。

 

中性點經消弧線圈接地裝置

 

3、自動跟蹤消弧線圈裝置介紹

自動跟蹤消弧線圈裝置由Z型接地變壓器、自動跟蹤消弧線圈、阻尼電阻箱、微機測量跟蹤控制器、微機選線保護裝置五部分構成。

（1）Z型接地變壓器。

在主變壓器為Δ接線或Y形但無中性點引出時，Z型接地變壓器用作引出中性點連接消弧線圈。因此系統已有中性點引出時可不用Z型接地變壓器。所謂Z型接線就是曲折接線，普通變壓器的零序磁通在磁柱內不能流通，只能通過漏磁通沿著變壓器的殼體構成磁通的通路。所以零序電流可以順利地通過Z型接地變壓器，從中性點輸出至消弧線圈。

一般在系統不平衡電壓較大情況下，Z型接地變壓器做成平衡式，Z型變壓器中性點就有不平衡電壓輸出，可供自動跟蹤測量控制器在線測量系統對地電容電流。但是當系統不平衡電壓較小時（如全電纜電網）Z型變壓器就要做成不平衡式，使Z型變壓器中性點有50～100V的不平衡電壓輸出，以滿足自動眼蹤測量控制器的測量需要。為了充分利用接地變壓器的資源，接地變壓器除可帶消弧線圈外，也可帶二次負載，即替代站用變壓器，但要注意在帶二次負荷時，接地變壓器的容量應為消弧線圈容量與二次負荷容量之和。

（2）自動跟蹤消弧線圈。

采用自動調匝式可調消弧線圈，將繞組按不同的匝數抽出9～15擋的分接頭，用有載分接開關進行自動切換，改變接入的匝數，從而改變電感量。這種自動調匝式消弧線圈簡單、可靠，目前應用較多。其他幾種方式有的還在試驗研制階段。為了減少殘流增加分接頭數（根據容量不同，有9～15擋的調匝量），使每擋分接頭改變電感量值較小，從而使調整后電感量盡量達到最佳位置，殘流降到最小值。

（3）阻尼電阻箱。

自動跟蹤消弧線圈有三種運行方式：過補償、欠補償、全補償。當運行在全補償時，由于補償的電感電流接近等于系統電容電流，接近諧振點運行，因此殘流較小。為防止發生諧振過電壓，在消孤線圈接地回路中串接阻尼電阻箱。這樣，即使在長期運行中處于全補狀態，但因電阻的阻尼作用，中性點電壓也不會超過中性點長期運行最高允許電壓（我國規程中規定為相電壓的15％）。

在發生單相接地故障時，消弧線圈、阻尼電阻與故障線路通過故障點構成回路。由于尼電阻的存在，在該通路中形成有功電流分量，通過阻尼電阻產生電阻分量電壓，從而提高了中性點電壓。由于有功電流分量數值較大，因此單相接地時中性點電壓將超過允許值。為了防止中性點過電壓，在阻尼電阻的兩端并聯有兩副接觸器觸點，在正常運行時，這兩副觸點斷開，即使處于全補狀態，也可使諧振電流變得很小，限制了中性點電壓升高。當單相接地故障發生0.5s后，自動控制這兩副觸點接通，使這時有功電流分量降為零值，同樣防止了中性點電壓升高。因此該系統可以運行于過補償、欠補償、全補償三種方式。

為了與接地選線裝置配合，單相接地故障時與阻尼電阻并聯的兩副觸點延時0.5s閉合，以使接地選線裝置在0.5s內采樣有功電流分量，經采樣計算比較選出網絡中有功電流分量最大者即為接地線路。

與接地選線裝置配合自動調匝跟蹤式裝置中，阻尼電阻的作用有兩個：

① 限制全補償狀態下因諧振引起中性點電位的升高；

② 在單相接地故障線路中產生較大的有功電流分量，供接地選線裝置采樣選線。

（4）微機測量控制器。

微機測量控制器和接地選線裝置可安裝于控制屏里，控制屏與自動跟蹤消弧線圈、阻尼電阻箱及母線、交直流電源、中央信號屏之間用電纜相連。裝于控制屏里的微機測量控制器的作用是：

① 通過單片微機測量UAB、U值，經計算獲得系統總的電容電流；

② 根據補償度的整定值要求，控制調整消弧線圈的分接頭位置；

③ 在單相接地故障時控制阻尼電阻器兩端的接觸器觸點經整定時間閉合。

 

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