【引用】用消弧线圈限制单相接地电容电流
2012-01-31 15:34阅读：
翟生勤 裴建勋 裴香娟
1 概述：随着矿井的不断延深，井下6kV供电系统不断扩大，6kV电缆数量也在不断增加，这必然导致了电网对电容电流的迅速增加。电容电流的增加，导致单相接地时，接地电弧重燃，引起电缆相间短路事故。因此《煤矿安全规程》规定：'矿井高压电网的单相接地电容电流不得超过20A。否则，必须采取限制措施'。变压器中性点经消弧线圈接地是目前限制6kV电网单相接地电容电流的有效方法。
2 中性点接地方式分析
中性点接地方式一般分为4类：
(1)不接地方式，又称中性点绝缘系统；
(2)直接接地方式，中性点直接与接地装置连接；
(3)电阻接地方式，中性点经过不同数值的电阻与接地装置连接，接地电阻在数十欧姆时，称为低阻接地方式；在数百欧姆时，称为高阻接地方式；
(4)消弧线圈接地方式，中性点经电抗线圈与接地装置连接。
2.1 不接地方式
《煤矿安全规程》规定：'严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电'。所以煤炭系统的6kV电网多年来一直采用中性点绝缘方式。这种接地方式在电网较小时，具有多种优点，如输电距离较短，电容较小、单相接地电容电流很小，瞬时性故障往往能自动消除。不能消除也允许继续送电一段时间，以便为处理故障做好停电准备。另外，接地电流小，对通信线的干扰也小。但随着电网扩大，电缆增多，输电距离加长，单相接地的电容电流也随之增加，所以单相接地的电容电流逐渐引起了人们的关注。据有关资料介绍，当单相接地电容电流小于10A时，电弧可自行熄灭；在10～30A时，在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃，出现所谓的间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成过电压，击穿设备绝缘，造成短路故障，最易引起电缆'放炮'。这是这一
运行方式的最大弊病。
2.2 电阻接地方式
系统中性点经高阻接地后，由于给积累电荷造成一个通路，从而大大减小弧光接地过电压和电弧重燃的可靠性，同时也易于实现选择性漏电保护。
2.3 消弧线圈接地方式
系统经消弧线圈接地后，则在单相接地时，消弧线圈产生的电感电流来补偿单相接地电容电流，使接地点电流减至可自动灭弧，消除了间歇性电弧的产生，防止了电网过电压引起电气设备绝缘击穿、电缆'放炮'。
3 6kV电网中性点经消弧线圈接地方式
如前所述，中性点经消弧线圈接地方式是在系统单相接地时，消弧线圈产生一电感电流，由于电感电流和系统中的电容电流方向相反，所以可补偿系统中的电容电流。如图1所示。如C相接地，接地电流I
D则为两非故障相电容电流I
ca、I
cb与消弧线圈产生的电感电流的I
L的向量和。
i
D=i
L+i
ca+i
cb
这里需要指出，煤矿电网中的35/6kV变压器一般都为Y/Δ-11接法，6kV侧无直接中性点可利用，为了接入消弧线圈，需在6kV母线上接一个专用的接地变压器(如图1所示)，再在接地变压器的人为中性点上接消弧线圈，便构成了消弧线圈接地方式。
3.1 接地变压器
接地变压器目前有油浸式和干式两种。其特点为：
(1)没有二次线圈，考虑到各铁芯柱上的磁势平衡，线圈采用曲折接法。
(2)故障时流过接地变压器的电流都是零序电流，所以变压器的零
序阻抗是较为重要的参数，设计中要求零序阻抗不平衡度不大于1%。
图1 6kV电网中性点经消弧线圈接地方式
(3)接地变压器在电网正常运行时，长期处于空载运行状态，应使空载损耗较小，单相接地后仍处于不饱和状态，消弧线圈与之连接使用，为了保持线性，也要求避免磁路饱和，所以铁芯磁密值取较低。
(4)接地变压器的容量可按下式选择
S
j=U
ψI
c
式中：S
j——接地变压器的容量，kVA；
U
ψ——电网相电压，kV；
I
c——电网电容电流实测值，A。
3.2 消弧线圈
(1)消弧线圈的种类
按改变电感量来分，有调匝式、可动铁芯或可调气隙、直流偏磁、其它类型等4类。
调匝式就是改变消弧线圈绕组的匝数来改变电感量。电感量与匝数的平方成正比。调匝式又分为无载调节、有载调节两种。无载调节就是用无载开关调节消弧线圈的分接头；有载调节是利用有载开关调节消弧线圈的分接头。有载调节配以在线监测和控制装置，可实现自动跟踪补偿。
可调气隙式消弧线圈的工作原理是靠移动插入线圈内的可动铁芯来改变磁导率从而改变线圈的电感量。从理论上讲这种消弧线圈的电感量可连续调节，但实际上因为机械惯性和电机的控制精度问题在工程上做不到，其主要缺点是响应慢，动作时间取决于可动铁芯的移动时间。
直流偏磁式的消弧线圈靠改变直流励磁电流调节消弧线圈的电感量，是连续可调的。目前还没有成熟产品，国际上也很少应用。
除上述常见的消弧线圈外，还有其他类型的可调消弧装置，其共同点是利用晶闸管。如：利用1台电感量不变的消弧线圈与1台变压器并联，在变压器的二次侧接几组电容器组，通过晶闸管控制接入电容器组的组数，就可以调节从消弧线圈两端看入的等值电感量。
(2)消弧线圈自动调节的必要性
当消弧线圈不采用自动跟踪调节方式时，其始终不能运行在最佳档位，所以消弧线圈的补偿作用就得不到充分发挥。我国近年来都采用了自动调节方式。国际上运行资料表明，非自动调节方式补偿有效性约为0.6，即60%的单相接地故障不发展为相间短路事故；自动调节方式的补偿有效性约为0.9，即90%的单相接地故障不发展为相间短路事故，补偿的有效性大大提高。由此可见，推广应用自动调节式的消弧线圈势在必行。
(3)消弧线圈容量选择
I
js=αI
c
式中：I
js——消弧线圈标称电流计算值，A；
I
c——电网电容电流实测值，A；
α——系数，考虑电网负荷发展，仍可实现过补偿运行，通常取1.25。
3.3 补偿电流确定
(1)最小脱谐度的确定
消弧线圈有3种补偿方式，可用脱谐度P来描述。
P=(I
L-I
c)×100%/I
c
式中：I
L——补偿电流；
I
C——电网单相接地电容电流。
当I
L=I
C时，补偿后接地点的残余电流I
D为零。这时，消弧线圈的电感和电网中的电容构成谐振条件，这是我们所不希望的；当I
C＞I
L时，一旦切除部分电路，使I
C减小，也会进入全补偿状态，也不宜采用。所以实际中多采用过补偿方式，即I
L＞I
C。就过补偿而言，脱谐度是指电网补偿的电感电流超出电容电流的程度，脱谐度的大小则由补偿后允许的单相接地电流的大小和电网的不平衡电压决定。
电网的三相对地电容不完全相等时，电网的中性点电压将产生偏移，这个偏移程度，我们可以简单地定义为：
P=U
O/U
ψ
式中：P——电网的不平衡度；
U
O——电网中性点偏移电压；
U
ψ——电网的相电压。
根据《电力设备过电压保护设计规程》中'中性点经消弧线圈接地的电力网，在正常情况下，中性点长时间电压位移不应超过额定相电压的15%'之规定，所以接入消弧线圈后电网允许的最小脱谐度为：
P
min=6.67P
(2)补偿电流的确定
脱谐度的确定给出了补偿电流的取值范围，按照最小脱谐度可以给出最小补偿电流。
I
Lmin=I
C+P
minIC=(1+P)I
C
只要选取了I
L＞I
Lmin，就可以保证电网接入消弧线圈后，电网的中性点偏移电压不超过15%。这时，电网允许的最小接地残余电流I
Dmin为：
I
Dmin=I
Lmin-I
L
总之，消弧线圈的补偿程度最终应该用补偿后的接地电流来描述，但接地电流的选取应充分考虑到电网的不平衡电压，即选取接地残余电流值应大于I
Dmin。
附：作者简介：翟生勤，男，1957年生，高级工程师。1982年毕业于山西矿业学院煤矿电气自动化专业，现在潞安矿务局机电处工作。
作者单位：翟生勤 裴建勋 裴香娟 （山西潞安矿务局机电处(长治 046204)）
