文章编号：１００６—３２６９（２０１７）０２～００５９—０４ ３５ ｋＶ消弧线圈的容量选择与计算 王晓蕾 （北京石油化工工程有限公司，北京１００１０７） 摘 要： 针对３５ ｋＶ配电系统大量使用电缆出线造 成的接地电容电流大幅增加问题，采用消弧线圈接地，消弧 统的电容电流，确定消弧线圈容量． 线圈产生感性电流补偿接地点的电容电流，减小接地电流， 降低故障相电压恢复速度，使接地点电弧自动熄灭．结合工 程实例计算３５ ｋＶ单相接地电容电流，为合理选择消弧线圈 容量提供了参考． 关键词： 消弧线圈；电容电流；容量选择 １ 消弧线圈的工作原理和补偿方式 １．１ 消弧线圈的工作原理 消弧线圈是一个具有铁芯的电感线圈．其电阻 很小，电抗很大．线圈具有抽头．其电抗值可通过改 中图分类号：ＴＭ４７５ 文献标识码：Ａ 变线圈的匝数来调节．铁芯具有较大的空气歇，使电 抗值稳定，从而使电压与电流成正比［２］． 在正常运行时，中性点对地电压为零，消弧线圈 中没有电流．图１所示，单相（如ｗ相）发生接地故 障时，接地点对地电压为零，中性点对地电压上升为 相电压，非故障相对地电压上升为线电压，网络的线 电压不变．这与中性点不接地系统相似，此时，消弧 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—３２６９．２０１７．０２．Ｏ１３ 随着石油化工建设规模的扩大，１１０ ｋＶ变电 所的增多，３５ ｋＶ配电系统的安全性、可靠性越来 越重要．中性点接地方式的选择是直接影响这两 个指标的重要因素．３５ ｋＶ配电系统的电缆出线 数较多，且配电线路较长．电缆线路的大量使用使 得配电网单相接地电容电流大幅度增加．当３５ 线圈在中性点电压的作用下，有电感电流Ｉ 通过． 该电流通过接地点形成回路，与单相接地的接地电 容电流工。方向相反（图２），在接地处相互抵消．这 ｋＶ系统单相接地电容电流大于１０ Ａ时，电弧有 可能不自行熄灭，并极易发展为相问短路故障，且 单相接地为间歇性弧光时，会引起幅值很高的弧 光过电压，很容易击穿系统内绝缘较薄弱的设备， 引发严重的事故．采用消弧线圈接地时，消弧线圈 产生的感性电流补偿了接地点的电容电流，降低 了故障相电压恢复速度，使接地点电弧自动熄灭． 因此，必须正确计算系统的电容电流值．计算单相 接地故障的电容电流时，选择合理消弧线圈容量 是关键＿】］．本文拟介绍消弧线圈的基本工作原理， 被称为电感电流对接地电流的补偿．如果适当选取 消弧线圈的匝数，使流过接地点的电感电流恰好等 于电容电流，那么接地点的电流会变得很小或等于 零，使故障相恢复电压速度减小，接地点电弧自动熄 灭，可消灭间歇性电弧的产生，从而使系统自动恢复 正常． １．２消弧线圈的补偿方式 消弧线圈的脱谐度 表征偏离谐振状态的程 度，可以用来描述消弧线圈的补偿程度＿２］． Ｖ一（ ｃ— Ｌ）／ｉｃ×１００ 以某石化项目为例，结合工程实例计算３５ ｋＶ系 式中： ——对地电容电流，Ａ；ＩＬ——消弧线圈电 收稿日期：２０１７－０４—１１ 感电流，Ａ． 作者简介：王晓蕾（１９８０一），女，河南郑州人，工程师，研究方向为石 油化工工程的供配电系统设计． 消弧线圈的工作状态即电感电流对接地电流 的补偿程度，一般有３种：全补偿、欠补偿和过补 Ｇｒｏｕｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．２，２０１７ 为停电检修部分线路或系统频率降低，使接地电流 减小， ＞＞Ｊ㈠远离产生谐振的条件．即使电网 发展使电容电流增大，由于消弧线圈有一定的裕度， 也有“＞ ，不会产生谐振，可以继续使用一段时 问，故过补偿在电网中被广泛使用． 消弧线圈接地系统在正常运行情况下，中性点 的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的 １５ ［３］．消弧线圈宜采用过补偿运行方式． ２ 消弧线圈自动跟踪补偿装置 在电容电流变化较大的场所，采用自动跟踪动 态补偿式消弧线圈可以补偿电容电流，使其残留很 图１ 中性点经消弧线圈接地的电路图 少，瞬时性接地故障自动消除而不影响供电¨４］． ２．１ 自动补偿的消弧线圈 Ｉ （１）预调式．系统正常运行时，消弧线圈预先调 节，等候在补偿位置，当系统发生单相接地故障时， 消弧线圈零延时进行补偿．预调式一次设备的电子 元器件较少，结构简单可靠，故障发生时补偿不依赖 于二次电源．调匝式消弧线圈即为预调式自动补偿 的消弧线圈． 图２ 中性点经消弧线圈接地的向量图 （２）随调式．系统正常运行时，消弧线圈远离补 偿位置，当系统发生单相接地故障时自动将消弧线 圈调节到补偿位置．它至少需要６０ ｍｓ，速度较慢， 且一次设备的电子元器件较多，影响可靠性，故障发 生时补偿要依赖于二次电源．直流偏磁式消弧线圈、 调容式消弧线圈即为随调式自动补偿的消弧线圈． ２．２ 自动跟踪补偿消弧线，系统圈改变电感的方式 ２．２．１ 调匝式 偿． １．２．１ 全补偿 全补偿状态指电容电流与电感电流大小相等， 方向相反，即Ｖ一０， 一Ｊ ，接地处电流为零．现实 中并不采用这种方式，因为正常运行时，各相对地电 压不可能完全对称，致使在未发生接地故障情况下， 中性点对地之间出现了一定的电压（称为中性点的 位移电压）．此电压将引起串联谐振过电压，危及电 网设备的绝缘． １．２．２ 欠补偿 调匝式消弧线圈是在消弧线圈上设有多个分接 头，采用有载调压开关调节电抗器的抽头以改变电 感值．电网正常运行时，实时测量流过消弧线圈电流 的幅值，计算出电网当前的对地电容电流，并根据预 先设定的最小残流值，通过控制器将有载调压分接 头调到需要的补偿档位．当发生接地故障后，补偿接 地时电容电流，使故障点的残流限制在设定的范 围内． 欠补偿状态指电感电流小于电容电流，即 ＞ ０，Ｊ ＜ ，单相接地处有容性电流流过．但这种方式 也较少采用．在这种补偿方式下，因停电检修部分线 路或系统频率降低等，接地电流减小，有可能出现完 全补偿．因此，一般变压器中性点不用欠补偿，大容 量发电机有时采用欠补偿． １．２．３ 过补偿 调匝式消弧线圈的主要特点为：结构简单，操作 方便，噪声低，能够自动跟踪电网运行，接地补偿时 间可做到零秒响应．它以内嵌式工控机作为核心，功 能强大，可靠性高．目前我国电力系统中运行的具有 自动跟踪补偿功能的消弧装置大部分采用调匝式消 弧线圈． 《成组技术与生产现代化》２０１７年第３４卷第２期 过补偿状态指电感电流大于电容电流，即Ｖ＜ ０， ＞ ，单相接地处有感性电流流过．过补偿既能 消除接地处的电弧，又不会产生谐振过电压．这是因 ２．２．２ 调容式 ３．２ 实际应用 调容式消弧线圈在绕组的二次侧并联若干组采 用真空开关或晶闸管通断的电容器，用来调节二次 某石化项目新建一座Ｉ１０ ｋＶ的全厂总变电站 （以下称总变），总变向各区域变电所和大电机供电． 建设最终规模为４台９Ｏ ＭＶＡ变压器，首期建设２ 台９Ｏ ＭＶＡ自冷有载调压电力变压器．电压比为 １１０ ｋＶ／３５ ｋＶ．１１０ ｋＶ系统和３５ ｋＶ系统均采用 双母线方式，１１Ｏ ｋＶ出线回路为２回，３５ ｋＶ出线 侧电容的容抗值，以满足减小一次侧电感电流的要 求．其电容值的大小及组数有多种排列组合，以满足 电容调节范围和精度的要求．但是，调容式消弧线圈 不能连续调节． ２．２．３调气隙式 回路为１６回（其中２回为备用）．由于３５ ｋＶ供电回 路较多，考虑到各区域变电所的供电回路皆为电缆 回路，并且供电线路较长，单相接地电容电流可能会 急剧增加． 这里以３５ ｋＶ的Ｉ、ＩＩ段母线电容电流计算为 例，选择消弧线圈的容量 ］． 调气隙式消弧线圈的电抗器铁芯由静止芯和动 芯组成．铁芯下半部分同线圈一起固定在框架上；上 半部分铁芯（用电动机带动传动机构）可调，通过调 节气隙大小达到改变电抗器电抗值的目的． ２．２．４直流偏磁式 直流偏磁式消弧线圈的交流工作线圈内布置了 一（１）电力线路接地电容电流计算如下： 根据厂家样本查阅的交联聚乙烯电缆单位长度 电容量： 个铁芯磁化段，通过改变铁芯磁化段磁路上直流 助磁通的大小来调节铁芯的磁饱和程度，从而实现 电感的连续可调． ＺＲＡ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１５０的线路电容为 ０．１５３ ｍＦ／ｋｍ；ＺＲＡ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５的线 ３消弧线圈的容量选择及计算 ３．１ 电容电流计算方法 路电容为０．１６３ ｍＦ／ｋｍ；ＺＲＡ—ＹＪＶ一２６／３５—３× ９５的线路电容为０．１３５ ｍＦ／ｋｍ． Ｉ、Ⅱ段母线电缆规格及长度如表２所示． 表２ Ｉ、Ⅱ段母线电缆规格及长度 计算单相接地故障时电容电流 ｃ是合理选择 消弧线圈容量的关键．电网中的单相接地电容电流 由电力线路和电力设备（如同步发电机、大容量同步 电动机及变压器等）两部分的电容电流组成［２］，即： Ｉｃ—Ｉｃ ＋ ｃ （１） 段别 电缆终点 电缆型号 电缆长度Ｌ／ｋｍ ０．７ ０．８ １＃区域变电所ＺＲＡ－ＹＪＶ一２６／３５—３×１５０ ＰＰ挤压机变 ＺＲ—ＹｊＶ一２６／３５—３×１８５ 式中：Ｊ。 一～电力线路接地电容电流，Ａ； Ｉｃ＂——电力设备接地电容电流，Ａ． （１）电力线路的单相接地电容电流为： ２＃区域变电所ｚＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１５０ ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５－－３×１８５ ０．９ １．７ ２．２ ２．９ ０．１２ ０．７ ０．９ １．０ ｃ 一√３Ｕ ×叫×ｃ×１０ 式中：Ｕ ——额定线电压，ｋＶ； （ｕ一２ ７ｃ厂，ｆ为５Ｏ Ｈｚ； （２） Ｉ段３＃区域变电所４＃区域变电所５＃区域变电所ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ １＃无功补偿 ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×９５ １＃区域变电所ＺＲＡ—ＹＪＶ一２６／３５—３Ｘ１５０ （３） ２＃区域变电所ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ ＨＤＰＥ挤压机变ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ Ｃ——单位长度电力线路的对地电容． （２）电力设备接地电容电流估算公式为： Ｉｃ＂一ａ 式中，ａ——变电所附加的接地电容电流比例（表 】）［¨． Ⅱ段３＃区域变电所表１ 变电所附加的接地电容电流比例 额定电压／ｋＶ ６ １０ １５ ３５ ６３ ｉ１０ ＺＲ－ＹＪＶ－２６／３５—３×１５０ １．７ ２．２ ４＃区域变电所ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ ５＃区域变电所ＺＲ～ＹＪＶ一２６／３５—３×１８５ ２＃无功补偿 ＺＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×９５ ２．９ ０．１２ 附加比例／ １８ １６ １５ １３ １２ １０ Ｇｒｏｕｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．２，２０１７ 以ＺＡＲ—ＹＪＶ一２６／３５—３×１５０为例，电缆长 度为０．７ ｋｍ． 电力线路接地电容电流为： ｃ 一Ｉｃ ｚ ×Ｌ一２．９１（Ａ） 越广泛． （２）通过计算某石油化工项目１ｌＯ ｋＶ总变电 所的３５ ｋＶ单相接地故障电容电流，为消弧线圈容 量的选择提供了设计思路及方法． 式中：Ｊ ——单位长度电力线路接地电容电流，Ａ； Ｌ——电缆长度，ｋｍ． 经过计算，３５ ｋｗ系统Ｉ段电力线路接地电容 电流为２５．９１ Ａ，１Ｉ段电力线路接地电容电流 为２６．５７ Ａ． 参考文献： ［１］ 中国航空工业规划设计院．工业与民用配电设计手册［Ｍ］． ３版．北京：中国电力出版社，２００５． －１２］ 《钢铁企业电力设计手册》编委会．钢铁企业电力设计手册 （上、下册）［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９６． （２）变电站附加的接地电容电流值为１３ ，且 主变容量相同． 工段：Ｉｃ— ｃ ＋ ｃ ＝２５．９１＋２５．９１×０．１３： ２９．２７（Ａ） Ｅ３］ 中国电力企业联合会．交流电气装置的过电压保护和绝缘配 合设计规范Ｅｓ］．北京：中国计划出版社，２０１４． ［４］ 中国电力企业联合会．３ ｋＶ～１１Ｏ ｋＶ变电站设计规范［ｓ］．北 京：中国计划出版社，２００８． Ⅱ段：，ｃ—Ｉｃ ＋ ｃ 一２６．５７＋２６．５７ Ｘ ０．１３— ３０．０２（Ａ） Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ０ｆ ３ ５ ｋＶ Ａｒｃ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｃｏｉｌ 经过计算，总变电站Ｉ段总电容电流为 ２９．２７ Ａ，Ⅱ段总电容电流为３Ｏ．Ｏ２ Ａ．二者均大于 规范中３５ ｋＶ系统允许电容电流上限值１Ｏ Ａ，需投 入消弧线圈补偿．对于３５ ｋＶ系统采用经消弧线圈 的接地方式． ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｌｅｉ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０７，Ｃｈｉｎａ） （３）根据文献［３］，自动跟踪补偿功能的消弧装 置消弧部分的容量为： ｗ一 ： √３ （４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ３５ ｋＶ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｏｕｔｌｅｔ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃａｂｌｅ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｅ ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｉｌ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓ 式中，【，， ——系统标称电压，ｋＶ． ｓｉｏｎ ｃｏｉｌ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔＯ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃ ｉｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｐｏｉｎｔ，ｔｈｕｓ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ Ｉ段消弧线圈容量为： Ｗ 一１．３５×２８．９×３５／１．７３２￣－７８８．４（ｋＶＡ） Ⅱ段消弧线圈容量为： ＷＩＩ—１．３５×３Ｏ．Ｏ２Ｘ ３５／１．７３２￣８１９．０（ｋＶＡ） ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ａｒｃ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ 考虑电力线路的综合因素后，工段、Ⅱ段各安装 一ｃｏｉｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ３５ ｋＶ ｓｉｎｇｌｅ— ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅ， 套消弧线圈，容量不小于１ ０００ ｋＶＡ． ４ 结束语 （１）随着配网系统安全可靠性要求的日益提高， ３５ ｋＶ电缆线路的广泛应用，消弧线圈的应用越来 ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｉｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ ｃｈｏｓｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｃｏｉｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｃａｐａｃｉｔｙ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ・ ６２ ・ 《成组技术与生产现代化》２０１７年第３４卷第２期