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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0.52h,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35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V0时为欠补偿,V0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 1025 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。片* - , 17 11F1kB1JAx91消弧域删祐工作原理示立图如图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,1与I相差18 0。,所以是起相互抵消的作用。LC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I =I =I =ICACBCCC,分别越前于u、U、U电压的9 0。当发生单相接地故障时(例如A相OABC金属性接地)相当于在故障相上,加一个与U大小相同,但方向相反的相电压A相对地电压升高KFA(3KF)倍,即U =U=KF (3KF)UBCue,则故障相对地电压u = o,而中性点对地电压升高到相电压,其他两 ,在U B、U电压的作用下,所产生的电容电流I CB、I C分别越前于 U、U电压的9 0,其相量和I即为流过A相故障点的电容电流。它的Bcc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9 0。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I , 调到接近于电容电流I,使I ,此时流过故障点的残流将很小。但是,此CL C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6 0%7 0%。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。36kV网络电容电流I 2 3 0AC10kV网络电容电流I 220AC2 06 0kV网络电容电流I 210AC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:S =1.351 UkC式中s 消弧线圈容量 kVAkI电网接地电容电流 ACU电网的相电压 kV1.35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5 0% 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3 0%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6 0%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
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