消弧线圈补偿网络中的谐振

在中性点不接地的配电网中，消弧线圈的主要作用是补偿系统单相接地故障的短路电流。消弧线圈是带气隙的铁芯电感，接在变压器的中性点上，其补偿作用如图5.13所示电路图说明。

图5.13　不接地系统单相接地等值电路图及相量图

图5.13　（ a）为中性点不接地电网发生单相接地时的等值电路图，图中C1=C2=C3=CO为则非故障相（见图5.13中B、 C相）对地电压升至线电压，流过故障点的电流Ijd等于非故障相的对地电容电流向量和，如图5.13 （ b）所示。即

其模值为

（5-28）

对于35 kV及以下的架空线路，每公里导线的对地电容C0约为5000 pF，故10 kV线路的Ijd≈0.03A/km， 35 kV线路的Ijd≈0.01 A/km。系统运行经验表明，当10 kV线路的Ijd不超过30A（即架空线路长度不超过1000 km）和35 kV线路Ijd不超过10 A（即架空线路长度不超过100 km）时，接地电弧一般能够自熄，这可避免单相电弧接地故障跳闸，这是中性点不接地电网的优点。但当Ijd超过上述允许值时，接地电弧往往不能自熄，并将产生间歇性电弧接地过电压。在这种情况下，我国电力行业规程规定，需在变压器中性点上接消弧线圈L。当系统中性点接有消弧线圈时，单相接地时流过消弧线圈的电流为由图5.13 （b）的相量图可知，该电流恰好与Ijd反相，从而减小了流过接地故障点的电流。这时流过故障点的电流IC称为残流，其表达式为

IC = Ijd-IL

系统中性点接有消弧线圈后，流过故障点的电流大小由消弧线圈提供的感性电流决定，即取决于消弧线圈的补偿额度。消弧线圈的补偿可由下列脱谐度vC表示：

（5-29）

式中　ω0——零序回路的自振角频率。

（5-30）

若IL=ljd，则IC=0 ， vC=0， ω0=ω，称为全补偿；如果IL＞ Ijd，即补偿电流大于电容电流，这时vC＜0 ，ω0＞ ω，称为过补偿；当IL＜I d时，vC＞0 ，ω0＜ω，称为欠补偿。

当系统装设消弧线圈后，要求残流不超过5～10A，以保证接地电弧够自熄，此时vC值很小， 由式（5-30）可知ω0≈ω，这表明利用消弧线圈灭弧后，故障相恢复电压的自由震荡的角频率ω0与系统电源额定角频率ω相接近，故恢复电压将以拍频的规律缓慢上升，从而可以保证电弧不再发生重燃和最终趋于熄灭，使系统恢复正常运行。系统装设消弧线圈后，熄弧后故障点的恢复电压uh（ t）可以用下式表示

（5-31）

式（5-31）中右边第一项为稳态分量，即A相电源电压；第二项为自由振荡分量，a为电网的衰减系数。在全补偿时ω0=ω，a很小，故uh（ t）以拍频的规律缓慢上升，有利于电弧熄灭并恢复系统正常。

由上述分析可知，消弧线圈的功能有：补偿系统单相接地电容电流；延缓恢复电压的上升速度促使电弧自熄。

此外，就减小残流、熄灭接地电弧来说，消弧线圈的脱谐度vC越小越好。但实际系统中消弧线圈又不宜运行在全补偿状态，因为在系统正常运行时，由于电网三相对地电容不对称，可能在系统中性点上出现较大的位移电压UN。当系统接入消弧线圈后，恰好形成零序谐振回路，且ω0≈ω，则在系统位移电压UN的作用下将发生线性谐振现象。

系统正常运行，中性点接有消弧线圈后，由图5.13 （a）（系统无接地故障），利用节点电位法对节点N可列出下列方程：

解之得

若不考虑系统损耗，上式中Y1=jωC1 ， Y2=jωC2， Y3=jωC3，。代入上式可得

（5-32）

式中　。

通常系统三相电源是对称的，即UA+UB+UC=0， 由于导线对地面的不对称布置，各相对地电容一般并不相等，即C1≠C2≠C3。这样将不等于零。而当消弧线圈L调谐致使脱谐度vC =0时， 由式（5-29）有，将该条件代入式（5-32），会使其分母等于零，于是系统中性点位移电压UN将显著上升，其具体数值将由电网中的损耗决定。这是由于消弧线圈调谐不当，系统发生了谐振现象。

通过上述分析可知，接入消弧线圈能起到补偿单相接地故障电流的作用，并能降低故障点弧隙恢复电压的上升速度，而且脱谐度越小，其补充作用越显著。但是，太小的脱谐度将导致正常运行时产生较大的中性点位移。因此，必须综合这两方面的要求确定合适的脱谐度。我国电力行业规程规定，中性点经消弧线圈接地系统应采用过补偿方式，其脱谐度不超过10%，同时还要求中性点位移电压一般不超过相电压的15%。

随着技术的进步， 目前实际系统中使用的消弧线圈一般采用随调式消弧线圈，即系统正常运行时，将消弧线圈脱谐度调大，使其不放大系统的位移电压；而当系统发生单相接地故障时， 自动调小脱谐度使其发挥补偿作用。但对这种调谐方式，要求消弧线圈应有快速响应，系统故障时能快速发挥补偿作用。