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【摘 要】 本文主要就消弧线圈的作用原理、中性点经消弧线圈并电阻接地、消弧线圈串电阻接地方式、消弧线圈自动补偿的过电压情况以及接地变保护原理进行了分析研究。
【关键词】 消弧线圈；并串电阻接地方式
一、消弧线圈的概述
1、消弧线圈的构成和各部分的功能
1.1接地变压器
接地变压器的作用是在系统为△型接线时，引出中性点用于加接消弧线圈，该变压器采用Z型接线。接地变除可带消弧线圈外，也可带二次负载，可代替所用变，从而节省投资费用。
1.2消弧线圈
消弧线圈的调流方式：一般分为5种，即：调隙式、调匝式、调容式、偏磁式、调节可控硅的导通角。比如调气隙式属于随动式补偿系统，其消弧线圈属于动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的，其调整只能在低电压或无电压情况下进行，其电感调整范围上下限之比为2.5倍。控制系统的电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约100Ω电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于15%的相电压）。当发生单相接地后，必须在0.2S内将电阻短接实现最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。调匝式属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈不能连续调节，只能离散的分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联的电阻存在爆炸的危险等缺点，另外该装置比较零乱，它由接地变压器、消弧线圈、电阻箱、控制柜四部分设备组成，施工安装比较复杂。偏磁式属于动态补偿系统，电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻，从而改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以毫秒级的速度调节电感值。是国内目前唯一可以使电网中原有功率方向型单相接地選线装置继续使用的补偿系统[1]。
1.3调谐
自动调谐是整套技术的关键部分，所有的计算和控制由它来实现，控制器实时测量出系统对地的电容电流，由此计算出电网当前的脱谐度ε，当脱谐度偏差超出预定范围时，通过控制回路调节输出电感电流，直至脱谐度和残流在预定范围内为止[2]。
1.4隔离开关、电压互感器
隔离开关安装消弧线圈前，用于投切消弧线圈，由于消弧线圈内的电压互感器不满足测量精度，需另设中性点电压互感器测量中性点电压。
2、消弧线圈的作用原理
消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供感性电流来补偿接地故障点的容性电流来减少接地故障残余电流，使故障相接地电弧两端电压的恢复速度大大降低，从而达到自动熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确补偿时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的辐值，同时也最大限度的减小故障点热破坏作用及接地网的电压。
以下是消弧线圈的三种补偿方式：过补偿，消弧线圈中的感性电流大于电容电流；全补偿，消弧线圈中的感性电流等于电容电流；欠补偿，消弧线圈中的感性电流小于电容电流。
从发挥消弧线圈的作用上来看，最好是处于全补偿状态。但是在电网正常运行时，采用全补偿，电网正常工作时三相对地电容不对称，易产生串联谐振，中性点电压升高。如煤矿6kV或10kV电网，当消弧线圈处于全补偿状态时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10～25倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。单相接地电容电流的补偿一般均采用过补偿方式。在过补偿情况下当电网线路减少时，不致成为全补偿。如果采用欠补偿方式，在切除部分线路后可能会造成全补偿，从而带来全补偿方式下的危害。
二、中性点经消弧线圈并电阻接地
中性点经消弧线圈接地的最大优点是在系统发生单相接地时不形成短路回路，可继续对用户供电，这早已在架空线路为主的l0—66kV电网中发挥了良好的作用。消弧线圈不仅能使故障残流减小、促使电弧自熄，而且使弧隙恢复电压的上升速度减慢，为电弧的最终熄灭创造条件。保证了电弧的熄灭和避免发生重燃，但当脱谐度偏大时，重燃仍有可能，直至接地电弧不能熄灭。为弥补易产生串联谐振过电压的缺陷，通过在消弧线圈两端并联电阻以增加电网阻尼率的方法来解决[3]。这种接地方式借电阻接地方式之长弥补消弧线圈接地方式之短，是一种较为理想的中性点接地方式，还有利于接地选线保护的实现，使正常运行时的中性点位移电压不致过大，采用此种方式后，消弧线圈应采用过补偿的运行方式，为使补偿效果好，脱谐度应选小些为宜。中性点经消弧线圈并电阻接地系统发生单相接地时如图1所示（A相接地）。
图中RN为消弧线圈两端并联电阻，c0为电网每相对地总电容，c为电网对地总电容电流，L为消弧线圈产生的电感电流，IRN为中性点电阻R产生的有功电流J。
接地电流每次过零时，由于恢复电压超过介质恢复强度而多次重燃击穿，从而产生较高的过电压。接入消弧线圈（并电阻）后，一方面单相接地电容电流可以被消弧线圈的电感电流所补偿，使残余的接地电流大为减小；另一方面，恢复电压的上升速度可大为降低，从而有利于熄弧。在这种接地方式下，消弧线圈应采用全补偿或过补偿的运行方式，防止在欠补偿运行时有可能产生工频串联谐振的危险。
四、消弧线圈串电阻接地方式
消弧线圈串联电阻接地方式的等值电路如图2中的（a）所示，可将串联电路图（a）等效为并联电路图（b）所示纯电感Ld与Rd并联的电路。由此可见，消弧线圈L串联电阻RL可等效为消弧线圈Ld并联电阻Rd的情况，只是这时消弧线圈的电感不再是原来的L，而是经过并联等效后的电感Ld， 可见，串联电阻的接入，使从中性点和地之间看入的消弧线圈电感略有增加。等效并联电阻值Rd不仅与串联电阻RL有关，而且与感抗wL有关。
所以，对于消弧线圈串联电阻的情况，同样引入一个附加阻尼率dt，通过选取适当的附加阻尼率，也可使电网在欠补偿、过补偿和全补偿状态运行时，同时保证中性点位移电压U0不超过15%Uφ。
有上述分析可知，消弧线圈串、并联电阻接地方式可以使电网在正常状态下运行于欠补偿、过补偿、全补偿状态而仍能将中性点位移电压控制在Uφ的15%以下。
五、消弧线圈自动补偿的过电压情况
自动跟踪补偿控制装置按电网电容变化自动调节消弧线圈的电感，使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿。该消弧线圈不仅能在单相接地故障之前对消弧线圈进行自动调节，还能在单相接地时继续对电网的电容电流进行自动跟踪补偿，使其始终处于最佳补偿状态。该消弧线圈是三相五柱式。在中间三个铁心上绕制了、B、C三相高压（6kV或10kV）绕组，经高压熔断器和隔离开关，直接与母线相连，而中性点与地相接，以形成零序电感电流回路，对接地点的电容电流进行补偿。旁边两个铁心柱作为零序磁通回路，并绕有二次绕组II，经晶闸管SCR与电抗器L接通。控制S的导通角，即能改变二次绕组的电感电流，从而对主回路的零序电感电流进行平滑调节旁边两个铁心柱与中间柱之间设有一定的空气间隙，调节气隙的大小，即可改变零序磁通的磁阻，达到对零序电感电流进行粗调的目的。其零序电感电流的调节范围为20A～50A。
使用自动跟踪补偿的消弧线圈（并电阻）以后，不但可以降低单相接地电流值，而且使过电压处于较低水平。图4是通过过电压测试系统录制的C相接地时的三相电压波形图。
从图中可以看到，非接地相（、B）的过电压值不超过相电压的两倍，说明采用自动跟踪的消弧线圈（并电阻）后，能有效地降低过电压值，有利于电网的安全运行。自动跟踪补偿的消弧线圈和接地选线保护装置的使用，从技术上解决了消弧线圈固定补偿接地方式的诸多缺点。
六、中性点经小电阻接地
我国早期投运的风电场中主变压器低压侧一般采用中性点不接地的运行方式，主变压器配电电压侧一般为三角形接法，没有可供接地电阻的中性点。当风电场中性点不接地系统发生电缆头击穿故障时，线电压三角形仍然保持对称，故障点对地绝缘降低，故障迅速扩大为两相短路或三相短路，此时只能依靠集电线路保护切除故障，风电场所配置保护若不能可靠动作时会影响电网的可靠运行，严重的会导致风电机组大面积脱网事故发生。由于风电场发生的事故原因多为电缆头故障，显然中性点不接地已经不能满足需求。
国家电网公司2011年12月制定了《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》，措施中第3.2.3.3规定“风电场汇集线系统单相故障应快速切除。汇集线系统应采用经电阻或消弧线圈接地方式，不应采用不接地或经消弧柜接地方式。经电阻接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能通过相应保护快速切除，同时应兼顾机组运行电压适应性要求。经消弧线圈接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能可靠选线，快速切除。汇集线保护快速段定值应对线路末端故障有灵敏度，汇集线系统中的母线应配置母差保护。”。故2011年后新投风电场均装设了接地变或消弧线圈，目的是确保风电场汇集线发生单相接地故障时能快速切除故障点，使故障对电网造成的影响降低。
电力系统正常运行情况下，接地变相当于空载状态。当汇集线发生单相接地故障时，高灵敏度的零序保护动作并短时切除故障线路，接地变只在接地故障至故障线路切除期间内起作用。接地变的运行特点是：长时空载，短时过载。
七、結束语
总之，中性点的接地方式选择对于电压的调节与电网的安全运行有着重要作用，需要谨慎选择。
参考文献：
[1]池秋霞.消弧线圈的功能、原理和现状[J].城市建设理论研究（电子版），2011（16）.
[2]艾艳荣.消弧线圈的运行与维护[J].科技与生活，2012（17）.
[3]许允之，郭西进，张倩.电网中性点经消弧线圈并电阻接地方式的研究[J].继电器，2008，11：85-87.
[4]《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（2012修订版）
【关键词】 消弧线圈；并串电阻接地方式
一、消弧线圈的概述
1、消弧线圈的构成和各部分的功能
1.1接地变压器
接地变压器的作用是在系统为△型接线时，引出中性点用于加接消弧线圈，该变压器采用Z型接线。接地变除可带消弧线圈外，也可带二次负载，可代替所用变，从而节省投资费用。
1.2消弧线圈
消弧线圈的调流方式：一般分为5种，即：调隙式、调匝式、调容式、偏磁式、调节可控硅的导通角。比如调气隙式属于随动式补偿系统，其消弧线圈属于动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的，其调整只能在低电压或无电压情况下进行，其电感调整范围上下限之比为2.5倍。控制系统的电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约100Ω电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于15%的相电压）。当发生单相接地后，必须在0.2S内将电阻短接实现最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。调匝式属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈不能连续调节，只能离散的分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联的电阻存在爆炸的危险等缺点，另外该装置比较零乱，它由接地变压器、消弧线圈、电阻箱、控制柜四部分设备组成，施工安装比较复杂。偏磁式属于动态补偿系统，电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻，从而改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以毫秒级的速度调节电感值。是国内目前唯一可以使电网中原有功率方向型单相接地選线装置继续使用的补偿系统[1]。
1.3调谐
自动调谐是整套技术的关键部分，所有的计算和控制由它来实现，控制器实时测量出系统对地的电容电流，由此计算出电网当前的脱谐度ε，当脱谐度偏差超出预定范围时，通过控制回路调节输出电感电流，直至脱谐度和残流在预定范围内为止[2]。
1.4隔离开关、电压互感器
隔离开关安装消弧线圈前，用于投切消弧线圈，由于消弧线圈内的电压互感器不满足测量精度，需另设中性点电压互感器测量中性点电压。
2、消弧线圈的作用原理
消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供感性电流来补偿接地故障点的容性电流来减少接地故障残余电流，使故障相接地电弧两端电压的恢复速度大大降低，从而达到自动熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确补偿时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的辐值，同时也最大限度的减小故障点热破坏作用及接地网的电压。
以下是消弧线圈的三种补偿方式：过补偿，消弧线圈中的感性电流大于电容电流；全补偿，消弧线圈中的感性电流等于电容电流；欠补偿，消弧线圈中的感性电流小于电容电流。
从发挥消弧线圈的作用上来看，最好是处于全补偿状态。但是在电网正常运行时，采用全补偿，电网正常工作时三相对地电容不对称，易产生串联谐振，中性点电压升高。如煤矿6kV或10kV电网，当消弧线圈处于全补偿状态时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10～25倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。单相接地电容电流的补偿一般均采用过补偿方式。在过补偿情况下当电网线路减少时，不致成为全补偿。如果采用欠补偿方式，在切除部分线路后可能会造成全补偿，从而带来全补偿方式下的危害。
二、中性点经消弧线圈并电阻接地
中性点经消弧线圈接地的最大优点是在系统发生单相接地时不形成短路回路，可继续对用户供电，这早已在架空线路为主的l0—66kV电网中发挥了良好的作用。消弧线圈不仅能使故障残流减小、促使电弧自熄，而且使弧隙恢复电压的上升速度减慢，为电弧的最终熄灭创造条件。保证了电弧的熄灭和避免发生重燃，但当脱谐度偏大时，重燃仍有可能，直至接地电弧不能熄灭。为弥补易产生串联谐振过电压的缺陷，通过在消弧线圈两端并联电阻以增加电网阻尼率的方法来解决[3]。这种接地方式借电阻接地方式之长弥补消弧线圈接地方式之短，是一种较为理想的中性点接地方式，还有利于接地选线保护的实现，使正常运行时的中性点位移电压不致过大，采用此种方式后，消弧线圈应采用过补偿的运行方式，为使补偿效果好，脱谐度应选小些为宜。中性点经消弧线圈并电阻接地系统发生单相接地时如图1所示（A相接地）。
图中RN为消弧线圈两端并联电阻，c0为电网每相对地总电容，c为电网对地总电容电流，L为消弧线圈产生的电感电流，IRN为中性点电阻R产生的有功电流J。
接地电流每次过零时，由于恢复电压超过介质恢复强度而多次重燃击穿，从而产生较高的过电压。接入消弧线圈（并电阻）后，一方面单相接地电容电流可以被消弧线圈的电感电流所补偿，使残余的接地电流大为减小；另一方面，恢复电压的上升速度可大为降低，从而有利于熄弧。在这种接地方式下，消弧线圈应采用全补偿或过补偿的运行方式，防止在欠补偿运行时有可能产生工频串联谐振的危险。
四、消弧线圈串电阻接地方式
消弧线圈串联电阻接地方式的等值电路如图2中的（a）所示，可将串联电路图（a）等效为并联电路图（b）所示纯电感Ld与Rd并联的电路。由此可见，消弧线圈L串联电阻RL可等效为消弧线圈Ld并联电阻Rd的情况，只是这时消弧线圈的电感不再是原来的L，而是经过并联等效后的电感Ld， 可见，串联电阻的接入，使从中性点和地之间看入的消弧线圈电感略有增加。等效并联电阻值Rd不仅与串联电阻RL有关，而且与感抗wL有关。
所以，对于消弧线圈串联电阻的情况，同样引入一个附加阻尼率dt，通过选取适当的附加阻尼率，也可使电网在欠补偿、过补偿和全补偿状态运行时，同时保证中性点位移电压U0不超过15%Uφ。
有上述分析可知，消弧线圈串、并联电阻接地方式可以使电网在正常状态下运行于欠补偿、过补偿、全补偿状态而仍能将中性点位移电压控制在Uφ的15%以下。
五、消弧线圈自动补偿的过电压情况
自动跟踪补偿控制装置按电网电容变化自动调节消弧线圈的电感，使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿。该消弧线圈不仅能在单相接地故障之前对消弧线圈进行自动调节，还能在单相接地时继续对电网的电容电流进行自动跟踪补偿，使其始终处于最佳补偿状态。该消弧线圈是三相五柱式。在中间三个铁心上绕制了、B、C三相高压（6kV或10kV）绕组，经高压熔断器和隔离开关，直接与母线相连，而中性点与地相接，以形成零序电感电流回路，对接地点的电容电流进行补偿。旁边两个铁心柱作为零序磁通回路，并绕有二次绕组II，经晶闸管SCR与电抗器L接通。控制S的导通角，即能改变二次绕组的电感电流，从而对主回路的零序电感电流进行平滑调节旁边两个铁心柱与中间柱之间设有一定的空气间隙，调节气隙的大小，即可改变零序磁通的磁阻，达到对零序电感电流进行粗调的目的。其零序电感电流的调节范围为20A～50A。
使用自动跟踪补偿的消弧线圈（并电阻）以后，不但可以降低单相接地电流值，而且使过电压处于较低水平。图4是通过过电压测试系统录制的C相接地时的三相电压波形图。
从图中可以看到，非接地相（、B）的过电压值不超过相电压的两倍，说明采用自动跟踪的消弧线圈（并电阻）后，能有效地降低过电压值，有利于电网的安全运行。自动跟踪补偿的消弧线圈和接地选线保护装置的使用，从技术上解决了消弧线圈固定补偿接地方式的诸多缺点。
六、中性点经小电阻接地
我国早期投运的风电场中主变压器低压侧一般采用中性点不接地的运行方式，主变压器配电电压侧一般为三角形接法，没有可供接地电阻的中性点。当风电场中性点不接地系统发生电缆头击穿故障时，线电压三角形仍然保持对称，故障点对地绝缘降低，故障迅速扩大为两相短路或三相短路，此时只能依靠集电线路保护切除故障，风电场所配置保护若不能可靠动作时会影响电网的可靠运行，严重的会导致风电机组大面积脱网事故发生。由于风电场发生的事故原因多为电缆头故障，显然中性点不接地已经不能满足需求。
国家电网公司2011年12月制定了《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》，措施中第3.2.3.3规定“风电场汇集线系统单相故障应快速切除。汇集线系统应采用经电阻或消弧线圈接地方式，不应采用不接地或经消弧柜接地方式。经电阻接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能通过相应保护快速切除，同时应兼顾机组运行电压适应性要求。经消弧线圈接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能可靠选线，快速切除。汇集线保护快速段定值应对线路末端故障有灵敏度，汇集线系统中的母线应配置母差保护。”。故2011年后新投风电场均装设了接地变或消弧线圈，目的是确保风电场汇集线发生单相接地故障时能快速切除故障点，使故障对电网造成的影响降低。
电力系统正常运行情况下，接地变相当于空载状态。当汇集线发生单相接地故障时，高灵敏度的零序保护动作并短时切除故障线路，接地变只在接地故障至故障线路切除期间内起作用。接地变的运行特点是：长时空载，短时过载。
七、結束语
总之，中性点的接地方式选择对于电压的调节与电网的安全运行有着重要作用，需要谨慎选择。
参考文献：
[1]池秋霞.消弧线圈的功能、原理和现状[J].城市建设理论研究（电子版），2011（16）.
[2]艾艳荣.消弧线圈的运行与维护[J].科技与生活，2012（17）.
[3]许允之，郭西进，张倩.电网中性点经消弧线圈并电阻接地方式的研究[J].继电器，2008，11：85-87.
[4]《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（2012修订版）