基于調匝式消弧線圈的虛幻接地解決措施

袁明哲,馬婭妮，汪祺航，鄒經鑫，曹 柯

(1.國網四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041；2.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著城市電纜的應用量逐漸增多[1]，電力系統中電容電流的影響愈發不可小覷。為降低電容電流在單相接地時引發弧光接地的風險，10kV配電網線路大多配備消弧線圈，以補償容性電流[2-4]。然而，消弧線圈的應用帶來了一定的“副作用”，即虛幻接地的產生。

虛幻接地顧名思義為類似于單相接地的一種不平衡狀態，即10 kV母線相電壓一相降低，兩相升高，中性點電壓略高[5]。其往往是因為系統中發生全補償，造成串聯諧振，致使中性點電壓驟升。虛幻接地發生后，電網監控系統會報出接地信號，并自動啟動選線系統，但實際巡線后會發現所選線路并未發生接地故障。這對調度判斷系統運行狀態、運維人員現場巡視等造成困擾，并且對虛幻接地的相應處理可能會對用戶側造成短時停電，影響穩定供電。

文獻[6]以消弧線圈自身參數為切入點，通過對電網正常運行及接地故障下改變消弧線圈參數的測試，指出消弧線圈自動調諧裝置參數設置不合理會引起虛幻接地，并配合實例計算結果，提出了增大脫諧度、增大阻尼電阻以應對虛幻接地的解決措施；但并未考慮阻尼電阻增大是否有不利影響。文獻[7]研究了一起虛幻接地的案例，提出消弧線圈會放大電網不平衡電壓；從而導致中性點電壓升高并引起虛幻接地的觀點，并結合大數據系統查找出不平衡的高壓用戶，避免了運行人員現場逐一檢查，縮小了排查范圍。文獻[8]分析了消弧線圈放大不平衡電壓形成位移電壓的原理，提出了采用阻尼措施抑制位移電壓的方法；但僅是針對位移電壓，對引起虛幻接地的其他原因并不適用。文獻[9]通過空充母線時出現的虛幻接地案例，解釋了由于變電站母線電壓互感器鐵芯飽和造成鐵磁諧振，從而引發虛幻接地，指出了系統發生鐵磁諧振的危害，并給出了投入空載線路以破壞諧振條件的解決措施；但僅是依托空充母線的個例進行分析，并未考慮引發虛幻接地的普遍性情況。文獻[10]分析了引起虛幻接地的各種現場情況，針對傳遞過電壓提出了在高壓側避免采用熔斷器、盡量避免高壓斷路器不同期操作等措施，以減少在高壓側出現零序電壓的可能性；但所提措施僅作為現場運行的操作建議，并未對消弧線圈設備本身進行改進。文獻[11]先是分析了消弧線圈控制算法，然后通過計算不同不平衡度下位移電壓的方式，得出了三相負荷不平衡會造成虛幻接地的結論，提出以不平衡電壓為參考制定觸發電壓門檻值的措施。文獻[12]針對電壓互感器鐵芯飽和引起虛幻接地進行了詳細分析，提出了采用電容式互感器或在中性點加裝電壓互感器的措施；但并未對其所提措施進一步驗證其適用于其他虛幻接地情況的可行性。

綜上所述，目前針對虛幻接地的研究大多是對生產實踐中零散出現的事故進行特定探討，對其產生原因分析過于單一、不夠全面深入，并且所提抑制措施也皆是基于現場故障處理，未能提供可以保證常態化電網運行維護以及針對消弧裝置自身根本性的解決措施。因此，下面圍繞10 kV配電網調匝式消弧線圈裝置展開研究，從裝置控制原理及補償算法入手，分析了消弧線圈致使虛幻接地產生的原因以及在現場運行中可采取的有效解決措施，旨在減少接地故障誤報，降低虛幻接地對故障選線造成困難的不良影響，進一步保障電網安全穩定運行。

1 調匝式消弧線圈的結構及原理

1.1 裝置結構

調匝式消弧線圈屬于預調式，即在正常運行時已經計算出了系統所需補償的電感電流，在發生單相接地時，由短接開關控制短接阻尼電阻，使得消弧線圈充分補償系統容性電流[13]。如圖1所示，調匝式消弧線圈成套裝置由接地變壓器TM、有載消弧線圈LP及阻尼電阻R構成[14]。

圖1 消弧線圈成套裝置結構

消弧線圈需要裝設在電力系統的中性點位置，以便在系統單相接地時與對地電容構成接地回路。而變電站變壓器大多為Y/△型接線[15]，低壓側沒有中性點。因此，為了人為地構造一個連接消弧線圈的中性點，在10 kV母線上連接一臺Z型接線接地變壓器[16]。Z型變壓器由于其繞線特殊使得零序阻抗很小，空載損耗低，變壓器容量可以利用90%以上[17]。而普通變壓器零序阻抗大很多，相應的容量利用率低。而消弧線圈容量一般不應超過變壓器容量的20%，因此，零序阻抗越小，消弧線圈可利用的容量越大，所補償的電感電流也就越大。阻尼電阻兩端的保護單元指的是短接開關，由可控硅并聯壓敏電阻構成，可控硅控制阻尼電阻的短接，壓敏電阻用以保護可控硅。

1.2 補償算法分析

首先，計算出系統中的對地電容值，然后進行殘流限值標準比對，再依照分接頭開關擋位選擇線圈電感值，隨后得到應提供的電感電流，從而對電容電流進行補償。因此，補償算法的關鍵是電容的計算。現場裝置大多采用幅值相位法[18-19]，該方法是在諧振點附近，兩次調擋測得中性點電流及其相位差。通過兩次測量便可得到圖2的阻抗三角形，接著借助三角關系得出容抗大小[20]。如圖2所示，阻抗三角形是根據正常運行情況下，阻尼電阻、消弧線圈及對地電容構成的串聯回路所得出的。

圖2 幅值相位法阻抗三角形

幅值相位法選擇在諧振點附近測量的原因：1)中性點電流諧振曲線類似于正態分布，峰值點恰好在諧振點，即在諧振點附近中性點電流變化平緩，較為穩定，便于測量；2)中性點電壓諧振曲線與中性點電流曲線相似，幅值相位法所利用的兩次阻抗三角關系的前提是中性點電壓不變，而在接近于諧振點處，中性點電壓達到峰值，相對于峰值前后的升降更為平穩，因此容抗的計算誤差更小；3)在接近于諧振點時，串聯回路中感抗和容抗近似抵消，因此電抗值僅為阻尼電阻，此時中性點電流較大，測量誤差更小。

2 調匝式消弧線圈導致虛幻接地的原因分析

2.1 理論分析

現場運行實踐經驗表明，在不配置消弧線圈的配電網線路，虛幻接地現象基本消失。因此，究其根本原因還是消弧線圈裝置自身的一些問題。現分析可能引發虛幻接地的原因如下：

1)觸發電壓的設置：若觸發電壓設置過小，當系統因某種原因其不平衡電壓較大時，會使得阻尼電阻壓降達到觸發電壓，阻尼電阻會在系統沒有接地的情況下被短接，致使串聯電路阻尼率下降，中性點電流升高，導致虛幻接地；若觸發電壓設置過大，會導致一些非金屬性接地不能被識別并觸發，致使消弧線圈未能發揮補償作用，除此，會使得阻尼電阻承受過高壓降卻遲遲不被短接，導致阻尼電阻過載被燒毀，失去抑制不平衡電壓的作用，致使未接地狀態下發生串聯諧振，也會導致虛幻接地。在實際運行中，因可控硅的觸發電壓是一定的，對于不同擋位的消弧線圈，觸發情況會有所差異。因為在低擋位時，消弧線圈提供的電感電流小，阻尼電阻兩側的電壓也自然較小，相似地，在高擋位時，阻尼電阻兩側電壓較大。因此存在低擋位不易觸發、高擋位易觸發的現象，這種不穩定性造成引發虛幻接地的概率增大。

2)觸發閾值的設置：在消弧線圈觸發設置中，存在一個參數“閾值”作為消弧線圈重新調擋的條件判據。當電力系統中由于運行方式或其他原因造成電容電流發生變化時，消弧線圈控制系統會檢測到中性點電壓發生了一定的變化，對此，設定常規閾值0.04 V和突變閾值0.07 V：若中性點電壓的變動差值超過0.04 V，且變動持續時長超過3 min，消弧線圈會自動計算新的電容電流，進而重新調擋；若中性點電壓的變動差值超過0.07 V，持續時長超過1 min后，也會重新計算容流。因此，閾值的設置關系到觸發動作的準確性，如果閾值設定有誤，會造成未接地時阻尼電阻被短接，進而導致虛幻接地。

3)阻尼電阻的取值：為了抑制系統串聯諧振過電壓，在消弧線圈接地回路中串入阻尼電阻。由消弧線圈串聯回路可知，中性點電壓Un為

(1)

式中：KC為系統不對稱度；Uφ為系統相電壓；d為系統阻尼率；ε為脫諧度。

根據中性點電壓不可超過15%系統相電壓的要求，可得阻尼電阻取值為

R>(Uφ×KC)/ILmin×15%

(2)

式中，ILmin為消弧線圈最小擋補償電流。

由式(2)可知，如果阻尼電阻過小，會使得中性點電壓較高，不能達到15%相電壓的要求。且如果阻尼電阻過大，會導致中性點電流過小，考慮到調匝式消弧線圈控制器在計算補償電流時采用的是幅值相位法，中性點電流過小會導致測量誤差增大，進而使得電容電流計算不準確，在補償過程中容易造成全補償，導致虛幻接地。

4)忽略其他電阻的影響：幅值相位法中所用電阻僅考慮了阻尼電阻的作用，忽略了消弧線圈損耗電阻和線路對地泄露電阻，與實際運行情況存在一定偏差。這也會一定程度上導致電容電流計算方法的誤差較大，使得消弧線圈不能精準補償，在系統接地時致使殘流過大燒毀可控硅元件或者發生全補償，導致虛幻接地。

5)消弧線圈容量的配置：隨著電纜的大規模應用，系統中電容電流愈增，原有的一些消弧線圈容量不足以提供相應的電感電流，使得消弧線圈運行在欠補償狀態下；當線路運行方式調整時，電容電流的變化可能會造成全補償，導致虛幻接地。

6)調節開關動作的影響：調匝式消弧線圈控制系統在容抗計算時，需要調整擋位測得中性點電流。因此當系統對地電容發生變化，控制系統便要重新計算容抗。每一次計算均需要調擋兩次，因此在系統運行不平穩時，消弧線圈調擋頻繁會使得調節開關使用壽命下降，對其動作情況有一定的負面作用。且兩次調擋時間間隔會受調節開關固有動作時間影響，有較長的測量周期，使得計算中假定不變的不平衡電壓有可能發生變化，對容抗的計算產生一定的誤差。因此，有可能導致補償的電感電流不足進而發生全補償，引發虛幻接地。

2.2 實驗分析

1)觸發實驗

選取某110 kV變電站的消弧線圈做實驗，因該站處于未投運狀態，為實驗提供了便利條件。消弧線圈設備參數如表1所示。

表1 消弧線圈參數

在中性點側加電壓，設置電壓從0緩慢上升至6 kV，再從6 kV緩慢下降至0。因控制屏采集數據是間歇性采集，實驗中采集了4組數據，每組5個周期，每個周期是20 ms，將4組數據繪制于一張圖中。實驗波形如圖3所示，a、b、c、d是4組數據的節點，縱坐標沒有標注數值是因為控制屏所采集的數據為模擬量，數值是非真實的，僅可代表數值變化趨勢。

由圖3可以看出，觸發電流在觸發前很小，隨著中性點電壓的上升，觸發電流逐步增大，在a時刻后持續呈尖峰脈沖狀，即表明可控硅被觸發，此時控制屏上顯示的中性點電壓為39.43 V，一次側值即為2390 V，與其觸發電壓門限值對應。隨著中性點電壓在到達6 kV后逐步降低，即代表“接地消失”，觸發電流逐步減小，恢復非導通狀態的正弦波。圖中，由b到c再到d，觸發電流漸變至很小的數值，恢復到觸發前的狀態。

圖3 觸發電流波形

分析觸發實驗可知，在可控硅導通前，阻尼電阻承受功率隨著中性點電壓的增大也逐步增大，觸發電壓越高，阻尼電阻承受功率和能量越大。因此，觸發電壓不可一味提高。除此，觸發電壓若設置過低，會造成頻繁虛幻接地，引起調度人員誤判。結合現場工作經驗及資料參考[16]，非金屬性接地中性點電壓約為2000 V。因此，實驗設備的觸發電壓設置合理，滿足運行要求。

2)跟蹤調擋實驗

在中性點處加入50 V電壓源，即代替正常運行情況下串聯回路中的不平衡電壓，為消弧線圈補償提供電流。回路中分次串聯不同大小的電容，觀察消弧線圈控制屏能否跟蹤電容電流的變化相應地改變補償電流值。設置電容分別為8 μF、16 μF、30 μF、40 μF、65 μF、80 μF、90 μF，實驗結果如表2所示。

由表2可以看出，在電容值為8 μF、16 μF、90 μF時，由于電容電流沒有達到消弧線圈的最低調節值50 A或是超過最高調節值165 A，擋位始終運行在極限擋，并且控制系統報出“容量越限”的告警信號，此時計算誤差較大。在電容值為30～80 μF時，消弧線圈控制系統均可正常調擋補償容流，雖存在一定的計算誤差，但均滿足殘流5～10 A的要求。

表2 跟蹤調擋實驗結果

對跟蹤調擋時有載開關的動作時間進行統計，從1擋調至25擋用時296s，調擋次數為24次，平均每次調擋用時約12～13 s。可以看出，有載調壓開關動作時間較長，對補償電流的計算誤差存在一定的影響，驗證了前面所述的原因分析。

3 針對虛幻接地的改進措施

關于所提出的導致虛幻接地的原因，結合現場實際運行，提出以下抑制措施：

1)針對不同擋位觸發電壓存在差異的情況，提出一種“自適應”觸發裝置，設置觸發電阻R1和R2，使得可控硅能夠靈活應對不同擋位有效觸發，避免高擋位容易觸發引發虛幻接地。原理如圖4所示，圖中：R1、R2為觸發電阻；R為阻尼電阻；K為反向并聯可控硅，有雙向導通的作用，適用于大電流回路。

圖4 “自適應”觸發裝置原理

常規觸發裝置中，當中性點電壓升高，阻尼電阻兩側電壓達到觸發電壓值，即觸發可控硅短接阻尼電阻。在原有阻尼電阻兩側加入串聯的觸發電阻，使得當阻尼電阻連同一個觸發電阻兩側電壓達到觸發電壓值時，觸發動作。已知中性點電壓為交流正弦波，當其在正半波時，觸發通路如圖中紅色線標注；當其在負半波時，觸發通路如圖中藍色線標注。在擋位較低時，消弧線圈提供的電感電流小，若電壓為正，a側為低電位，則R2兩側的電壓較小，即(Un-UR2)較大，能夠容易達到觸發電壓；若電壓為負，b側為低電位，則R1兩側的電壓較小，即(Un-UR1)較大，同樣能夠容易達到觸發電壓。在擋位高時，消弧線圈提供的電感電流大，類似地，R1、R2兩側的電壓較大，即(Un-UR2)和(Un-UR1)較小，能夠避免高擋位易觸發的弊端。

因此，觸發裝置中觸發電阻的存在，可有效降低不同擋位觸發難易不同造成虛幻接地的風險，為消弧線圈觸發機構的設置提供新的思路。其參數整定方法可參考文獻[21]，但需依照具體消弧線圈參數計算。

2)關于所述觸發閾值影響補償準確性的問題，提供了一種實驗方法用于檢測閾值設置的正確性，可消除閾值對系統出現虛幻接地的不良影響。

與前述調擋實驗類似，在中性點側加一定的電壓，分次串入不同大小的電容，觀察消弧線圈控制系統的變化。

消弧線圈在重新調擋時，前提條件是容性電流的變化大于設備每一級擋位間的級差電流，否則會維持原有擋位繼續運行。因此，實驗選取的兩次電容差值應與級差電流對應。以觸發實驗所用設備為例，設備的級差電流為4.8 V，對應電容差值應為2.5 μF。

除此，實驗選取的電容應大于消弧線圈調整下限值50 A對應的電容值，即26.3 μF。實驗可安排選取27 μF和29.5 μF的兩個電容，分別串入消弧線圈回路中，若消弧線圈控制系統在電容變為29.5 μF后，及時重新計算容性電流且正確升一擋，則閾值設定正確；若消弧線圈控制屏參數始終未發生變化，則閾值設定過高，不能有效應對容性電流的微小變化，計算不夠準確。

閾值的設置也不能過低，否則使得系統中過于微小的容性電流變化均會引起重新計算。而如前所述，容性電流的每次計算均需要調擋，頻繁計算導致頻繁調擋，對消弧線圈有載開關的壽命會造成一定的影響。

3)在同一個變電站存在多臺消弧線圈并列運行時，涉及到消弧線圈通信配合及容量承受兩方面問題。

以某110 kV變電站為例，其接線方式如圖5所示，有3臺消弧線圈分別連接在不同段的母線上。正常運行方式是901、902、904、903斷路器為合位，912、934斷路器為分位，3臺消弧線圈各自獨立運行。

圖5 某110 kV變電站一次接線

若3臺變壓器任一臺故障時，為合理分配負荷，使得剩余兩臺變壓器各帶兩段母線負荷，導致1號消弧線圈單獨運行，2、3號消弧線圈并列運行。因此，需要考慮1號消弧線圈容量是否滿足對應的Ⅰ、Ⅱ段母線上對地電容電流要求，能否在容性電流很大時提供相應的補償電流。除此，還需考慮2、3號消弧線圈主從設置，保證及時供應電感電流。

若3臺變壓器任兩臺變壓器故障時，剩余一臺變壓器需帶全站負荷，此時，則需考慮3臺消弧線圈同時并列運行的問題。一般情況下，設定兩臺消弧線圈為主機，另一臺為從機。對于主機定擋在哪個擋位以及從機滿擋后另兩臺主機怎么再次分配，都會影響到對容性電流的補償是否準確。

綜上所述，針對多臺消弧線圈運行的問題，提出了在投運前需根據不同運行方式，設定消弧線圈的運行策略，避免消弧線圈因運行方式改變導致其容量不能承受變化后的容性電流，進而補償不準確，引發虛幻接地。

4 結 論

通過對消弧線圈控制原理的分析及消弧線圈內部各參數設置的探討，歸納總結了生產實踐當中引發虛幻接地的眾多原因，并通過實驗進一步深入分析上述原因的影響。針對觸發電壓存在的現實問題，創新性地提出了觸發結構的改造升級，可有效抑制虛幻接地的產生，并對觸發閾值的檢驗及消弧線圈并列運行策略的制定提供了參考方案，具有一定的工程實踐意義。