消弧线圈在电缆线路中不能消弧的原因分析

消弧线圈在电缆线路中不能消弧的原因分析
张安斌(硕士高工)
运行经验证明，一相接地故障占65％，两相接地故障占20％，两相直接接地短路占10％，其余占5％。

而两相接地故障绝大部分是由于一相接地故障引起。

因此一相接地故障设法消除，则线路故障将减少80％以上。

50年代编写的电力运行规程要求电容电流大于一定数值时须加装消弧线圈。

但是随着电力系统的发展电缆出线愈来愈多，消弧线圈已经满足不了当前的电力运行要求，消弧线圈在电缆线路中不能消弧防止过电压。

上海、广州、北京、深圳、珠海等地采用中性点经电阻接地，以牺牲连续供电来达到防止过电压的目的。

本文从流过故障点的电流成分、绝缘可恢复性和燃弧长度，分析了为什么消弧线圈在电缆线路中不能消弧的原因，并建议铁路系统使用一种新型的消弧过电压保护设备。

如图一消弧线圈原理接线图，La、Lb、Lc为线路电感，Ca、Cb、Cc为线路对地分布电容，Cab、Cbc、Cca为线路相间分布电容。

图一
消弧线圈的工作原理是利用流经故障点的电感电流和电容电流相位差为180°，补偿电容电流减小流经故障点电流，来达到消弧的目的。

消弧线圈全补偿的电感L整定值满足：ωL＝1／3ωC （式1）其中，L为消弧线圈的电感，C为线路对地电容与相间电容之和，ω为工频角频率
过补偿ωL<1／3ωC
欠补偿ωL>1／3ωC
线路对地电容C单位是微法，因此消弧线圈的电感单位是亨。

一、流经故障点的交流电流分析
分析流经故障点工频电流，A相的交流等效图如图二
图二
(图中 R地=接地电阻+弧光电阻，LXHXQ为线弧线圈电感ωLXHXQ＝3ωCoo，La为A相电感等于Lo，Ca＋Cca为A 相对地电容和相间电容等于Coo)
●L经消弧线圈流过故障点的工频电流（注：以下分析
加粗字符为矢量）:
I1=-U C/(jωLXHXQ+R地)≈jU C/ωLXHXQ （式2）把（式1）代入（式2）：
I1≈j3ωCoo U C （式3）
●l健全相A相流经故障点的电流（此时，A相对地电
压为Uac）:
I2=Uac×［1/(jωLa+R地+1/(-j(ωCa+ωCca)))］≈-jωCoo Uac （式4）其中，1/(ωCa+ωCca)>>ωLa+R地
●l健全相B相流经故障点的电流:
I3≈-jωCoo Ubc （式5）流经故障点的工频电流：
I=I1+I2+I3=j3ωCoo U C-jωCoo（Uac＋Ubc）
健全相对地电压为线电压即为Uac和Ubc,因为矢量Uac ＋Ubc与Uc方向相同，幅值是Uac的倍,Uac幅值是Uc的倍
所以,Uac＋Ubc＝U C＝3U C （式6）
I=j3ωCoo U c－j3ωCoo U C＝0 （式7）这里要强调Uc是C相相电压，并不是C相对地电压，
此时C相对地电压为0。

在加装消弧线圈后，流经故障点的工频电流近似为零，但是不能完全补偿仍然有残流。

无论怎么自动调整消弧线圈的参数,都无法完全补偿流经故障点的工频电流。

电缆线路分布电容远大于架空线路，因而工频电流的幅值也远大于架空线路，同理残流也远大于架空线路。

二、从直流的角度分析流经故障点的高频振荡电流
l故障相对地电容流经故障点的高频振荡电流如图三,图中R地=接地电阻+弧光电阻，LXHXQ为线弧线
圈电感，Lc为C相电感等于Lo，Cc为C相对地电容
等于Co)
图三图四
因为在高频振荡电流的情况下，消弧线圈的阻抗ωLXHXQ远远大于R地，可以认为故障相对地电容产生的高频振荡电流流向故障点，等同于不加装消弧线圈时故障相流经故障点的高频振荡电流,化简如图四。

（式8）
其中：U为相电压，,δ＝R/2L，ωo＝1／，≈
ωo（在输电线路中欠阻尼）
图四中L＝Lo，C＝Co，R＝R地
消弧线圈不能补偿这个高频振荡电流，它衰减的快慢直接影响消弧线圈消弧是否能成功。

从（式8）可以看出，U／决定了高频振荡电流衰减的
起始值，衰减系数δ决定了高频振荡电流衰减的速度。

首先，线路对地电容C＝εS／L（S为面积；L为线路对地距离），架空线路对地距离一般为5米，电缆线路对地距离在5－15mm几乎为0，电缆线路对地电容远大于架空线路，因此高频振荡电流的最大幅值U／远大于架空线路。

从实践中得知电缆线路故障时的高频振荡电流幅值远大于工频电流。

其次，分析衰减系数δ＝R/2L，线路直流电阻变化很小，且相对于接地电阻很小可以忽略不计，变化的是接地电阻，架空线路（杆塔）的接地电阻在20－30欧姆，电缆线路接地电阻在零点几至几欧姆；再者，架空线路的绝缘子高一般在200－250mm，电缆线路导体对地距离在5－15mm，显然架空线路的弧光电阻远大于电缆线路，故架空线路的δ比电缆线路的δ大几十倍，从而架空线路的高频振荡电流衰减比电缆线路快几百～几千倍。

因此，在架空线路中，高频振荡电流快幅值小衰减快，在工频电流过零时其已衰减至零，维持弧光燃烧取决于流经故障点工频电流，消弧线圈能够抵消绝大部分工频电流残流小有助于熄弧。

在电容电流小的架空线路中，不需要采取任何措施弧光也能够自燃熄灭。

在电缆线路中，高频振荡电流幅值大衰减慢，高频振荡电流远大于工频电流，在工频电流过零时高频振荡电流仍然有很大的幅值，维持弧光燃烧取决于高频振荡电流衰减的快慢和工频电流，消弧线圈不能补偿高频振荡电流，又由于在电缆线路中消弧线圈补偿后的残流大，消弧线圈在电缆线路中不能消弧。

一、从燃弧长度、绝缘可恢复性分析弧光的重燃
首先，架空线路绝缘子的长度在200－250mm，而6、10KV 电缆导体对地距离在5－7mm，35KV电缆导体对地距离10－15mm。

显然，架空线路维持燃弧需要的电流大，架空线路经消弧线圈补偿后的残流小，高频振荡电流衰减快，消弧线圈能够在架空线路中消弧防止过电压。

电缆线路维持燃弧需要的电流很小，但电缆线路中经消弧线圈补偿后的残流大，高频振荡电流衰减慢，消弧线圈在电缆线路中不能消弧防止过电压。

其次，架空线路的绝缘是空气，在熄弧后绝缘强度很快恢复，燃弧产生的热量很快散去，绝缘距离长，再次重燃的可能性小，故障相对地电压能够恢复到正常电压；在电缆线路中绝缘为固体，在熄弧后绝缘强度不能恢复绝，缘强度几乎为零，绝缘距离短，并且燃弧产生的热量不能很快散去，熄弧后很小的恢复电压可再次将绝缘击穿再次燃弧。

由于消弧线圈补偿工频电流后仍然有残流，如果与高频振荡电流叠加有平滑的过零点，一个周波内有可能引起2次以上的多次熄弧燃弧过程，恶化单相故障过程，使系统受到更多冲击产生更高的过电压。

武高所与广州供电局在区庄变的模拟试验显示，弧光接地过电压最大可达最高工作相电压峰值的4.76倍，证明了消弧线圈在电缆线路中不能消弧防止过电压。

由于消弧线圈在电缆线路中不能消弧防止过电压，北京、天津、广州等地以牺牲供电可靠性为代价采用中性点经电阻接地运行方式。

二、防止单相接地过电压的新措施
这里介绍一种新型的消弧过电压保护设备XHG（安徽凯立公司专利产品），原理为当线路发生单相接地故障时，30ms 内在母线上相应相做金属性接地，把流经故障点的电容电流转移到保护设备的接地点，使流经故障点的电流为零弧光自燃熄灭，从而消弧防止过电压，健全相电压稳定升高倍，
符合小电流系统单相接地故障运行2小时以上的电力运行要求，保证了供电可靠性。