接地电容电流分析

摘要：随着城市电网的发展，变电站10ｋV出线中电缆所占比重越来越高，导致10ｋV系统的电容电流越来越大，远远超过了规程规定的10A（10kV为架空线和电缆线混合的系统）。因此需要在10ｋV中压电网中采用中性点谐振接地（经消弧线圈接地）方式。理想的消弧线圈能实时监测电网电容电流的大小，在正常运行时电抗值很大，相当于中性点不接地系统，在发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值完全补偿电容电流，使接地点残流的基波无功分量为零。自动跟踪补偿消弧装置基本能实现上述功能，技术现已相当成熟，能将接地故障电流限制在允许范围内，保证系统的可靠运行及人身和设备的安全。

［关键词］：中压电网中性点谐振接地方式

一、引言

对10kV中压电网而言，设备的绝缘裕度受经济因素的制约作用较小，工频电压升高的不良影响较低，相反限制单相接地故障电流及其一系列危害显得尤为重要，加之接地继电保护选择性难题的攻克（之前为了检出和清除故障线路曾采用低电阻接地方式），现国内10kV中压电网多采用中性点非有效接地方式。其包括如下几种方式：1、中性点不接地方式；

2、中性点经高电阻接地方式；

3、中性点谐振接地(经消弧线圈接地)方式。

所谓中性点不接地方式，实际系统是经过一定数值容抗接地的。当系统发生一点接地时，保护不跳闸，仅发出接地信号，可带故障运行1-2小时（前提是系统接地故障电流不大

于10A）。因接地系数（零序阻抗与正序阻抗比值）ｋ小于0，△U=－U相可能高于相

电压，非故障相的工频电压升高将会略高于线电压，约为1.05U线。另外，中性点不接地系统还具有中性点不稳定的特点，当单相接地电弧自行熄灭后，容易导致电压互感器的铁芯饱和激发中性点不稳定过电压，引起电压互感器烧毁与高压熔丝熔断等事故。

如采用中性点经高电阻接地方式：可限制电弧接地过电压；限制单相接地电弧熄灭后激起的中性点不稳定过电压。但如系统发生单相接地故障时的故障电流超过10A，接地电弧不能自行熄灭，将引起电弧接地过电压，所以中性点经高电阻接地方式有一定局限性，只适合用于规模较小的10ｋV电网中。

随着城市的发展，对环境要求的提高，蜘蛛网式满天横飞的架空线路影响了城市的美观，城市的各大街道纷纷将架空线路改为电缆入地。而每公里电缆的电容电流远大于同等长度的架空线路。以10ｋV线路为例：

架空线路的电容电流计算（按水泥杆、有避雷线计算）

Iｃ＝3.7U线ｌ×10-3=3.7×10×1×10-3=0.037A（1）式

电缆线路的电容电流计算

Iｃ(u)＝[(95+1.44S)/2200+0.23S]U线（2）式

其中S为电缆心线截面积(ｍm2)

以截面积为300的10kV电缆为例，每公里电容电流为2.32A。

10ｋV线路每公里电缆的电容电流约为架空线路的63倍，10ｋV出线中电缆比重的增大势必引起电容电流的增大，从而导致接地电弧无法熄灭，严重影响系统的可靠性，影响人身及设备的安全。我国电力行业标准DL\T620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中明确规定：3－10ｋV不直接连接发电机且由架空线路构成的系统，当单相接地故障电容电流超过10A又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。

中性点经消弧线圈接地方式与前两种小电流接地方式相比，单相接地故障电流明显减小，非故障相的工频电压升高降低，且不存在中性点不稳定过电压的情况，基本运行特性明显优越。

二、自动跟踪补偿装置

理想的消弧线圈能实时监测电网电容电流的大小，在正常运行时电抗值很大，相当于中性点不接地系统，在发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值完全补偿电容电流，使接地点残流的基波无功分量为零。当然这只是一种理想状态，但实际上现已研制出多种自动跟踪补偿消弧装置，基本实现了上述功能。现即对自动跟踪补偿装置的构成及各部件的结构原理作一简要介绍。自动跟踪补偿消弧装置主要由三大核心部件构成：接地变压器、可调节的消弧线圈及带小电流接地选线功能的自动调谐控制器。针对消弧线圈的不同调节方式又配置了不同的部件，如调匝式等配置阻尼电阻箱，可控硅调节式配置可控硅控制箱等。

1、接地变压器

因为10ｋV系统为三角形结线，无中性点引出，这就需要先通过接地变压器来形成一个中性点。接地变压器采用Z型结线（或称曲折型结线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上，这样零序磁通能沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿漏磁磁路流通，所以Z型接地变压器的零序阻抗很小，可带90%－100%容量的消弧线圈，相比普通变压器可带消弧线圈容量不得超过变压器容量的20%，可节省投资。

一般当系统不平衡电压较大时，Z型变三相绕组做成平衡式，当系统不平衡电压较小时（如全电缆网络），Z型变中性点要做出50－100V的不平衡电压以满足测量需要。

接地变压器除可带消弧线圈外，也可带二次负载，兼作站用变。

2、自动跟踪补偿的控制原理

如何实现消弧线圈的自动跟踪补偿，使发生接地故障后的残流｜Iｌ－Iｃ｜＜5A。（Iｌ－消弧线圈上电感电流；Iｃ－电网的电容电流）。就需要实时监测系统的电容电流。算法有很多，如利用系统电容电流参数变化引起中性点电压、电流之间的相位变化量来计算电容电流；从消弧线圈内附PT二次侧加一电源，使位移电压发生变化，从而计算出电容电流；从消弧线圈内附PT二次侧注入不同频率的电流信号，找出谐振频率，根据谐振频率计算脱谐度和电容电流等等。目前在自动跟踪补偿装置中用得较好的是电容电流在线实时测量法，其原理如下：首先画出系统正常运行时的零序等效电路:

U0为系统的不对称电压，在装置投入运行时应先测量出来；C为系统对地的等效电容；R为回路电阻；L为有载调节消弧线圈。首先将消弧线圈调至L1档，测量零序回路电流为I1，再将消弧线圈调至L2档，测量零序回路电流为I2。

U0＝I1[R+j（X L1-X C）]

U0＝I2[R+j（X L2-X C）]

由上两式即可求出R和X C，I C＝U相/X C。