摘要：消弧線圈無論在輸變電系統(tǒng)， 還是在柴油發(fā)電機組中性點接地方面都得到 了廣泛應(yīng)用。當發(fā)生單相故障時， 由于消弧線圈接地產(chǎn)生感性電流， 充分補償了故障電容電流， 減小了接地故障電流及燃弧的可能性， 所以柴油發(fā)電機可以持續(xù)運行一段時 間。消弧線圈這一特點在我國電力系統(tǒng)發(fā)展的早期， 無疑是最適合要求和得以普遍采用的主要原因。近年來特別在高壓柴油發(fā)電機中性點接地方面， 選擇配電變壓器二次線圈帶電阻的高阻接地方式較多， 但還不可能用一種形式完全取代另一 種形式， 目前柴油發(fā)電機中性點采用消弧線圈接地還有相當?shù)臄?shù)量， 設(shè)計選擇什么方式， 要具體做充分的技術(shù)經(jīng)濟比較。

一、  消弧線圈的結(jié)構(gòu)特點

      早在1916年由彼得遜（W．Petersen）首先提出了消弧線圈的概念。他全面研究了同電 力系統(tǒng)中接地故障有關(guān)的各種問題， 不僅提供了解決問題的途徑， 還為運行中可能出現(xiàn) 的各種問題， 創(chuàng)建了完備的理論基礎(chǔ)， 并于1917年安裝了世界上首臺消弧線圈裝置。因此，消弧線圈又稱彼得遜線圈（Petersencoil）。

      消弧線圈的外形和單相變壓器相似，而內(nèi)部實際上是一個具有分段（帶間隙）鐵芯的 電感線圈。間隙是沿著整個鐵芯分布的， 以便減少漏磁。采用帶間隙鐵芯的目的是為了 在較小的電感下， 增大消弧線圈的容量， 以及使電感值變化比較平穩(wěn)， 從而保證在整定 好的調(diào)諧值之下運行。每一消弧線圈， 均有調(diào)節(jié)補償電流的分接頭， 利用切換器在一定 的范圍內(nèi)改變線圈的匝數(shù)， 就可以獲得不同數(shù)值的補償電流。目前已經(jīng)能夠設(shè)計和制造 連續(xù)平滑調(diào)整電感數(shù)值的消弧線圈，用于發(fā)電機中性點接地。

      消弧線圈分油浸式和干式兩種， 油浸式消弧線圈鐵心與線圈均浸在變壓器油中， 干式則為環(huán)氧澆注結(jié)構(gòu)。

二、消弧線圈的選擇

1、型式及參數(shù)的選擇

      消弧線圈一般選用油浸式， 因發(fā)電機位于戶內(nèi)， 在屋內(nèi)相對濕度小于80%的環(huán)境條件下，也可選用干式。

      當消弧線圈的鐵心飽和后， 電抗下降， 激磁電流急劇上升。所以， 為防止消弧線圈 的鐵心飽和，消弧線圈的伏安特性起始飽和電壓一般要求不低于1.1~1.15倍額定相電壓。運行經(jīng)驗及研究證明， 消弧線圈的起始飽和電壓過低， 鐵心飽和， 運行中可能引起消弧線圈異常動作，最好在出廠前要求制造廠進行伏安特性試驗。

      從絕緣考慮，為留有一定裕度，選擇消弧線圈的額定電壓等于發(fā)電機的額定電壓， 即線電壓，一般還要對海拔高度、地震裂度、環(huán)境溫度等環(huán)境條件作相應(yīng)校驗。

2、容量及分接頭的選擇

消弧線圈的補償容量一般按下式計算：

Q = Kxh Ic （U_n / √3）......................（公式1）  

式中，Q —消弧線圈的補償容量（kVA） ；

K_xh —系數(shù)，過補償取1.35 ；欠補償按脫諧度確定；

Ic —發(fā)電機回路的計算電容電流（A）；

Un —發(fā)電機回路的額定電壓（kV）。

脫諧度， v =  I_l  - I_c  /  I_c，K_xh  = I_l  / I_c  其中I_l 為消弧線圈電感電流，單位為安培。過補償方式，即消弧線圈感性電流大于發(fā)電機容性電流， v<0；欠補償方式，即消弧線圈感 性電流小于發(fā)電機容性電流， v>0。

      對于安裝在電網(wǎng)變壓器中性點的消弧線圈， 采用過補償方式。對于安裝在采用單元 連接的發(fā)電機中性點的消弧線圈， 為了限制電容耦合傳遞過電壓， 以及頻率變動等對發(fā) 電機中性點電壓的影響， 一般采用欠補償方式。考慮到限制傳遞過電壓等因素， 在正常情況下，脫諧度不宜超過±30%。

      電容電流的計算，包括發(fā)電機及其電壓回路的設(shè)備和連接線對地電容電流。

I_c  =    Un / 3X_oc = 3ωC_o （U_N / 3_）......................（公式2）

式中， X_oc —發(fā)電機回路電抗（Ω ） ，X_oc  = 1/3ωC_o   ；

C_o —發(fā)電機回路每相對地電容（F）；

ω—發(fā)電機角頻率， ω = 2πf  。

      發(fā)電機中性點消弧線圈調(diào)諧要求比較嚴格，為滿足發(fā)電機定子接地保護和調(diào)諧要求，優(yōu)選具有可連續(xù)調(diào)節(jié)的消弧線圈。否則，電流分接頭最好不低于9個。

3、 消弧線圈有功損耗的等效電阻

      消弧線圈的等效電路如圖1。電阻和電感對應(yīng)圖 1（a）、（b）分別為r_L  、L_r 和R_L 、L_R  。

     設(shè)消弧線圈的有功損耗為P_R  ，消弧線圈的無功功率為 P_Q  ，則

      P_R  = U_x（2） / r_L ; P_Q  = U_x I_L  = U_x（2） ⋅ 3ωC_o ，所以

P_R  /  P_Q  = P% / 100 = （U_x  / r_L ）/ I_L  =（1 / r_L ） / 3ωC_o 

∴ r_L  = 100U_x  / I_LP%  = 100 / 3ωC_o P%......................（公式3）

式中： U_x —發(fā)電機相電壓， V；

I_L —消弧線圈工作電流， A；

P% —有功損失比百分值P_R/P_Q  ，一般為2左右； 當附加電阻限制耦合電容傳遞過電壓時，一般為4左右。

      已知圖 1（a），則圖 1（b）中參數(shù)為

R_L = r_Lω²L_r ² / r_L² + ω² L_r²

ωL_R = r_L² + ω² L_r²  / r_L² ω² L_r

      已知圖 1（b），則圖 1（a）中參數(shù)為

1 / r_L = R_L / R_L² + ω² L_R²  

1 / ωL_R = ωR_L / R_L² + ω² L_R²  

二、正常運行和單相接地故障時的基波零序電壓和電流

1、正常運行情況

      為了討論發(fā)電機中性點位移電壓，將發(fā)電機表示成圖2，三相對地電容C₁、C₂ 、 C₃彼此互不相等， L和g_L表示消弧線圈的等值電感和電導(dǎo)， E₁ 、E₂ 、E₃ 為發(fā)電機三相電勢。

      先討論沒有消弧線圈的情況， 由于C₁ ≠C₂ ≠C₃ ，即使三相電勢完全對稱， 中性點仍有電壓U_bd按基爾霍夫定律節(jié)點電壓法：

再看接入消弧線圈后中性點電壓，設(shè)其為U0，即圖2(b)中電感L上的壓降。應(yīng)用 等效發(fā)電機原理，得

......................（公式4）

式中，v_c —消弧線圈脫諧度；

d—發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)阻尼率；

I_R —發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)電阻泄漏電流；

E_x —發(fā)電機相電壓；

U_bd —發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)不對稱電壓。

      由式（4）可知，如果在諧振條件下且消弧線圈為純電感，則vc =0 ，d=0，即使三相 對地電容略有不同， 出現(xiàn)微小的不對稱電壓， 也會使消弧線圈諧振接地的發(fā)電機中性點電壓趨于無窮大。實際上諧振接地方式的消弧線圈并非純電感， 有的人為加大其電阻（串聯(lián)電阻RL），使 g_L  ≠0 ，d≠0，這時即使有U_bd  ≠0，但v ≠0，中性點電壓將受到限制（在 電阻小于感抗的條件下，增大R_L ，r_L減小， g_L增大，阻尼率d增大；當接地變接地時， 電阻大于感抗，增大R_L ，反而使阻尼率d減小）。所以，從限制正常運行中性點電壓看， 一般發(fā)電機中性點消弧線圈脫諧度不取零值， 越大越好， 但其取值大小還要受傳遞過電 壓和故障點殘流的限制， 因而要綜合比較確定。當限制電壓U₀ 時，適當增加阻尼系數(shù)d（一 般為 0.04~0.25 左右），即增加消弧線圈的電阻RL ，此時等效電阻為

r_L = 1 / g_L = 1 /  3ωCod = 100 / 3ωCop%......................（公式5）

2、 單相接地故障情況

（1） 單相接地故障電流

      在討論和計算單相接地故障時的基波零序電壓和電流時， 三相電源電勢和三相對地 電容將視為完全對稱。首先從金屬性短路開始討論， 設(shè)故障點位于定子繞組 A 相距中性 點α 處，見圖3（a） α 為中性點到故障點的匝數(shù)占總匝數(shù)的百分比，定子繞組感抗遠小于定子對地容抗， 所以忽略定子繞組感抗和感抗壓降， 這樣零序電壓即是發(fā)電機中性點的位移點壓，也是定子繞組任意相和任意點的零序電壓，即

......................（公式6）

     當故障點在機端時，α=1.0 ，U₀=E_x（相電勢）；當故障點在中性點時，α =0 ，U₀=0。 發(fā)電機單相接地時零序電壓與與短路點的關(guān)系見圖3（b）。進一步分析經(jīng)過渡電阻rd發(fā)生單相接地的情況，其等效復(fù)合序網(wǎng)和等效電路如圖4。故障點將E（ .）_x 分成 αE（ .）_x 和(1−α）E ._x 兩部分， 發(fā)電機每相電容C₀ 也分成αC₀ 和（1−α）C0 兩部分， 每一部分均用π 型 等效電路表示，即將αC₀ 和（1−α）C₀ 又一分為二。各序網(wǎng)的始端H和終端K按單相接地的要求連接， 同時各序網(wǎng)串接過渡電阻。由于發(fā)電機繞組感抗被忽略， 負序網(wǎng)電勢等于零， 所以負序網(wǎng)實際上完全被短接； 正序網(wǎng)左側(cè)被短接。這樣圖4可以改寫成圖5， 即可立即寫出

......................（公式7）

式中x_c = 1 / ωC₀  ，當 r_d  = 0 時U₀  = αE_x 式（7）與式（6）是相同的， I_f   = 3I₀     。

      事實上， 等效電路圖可以進一步簡化（如圖5所示）。因為不論故障點位于何處， 定子繞組的對地分布電容均可以等效的各以 C₀ /2 集中于機端和中性點。正序網(wǎng)電勢分成 αE（ .）_x  和（1−α）E_{（ .）x} 兩部分， 兩端各接C₀/2中性點仍與H1短接； 負序網(wǎng)不計定子繞組電感， 序網(wǎng)的負序壓降為零，復(fù)合序網(wǎng)中就沒有負序網(wǎng)的出現(xiàn)；始端H1和終端K1之間接入零序網(wǎng)和過渡電阻。由圖7所得結(jié)果與圖6所得結(jié)果相同。

      當發(fā)電機中性點經(jīng)阻抗Zn接地時，只要在圖5中的H₀和K₀兩點并聯(lián) 3Zn即可， 式（7）亦作相應(yīng)修改， 其中 −jx_c 部分取 −jx_c 與 3Zn并聯(lián)后的數(shù)值。如果忽略接地消弧線 圈的電阻和金屬性接地， 設(shè)消弧線圈的電感為L，補償電流為I_L  ，電容電流為I_C  ，則公式（7）變形為

.

......................（公式8）

      我們把電感電流補償電容電流的百分數(shù)稱為消弧線圈的補償度（或調(diào)諧度）：

......................（公式9）

式中ω0=1 / √3LC₀ 為回路的自振角頻率。脫諧度如下：

......................（公式10）

      上面的推導(dǎo)， 沒有計入消弧線圈的電阻， 為了包括這部分電阻的作用， 設(shè)其等值電導(dǎo)為g，同時假定短路發(fā)生在機端和金屬性短路（3r_d=0），忽略回路的泄漏電阻，則由上面推導(dǎo)， 得計算單相接地短路殘留電流（即故障電流I_f   ，從補償?shù)慕嵌确Q為殘流電流）的等值電路，見圖7。

      設(shè)消弧線圈的電阻電流為 Ig，由圖6得殘流電流

......................（公式11）

式中I_g  = E_xg  ；I_C  = E_x 3ωC₀  ；I_L  = E_x / ωL   。

      當 K<l ，v>0 時，表示電感電流補償不足，故障點流過的殘流為容性電流，即為欠補償；當 K>1 ，v<0 時，殘流為感性電流，即為過補償；當 K=1 ，v=0 時，表示電感電 流和電容電流正好抵消， 圖6 回路呈并聯(lián)諧振狀態(tài)， 由公式（ 11）得故障點流過的電流 只有純電阻性的電流。

      由公式（ 11）還可得出，消弧線圈的脫諧度不能太大，太大時殘表示電感電流補償 過大， 故障點流過的流太大， 而且進一步計算表明， 脫諧度太大時， 故障點恢復(fù)電壓增長速度太快， 消弧線圈就起不到抑制接地電弧的作用了。脫諧度越小， 殘流越小， 故障點恢復(fù)電壓增長速度減小， 電弧容易熄滅。但脫諧度也不能太小， 當 v 趨近于零時， 在 正常運行時中性點電壓將發(fā)生較大偏移。由此說明， 合適的選擇是消弧線圈的電阻是非常重要的。

（2）單相接地故障電壓

      在系統(tǒng)中發(fā)生單相或兩相不對稱對地短路時， 非故障相電壓都要升高， 其中單相對 地短路非故障相的電壓可能達到較高的數(shù)值， 下面分析發(fā)電機中性點接地方式可能對其 產(chǎn)生的影響。

① 單相接地故障時的基波零序電壓

      設(shè)單相接地故障發(fā)生在 C  相的機端處，當短路點經(jīng)過渡電阻接地時，由公式（7）可以看出過渡電阻變化引起發(fā)電機中性點及非故障相基波零序電壓的變化，如圖8。

      當過渡電阻r_d由0 → ∞變化時， C相對地電壓將由0 → E_C變化，中性點對地電壓將 由E_C → 0變化。相應(yīng)的代表中性點電位變化的弧軌跡為以故障相電壓為直徑的半圓弧co′o  ，  非故障相B的對地電壓最大值是直線bo' ，  經(jīng)過直線oc 的中點 ， 則

U_bo ′  = （√ 1²  + 0.5²  − 2 × 1 × 0.5COS + 0.5）E_x  = 1.823E_x

      上式說明單相接地時非故障相在過渡電阻作用下最大電壓為相電壓的 1.823 倍。發(fā) 電機中性點接地方式對接地電流有影響， 當認為發(fā)電機電壓回路三相參數(shù)對稱， 不考慮 傳遞過電壓的情況下， 對基波零序電壓升高沒有影響， 單相短路非故障相和中性點電壓 升高只與接地過渡電阻有關(guān)，中性點電壓升高最大值為相電壓。

② 單相接地故障時的工頻電壓升高

      單相接地故障中， 故障點各序電壓和電流是不對稱的。為了計算非故障相的電壓升高，采用對稱分量法利用復(fù)合序網(wǎng)進行分析。

      設(shè)A相單相接地，其復(fù)合序網(wǎng)如圖8所示，則短路處故障相各序電流分量為

......................（公式12）

式中 I（ .）₁ 、 I（ .）₂  、 I_{（ .）0} —短路處故障相正序、負序和零序電流分量；

Z₁  、Z₂  、Z₀ —從短路點向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)看的正序、負序和零序阻抗；

E（ .） —從短路點向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)看的綜合電勢，在此為發(fā)電機相電勢。

      由復(fù)合序網(wǎng)可求出故障點 A 相對地電壓的各序分量

......................（公式13）

     按對稱分量法求得故障點各相電壓為

......................（公式14）

取Z = Z1  = Z2 將式（ 13）代入式（ 14）解得

......................（公式15）

三、消弧線圈接地方式的特殊問題

1、 正常運行情況下的中性點位移電壓

      理想情況下， 發(fā)電機三相定子繞組對地電容相等， 且三相電壓完全對稱。此時發(fā)電 機中性點對地電壓的基波分量為零。而實際的發(fā)電機， 三相定子繞組對地電容不完全相 等， 而且發(fā)電機三相電壓也不可能完全對稱， 這使得發(fā)電機在中性點不接地情況下就會 出現(xiàn)零序性質(zhì)的不對稱電壓。當發(fā)電機中性點接入消弧線圈后， 在此電壓的作用下， 零 序回路有零序電流流過，于是在消弧線圈兩端產(chǎn)生了電位差，這就是中性點位移電壓。

      假設(shè)發(fā)電機三相電壓完全對稱， 三相定子繞組對地電容Ca 、Cb 、Cc 不等， 發(fā)電機中 性點經(jīng)消弧線圈接地。因為是分析穩(wěn)態(tài)， 為了便于計算， 這里將消弧線圈等效為電感與電阻的并聯(lián)電路。

      通過計算，不難得到中性點電壓為

      式中：電容不對稱度

      當中性點接消弧線圈時，流過消弧線圈的電流為I₀ = U ._n （1/R + 1/jωC ） ，又因為I_0 * 1 / jωC +U ._n=U .₀，所以可得發(fā)電機正常運行情況下的中性點位移電壓為

      一般情況下，發(fā)電機電容的不平衡度很小，所以U0 很小。但是，消弧線圈的并聯(lián) 等效電阻值較大，所以 d 很小，另外感抗與容抗相接近，所以脫諧度v 很小。這就是為什么消弧線圈接地方式下， 位移電壓比較大的緣故。如果對地電容的不對稱度較大， 則會使發(fā)電機中性點長期有較大的位移電壓， 對發(fā)電機的絕緣不利， 采用基波零序電壓為 判據(jù)的定子單相接地保護的動作值不得不提高。

      解決的辦法， 首先要求在電機的制造工藝上要保證三相電壓的平衡和三相對地電容 的不平衡度盡量小； 其次， 適當?shù)卣{(diào)節(jié)消弧線圈的電感值， 使得脫諧度增加， 但是， 這 樣一來消弧線圈補償電容電流的能力將有所下降。

2、傳遞過電壓

      單元接線的大型發(fā)電機經(jīng)過升壓變壓器與系統(tǒng)相連。設(shè)升壓變壓器每相高、低壓繞 組之間的耦合電容為CM  ，發(fā)電機定子繞組每相對地電容為Cg  ，發(fā)電機與升壓變壓器之 間的母線、廠用高壓變壓器高壓繞組以及升壓變壓器繞組等每相對地電容為Ct  。設(shè)系統(tǒng) 側(cè)因接地故障而產(chǎn)生一對地零序電壓UH 0 ，則該電壓會通過升壓變壓器的耦合電容在發(fā) 電機側(cè)產(chǎn)生過電壓UL 0  。

      根據(jù)這個等值電路，不難計算得到傳遞過電壓系數(shù)為