串联在消弧线圈接地回路中的非线性阻尼电阻

——DFD型大功率非线性电阻器

岳建民1,陈 伟2

(1.南京伏安电气有限公司，江苏 南京 210029 ; 2.南京供电局， 江苏 南京

210008)

摘要：消弧线圈串联非线性阻尼电阻，克服了自动跟踪消弧装置中线性阻尼电阻并联短路装置的固有缺点，改善了手动调谐消弧线圈的运行状况，从而提高了电网的安全性。从南京西华门变电站10kV 电网消弧线圈串联非线性电阻器的现场试验及近一年的运行经验证明，新产品 —— DFD型大功率非线性电阻器将会在消弧线圈接地系统中得到广泛应用。

关键词:消弧线圈；阻尼电阻；非线性电阻器；调谐

中图分类号:TM475;TM542

消弧线圈串联阻尼电阻的由来

交流中压电网接地电容电流Ic超过某阀值(>10A)，电网中性点需采用消弧线圈接地方式，其主要的目的是降低接地残流Id，以利电弧自灭，提高供电可靠性。当电网运行方式改变时，消弧线圈抽头作相应调节。调节消弧线圈电流IL须兼顾两方面因素：其一，使接地残流Id最小；其二，正常运行时不能使电网中性点位移电压UN过高，UN<15%相电压UX。但是，这两种因素是相互制约的。即：要Id最小，则要求消弧线圈调整在全补偿IL=Ic或接近全补偿状态，即失谐度υ=(IL-Ic)/Ic=0。此时，在不对称电压UPD作用下，消弧线圈电抗与电网对地电容呈串联谐振状态，仅依靠自然阻尼中的R，UN必然很高。按自然阻尼率d=3%,

υ=0计算，UN=UPD/(d2+υ2)1/2=UPD/0.03=30UPD。若UPD>0.5%UX，则UN>30×0.5%UX=15%UX。除非电网中电缆占主要成分，其UPD≤0.5%UX，UN=30UPD≤30×0.5%UX=15%UX。但是UPD不是一成不变，电网发生断线，UPD超过0.5%UX， UN升到很高值，则电网三相对地电压严重不平衡，这是不允许的。要使中性点位移电压处在允许值内，若不加大d，消弧线圈必须调整在较大的失谐状态，υ越大，UN越低，而Id则大起来。因此消弧线圈的调整始终不能将Id和UN都处在较理想状态。

在消弧线圈回路串联一个阻尼电阻，可以使Id和UN的矛盾得到较好的协调。因此，目前我国生产的预调式自动调节消弧线圈装置，大都在消弧线圈接地回路中串联一个线性阻尼电阻(简称LR)。并在LR旁并联短接装置(开关或可控硅)。电网正常运行时，开关断开，投入LR，由于阻尼电阻的存在，谐振回路的阻尼率d增大很多，即使此时υ≈0，仍可以将UN控制在允许值的范围内；当电网接地时，开关闭合，短接LR，可以使消弧线圈电流IL充分补偿接地电容电流，使接地残流很小。基本上解决了Id与UN的矛盾。

消弧线圈串联线性电阻并联短接装置存在的问题

如果电网的不对称电压不高，接地故障为金属性接地，采用LR并联短接装置，只要短接装置及其控制器能够可靠工作，一般不会出现很大的问题，但是电网的不对称电压有高有低，电网出现的故障更是多样性，如间歇性接地，高阻接地，断线不接地等等，这些故障给短接装置及其控制系统带来很大困难，以致出现烧毁线性阻尼电阻和短接装置的事故。其原因可归纳为以下几个方面。

(1) 不对称电压比较高的电网发生接地后，LR被短接，当接地消失时，LR仍处在被短接状态，LR不起阻尼作用，如果此时消弧线圈调整在谐振状态(υ≈0)，仅靠自然阻尼，UX≥15%UX，短接装置的控制系统，无法分辨是处在接地还是不接地，短接装置不能自动断开。其结果是真的接地消失，出现另一种方式的虚幻接地。唯一的办法，就是将消弧线圈调整在较大的失谐状态。因此对于UPD稍大的电网，采用LR旁并联短接装置的自动调谐设备，是不能工作在全补偿或欠补偿状态的，与人工调节的消弧线圈一样，只能工作在较大失谐度的过补偿状态。接地的残流也必然较大，电弧有可能不会自灭。

(2) 电网发生故障的形式是多样的，除了单相接地外，还可能发生断线，同杆线路零序电压的电容耦合等非接地故障，使电网不对称电压升高。如果升高到一定程度，自动调节的控制器误认为电网发生接地，将LR短路，而此时消弧线圈又调谐在接近全补偿状态，其后果是产生很高的中性点位移电压，造成其中一相电压升高很多，以至损坏电网中其它设备，将一个小故障扩大为事故。

(3) 如果LR旁并联的是机械操作开关，当电网发生间隙性接地，例如风吹树枝碰线，跳线摆动碰板线，风吹的摆动是数秒或数十秒一次，几十次至几百次高阻接地，就要导致LR并联的机械开关频繁合分，开关尤其是开关中的操动机构很容易损坏，开关一旦损坏，其后果是LR被烧毁，LR内的电弧可能引发更大的事故。

(4) 即使机械开关能正常操作，其机械合或分的时间，与电气的接通或断开时间为毫秒级相比，是长时间的。因此，在接地发生时，LR并联开关尚未合闸前，消弧线圈与较大阻值LR处在串联状态，在相电压作用下，串联回路中的电流不是纯感性电流，而是含有相当比例的阻性电流，此时的感性电流比消弧线圈整定的值要小很多。例如，一台10kV 消弧线圈，运行在50A挡，其感抗为120Ω，若有100Ω的电阻与之串联，在并联开关尚未合闸前，通过该回路的感性电流为29.5A，阻性电流24.6A，若接地电容电流为48A，接地残流高达[948-29.5)2+24.62]1/2=31A。其结果是，接地电弧起始时，得不到应有的补偿。若接地发生在母线，数十安的接地电流所产生的电弧，其运动速度足以造成母线相间短路，虽然其后较短时间，LR被短接，接地电流减小，已毫无意义，此时已经造成永久性故障，失去了安装消弧线圈提高供电可靠性的作用。对于雷击造成的瞬间接地，同样因为不能及时灭弧，极有可能造成永久性故障。

非线性阻尼电阻的工作原理

图1 NLR在消弧线圈中位置

如果在自动调谐的消弧线圈回路中，LR改为依电压或电流可以自动改变阻值的非线性电阻NLR(见图1)，则可以充分发挥消弧线圈自动调谐的作用，消弧线圈完全可以调整在全补偿状态，因为无需短接装置，不用担心过高的不对称电压，发生非接地性故障，NLR仍保持一定的电阻值，电网不会出现过高的位移电压。不论发生何种间隙性接地，NLR阻值的变化是无时延的，不会发生因阻值滞后变化而影响灭弧或引发高幅值位移电压，因为消弧线圈处在全补偿状态，高阻接地时的过渡电阻对电弧熄灭也没有影响。没有短接装置操作，自动调谐中的控制器更加简化，按Il的幅值和相位，始终将消弧线圈调谐在全补偿或接近全补偿状态。控制回路越简单则可靠性越高。南京伏安电气公司研制并获专利(专利号：992293545)的DFD型大功率非线性电阻器，具备有上述的功能。

在电网正常运行时，中性点的开路电压为电网不对称电压UPD，其值一般为相电压UX的(0.1～3.5)%，当XL≈Xc时，UPD几乎全部作用在NLR上。在此电压作用下，通过NLR回路中电流Il较小，一般IL≤1A，此时NLR呈高阻值，等值电路见图2。高阻值的NLR可使电网的阻尼率d=(20%～80%)，消弧线圈调整在全补偿状态，中性点位移电压UN仍被限制在较低的水平,一般UN<10%UX。当电网发生单相接地，作用在消弧线圈(含接地变压器或主变压器零序阻抗)及NLR串联回路两端电压为接地相的相电压UX，通过消弧线圈及NLR电流IL=10～100，NLR阻值自动降低呈低阻状态，仅为消弧线圈感抗的数十分之一，不影响消弧线圈的补偿作用，其等值电路见图3。若为永久性金属接地，NLR允许通过与之相配消弧线圈最大电流，时间为2h及以上，一旦接地切除，电网恢复正常，NLR在热状态下的阻值仍呈高阻尼状态。简要地说， NLR依靠电阻体本身的非线性伏安特性，依外施电压或电流大小改变阻值高低，当电网正常运行时，消弧线圈回路需要阻尼，NLR呈现高阻值；当电网接地消弧线圈作补偿时，NLR呈低阻值，无需做任何操作。

图2 电网正常运行时，在UPD作用下NLR呈高阻值

图3 电网接地时，在IL作用下NLR呈低阻值

手动调节的消弧线圈串联NLR可明显改善其运行状况

对于老式人工调节的消弧线圈，若将NLR串联于该接地回路，人工调节的消弧线圈亦可以在过补偿、欠补偿、全补偿状态运行，就是说，已知正常运行