淺議供電系統(tǒng)單相接地消弧裝置的原理與應(yīng)用

摘 要：單相接地故障是配電網(wǎng)中最常見的故障形式，消弧線圈消除接地電流的方式主要分為手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種方式，對于大中型廠礦地面變電站，傳統(tǒng)人工投切方法無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)諧，由此衍生出了包括直流勵(lì)磁在內(nèi)的多種自動調(diào)諧方式的消弧裝置。

關(guān)鍵詞：單相接地；自動；消弧裝置；直流勵(lì)磁

中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0115-01

1 單相接地的危害性

單相接地可以說是低壓供電網(wǎng)絡(luò)中最常見的故障形式。雖然即使發(fā)生單相金屬性長時(shí)間的接地或持久電弧接地，系統(tǒng)整體仍舊可以不間斷供電，但考慮到單相接地時(shí)會有電弧產(chǎn)生，在風(fēng)力、電動力和熱力流的作用下，電弧會被拉長，繼而引發(fā)多相短路，開關(guān)跳閘或設(shè)備損壞等事故。如果是間歇性的電弧接地，還會引起過電壓。所以，在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中，要完全杜絕單相接地電流大于自熄電流，抑制接地電弧的產(chǎn)生，最有效的一項(xiàng)措施就是在電網(wǎng)中性點(diǎn)和地之間裝設(shè)消弧裝置進(jìn)行滅弧。電力行業(yè)明確規(guī)定了在6～10 kV供電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，如果接地電容電流超過了30 A就必須采用消弧線圈進(jìn)行接地。

2 中性點(diǎn)接地消弧裝置的原理

電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)有兩種，一種是中性點(diǎn)通過電阻接地，一種是中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地。在中性點(diǎn)通過電阻接地的系統(tǒng)中，當(dāng)線路出現(xiàn)接地故障的時(shí)候，繼電保護(hù)裝置將自動啟動進(jìn)行跳閘，并把故障線路退出。這種消弧方式需要性能良好的開關(guān)設(shè)備和多電源的供電系統(tǒng)，尤其是在裝有自動重合閘設(shè)備的線路上，跳閘停電會非常頻繁，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的日常生活，并且大大增加了開關(guān)的維護(hù)工作量。所以當(dāng)前的6～35 KV配網(wǎng)系統(tǒng)里面已經(jīng)淘汰了這種接地方式。

消弧線圈的本質(zhì)，是一個(gè)有鐵芯的可以調(diào)節(jié)電感的線圈，可以裝設(shè)在變壓器或者發(fā)電機(jī)所在電網(wǎng)的中性點(diǎn)上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線圈里面會形成一個(gè)與接地電容電流的大小接近但是方向相反的電感電流，對電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，于是使中性點(diǎn)的接地電流變得很小甚至接近于零，從而消除了接地點(diǎn)過電流產(chǎn)生的電弧及隨之帶來的一系列危害。消弧裝置按滅弧方式大致可以分為手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種。

3 手動與自動調(diào)諧消弧方式的區(qū)別

我國在智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的早期，采用的消弧線圈滅弧方式一般是根據(jù)既定的容量方案對應(yīng)不同的運(yùn)行方式，人工投切消弧線圈的分接頭，使電網(wǎng)的脫諧度、殘流和中性點(diǎn)偏移電壓都縮小在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)。由于這種調(diào)節(jié)方式不能自動跟蹤中性點(diǎn)接地電容電流大小的變化，在調(diào)節(jié)和運(yùn)行上十分不便，此外，計(jì)算設(shè)定調(diào)節(jié)方案的工作量較大。所以隨著國內(nèi)智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展步驟的加快，這種手工調(diào)節(jié)式的消弧線圈也慢慢退出了配電網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)今城鄉(xiāng)的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展都十分迅速，特別是大中型城市區(qū)域，越來越多地采用電纜輸電的方式，系統(tǒng)單相接地的電容電流增長速度很快，電網(wǎng)的運(yùn)行方式變化繁雜，使得人工調(diào)節(jié)方式完全無法滿足滅弧的調(diào)諧需要。此外，大電網(wǎng)的單相接地電流中的有功分量十分可觀，哪怕只有很小一部分比例的殘流也可能引發(fā)嚴(yán)重的事故，所以需要更精確的調(diào)諧手段才能確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，于是自動調(diào)諧消弧裝置應(yīng)運(yùn)而生。

自動調(diào)諧消弧裝置的調(diào)節(jié)原理是讓自動裝置按電網(wǎng)電容變化來自動改變消弧線圈的電感，使單相接地電容電流得到對應(yīng)值的電感電流的有效補(bǔ)償。具有自動調(diào)節(jié)功能的消弧裝置一般采用以下三種調(diào)節(jié)方式。

（1）用有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)消弧線圈對應(yīng)的分接頭，這種方法的弊端是電感電流無法連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）調(diào)節(jié)機(jī)械可動鐵心，改變消弧線圈的鐵芯氣隙，這種方法可以持續(xù)調(diào)節(jié)中性點(diǎn)電感電流，但機(jī)械運(yùn)作部分噪音大，易磨損。（3）在鐵心中灌注直流偏磁。這些消弧線圈特色鮮明，但作用同樣都是減少接地殘流和降低恢復(fù)電壓的上升速度，盡量使脫諧度達(dá)到最低。調(diào)節(jié)線圈分接頭式的消弧裝置不但無法將殘流減少到最小，還必須用串聯(lián)電阻來限制中性點(diǎn)的偏移電壓，發(fā)生單相接地故障的時(shí)候必須立即短接電阻，所以消弧系統(tǒng)的附加裝置十分復(fù)雜；對于可調(diào)鐵心氣隙的消弧裝置，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單電感連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行系統(tǒng)需要穩(wěn)固可靠的機(jī)械裝置，電流補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度較慢，而且運(yùn)行噪聲很大；而直流勵(lì)磁式的消弧線圈，不但可以連續(xù)調(diào)節(jié)電感電流，中性點(diǎn)電流補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度迅速，而且由于沒有機(jī)械傳動部分，所以運(yùn)行時(shí)不會產(chǎn)生環(huán)境噪音。缺點(diǎn)是部分裝置的系統(tǒng)諧波大，研發(fā)成本較高。在供電設(shè)備設(shè)施發(fā)達(dá)的國家，在6～110 kV配電網(wǎng)中已經(jīng)廣泛采用了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的滅弧方式。消弧系統(tǒng)的自動跟蹤調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、脫諧度幾乎可以達(dá)到零，并且具有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，自動化程度相當(dāng)高。我國在消弧裝置方面起步比較晚，但目前在理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐水平上已經(jīng)接近國際領(lǐng)先水平。囿于我國電網(wǎng)整體的過電壓防護(hù)和絕緣水平的能力制約，具有完善遠(yuǎn)動功能，可以投網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的消弧裝置滅都還處在發(fā)展和完善階段。比如6～35kV配電網(wǎng)中，同樣類型的自動消弧裝置，與國外同類產(chǎn)品比較，還存在響應(yīng)時(shí)間長，系統(tǒng)諧波偏大，控制系統(tǒng)可靠性差等缺點(diǎn)。

4 直流勵(lì)磁自動消弧裝置的工作原理

直流勵(lì)磁消弧裝置是采用直流控制電流來控制線圈的鐵芯飽和度，從而來達(dá)到平滑調(diào)節(jié)消弧線圈補(bǔ)償容量的目的。消弧裝置的工作繞組和控制繞組合為一體，利用電網(wǎng)電壓本身經(jīng)過繞組自耦變壓后經(jīng)可控硅整流來獲得直流控制電流。直流勵(lì)磁消弧線圈在電網(wǎng)正常工作時(shí)遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電容電流的變化并進(jìn)行測量和顯示，但在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，消弧裝置則會迅速按當(dāng)前電容電流測量值調(diào)整至全補(bǔ)償狀態(tài)。與傳統(tǒng)消弧裝置相比，直流勵(lì)磁消弧線圈是利用電網(wǎng)電壓自身通過自耦繞組變壓后獲得控制電流，不需要外加激磁電源。而且由于控制電流獲取方式的不同，也導(dǎo)致了伏安特性有很大的差別，傳統(tǒng)裝置的伏安特性具有明顯的非線性特征，不利于連續(xù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，而后者的特性曲線則更近似線性。其次，傳統(tǒng)型消弧裝置的工作繞組和控制繞組相互獨(dú)立的，而直流勵(lì)磁型的消弧裝置的工作繞組和控制繞組被有機(jī)地結(jié)合在了一起，不但有利于減少損耗，而且大大簡化了線圈結(jié)構(gòu)。

5 單相接地消弧線圈的前景

在我國電氣及機(jī)械傳動設(shè)別可靠性較低的大前提下，研究怎樣進(jìn)一步提高消弧裝置的可靠性，豐富改變電感的方法，減少機(jī)械傳動部分……對于提高整個(gè)配電網(wǎng)的可靠性都有著廣闊的前景和意義。尤其是對于無人值守變電站，對接地滅弧裝置的控制系統(tǒng)自動化方面的進(jìn)一步深入研究尤其具有現(xiàn)實(shí)意義。如何使消弧裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間和諧配合運(yùn)作，提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)動能力，如何進(jìn)一步減小中性點(diǎn)接地殘流和降低恢復(fù)電壓的上升速度，在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)將成為我國單相接地消弧裝置控制系統(tǒng)研究發(fā)展的主導(dǎo)方向。

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