配電網(wǎng)消弧線圈新型調(diào)諧方式的研究

夏小飛

（廣西電力科學(xué)研究院，南寧 530023）

近年來我國配電網(wǎng)發(fā)展迅速，其中的電力電纜線路規(guī)模隨之日益增大，配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流急劇增加。為了提高供電可靠性，減小接地故障時的接地電流，需要對系統(tǒng)電容電流進(jìn)行補償，這可以通過系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地來實現(xiàn)[1-3]。隨調(diào)式消弧線圈由于其優(yōu)良的特性，在配電網(wǎng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨調(diào)式消弧線圈在系統(tǒng)正常運行時，實時測量系統(tǒng)電容電流，并在遠(yuǎn)離諧振點的位置運行，理論上這時消弧線圈等值為一無窮大阻抗。當(dāng)檢測到系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，迅速將消弧線圈電抗值調(diào)整至故障前測定的參數(shù)，對電容電流進(jìn)行補償，補償方式為過補償。在消弧線圈動作補償接地電流，并判斷為永久性接地故障后進(jìn)行選線，選線原理包括小擾動法，并聯(lián)中值電阻法等。隨調(diào)式消弧線圈的調(diào)諧方式特點是先快速補償以熄滅電弧，然后選線判斷故障線路。但在實際運行中，消弧線圈裝置對接地的判定需要一時間，影響了補償?shù)乃俣?，而現(xiàn)有選線方法的選線準(zhǔn)確率不能保證[4-8]。因此，對隨調(diào)式消弧線圈裝置做出準(zhǔn)確的評估，并針對性提出優(yōu)化方案是十分必要的。

本文將根據(jù) 10kV配電網(wǎng)的實際情況，就隨調(diào)式消弧線圈對配電網(wǎng)安全運行的影響進(jìn)行系統(tǒng)的仿真計算，評估其優(yōu)缺點，并給出新的運行的方案，為配電網(wǎng)安全運行提供可靠依據(jù)。

1 隨調(diào)式消弧線圈工作原理

隨調(diào)式消弧線圈是裝置在系統(tǒng)正常運行時，測量系統(tǒng)電容性電流，并設(shè)定補償參數(shù)，正常狀態(tài)時消弧線圈在遠(yuǎn)離諧振點的位置處運行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地，迅速將電抗器調(diào)整至故障前測定的參數(shù)，對電容電流進(jìn)行補償。有多種消弧線圈都是按照上述隨調(diào)方式調(diào)諧，包括相控式消弧線圈、調(diào)直流偏磁式消弧線圈和調(diào)容式消弧線圈等。

1.1 系統(tǒng)正常工作時，隨調(diào)式消弧線圈運行分析

系統(tǒng)的運行方式的變化導(dǎo)致其電容電流改變，消弧線圈自動跟蹤補償裝置必須及時測量當(dāng)前運行方式下的電容電流，以確定消弧線圈的最佳補償效果。

正常運行時，系統(tǒng)中性點對地會有電位，如果消弧線圈完全調(diào)諧，即全補償方式，中性點電位將非常高。運行方式確定后，電網(wǎng)的三相對地電容不再改變，脫諧度的變化由消弧線圈電感值的改變引起。為了保證系統(tǒng)的正常運行，維護(hù)三相對地電壓的平衡，中性點位移電壓應(yīng)不大于額定相電壓的15%，隨調(diào)式消弧線圈采用脫諧度遠(yuǎn)離諧振點的運行方式，理論上這時消弧線圈的等值阻抗為無窮大，即系統(tǒng)中性點不接地。

1.2 系統(tǒng)單相接地時，隨調(diào)式消弧線圈運行分析

隨調(diào)式消弧線圈有著良好的動作特性，比如相控式消弧線圈通過調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角來實現(xiàn)消弧線圈阻抗的快速調(diào)整。一旦裝置檢測到單相接地故障發(fā)生，就可立即將消弧線圈調(diào)至低脫諧度的過補償狀態(tài)。在單相接地故障時，消弧線圈與電網(wǎng)對地電容發(fā)生并聯(lián)諧振。消弧線圈運行在諧振點附近，從而減小故障點電流，保證接地電弧可靠自熄。

隨調(diào)式消弧線圈對接地故障的判斷需要一定時間，即裝置響應(yīng)時間。裝置響應(yīng)時間的存在使得消弧線圈不能第一時間對接地電流進(jìn)行補償，抑制過電壓。

1.3 接地選線分析

隨調(diào)式消弧線圈的選線方法主要采用小擾動法。小擾動法是利用自動調(diào)諧消弧線圈補償度的改變前后，各出線零序電流的變化選擇故障點，其中故障線路變化量為最大，據(jù)此判定故障線路。該方法雖然在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)廣泛應(yīng)用，但受高阻接地故障對電流增量的影響，故障選線可靠性進(jìn)一步提高較為困難。

并聯(lián)中值電阻法也是一種應(yīng)用廣泛的選線方法，是在消弧線圈旁通過斷路器并聯(lián)一個中值電阻進(jìn)行選線。當(dāng)發(fā)生永久性接地故障，使故障接地點產(chǎn)生一個有效的電阻電流，再利用此有效分量作為選線信號，故障線路變化量最大，選線結(jié)束后立即切除電阻，通流時間從數(shù)百秒至數(shù)秒。由于附加電流大，中電阻的選線可靠性和靈敏度較好，在已有的選線方法中處于領(lǐng)先地位。但是，并聯(lián)中值電阻增加了設(shè)備投資，且由于電阻投切機械動作可靠性以及電阻功率不夠，可能造成電阻爆炸事故，還可能發(fā)生投切開關(guān)的耐壓和開關(guān)壽命等一系列問題。

2 現(xiàn)有隨調(diào)式消弧線圈調(diào)諧方式仿真

2.1 消弧線圈間歇性電弧接地過電壓仿真

隨調(diào)式消弧線圈在系統(tǒng)正常情況下的阻抗為一個非常大的值，所接的中性點基本處于不接地狀態(tài)，接地故障發(fā)生時，裝置檢測到接地故障后才投入工作，存在一定的裝置響應(yīng)時間，此類消弧線圈裝置響應(yīng)時間較慢，一般大于40ms，間歇性電弧接地的特點是時間短，為毫秒級，而間歇性電弧接地過電壓較單相穩(wěn)定接地過電壓倍數(shù)要高。因此，有必要研究間歇性電弧接地過電壓倍數(shù)與裝置響應(yīng)時間之間的關(guān)系。

對間歇性電弧接地的機理分析分為兩種，一種是高頻熄弧理論，一種是工頻熄弧理論。下面就用兩種理論對不同的電網(wǎng)接地方式進(jìn)行仿真計算[9-13]。

本文運用 ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件對某110kV典型變電站間歇性電弧接地過電壓進(jìn)行分析。該變電站電壓等級110kV，兩臺主變攜帶2條10kV母線，共計18條10kV出線。1號母線帶7條10kV出線，電容電流大約為19.0A；2號母線帶11條10kV出線，電容電流為28.9A。10kV接地系統(tǒng)采用中性點經(jīng)隨調(diào)式消弧線圈接地方式，選線裝置選線原理為小擾動法。建立的ATP模型如圖1所示。

1）依據(jù)工頻熄弧理論的仿真計算

依據(jù)工頻熄弧理論分析，在工頻電壓峰值即25ms處A相發(fā)生對地燃弧，系統(tǒng)發(fā)生振蕩，過渡過程衰減后，B、C相將穩(wěn)定在按線電壓規(guī)律運行，經(jīng)過半個周期后，在35ms處A相接地電流過零熄弧，即發(fā)生第一次工頻熄弧。其后，每隔半個工頻周期依次發(fā)生重燃和熄弧的過程。因此接地點用三個接地開關(guān)進(jìn)行模擬，計算系統(tǒng)電弧接地過電壓的計算模型中 3個接地開關(guān)的動作時間，第一個開關(guān)：tcl=25ms，top=35ms；第二個開關(guān)：tcl=45ms，top=55ms；第三個開關(guān)：tcl=65ms，top=1s。

圖1 某變電站ATP暫態(tài)仿真模型

消弧線圈響應(yīng)時間范圍取 0～50ms，每隔 5ms取一時間點進(jìn)行計算，得到間歇性電弧接地過電壓倍數(shù)與裝置響應(yīng)時間之間的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2分析可知，經(jīng)相控式消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生工頻間歇性電弧接地故障，當(dāng)裝置響應(yīng)時間小于10ms時，系統(tǒng)三相最大過電壓得到了很好的抑制；當(dāng)裝置響應(yīng)時間超過 20ms時，系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地故障的最大過電壓倍數(shù)基本呈一條水平線，消弧線圈對間歇性電弧接地過電壓基本沒有抑制作用。

系統(tǒng)實際應(yīng)用的隨調(diào)式消弧線圈裝置響應(yīng)時間一般超過40ms，間歇性電弧接地故障產(chǎn)生的最大過電壓將達(dá)3.6倍。

2）依據(jù)高頻熄弧理論的仿真計算

高頻熄弧理論是假設(shè)A相電壓為其峰值時發(fā)生第一次對地燃弧，通過對系統(tǒng)單相接地所產(chǎn)生的對地電流的波形，可分析得到接地產(chǎn)生的高頻電流過零點的時間，再以此作為一次高頻熄弧時刻，而故障點的電弧對地再次重燃，是假定在高頻振蕩過電壓在最大值時發(fā)生，即其后半個工頻周期，在A相電壓峰值處發(fā)生再次對地重燃，以后過程同上重復(fù)。依據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)仿真計算，可得到高頻電流第一個過零點的時間為25.711ms，以此作為第一次高頻熄弧的時刻。這時系統(tǒng)的三相電壓按各自的電源電壓與零序電壓疊加的規(guī)律變化。再在其后半個工頻周期（10ms），A相故障點的電壓又達(dá)最大值，假定再次發(fā)生對地燃弧，進(jìn)行仿真計算，又得到高頻電流的過零點為35.710ms，以此作為二次高頻熄弧時刻，此基礎(chǔ)上，再過半個周期就是45ms，發(fā)生第三次高頻重燃。計算系統(tǒng)間歇性電弧接地過電壓的計算模型中三個接地開關(guān)的動作時間，即第一個開關(guān)：tcl=25ms，top=25.711ms；第二個開關(guān)：tcl=35ms，top=35.710ms；第三個開關(guān)：tcl=45ms，top=1s。

消弧線圈響應(yīng)時間范圍取 0～50ms，每隔 5ms取一時間點進(jìn)行計算，得到間歇性電弧接地過電壓倍數(shù)與裝置響應(yīng)時間之間的關(guān)系，如圖3所示。

由圖3分析可知，依據(jù)高頻熄弧理論的仿真計算可以得到與工頻熄弧理論仿真相近的結(jié)論，即實際中的隨調(diào)式消弧線圈裝置不能抑制間歇性電弧接地過電壓。高頻熄弧理論計算比工頻熄弧理論計算得到的過電壓倍數(shù)還要高，間歇性電弧接地故障產(chǎn)生的最大過電壓超過 4.5倍，這對系統(tǒng)設(shè)備的絕緣可能造成損壞。

3）隨調(diào)式消弧線圈接地選線仿真研究

隨調(diào)式消弧線圈選線的原理為小擾動原理，其充分利用了消弧線圈動態(tài)調(diào)節(jié)的功能，在接地過程中，短時小范圍調(diào)節(jié)消弧線圈，產(chǎn)生補償電流變化量。為提高準(zhǔn)確度，采用對稱調(diào)節(jié)，即在工頻諧振點左右對稱地使補償度變化，非接地線路零序電流基本不變，而接地線路零序電流則有較大的變化，從而較容易地被選出接地線路。小擾動法擾動短時，消弧線圈提供的補償電流偏離工頻諧振點的時間只有3至4個周波，即60～80ms[14-16]。

下面按照小擾動法進(jìn)行選線仿真。在仿真條件設(shè)置中，消弧線圈的脫諧度作如下設(shè)定：0～0.05s,脫諧度為-5%；0.05～0.09s，脫諧度為-20%；0.09～0.13s，脫諧度為20%；0.13s之后，脫諧度為-5%。

圖4為某出線發(fā)生低阻單相接地時，各出線的零序電流波形，接地電阻為2?。圖中除標(biāo)示出接地線路之外，其余均為正常線路零序電流波形。從圖4可以看出，用小擾動法，可以很容易選出故障線路。

圖4 脫諧度改變時接地線路和非接地線路零序電流波形（接地電阻為2Ω）

小擾動法原理在低電阻接地時十分有效，因為接地電阻很小時，調(diào)節(jié)消弧線圈脫諧度對非接地線路零序電流影響非常小，但對接地線路零序電流影響較大。

圖5為某出線發(fā)生高阻單相接地時，各出線的零序電流波形，接地電阻為2000?。圖中除標(biāo)示出的接地線路之外，其余均為非接地線路零序電流波形。

圖5 脫諧度改變時接地線路和非接地線路零序電流波形（接地電阻為2000?）

從圖5可以看出，消弧線圈脫諧度在-20%到20%發(fā)生變化時，非接地線路 1的幅值變化要超過接地線路，此時選線會發(fā)生錯誤。這是因為當(dāng)發(fā)生高阻接地時，消弧線圈脫諧度的改變對非故障線路零序電流的影響也很大，又由于小擾動原理所要求的消弧線圈調(diào)節(jié)的快速特性，3～4個周波內(nèi)零序電流仍然沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從而非故障線路零序電流變化可能會超過故障線路零序電流變化。

高阻接地情況下，小擾動法選線有可能產(chǎn)生誤判，而實際系統(tǒng)接地故障往往常發(fā)生高阻接地。

3 消弧線圈新型調(diào)諧方式的提出

由前述分析，現(xiàn)有隨調(diào)式消弧線圈調(diào)諧方式存在以下缺陷：

1）裝置響應(yīng)速度較慢，不能抑制間歇性電弧接地過電壓。因為裝置對發(fā)生接地故障的判斷總要一定時間，實際中這個時間大于40ms，因此除非消弧線圈的脫諧度在正常運行時就已經(jīng)預(yù)置一定的脫諧度，否則間歇性電弧接地過電壓就難以抑制。

2）高阻接地故障選線不準(zhǔn)。隨調(diào)式消弧線圈接地選線所采用的小擾動法，選線所用時間短，且是在零序電流未達(dá)穩(wěn)態(tài)時進(jìn)行，高阻接地情況下各條出線零序電流波動均很大，有可能發(fā)生誤選。

為了能消除以上兩條缺陷，本文提出了一種新型的消弧線圈調(diào)諧方式：隨調(diào)式消弧線圈在正常運行時實時監(jiān)測系統(tǒng)電容電流，并預(yù)置于欠補償狀態(tài)。當(dāng)裝置檢測到發(fā)生單相接地時，消弧線圈經(jīng)過一定時間窗口延時調(diào)整到過補償狀態(tài)，以補償接地殘流至 5A以下，保證電弧可靠熄滅。利用前述時間窗口各出線的零序電流波形，采用基波零序電流群體比幅比相法，準(zhǔn)確選出故障線路。

3.1 消弧線圈預(yù)置脫諧度的選擇

系統(tǒng)正常運行時消弧線圈脫諧度的選擇需要參照以下標(biāo)準(zhǔn)：①系統(tǒng)正常運行時，中性點的長時間電壓位移不能超過系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓的15%；②發(fā)生間歇性電弧接地時，過電壓水平不能過高；③系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，將接地電流補償至小于5A。

參照以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真，考察消弧線圈脫諧度的合理選擇。仿真計算結(jié)果，如表1所示。

表1 消弧線圈預(yù)置脫諧度的影響

由表1可以看出，為了避免正常運行時的中性點電壓偏移，消弧線圈預(yù)置的脫諧度不能過低，為了抑制間歇性電弧接地過電壓，預(yù)置脫諧度也不能過高，取20%～70%為宜。合適的脫諧度值，建議預(yù)調(diào)40%的脫諧度，這樣既彌補了隨調(diào)式消弧線圈動作響應(yīng)時間慢無法限制過電壓水平的缺點，又解決了正常運行時的中性點電壓偏移的問題。延時100ms時間，再將消弧線圈調(diào)諧至-5%的脫諧度，將接地點電流補償至小于5A。

3.2 適用于消弧線圈預(yù)置脫諧度的選線方法

零序群體電流比幅比相法的基本原理是：先對零序電流進(jìn)行比較，選出幾個幅值較大的作為候選接地線，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相位比較，選出方向與其他不同的，即為接地線路，如各條線路相位相同，則判定為母線接地。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)來說，如果消弧線圈過補償，接地線路的基波零序電流相位同非接地線路一致，無法進(jìn)行選線。但是，隨調(diào)式消弧線圈預(yù)置40%脫諧度，處于欠補償狀態(tài)，此時接地線路的零序電流與非接地線路的零序電流相位相反，可以采用此種選線方法選線。

某變電站正常運行時消弧線圈預(yù)調(diào) 40%脫諧度，某條線路發(fā)生單相接地，經(jīng)過 40ms裝置響應(yīng)時間，裝置判定有接地狀況，再經(jīng)過100ms時間消弧線圈調(diào)整到過補償狀態(tài)。按這設(shè)定的延時調(diào)諧時間窗口，進(jìn)行故障選線仿真。

1）低阻接地故障選線仿真

當(dāng)接地電阻值為 2?時，各線路零序電流波形如圖6所示。

圖6 消弧線圈預(yù)調(diào)40%脫諧度各出線零序電流波形（接地電阻為2?）

圖6中，除標(biāo)示出的接地線路零序電流之外，均為非接地線路零序電流波形。0.165s之前，消弧線圈脫諧度為40%，接地線路零序電流與非接地線路零序電流相位相反；0.165s之后，消弧線圈調(diào)至-5%脫諧度的過補償狀態(tài)，接地線路零序電流與非接地線路零序電流相位相同。在0.065s至0.165s時間內(nèi)，用基波群體零序電流比幅比相法可以準(zhǔn)確選出接地線路。

2）高阻接地故障選線仿真

當(dāng)接地電阻為2000?時，各出線零序電流波形如圖7所示。

圖7 消弧線圈預(yù)調(diào)40%脫諧度各出線零序電流波形（接地電阻為2000?）

圖7中，0.165s之前，消弧線圈脫諧度為40%，接地線路零序電流與非接地線路零序電流相位相反；0.165s之后，消弧線圈調(diào)至-5%脫諧度的過補償狀態(tài)，接地線路與非接地線路有一相角差。在0.065s至0.165s時間內(nèi)，用基波群體零序電流比幅比相法可以準(zhǔn)確選出接地線路。

3）母線接地故障選線仿真

母線接地即為各條出線均正常運行，單相接地點位于母線處。對于母線接地情形，各線路零序電流波形如圖8所示。

圖8 消弧線圈預(yù)調(diào)40%脫諧度各出線零序電流波形（母線接地）

圖8中，在0.165s時刻，消弧線圈的脫諧度由40%變?yōu)?5%，但各出線零序電流均沒有變化，各出線零序電流波形相位均相同，由此可判斷是母線發(fā)生了接地故障。

當(dāng)接地的燃弧時刻變化時，各出線零序電流有一定變化，引入了直流分量。但是，比較基波零序分量的幅值相位，仍然可以準(zhǔn)確選出接地線路。

由以上仿真可知，預(yù)調(diào)40%脫諧度狀態(tài)下的基波零序電流群體比幅比相法最大的特點是選線的核心是比較相位，由于較大的欠補償程度，即使高阻接地情形下接地線路基波零序電流相位與其他線路也反相，從而易于選出接地線路。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型配電網(wǎng)消弧線圈調(diào)諧方式：正常運行時，隨調(diào)式消弧線圈裝置實時監(jiān)測系統(tǒng)電容電流，并預(yù)調(diào)40%脫諧度，這樣既保證中性點電壓偏移不超過線電壓的15%，又能在系統(tǒng)接地故障發(fā)生時抑制電弧接地過電壓水平；當(dāng)檢測到單相接地時，消弧線圈經(jīng)100ms時間窗口延時調(diào)至過補償，鉗制接地殘流至 5A以下，熄滅電??；利用這100ms時間窗口進(jìn)行選線，選線方法為基波群體零序電流比幅比相法。這種消弧線圈新型調(diào)諧方式，既能限制單相接地故障過電壓水平，又能在各種單相故障接地情況下進(jìn)行準(zhǔn)確選線，解決了目前系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的隨調(diào)式消弧線圈故障選線成功率低的問題，有利于配電網(wǎng)的安全可靠運行。

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