消弧線圈中阻尼電阻的選用對(duì)光伏系統(tǒng)不平衡度的影響

龍?jiān)锤駹柲竟夥娬景踩a(chǎn)部 ■ 楊繼盛 曹有連 象征 陳艷明 奎明瑋

0 引言

通常，在中性點(diǎn)非直接接地的運(yùn)行方式下，若電力電纜等容性負(fù)載較多，則發(fā)生單相間隙性接地時(shí)，接地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的容性電流，從而引起電弧，造成弧光過(guò)電壓(約為2.7倍的額定相電壓)，過(guò)電壓使系統(tǒng)中絕緣薄弱的環(huán)節(jié)造成對(duì)地?fù)舸?，進(jìn)而發(fā)展成為相間短路，使事故擴(kuò)大。所以在非直接接地系統(tǒng)中一般會(huì)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，以消弧線圈的感性電流來(lái)補(bǔ)償接地點(diǎn)的容性電流，從而使電弧熄滅。我國(guó)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定35 kV電網(wǎng)中如果單相接地電容電流大于10 A或3～10 kV電網(wǎng)中接地電容電流大于30 A，都需要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。

然而，消弧線圈補(bǔ)償是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模热缪b置中阻尼電阻選擇不合適，就會(huì)引起中性點(diǎn)位移電壓升高，進(jìn)而使系統(tǒng)電壓的不平衡度加大，這種情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。所以，準(zhǔn)確的選用阻尼電阻至關(guān)重要。

1 術(shù)語(yǔ)和定義

1.1 感性負(fù)載及感性電流

1)感性負(fù)載：一般把帶有電感參數(shù)的負(fù)載稱為感性負(fù)載，比如線圈。

2)感性電流：在感性負(fù)載上通過(guò)的電流。文中特指在消弧線圈中通過(guò)的電流，用IL表示。

1.2 容性負(fù)載與容性電流

1)容性負(fù)載：一般把帶電容參數(shù)的負(fù)載，即符合電壓滯后電流特性的負(fù)載稱為容性負(fù)載，比如電容器。

2)容性電流：在容性負(fù)載上通過(guò)的電流。文中特指系統(tǒng)對(duì)地的電容電流，用IC表示。

1.3 消弧線圈

在系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，故障點(diǎn)同時(shí)流過(guò)消弧線圈的電感電流和非接地相對(duì)地的電容電流，因?yàn)檠a(bǔ)償?shù)碾姼须娏骱碗娙蓦娏鞔笮〗葡嗟?，且相位相?80°，從而使接地點(diǎn)的電流接近于0，達(dá)到相互補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

1.4 脫諧度(V)

式中，IC為系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的電容電流；IL為消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鳌?/p>

1.5 阻尼率δ

式中，R為阻尼電阻；ω為正弦波角頻率；L為消弧線圈的電感系數(shù)。

1.6 不平衡電壓(E0)

表示三相電壓之間在幅值上的差別，或相對(duì)正常電壓相位差存在相位偏移，亦或兩者兼而有之。

1.7 中性點(diǎn)位移電壓(U0)

三相交流系統(tǒng)中，實(shí)際的或等效的中性點(diǎn)與參考地之間的電位差。在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中：

式中，j表示復(fù)數(shù)的虛部。

2 消弧線圈補(bǔ)償原理及電容電流計(jì)算

2.1 消弧線圈補(bǔ)償原理

消弧線圈一般會(huì)設(shè)計(jì)很多檔位來(lái)滿足不同容抗值的電力網(wǎng)絡(luò)。首先它預(yù)先通過(guò)兩次自動(dòng)調(diào)檔來(lái)計(jì)算系統(tǒng)容抗，再根據(jù)內(nèi)部換算計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的電容電流，為了讓補(bǔ)償?shù)母辛?消弧線圈電流)與接地后的容流相等，消弧線圈將預(yù)調(diào)至與容抗值相等的感抗值所對(duì)應(yīng)的檔位，等待系統(tǒng)接地故障時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。但由于感抗值(XL)與容抗值(XC)相等，滿足諧振發(fā)生的條件，所以在系統(tǒng)投入消弧線圈時(shí)，消弧線圈及其串聯(lián)電阻(即阻尼電阻)與對(duì)地電容在中性點(diǎn)不平衡電壓E0下形成串聯(lián)諧振回路，如圖1所示。

圖1 RLC串聯(lián)電路

2.2 系統(tǒng)容抗與電容電流計(jì)算

在圖1中，XL表示消弧線圈感抗；XC表示系統(tǒng)對(duì)地電容容抗；R表示阻尼電阻。設(shè)消弧線圈處于某一檔位時(shí)其感抗為XL1，與之對(duì)應(yīng)的電流與中性點(diǎn)位移電壓為I01、U01；消弧線圈改變檔位后感抗為XL2，與之對(duì)應(yīng)的電流與中性點(diǎn)位移電壓為I02、U02。

則有：

所以系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的容抗值為：

則系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的電容電流為：

式(4)、(5)中，E0是中性點(diǎn)不平衡電壓，不隨消弧線圈感抗的變化而改變；式(6)中，Uφ為系統(tǒng)額定相電壓。

3 阻尼電阻對(duì)系統(tǒng)不平衡度的影響

三相對(duì)地電壓不平衡主要表現(xiàn)在系統(tǒng)中性點(diǎn)與大地電位不一致，即中性點(diǎn)發(fā)生位移。當(dāng)系統(tǒng)中三相對(duì)地感抗或?qū)Φ厝菘谷我徊糠殖霈F(xiàn)不平衡，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗不相等，從而使中性點(diǎn)發(fā)生位移。另外，消弧裝置為了便于計(jì)算系統(tǒng)容抗，有意設(shè)置接地變調(diào)偏開關(guān)，產(chǎn)生不平衡電壓。這些不平衡電壓將會(huì)讓消弧線圈及串聯(lián)電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容間產(chǎn)生串聯(lián)諧振，如果阻尼電阻選擇不當(dāng)，將會(huì)使諧振加劇，引起系統(tǒng)不平衡度加大。

那么，阻尼電阻到底與中性點(diǎn)位移電壓有什么關(guān)系呢？如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)投入消弧線圈后系統(tǒng)會(huì)工作在諧振點(diǎn)，根據(jù)式(3)可知，脫諧度越大，則中性點(diǎn)位移電壓(U0)會(huì)越小，然而這樣接地點(diǎn)的無(wú)功電流會(huì)很大，不易滅弧。那么另一種減小U0的方法就是增大阻尼率(δ)，根據(jù)式(2)，在系統(tǒng)頻率及電感性質(zhì)一定的情況下只有加大電路中的阻尼電阻才能有效抑制諧振過(guò)電壓，從而有效控制中性點(diǎn)位移電壓(U0)，也就意味著使系統(tǒng)三相電壓對(duì)地的矢量和不會(huì)偏移很多，即三相接近平衡。

4 龍?jiān)锤駹柲竟夥娬?5 kV Ⅱ段母線電壓不平衡實(shí)際分析

龍?jiān)锤駹柲拘履茉撮_發(fā)有限公司光伏電站35 kVⅡ段母線接地方式為經(jīng)消弧線圈接地，如圖2所示。

圖2 龍?jiān)垂夥娬?5 kVⅡ段母線經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖

本裝置在消弧線圈的回路中串接大功率電阻，且在電阻兩段并聯(lián)晶閘管，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)阻尼電阻投入，有效地增大了LC回路的阻尼率，抑制了LC諧振過(guò)電壓的產(chǎn)生，使U0控制在電網(wǎng)允許的范圍內(nèi)(U0不超過(guò)系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓的15%，一般調(diào)至約5%)；同時(shí)也有效地控制了三相電壓的不平衡度。但當(dāng)系統(tǒng)接地時(shí)，電阻兩端的電壓會(huì)隨補(bǔ)償電流的增大而增大，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)使晶閘管導(dǎo)通，從而將阻尼電阻短接，這樣可使消弧線圈電流IL充分補(bǔ)償接地電容電流，使接地點(diǎn)的殘流很小或接近0，有利于熄滅電弧。

下面通過(guò)實(shí)例來(lái)分析阻尼電阻在抑制中性點(diǎn)電壓方面的作用。先將系統(tǒng)不投運(yùn)消弧線圈及消弧線圈分別在1、2檔時(shí)的相關(guān)參數(shù)列舉見表1。

表1 消弧線圈不同運(yùn)行狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)消弧線圈的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償后的殘流應(yīng)該小于5 A，脫諧度應(yīng)小于10%。在1檔時(shí)，殘流基本符合標(biāo)準(zhǔn)，但脫諧度為20.6%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。而在2檔時(shí)，殘流與脫諧度都滿足要求，且容抗(實(shí)時(shí)參數(shù))與感抗(基準(zhǔn)參數(shù))值基本相等，屬于完全補(bǔ)償，LC基本在諧振點(diǎn)工作，符合消弧線圈的最佳補(bǔ)償狀態(tài)；但是位移電壓偏高，造成系統(tǒng)不平衡率達(dá)到5.99%，而我國(guó)目前執(zhí)行的GB/T 15543-1995《三相電壓允許不平衡度》規(guī)定了電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，同時(shí)規(guī)定了短時(shí)的不平衡度不得超過(guò)4%，所以明顯超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于這種情況，電站檢修人員對(duì)消弧線圈做了針對(duì)性的檢查，最后發(fā)現(xiàn)阻尼電阻只投入30 Ω，后按照廠家說(shuō)明書正確投入80 Ω后，有效抑制了中性點(diǎn)位移電壓高的現(xiàn)象，從而有效控制了系統(tǒng)電壓不平衡度。改變阻尼電阻以后的參數(shù)列舉見表2。

表2 阻尼電阻為80 Ω時(shí)消弧線圈的相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)表1、表2參數(shù)的比較，改變阻尼電阻后殘流及脫諧度都減小為0，而且位移電壓由原4.8 V降為0.4 V，系統(tǒng)不平衡度由原5.99%降低為0.97%，使系統(tǒng)三相電壓基本趨于平衡，有效改善了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，消弧線圈成為電力系統(tǒng)不可缺少的角色，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在諸多問(wèn)題， 對(duì)系統(tǒng)電壓不平衡度的影響是諸多問(wèn)題之一。本文簡(jiǎn)單地介紹了一下消弧線圈中阻尼電阻在抑制中性點(diǎn)電位升高并使三相電壓不平衡度有效降低的作用，并結(jié)合龍?jiān)锤駹柲拘履茉撮_發(fā)有限公司的實(shí)際情況，闡述了它的重要意義，有望在以后的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中能予以借鑒，確保供電的可靠性及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。