配電網(wǎng)消弧線圈分散補(bǔ)償接地方式的研究

文玉玲

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011)

配電網(wǎng)消弧線圈分散補(bǔ)償接地方式的研究

文玉玲

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011)

消弧線圈分散補(bǔ)償接地方式具有安裝靈活和擴(kuò)容方便的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，然而有關(guān)多個(gè)分散補(bǔ)償消弧線圈接地系統(tǒng)的故障殘流及過(guò)電壓的研究缺乏。討論了分散式消弧線圈容量配置原則并根據(jù)開發(fā)區(qū)變電站進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)，選擇了8種消弧線圈安裝方式。通過(guò)仿真表明，消弧線圈集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償均能滿足規(guī)程接地殘流的要求，且能極大延遲間歇性電弧的重燃時(shí)間，而其非故障相弧光過(guò)電壓水平基本相同，且小于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，所得結(jié)論有利于消弧線圈分散補(bǔ)償?shù)耐茝V應(yīng)用。

消弧線圈；分散補(bǔ)償；接地；故障殘流；弧光過(guò)電壓

0 引 言

配電網(wǎng)作為輸變配系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，承擔(dān)著用戶的用電需求，在電網(wǎng)中所占比例很大，因此研究配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1]。目前，我國(guó)配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分為小電流接地和大電流接地方式。小電流接地方式有消弧線圈接地、不接地和經(jīng)高電阻接地三種[2]，發(fā)生單相接地故障時(shí)接地電流小，瞬時(shí)性接地故障不停電，且允許系統(tǒng)帶故障運(yùn)行2小時(shí)，因此運(yùn)行可靠性高，但故障選線困難；而大電流接地包括經(jīng)小電阻、低電抗以及直接接地方式[3]，發(fā)生單相接地故障后，零序過(guò)流保護(hù)可靠動(dòng)作，不管瞬時(shí)性還是永久性故障均跳閘，供電可靠性低。實(shí)際應(yīng)用中，以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地以及中性點(diǎn)不接地三種方式最普遍[4]。

消弧線圈接地通過(guò)在系統(tǒng)零序回路注入感性電流，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，該電流與系統(tǒng)接地容性電流相抵消，使流過(guò)接地點(diǎn)電流幅值很小或接近于零，有助電弧的熄滅[5]。當(dāng)接地電流過(guò)零電弧熄滅后，消弧線圈還能延長(zhǎng)故障相電壓恢復(fù)時(shí)間，利于介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)，減小電弧重燃的可能性，電弧重燃次數(shù)大為減小，降低了系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光過(guò)電壓的可能性。因此，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式在我國(guó)配電網(wǎng)應(yīng)用廣泛。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及電纜線路的大量使用，變電站接地電容電流急劇增加，導(dǎo)致消弧線圈補(bǔ)償容量不足[6]。傳統(tǒng)集中補(bǔ)償需頻繁更換消弧線圈，成本開銷大。針對(duì)于此，文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)增加小容量固定式消弧線圈進(jìn)行分散補(bǔ)償，分析了分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置和補(bǔ)償容量對(duì)補(bǔ)償性能的影響，但未給出分散補(bǔ)償消弧線圈容量選擇方法，且未對(duì)分散補(bǔ)償接地方式系統(tǒng)過(guò)電壓進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8]采用7臺(tái)分散補(bǔ)償消弧線圈并聯(lián)運(yùn)行，表明多臺(tái)分散補(bǔ)償方式也能滿足DL/T 1057-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接地殘流的要求，但未討論多臺(tái)分散消弧線圈安裝位置的影響。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為并聯(lián)的固定消弧線圈容量不宜過(guò)大，可導(dǎo)致大量過(guò)補(bǔ)償，也未給出具體選擇方法。

鑒于分散補(bǔ)償接地方式消弧線圈容量設(shè)計(jì)方法，以及發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)系統(tǒng)弧光過(guò)電壓的研究目前未見報(bào)道，本文以某市供電公司10 kV變電站的I段母線為對(duì)象，對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討研究。

1 分散補(bǔ)償容量選擇原則

圖1 零序等效電路

如圖1所示為系統(tǒng)零序等效電路，其中L1～LN為N個(gè)分散補(bǔ)償消弧線圈，L為變電站自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，EA為系統(tǒng)A相等效電勢(shì)，3C為系統(tǒng)對(duì)地電容，R為接地過(guò)渡電阻。

顯然由圖1可得到：

(1)

由脫諧度定義：

(2)

注意公式(2)的電流為標(biāo)量值，且可得下式：

(3)

上式脫諧度υ一般取-15%[10]，IL為變電站自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈補(bǔ)償電流，對(duì)于調(diào)匝式消弧線圈可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)得到，而晶閘管投切電容器式消弧線圈可通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得到。記額定工作電壓UN，補(bǔ)償電流調(diào)節(jié)范圍為：

ILmin≤IL≤ILmax

(4)

得到：

(5)

另一方面，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變，如切除部分線路，則接地電容電流減小，此時(shí)容量過(guò)大的分散補(bǔ)償消弧線圈將導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償[11]，而自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈補(bǔ)償由分散式消弧線圈補(bǔ)償后的殘余電流，如果此電流小于主消弧線圈最小補(bǔ)償電流，則主消弧線圈無(wú)法跟蹤補(bǔ)償，因此，應(yīng)根據(jù)變電站運(yùn)行方式對(duì)上式進(jìn)行修正。

綜上所述，分散式消弧線圈補(bǔ)償容量的選擇，需要滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式與自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償線圈調(diào)節(jié)范圍兩方面的要求。

2 容量設(shè)計(jì)與安裝位置

以某市10 kV變電站I段母線為例，測(cè)量其接地電容電流為70.7 A，計(jì)算等效電容為3.9e-05 μF，即3C=3.9e-05 μF。

圖2 TSC消弧線圈結(jié)構(gòu)

其自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈為晶閘管投切電容器式(thyristor switched capacitor， TSC)消弧線圈，結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

TSC消弧線圈參數(shù)如表1所示。

圖3 TSC消弧線圈等效電路

其中nL1～nL5為防浪涌電感，目的是減小晶閘管合閘時(shí)的沖擊電流，其電感容量取值約占所串聯(lián)電容器容量的5%，因此不影響TSC消弧線圈的分析，由圖2可得其等效電路如下：

由圖3可得其等效阻抗為：

表1 TSC消弧線圈參數(shù)

(6)

化簡(jiǎn)得到等效電感：

(7)

其中C∑為二次側(cè)所投電容容量總和，當(dāng)T1～T5均關(guān)斷，則C1～C5不投入，L最小，此時(shí)C∑=0，L=0.202 2 H；而T1～T5開通，則C1～C5投入，L最大時(shí)C∑=4 216 μF，L=1.275 H，因此：

0.202 2H≤L≤1.275H

(8)

15.1A≤IL≤95.4 A

(9)

將υ=-0.15和IC=70.7 A及公式(9)代入公式(5)可得：

(10)

上式左邊為負(fù)因?yàn)橹飨【€圈最大補(bǔ)償電流大于補(bǔ)償系統(tǒng)接地所需感性電流。在了解系統(tǒng)不同運(yùn)行方式接地電容電流最小值時(shí)，將此值代入公式(5)右邊IC。

本文通過(guò)分別測(cè)量變電站每條出線的接地電容電流，找出出線電容電流的最大值，從系統(tǒng)接地電容電流減去最大出線電流作為系統(tǒng)最小接地電流。原因是目前消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線裝置的準(zhǔn)確性不高，經(jīng)常需要手動(dòng)逐條拉閘進(jìn)行選線[12]，顯然斷開最大電容電流的線路時(shí)系統(tǒng)接地電流最小。因此，這樣做符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，該變電站I母有10條出線，其每條出線的電容電流測(cè)量值如表2所示。

經(jīng)開一線接地電容電流最大為20.3 A，經(jīng)河一線電容電流次之為13.3 A，原因是經(jīng)開一線由20 km的電纜線路接開閉所，而經(jīng)河一線由13 km電纜和14 km架空線連接開閉所。因此可得開發(fā)區(qū)站I母電容電流最小值為50.4 A，代入公式(5)并考慮公式(10)可得：

(11)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，分散補(bǔ)償消弧線圈有四種安裝方式，即主消弧線圈擴(kuò)容、母線安裝、故障線路末端安裝和非故障線路末端安裝方式。但論文只討論了單個(gè)固定容量消弧線圈，實(shí)際系統(tǒng)可能含有多個(gè)分散式補(bǔ)償消弧線圈。

表2 某10 kV變電站I母出線電容電流

根據(jù)開發(fā)區(qū)I母實(shí)際情況，由公式(11)可知分散式消弧線圈容量約為40 A，本文對(duì)以下八種情況進(jìn)行討論，如圖4所示。

圖4 分散補(bǔ)償消弧線圈連接方式

圖4中，L為TSC主消弧線圈，L0為容量40 A分散補(bǔ)償消弧線圈，L1和L2為容量20 A分散補(bǔ)償消弧線圈，并設(shè)置Line1即經(jīng)開一線的中點(diǎn)發(fā)生單相接地故障。

3 補(bǔ)償后接地殘流

在PSCAD建立開發(fā)區(qū)變電站仿真模型如圖5所示，下面給出八種消弧線圈安裝方式補(bǔ)償后接地殘流有效值仿真結(jié)果，如圖6所示。

由圖6得到表3。

圖5 開發(fā)區(qū)變電站PSCAD仿真模型

序號(hào)名稱安裝方式殘流有效值/A1方式一消弧線圈集中補(bǔ)償1.052方式二L0主消弧線圈擴(kuò)容2.413方式三L0母線安裝2.404方式四L0故障線路末端3.055方式五L0非故障線路末端4.236方式六L1母線,L2故障線路末端2.417方式七L1母線,L2非故障線路末端2.808方式八L1故障線路,L2非故障線路末端2.81

由表3可知，八種運(yùn)行方式接地殘流均滿足規(guī)程要求的小于10 A要求，而方式五，即40 A分散補(bǔ)償消弧線圈安裝在非故障線路末端時(shí)，接地殘流最大為4.23 A，而方式四接地殘流次之為3.05 A，其余安裝方式接地殘流有效值均小于3 A。

4 電弧重燃與弧光過(guò)電壓

與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比，當(dāng)電弧熄滅時(shí)，消弧線圈接地系統(tǒng)可以減緩故障相電壓的恢復(fù)速度，推遲電弧重燃時(shí)間，有利于絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)和電弧永久性熄滅，從而降低發(fā)生間歇性弧光過(guò)電壓的概率。

燃弧條件有高頻熄弧理論和工頻熄弧理論，前者以高頻振蕩電流第一次過(guò)零時(shí)電弧熄滅來(lái)解釋間歇電弧接地過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程，后者以工頻振蕩電流第一次過(guò)零時(shí)電弧熄滅來(lái)解釋間歇電弧接地過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程[14]。系統(tǒng)實(shí)測(cè)值表明，工頻理論所得過(guò)電壓值較接近實(shí)際情況[15]，因此本文用工頻熄弧理論仿真弧光過(guò)電壓與電弧重燃。

圖6 故障接地殘流

圖7 不接地系統(tǒng)電弧重燃

設(shè)置0.107 s A相電壓峰值處經(jīng)開一線的中點(diǎn)發(fā)生間歇性電弧接地故障。如圖7所示，為中性點(diǎn)不接地時(shí)，故障相電壓仿真波形，可見每隔半個(gè)周波電弧發(fā)生熄滅與重燃，即電弧重燃時(shí)間為0.01 s，且故障相電壓均為正值，這是工頻熄弧的特點(diǎn)[16]，測(cè)量非故障相最高過(guò)電壓為2.855倍額定電壓。

故障設(shè)置與不接地系統(tǒng)相同，如圖8所示，為消弧線圈接地八種安裝方式故障相電壓波形，與中性點(diǎn)不接地方式相比，熄弧后故障相電壓為緩慢恢復(fù)過(guò)程，當(dāng)恢復(fù)電壓達(dá)到擊穿電壓后再次發(fā)生燃弧，如此重復(fù)，熄弧時(shí)間與非故障相最高過(guò)電壓倍數(shù)列如表4所示。

表4 8種安裝方式接地殘流

由表4可知，消弧線圈接地可以大大延遲電弧重燃時(shí)間，而消弧線圈分散補(bǔ)償方式四和五熄弧時(shí)間相對(duì)小，但均遠(yuǎn)大于不接地系統(tǒng)的半周波0.01 s。并且，消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)非故障相過(guò)電壓倍數(shù)基本相同，約為2.3倍額定電壓，小于不接地系統(tǒng)的2.855倍。

圖8 消弧線圈接地電弧重燃

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了分散補(bǔ)償消弧線圈容量配置方法，并給出了設(shè)計(jì)過(guò)程。接著給出了分散補(bǔ)償消弧線圈的安裝位置，針對(duì)目前相關(guān)研究偏少的情況，對(duì)消弧線圈集中補(bǔ)償、單臺(tái)分散式消弧線圈等共八種安裝方式進(jìn)行了討論。

在PSCAD建立變電站模型，首先對(duì)八種消弧線圈安裝方式進(jìn)行接地殘流仿真，結(jié)果表明八種安裝方式接地殘流均滿足規(guī)程要求，具有很好地接地電容電流補(bǔ)償能力。接著對(duì)間歇性電弧接地故障進(jìn)行仿真，結(jié)果表明與不接地系統(tǒng)相比，消弧線圈接地可延遲電弧重燃時(shí)間，降低故障相電壓恢復(fù)速度。最后，通過(guò)測(cè)量間歇性弧光過(guò)電壓表明八種安裝方式過(guò)電壓水平基本相同，且小于不接地系統(tǒng)，由于電弧重燃時(shí)間被推遲，消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生弧光過(guò)電壓的概率大大降低。

[1] 葛俊，童陸園，耿俊成，等．TCSC暫態(tài)過(guò)程中晶閘管導(dǎo)通角特性的研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(7)：18-22．

[2] 叢偉，李盼盼，李洪濤，等．基于恒頻注入信號(hào)的消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19)：185-189．

[3] 劉味果，李彥明，何紅．不同變電站自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧裝置并列運(yùn)行探討[J]．高壓電器，2008,51(4)：338-341．

[4] 劉毅，付周興，南福東，等．基于DSP的調(diào)容式消弧線圈補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)[J]．高壓電器，2013,56(6)：93-98．[5] 周志成，王建剛，魏旭，等．配電網(wǎng)單相接地分布式補(bǔ)償特性[J]．高電壓技術(shù)，2011,37(5)：1308-1312．

[6] 唐軼，王濤，羅建鋒．用于消弧線圈控制的單相接地電流測(cè)量方法[J]．高電壓技術(shù)，2010，36(9)：2242-2245．

[7] 唐軼，陳慶．一種新的適合分布安裝的消弧線圈[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2007,29(11)：87-90．

[8] 徐波，蔡旭．改進(jìn)的消弧線圈故障期間調(diào)諧方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014,58(1)：107-112．

[9] 徐玉琴，陳志業(yè)，李鵬．晶閘管投切電容式消弧線圈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(13)：38-41．

[10] 李曉波，王崇林．零殘流消弧線圈綜述[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(6)：116-121．

[11] 楊平國(guó)．自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置的原理和應(yīng)用[J]．電氣應(yīng)用，2009,28(10)：36-43．

[12] 梁方建，王興友，楊素梅．消弧線圈運(yùn)行狀態(tài)的研究[J]．電氣應(yīng)用，2011,30(1)：58-60,76．

[13] 王海歐，馬秀林，葉俊，等．基于注入信號(hào)法的TSC式消弧線圈控制器[J]．浙江電力，2012,34(9)：13-16．

[14] 閆靜，馬志瀛．自動(dòng)補(bǔ)償消弧裝置新型測(cè)控方法的研究及其實(shí)現(xiàn)[J]．高壓電器，2007，43(3)：165-168．

[15] 陳忠仁，李占琪．消弧線圈的自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行及其控制[J]．高壓電器，2013,49(6)：72-77．

[16] 陳銳．自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈脫諧度問(wèn)題的探討[J]．變壓器，2009，46(4)：12-13．

An Investigation on Decentralized Compensation Grounding Mode for Arc Suppression Coil in Distribution Network

Wen Yuling

(Urumqi Power Supply Company of State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi Xinjiang Uygur Zizhiqu 830011，China)

Decentralized compensation grounding mode for Arc suppression coil is concerned due to its advantages of flexible installation and easy expansion, however, there is a lack of investigation on fault residual current and over-voltage appeared in multiple grounding systems for arc suppression coils with decentralized compensation. This article has reviewed the principle of capacity configuration for decentralized arc suppression coil and in a case design for the substation in a development area, 8 modes were selected to fix the arc suppression coil. The simulation showed that both centralized compensation and decentralized compensation of arc suppression coil can meet the requirements specified by the provisions on residual current while the re-ignition time for the intermittent arc can be delayed greatly. Whereas its overvoltage level for non-fault phase arc is substantially the same and less than the isolated neutral system. The conclusion is in favor of the extensive applications of the arc suppression coil with decentralized compensation.

arc suppression coil；decentralized compensation；grounding；fault residual current ；arc overvoltage

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.028

TM761

A

1000-3886(2016)05-0089-05

文玉玲(1975-)，女，新疆人，研究生，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

定稿日期: 2016-05-04