簡析自動跟蹤補償消弧裝置技術(shù)

張東海

摘 要：消弧線圈是當中性點不接地的電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時補償電網(wǎng)內(nèi)電容電流的電氣設備。它能防止間歇性接地或電弧穩(wěn)定性接地的產(chǎn)生，起到熄滅電弧作用。當前城市發(fā)展日新月異，電網(wǎng)中電纜所占比重越來越高，導致系統(tǒng)的電容電流越來越大，遠遠超過了規(guī)程規(guī)定，給消弧線圈補償電網(wǎng)內(nèi)電容電流技術(shù)帶來了新問題。文章通過對消弧線圈自動跟蹤補償消弧裝置技術(shù)的分析，認為自動跟蹤補償消弧裝置技術(shù)，是保障中性點不接地的電網(wǎng)安全運行的一項可靠的先進的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：自動跟蹤補償；消??；調(diào)諧；可靠

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0012-02

1 概 述

目前，城鄉(xiāng)配電網(wǎng)多為非有效接地系統(tǒng)，早期供電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較簡單，系統(tǒng)不大，輸電線以架空線為主，由于雷擊、樹木和大風等因素的影響，單相接地故障是配電網(wǎng)中出現(xiàn)概率最大的一種故障，并且往往是可恢復性的故障。由于非有效接地系統(tǒng)的中性點不接地，即使發(fā)生單相金屬性永久接地或穩(wěn)定電弧接地，仍能不間斷供電，這是這種電網(wǎng)的一大優(yōu)點，對供電的可靠性起到了積極作用。

但隨著供電系統(tǒng)的不斷完善，電纜線路的增加，配電網(wǎng)的對地電容達到一定數(shù)值后，配電網(wǎng)的供電可靠性將受到威脅。

首先，當配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，接地電流較大，電弧很難熄滅，可能發(fā)展成相間短路；

其次，當發(fā)生間歇性弧光接地時，易產(chǎn)生弧光接地過電壓，從而波及整個配電網(wǎng)。為了解決這些問題，在配電網(wǎng)中性點裝設消弧線圈是一項有效的措施。其工作原理：中性點不接地的電網(wǎng)，在正常情況下，三相線路的各相對地電容電流是相等的，它們的矢量和零；當發(fā)生單相接地故障時，接地相的電容電流變?yōu)榱?，那么三相的電容電流矢量和將不為零，接地點有電容電流流過；若系統(tǒng)中性點接入消弧線圈，當發(fā)生單相接地故障等時，將有一個電感電流，它和接地點電容電流方向相反，因此在接地點相互補償使接地電流減小，如果消弧線圈選擇得當，可使接地點電流小于生弧電流，就不會產(chǎn)生斷續(xù)電弧和過電壓現(xiàn)象。

早前因電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡單，系統(tǒng)不大，采用繼電型補償裝置就能滿足需要；而當前，社會迅速發(fā)展，城市建設日新月異，配電網(wǎng)的擴大迅速，因美觀需要，采用電容電流遠大于架空線的電纜線路（據(jù)計算， 10 kV線路每公里電纜的電容電流約為架空線路的63倍）；加上反應緩慢的繼電器控制系統(tǒng)，給消弧線圈消弧帶來新挑戰(zhàn)，引起常用消弧線圈的最大補償電流小于系統(tǒng)的電容電流，消弧線圈運行在“欠補償”狀態(tài)，致使運行中容易發(fā)生諧振過電壓，從而導致接地電弧無法熄滅，嚴重影響系統(tǒng)的可靠性，影響人身及設備的安全。

據(jù)有關(guān)通報資料，廣州南沙區(qū)早前就有3個110 kV變電所安裝了3套調(diào)隙式消弧線圈的繼電型補償裝置，由于城市建設發(fā)展，配電網(wǎng)的迅速擴大以及電纜線路的增加，控制部分又使用電磁繼電器，控制回路復雜且運行不穩(wěn)定，使該三套消弧線圈均處于停運狀態(tài)。

近年，隨消弧線圈自動跟蹤補償裝置技術(shù)的應用，特別是智能自動跟蹤補償裝置，很好的以上問題，給中性點不接地的電網(wǎng)發(fā)生單相接地時電容電流的補償技術(shù)帶來了新景象。

2 自動跟蹤補償消弧裝置

自動跟蹤補償消弧裝置運用了微機控制器，能實時準確監(jiān)測電網(wǎng)電容電流等參數(shù)，在中性點不接地的電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時能在極短時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)電抗值來補償電容電流。具有運算速度快、集成度高、抗干擾能力強，多路采集輸入信號，響應速度快、精度高等特點，為消弧補償技術(shù)帶來了全新面貌。它主要由三大核心部件構(gòu)成：消弧線圈、接地變壓器及自動跟蹤調(diào)諧控制器。

2.1 接地變壓器

中性點絕緣的電力系統(tǒng)，無中性點引出，這就需要先通過接地變壓器來形成一個人為中性點，再帶接消弧線圈，以利用其電感電流來補償故障點電容電流。接地變壓器采用Z型結(jié)線（或稱曲折型結(jié)線），與普通變壓器的區(qū)別是每相線圈分別繞在兩個磁柱上，這樣零序磁通能沿磁柱流通，而普通變壓器的零序磁通是沿漏磁磁路流通的，所以Z型接地變壓器的零序阻抗很小。它具有零序阻抗低，激磁阻抗大，功耗小等特征。它的運行特點是長時空載，短時過載；當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，對正序負序電流呈高阻抗，對零序電流呈低阻抗，可使接地保護可靠動作。

2.2 消弧線圈

消弧線圈是自動跟蹤補償消弧裝置形成感性補償電流的主要部件。它的作用是當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，故障點流過電容電流，消弧線圈提供電感電流進行補償，使故障點電流降至要求量，有利于防止弧光過零后重燃，達到滅弧的目的，降低高幅值過電壓出現(xiàn)的幾率，防止事故進一步擴大。當消弧線圈正確調(diào)諧時，不僅可以有效的減少產(chǎn)生弧光接地過電壓的機率，還可以有效的抑制過電壓的幅值，同時也最大限度的減小了故障點熱破壞等。消弧線圈的調(diào)節(jié)方式主要有：調(diào)氣隙式、調(diào)匝式、調(diào)容式、可控硅調(diào)節(jié)式。

2.2.1 調(diào)氣隙式

主要通過移動鐵芯改變磁路磁阻達到連續(xù)調(diào)節(jié)電感的目的。有工作噪音大、可靠性差、調(diào)節(jié)精度差、過電壓水平高等缺點，已很少使用。

2.2.2 調(diào)匝式

調(diào)匝式消弧線圈是將繞組按不同的匝數(shù)抽出若干個分接頭，用有載分接開關(guān)進行切換，改變接入的匝數(shù)，從而改變電感量。調(diào)匝式因調(diào)節(jié)速度慢，只能工作在預調(diào)諧方式，即在系統(tǒng)正常運行無接地發(fā)生時，消弧線圈跟蹤到最佳補償位置，接地后不再調(diào)節(jié)。為保證較小的殘流，必須在諧振點附近運行。這將導致中性點電壓升高，因此需加裝阻尼電阻進行限壓。

2.2.3 調(diào)容式

通過調(diào)節(jié)消弧線圈二次側(cè)電容量大小來調(diào)節(jié)消弧線圈的電感電流。二次繞組連接電容調(diào)節(jié)柜，當二次電容全部斷開時，主繞組感抗最小，電感電流最大。二次繞組有電容接入后，使主繞組感抗增大，電感電流減小。因此通過調(diào)節(jié)二次電容的容量即可控制主繞組的感抗及電感電流的大小。電容器的內(nèi)部或外部裝有限流線圈，以限制合閘涌流。電容器內(nèi)部還裝有放電電阻。因調(diào)容式調(diào)節(jié)速度快，可實現(xiàn)接地后調(diào)節(jié)，可不加阻尼電阻。

2.2.4 可控硅調(diào)節(jié)式

可控硅調(diào)節(jié)式消弧線圈是把高短路阻抗變壓器的一次繞組作為工作繞組接入配電網(wǎng)中性點，二次繞組作為控制繞組由兩個反向連接的可控硅短接，調(diào)節(jié)可控硅的導通角由0～180 °之間變化，使可控硅的等效阻抗在無窮大至零之間變化，輸出的補償電流就可在零至額定值之間得到連續(xù)無極調(diào)節(jié)。由于可控硅工作于與電感串聯(lián)的無電容電路中，其工況既無反峰電壓的威脅又無電流突變的沖擊，可靠性得到了保障?？煽毓枵{(diào)節(jié)式調(diào)節(jié)速度極快，正常時消弧線圈工作在遠離諧振點的位置，不加阻尼電阻。

2.3 自動跟蹤調(diào)諧控制器

自動跟蹤調(diào)諧控制器是消弧線圈自動跟蹤補償裝置工作的指揮中心。它能準確地完成調(diào)諧功能，就是在中性點不接地的電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時使電網(wǎng)電感電流接近或等于電容電流。工程上用脫諧度V來描述調(diào)諧程度，其中V等于電路的電容電流與電感電流之差除電容電流。

當V=0時，即消弧線圈的電感電流等于電容電流，流過接地點的電流為零，稱為全補償；

當V>0時，即消弧線圈的電感電流小于電容電流，接地點尚有未補償?shù)碾娙菪噪娏?，稱為欠補償；

V<0時，即消弧線圈的電感電流大于電容電流，接地點具有多余的感性電流，稱為過補償。從發(fā)揮消弧線圈的作用上來看，脫諧度的絕對值越小越好，最好是處于全補償狀態(tài)，即調(diào)至諧振點上。但是在電網(wǎng)正常運行時，小脫諧度的消弧線圈將產(chǎn)生各種諧振過電壓。這些諧振過電壓給電網(wǎng)帶來的不是安全因素而是危害。

因此，當電網(wǎng)未發(fā)生單相接地故障時，希望消弧線圈運行在遠離諧振點。目前，消弧線圈自動調(diào)諧裝置可分為隨動式補償和動態(tài)補償。隨動式補償?shù)墓ぷ鞣绞绞牵鹤詣痈欕娋W(wǎng)電容電流的變化，隨時調(diào)整消弧線圈，使其保持在諧振點上，在消弧線圈中串一電阻，增加電網(wǎng)阻尼率，將諧振過電壓限制在允許的范圍內(nèi)。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，控制系統(tǒng)將電阻短接掉，達到最佳補償效果，該系統(tǒng)的消弧線圈不能帶高壓調(diào)整。

而動態(tài)補償?shù)墓ぷ鞣绞绞牵涸陔娋W(wǎng)正常運行時，調(diào)整消弧線圈遠離諧振點，徹底避免串聯(lián)諧振過電壓和各種諧振過電壓產(chǎn)生的可能性，當電網(wǎng)發(fā)生單相接地后，瞬間調(diào)整消弧線圈到最佳狀態(tài)，使接地電弧自動熄滅。這種系統(tǒng)要求消弧線圈能帶高電壓快速調(diào)整，從根本上避免了串聯(lián)諧振產(chǎn)生的可能性。自動跟蹤調(diào)諧控制器的微機控制器能通過各種不同的測量計算方法實時監(jiān)測系統(tǒng)的電容電流等參數(shù)，自動快速地完成跟蹤補償?shù)母鞣N反應和調(diào)節(jié)；例如根據(jù)電網(wǎng)的脫諧度和殘流的要求，當系統(tǒng)的脫諧度超出設定范圍時，控制器會發(fā)出指令，調(diào)整消弧線圈使脫諧度及殘流精確地滿足要求。因為微機技術(shù)應用，使自動跟蹤調(diào)諧控制器具有了運算速度快、集成度高、抗干擾能力強、響應速度快、精度高等特點，成就了整個自動跟蹤補償消弧裝置先進可靠的特色。

福州地區(qū)現(xiàn)有新建變電站10kV配電系統(tǒng)已廣泛采用自動跟蹤補償消弧裝置，例如，福州堤邊110 kV變電站、福州巖洲110 kV變電站、平潭前進110 kV變電站等。它們應用了上海思源智能型自動跟蹤補償消弧線圈裝置，能自動跟蹤補償電網(wǎng)電容電流，使之保持于設定參數(shù)范圍內(nèi)；能消除電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部過電壓及諧振過電壓，電網(wǎng)發(fā)生接地故障時自動報警；具有遠動輸出口，便于與上位機通訊，響應速度快、精度高， 裝置采樣輸入信號采用多路徑輸入，增加實時采樣的取點密度，從而提高采樣輸入信號的精度、可靠性；控制器運算速度快、集成度高、抗干擾能力強，多路采集輸入信號和輸出指令全面隔離，出口雙地址控制，杜絕干擾而引起的測量誤差、誤動作。

對這些變電站自動跟蹤補償消弧裝置幾年的運行情況追蹤調(diào)查，雖這些變電站周圍城市建設迅速，配電全部電纜化，但這些變電站的自動跟蹤補償消弧裝置都運行良好，無故障發(fā)生，表明了它們的適宜性和可靠性。

3 結(jié) 語

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，微機技術(shù)的應用，中壓電網(wǎng)中性點采用消弧線圈接地的優(yōu)越性已逐漸顯示出來。而自動跟蹤補償消弧裝置技術(shù)的成熟，必將使其成為保障中性點不接地的電網(wǎng)安全運行的主力軍。

參考文獻：

[1] 胡玉霞.電力消弧線圈綜述[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

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