寧夏電網(wǎng)消弧線圈配置合理性評價(jià)

吳旭濤，邢　琳，樊慶齡，黃顏萍

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川　750011；2.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北石家莊　056002；3.河南經(jīng)緯電力設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450000）

寧夏電網(wǎng)已安裝的消弧線圈投運(yùn)率明顯偏低，離線調(diào)檔式消弧線圈投運(yùn)率不足30%，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈的投運(yùn)率也不到40%，導(dǎo)致了大量設(shè)備的閑置和不必要的浪費(fèi)。此外，一些變電站雖然裝設(shè)了消弧線圈，消弧線圈也正常地投入了運(yùn)行，但因系統(tǒng)單相接地引發(fā)的相間短路事故依然時(shí)有發(fā)生，消弧線圈的投入并未發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1　研究現(xiàn)狀及需要解決的問題

1.1　消弧線圈配置原則

根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］ ，消弧線圈是一個(gè)鐵心有氣隙的電感，接在中性點(diǎn)與地之間，如圖1所示，其伏安特性相對來說不易飽和。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流的計(jì)算見式（1）。

圖1　安裝了消弧線圈的中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)

圖1中，EC為發(fā)生單相接地前，接地點(diǎn)對地電位；Ijd為單相接地電流；C11、C12、C13為系統(tǒng)各相對地電容；L為消弧線圈的電感。

當(dāng)電感L按式（2）所示的完全調(diào)諧選取時(shí)，接地的電容電流分量完全被消弧線圈的電感電流所補(bǔ)償，即Ijd將減小為零，接地電流就會(huì)熄滅。

為避免中性點(diǎn)電位顯著上升，造成系統(tǒng)三相對地電壓產(chǎn)生較大的偏移，在實(shí)際的消弧線圈選擇中，總是將L值選擇的與式（2）所示的完全調(diào)諧有所差別，而用式（3）的脫諧度表示脫離諧調(diào)的程度。

式中：Ib—消弧線圈的補(bǔ)償電流；

IC—系統(tǒng)對地的電容電流。根據(jù)文獻(xiàn)［3］ ，消弧線圈接地系統(tǒng)，在正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)的長時(shí)間電壓位移不應(yīng)超過系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓的15%；消弧線圈接地系統(tǒng)故障點(diǎn)的殘余電流不宜超過10 A，必要時(shí)可將系統(tǒng)分區(qū)運(yùn)行。

為防止電網(wǎng)中有一條線路跳閘時(shí)，或當(dāng)線路非全相運(yùn)行時(shí)，或U0偶然升高導(dǎo)致消弧線圈飽和而至L值變小時(shí)，系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)而產(chǎn)生嚴(yán)重的中性點(diǎn)位移，因此文獻(xiàn)［1］ 規(guī)定，消弧線圈宜采用過補(bǔ)償運(yùn)行方式。

此外對于消弧線圈的應(yīng)用，文獻(xiàn)［1］ 要求，消弧線圈的容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)5-10年的發(fā)展規(guī)劃確定，其計(jì)算應(yīng)按式（4）進(jìn)行。

式中：W—消弧線圈的容量，kVA；

Un—系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，A。

對于消弧線圈裝設(shè)地點(diǎn)的配置，文獻(xiàn)［3］ 還要求：應(yīng)保證系統(tǒng)在任何運(yùn)行方式下，斷開一、二回線路時(shí)，大部分不致失去補(bǔ)償。不宜將多臺消弧線圈集中安裝在系統(tǒng)中的一處。接于YN，d接線的雙繞組或YN，yn，d接線的三繞組變壓器中性點(diǎn)上的消弧線圈容量，不應(yīng)超過變壓器三相總?cè)萘康?0%，并不得大于三繞組變壓器的任一繞組的容量。如需將消弧線圈接于YN，yn接線的變壓器中性點(diǎn)，消弧線圈的容量不應(yīng)超過變壓器三相總?cè)萘康?0%，但不應(yīng)將消弧線圈接于零序磁通經(jīng)鐵心閉路的YN，yn接線的變壓器，如外鐵型變壓器或3臺單相變壓器組成的變壓器組。如變壓器無中性點(diǎn)或中性點(diǎn)未引出，應(yīng)裝設(shè)專用接地變壓器，其容量應(yīng)與消弧線圈的容量相配合。

1.2　寧夏電網(wǎng)消弧線圈運(yùn)行現(xiàn)狀

各單位消弧線圈的安裝使用情況如表1所示。由表1可知，截止2009年6月，寧夏電網(wǎng)10～35 kV系統(tǒng)共計(jì)安裝消弧74臺，實(shí)際投入運(yùn)行23臺，投運(yùn)率為31.1%。其中安裝離線調(diào)檔式消弧線圈27臺，實(shí)際投入運(yùn)行6臺，投運(yùn)率22.2%；自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈47臺，實(shí)際投入運(yùn)行17臺，投運(yùn)率36.2%。

表1　寧夏電網(wǎng)消弧線圈安裝使用情況

表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，寧夏電網(wǎng)超過三分之二的已安裝消弧線圈處于閑置狀態(tài)，一方面造成了極大浪費(fèi)，同時(shí)也給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來了極大的安全隱患。

1.3　需要解決的問題

針對寧夏電網(wǎng)大量已安裝消弧線圈的閑置問題，需要根據(jù)配置原則，著重從以下幾個(gè)方面對消弧線圈配置合理性進(jìn)行分析，并有的放矢提出解決措施∶

（1）消弧線圈配置容量與實(shí)際需求的匹配問題。

（2）消弧線圈補(bǔ)償能力與實(shí)際需求的匹配問題。

（3）消弧線圈補(bǔ)償作用與實(shí)際需求的匹配問題。

2　寧夏電網(wǎng)消弧線圈配置合理性分析

2.1　在運(yùn)消弧線圈及所在系統(tǒng)主要參數(shù)

為了考核消弧線圈的應(yīng)用效果，對寧夏電網(wǎng)27座110～220 kV變電站的29臺35 kV消弧線圈采用人工單相接地方式進(jìn)行了補(bǔ)償效果的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

被試消弧線圈中，離線調(diào)檔式消弧線圈20臺，預(yù)調(diào)式自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈7臺，隨調(diào)式自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈2臺。試驗(yàn)通過對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，即諧振接地系統(tǒng)的出線進(jìn)行單相人工接地，對相關(guān)的電壓、電流及時(shí)間參量進(jìn)行測試。

表2中，Ug為消弧線圈的電壓等級；Se為消弧線圈額度容量；UTg為安裝消弧線圈的變壓器額定電壓；Ib為消弧線圈補(bǔ)償電流，取消弧線圈運(yùn)行檔位的銘牌電流值；Ic為實(shí)測系統(tǒng)電容電流基波有效值；Icl為補(bǔ)償后的系統(tǒng)接地點(diǎn)殘流穩(wěn)態(tài)有效值。

表2　被試消弧線圈的基本情況

2.2　在運(yùn)消弧線圈容量與實(shí)際需求容量的匹配

分析表2可知，試驗(yàn)所涉及31.03%的系統(tǒng)電容電流不超過10 A，然而消弧線圈，特別是一些大容量消弧線圈的投入，反而會(huì)使單相接地的殘流超過了10 A。按照表2中的實(shí)測系統(tǒng)電容電流，根據(jù)式4計(jì)算可得到各系統(tǒng)所需要配置的消弧線圈容量，即消弧線圈容量需求。將消弧線圈容量需求與系統(tǒng)配置的消弧線圈實(shí)際容量之比，即需求實(shí)際比進(jìn)行分檔，可得到每檔實(shí)際配置消弧線圈的數(shù)量及占比，如表3所示。

表3　消弧線圈按需求實(shí)際比的分布狀況

表3表明，試驗(yàn)所涉及系統(tǒng)的消弧線圈中，有4臺的容量已不能滿足要求，其中安裝于220 kV GDI變電站的消弧線圈，其容量僅達(dá)到了需求的51.4%。共有5臺消弧線圈容量的需求實(shí)際比介于1.0到1.3之間，約占總數(shù)的17.24%，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，這些消弧線圈可能將很快無法滿足要求。有4臺消弧線圈容量需求實(shí)際比介于1.3到2之間，約占總數(shù)的13.79%，這些消弧線圈基本能滿足當(dāng)前和未來一段時(shí)間發(fā)展的需要。容量需求實(shí)際比超過2的消弧線圈達(dá)到了16臺，占比達(dá)到55.17%，其中有3臺消弧線圈容量的需求實(shí)際比甚至超過了5倍，110 kV QYING變電站所配消弧線圈容量的需求實(shí)際比已達(dá)7.3倍。上述分析可知，寧夏電網(wǎng)在運(yùn)消弧線圈容量大多數(shù)與實(shí)際需求不相匹配。

2.3　在運(yùn)消弧線圈補(bǔ)償電流與系統(tǒng)電容電流的匹配

由表2還可看出，對于采用了離線調(diào)檔式消弧線圈的系統(tǒng)，按目前的檔位投入運(yùn)行，有30%的系統(tǒng)在消弧線圈補(bǔ)償后，其接地點(diǎn)的殘流超過了10 A。其中，采用了容量為1100 kVA的消弧線圈的4個(gè)系統(tǒng)中，有3個(gè)系統(tǒng)的接地點(diǎn)殘流超過了10 A，按所在系統(tǒng)目前的電容電流水平，即便將消弧線圈的檔位置于最低電流檔位25 A，3個(gè)系統(tǒng)的接地電流殘流依然會(huì)超過10 A。此外GDI變35 kV系統(tǒng)的電容電流已達(dá)到39.22 A，遠(yuǎn)超過了消弧線圈25 A的最高電流檔位，消弧線圈的電流不僅無法滿足補(bǔ)償需要，而且處于欠補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)，消弧線圈的投入將會(huì)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。

對于采用了自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈的系統(tǒng)，有14.3%的消弧線圈投入后，接地點(diǎn)的殘流超過了10 A，情況好于離線調(diào)檔式消弧線圈。文獻(xiàn)［4］ 規(guī)定“對于不直接連接發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，（消弧線圈的）級差電流不宜大于5 A”，即自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈投入后，接地點(diǎn)的殘流至少應(yīng)小于5 A，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有57.1%的系統(tǒng)，消弧線圈投入后的接地殘流超過了5 A，表明大部分自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈的性能并未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由以上分析可知，在運(yùn)消弧線圈無論采用離線調(diào)檔方式還是采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償方式，補(bǔ)償電流與系統(tǒng)電容電流也存在較嚴(yán)重不匹配現(xiàn)象。

2.4　寧夏電網(wǎng)在運(yùn)消弧線圈與系統(tǒng)中設(shè)備主絕緣類型的匹配

長期以來，中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)設(shè)備主絕緣主要采用空氣、絕緣油等，消弧線圈在消除弧光接地方面發(fā)揮了重要的作用，但隨著近年來固體絕緣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，消弧線圈的作用不再明顯。根據(jù)文獻(xiàn)［5］ ，2007年8月至2008年初，B供電局220 kV BQIAO變電站曾發(fā)生過兩起因35 kV干式電流互感器絕緣擊穿引發(fā)的相間短路故障。2009年，B供電局220 kVHNONG變又連續(xù)發(fā)生兩起類似的事故。BQIAO變電站和HNONG變電站35 kV系統(tǒng)均安裝有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)南【€圈，四起短路故障發(fā)生時(shí)均在投運(yùn)狀態(tài)，但依然未能夠避免事故的發(fā)生。這表明，多方面原因?qū)е孪【€圈的投入并不能有效防止系統(tǒng)單相接地引發(fā)的短路事故，消弧線圈不能有效補(bǔ)償固體絕緣擊穿后放電通道流過的電流就是原因之一。

固體絕緣的電氣設(shè)備，其固體絕緣被擊穿時(shí)所形成的碳化通道具有高阻性質(zhì)，還能夠承受一定的電壓，因此很難發(fā)展至穩(wěn)定的電弧接地。在交變的工頻電壓作用下，當(dāng)電壓低于被擊穿的固體絕緣所能承受的電壓時(shí)，放電通道并不會(huì)有電流流過；當(dāng)電壓高于被擊穿的固體絕緣所能承受的電壓時(shí)，則在放電通道上會(huì)流過接地電流，因此對于固體絕緣設(shè)備，當(dāng)發(fā)生絕緣擊穿時(shí)，放電通道上將間隙性的出現(xiàn)電流。由于該電流的阻性分量較大，加之無論是放電通道，還是消弧線圈的電流變化都存在過渡過程，因此無論是離線調(diào)檔式消弧線圈，還是自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，均難以對固體絕緣擊穿后的接地電流進(jìn)行充分補(bǔ)償；同時(shí)，固體絕緣擊穿后，放電通道間歇性的導(dǎo)通，將導(dǎo)致非故障相出現(xiàn)較高的過電壓，從而造成非故障相的絕緣擊穿，最終產(chǎn)生相間短路。消弧線圈對于空氣絕緣擊穿形成的弧光接地電流有較好的補(bǔ)償作用，但對于固體絕緣擊穿形成間歇性電弧接地，消弧線圈難以發(fā)揮其補(bǔ)償作用。

3　改進(jìn)消弧線圈配置的建議

3.1　消弧線圈應(yīng)在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上分區(qū)配置

文獻(xiàn)［2］ 規(guī)定，消弧線圈的容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)5-10年的發(fā)展規(guī)劃確定。消弧線圈主要用于配電網(wǎng)，配電網(wǎng)的規(guī)劃涉及面非常廣泛，近年來寧夏社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，系統(tǒng)5-10年發(fā)展規(guī)劃的準(zhǔn)確性難以有效保證。寧夏電網(wǎng)一些按照系統(tǒng)5-10年發(fā)展規(guī)劃選型的消弧線圈，無論容量還是補(bǔ)償電流都長期遠(yuǎn)超需求，不僅達(dá)不到熄滅接地電弧的目的，反而會(huì)造成一些系統(tǒng)本可以自行熄滅的接地電弧無法熄滅；同時(shí)，還有些系統(tǒng)電容電流過大，目前單臺消弧線圈的容量已難以滿足要求，因此，需要根據(jù)配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分區(qū)按需配置消弧線圈，以適應(yīng)發(fā)展的需要，同時(shí)解決電容電流過大后，消弧線圈無法選型的問題。采用分區(qū)配置的消弧線圈，其容量比、阻抗比應(yīng)合理，運(yùn)行方式需合理控制，時(shí)間特性應(yīng)一致。目前所有的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，其動(dòng)作均有一個(gè)過程，時(shí)間上難以保持一致，因此很難滿足分區(qū)配置的要求。

3.2　對于以固體絕緣設(shè)備為主的配網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)采用其它防止弧光接地危害的措施

由于固體絕緣擊穿形成的放電通道，消弧線圈難以有效發(fā)揮補(bǔ)償作用，因此對于以固體絕緣為主的配網(wǎng)系統(tǒng)，如網(wǎng)架已成形且結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，可考慮采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地并通過配網(wǎng)自動(dòng)化提高供電可靠性；網(wǎng)架尚在發(fā)展中、存在較大變化可能時(shí)，則可考慮采用接地轉(zhuǎn)移技術(shù)［6］。利用安裝在系統(tǒng)母線上的快速接地開關(guān)，迅速將單相接地相通過金屬性接地進(jìn)行旁路，有效消除弧光接地，避免因單相接地發(fā)展為相間短路故障。

4　效果評價(jià)

根據(jù)消弧線圈配置原則及模擬試驗(yàn)結(jié)果，寧夏電網(wǎng)存在因配置容量、補(bǔ)償能力、補(bǔ)償作用與實(shí)際需求不匹配，造成的消弧線圈配置不合理問題，導(dǎo)致大量消弧線圈閑置的同時(shí)，給配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了極大的安全隱患。根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)，采取消弧線圈的分區(qū)配置方式或其它有效的消弧措施，不僅能夠避免消弧線圈配置不合理造成的浪費(fèi)，更能夠有效消除弧光單相接地對配電網(wǎng)安全運(yùn)行的威脅。

5　結(jié)論

（1）寧夏電網(wǎng)在運(yùn)消弧線圈配置不夠合理，主要表現(xiàn)為部分消弧線圈容量和補(bǔ)償電流遠(yuǎn)超實(shí)際需求，還有部分消弧線圈容量和補(bǔ)償電流低于實(shí)際需求，上述兩種情況的存在都導(dǎo)致了消弧線圈不能有效發(fā)揮應(yīng)有作用。此外，隨著城市配電網(wǎng)電纜化率的提高，固體絕緣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，利用消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流促使接地點(diǎn)熄弧的效果也越來越不明顯。

（2）消弧線圈應(yīng)根據(jù)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)采取按需分區(qū)配置的原則來進(jìn)行，并應(yīng)考慮相關(guān)參數(shù)的匹配。當(dāng)選用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈時(shí)，尤其應(yīng)關(guān)注響應(yīng)時(shí)間的一致性。

（3）以固體絕緣為主的配網(wǎng)系統(tǒng)不宜采用消弧線圈。

［1］ 解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985

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