66kV配電網(wǎng)單相接地電弧自熄電路設(shè)計(jì)

楊凌志 許曉峰 王亮 姚明書

摘 要：目前低于66kV的配電網(wǎng)接地系統(tǒng)發(fā)生單項(xiàng)接地故障時，電弧自滅較為困難，即使電容電流呈現(xiàn)增大趨勢，暫態(tài)電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地故障仍不能自動消除。為克服現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)，本文首先搭建出等價于三相分布參數(shù)的單相集中參數(shù)實(shí)驗(yàn)線路，其次進(jìn)行了單相接地故障下的空氣電弧、SF6電弧以及交聯(lián)電纜電弧自熄滅特性測試，得到了在中性點(diǎn)不接地與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地兩種條件下，相接地故障電弧自熄特性，為選擇配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式提供確切依據(jù)。

關(guān)鍵詞：66kV配電網(wǎng)；單項(xiàng)接地故障；電弧自熄

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.189

0 引言

單相接地故障電流大小、電弧的燃弧時間和補(bǔ)償度等是確定繼電保護(hù)整定時間和計(jì)算系統(tǒng)輸送容量及系統(tǒng)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。若補(bǔ)償措施采取不當(dāng)，可能使電弧難以及時熄滅。單相接地故障電流為交流電弧，在故障電弧類型可能是空氣電弧、SF6氣體電弧與電纜電弧。故障電弧間隙由于沒有強(qiáng)迫的滅弧裝置，只能依靠介質(zhì)的電弧自由拉長降低單位長度電弧電壓和介質(zhì)的去游離性能，使得電弧電壓不能支撐電弧燃燒致使電弧熄滅。由于電弧的產(chǎn)生熱和電場的作用，發(fā)生熱發(fā)射、熱游離、場致發(fā)射和碰撞游離，在氣隙間出現(xiàn)大量電子流，使氣體由絕緣體變成導(dǎo)體。電弧燃燒期間，起主要作用的是熱游離。因而，使電弧迅速冷卻是熄滅電弧的主要方法[1]。

電弧試驗(yàn)作為研究電弧的重要手段和基礎(chǔ)方法，可直接獲得電弧的電壓、電流波形、電弧圖像及燃弧時間等重要參量，為建立和校核電弧仿真模型積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是前期研究中不可或缺的重要步驟。但電弧試驗(yàn)受條件限制，投入較大，靈活性不足，且游離與消游離作用與許多物理因素有關(guān)，如電場強(qiáng)度、溫度、濃度、氣體壓力等。因此，本文根據(jù)這些物理因素的變化影響情況，找出一些切實(shí)可行的方法，減小游離，增加消游離，使產(chǎn)生的電弧盡快地熄滅。因此，進(jìn)行本試驗(yàn)平臺的硬件設(shè)計(jì)。

1 電弧特性

交流電流過零后，電弧是否重燃取決于弧隙介質(zhì)強(qiáng)度和弧隙電壓的恢復(fù)在電弧電流過零時，電弧自然熄滅。電流過零后，弧隙中同時存在著兩個作用相反的恢復(fù)過程，即介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程和弧隙電壓的恢復(fù)過程。如果弧隙介質(zhì)強(qiáng)度在任何情況下都高于弧隙恢復(fù)電壓，則電弧熄滅；反之，如果弧隙恢復(fù)電壓高于弧隙介質(zhì)強(qiáng)度，弧隙就被擊穿，電弧重燃。

由于電弧涉及電、熱、光、流體和等離子體等多個物理過程，屬于空氣中的自由開弧，其發(fā)展受天氣狀況、環(huán)境條件等因素的影響，且電弧的絕緣間隙較長特高壓輸電線路的空氣間隙長度接近，持續(xù)時間長可達(dá)數(shù)秒，導(dǎo)致電弧特性較復(fù)雜，無疑加大了電弧研究的難度 [2]。

2 試驗(yàn)回路構(gòu)成

由于采用分布參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)回路耗費(fèi)大量的人力與物力，實(shí)驗(yàn)周期長費(fèi)用高，因此，本實(shí)驗(yàn)擬采用集中參等效電路的方法，搭建集中參數(shù)的實(shí)驗(yàn)回路，如圖1所示。

圖1中，T1 ：220kV/10kV變壓器，1MVA；CB1：12kV保護(hù)斷路器，12kV；T2：10kV/10kV 調(diào)壓器，1MVA；T3：10kV/66kV 升壓變壓器；CB2：72.5kV保護(hù)斷路器，72.5kV ；L：限流電抗器，可調(diào)；L0：消弧線圈，可調(diào)；C：線路等效電容，可調(diào)；CB3：輔助合閘斷路器；PT：阻容分壓器；CT：霍爾電流互感器；間隙：空氣間隙、SF6間隙、電纜間隙。

電網(wǎng)中電容電流主要取決于線路的對地電容，集中參數(shù)試驗(yàn)回路忽略了線路的電阻、電感，及線路之間的相間電容和互感等影響因素[3]，采用集中電容模擬線路的對地電容，改變電容值構(gòu)成不同的電網(wǎng)規(guī)模。通過引入限流電抗器來調(diào)節(jié)線路中電流的大小，實(shí)際線路中中性點(diǎn)消弧線圈經(jīng)過電路變換后，采用在線路中串聯(lián)的方式等效。選取的消弧線圈與實(shí)際電網(wǎng)中運(yùn)行的設(shè)備參數(shù)一致。采用分壓器測量試驗(yàn)電壓、霍爾式CT測量電流信號。

3 試驗(yàn)回路等效性

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用模擬回路與實(shí)際系統(tǒng)的等效性，對集中參數(shù)模擬回路和分布參數(shù)實(shí)際系統(tǒng)在單相接地故障下的恢復(fù)電壓進(jìn)行了數(shù)值仿真。運(yùn)行電壓可以通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)，得到所需要的電流值?；謴?fù)電壓值可以通過電弧自熄滅仿真得到，并與實(shí)際電網(wǎng)中所測的恢復(fù)電壓值進(jìn)行比較，以確定集中實(shí)驗(yàn)回路的等價性，如果恢復(fù)電壓值發(fā)生偏離，可以在變壓器出口并聯(lián)RC回路來調(diào)節(jié)恢復(fù)電壓的上升率，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)回路等價性的要求。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及參數(shù)

電弧類型：

（1）空氣電弧：可由絕緣子并聯(lián)金屬熔絲進(jìn)行引弧。由于空氣間隙的絕緣可以自恢復(fù)，且絕緣間隙不需要放置在密閉氣室中，并聯(lián)引弧金屬熔絲安裝方便，實(shí)驗(yàn)便于多次重復(fù)進(jìn)行。

（2）SF6電?。盒枰谱鱏F6氣室，氣室包含兩種絕緣類型：氣體間隙絕緣和盆式絕緣子沿面絕緣。對應(yīng)的SF6氣體電弧分為氣體間隙絕緣電弧與盆式絕緣子沿面放電電弧。由于是密閉氣室，引弧熔絲安裝與實(shí)驗(yàn)過程相對復(fù)雜，耗費(fèi)人力與物力較多。對于SF6氣體沿面絕緣，可能會對盆式絕緣子沿面絕緣產(chǎn)生破壞，如果利用等效沿面絕緣，則需要考慮沿面絕緣的等價性。

（3）電纜電弧：制作電纜終端并在電纜中部進(jìn)行人為絕緣破壞并利用金屬熔絲進(jìn)行引弧。由于電纜絕緣為不可恢復(fù)絕緣，實(shí)驗(yàn)前需要人為對電纜相間制造絕緣。

5 故障類型

空氣電弧、SF6電弧和交聯(lián)電纜電??；實(shí)驗(yàn)電壓：電壓等級按照10kV、35kV和66kV；故障電流：故障電流按照10A、15A、20A、25A、30A、40A、50A，直到故障電弧不能自熄滅。合閘相角：選相合閘，從0°至360°分10個相位區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

空氣電弧與SF6電弧由熔絲接地引燃電弧，電弧電流、電弧電壓以及恢復(fù)電壓由互感器引出至采集測量裝置獲取試驗(yàn)波形，記錄燃弧時間、電弧電流及電弧電壓波形，采用高速攝像儀拍攝電弧發(fā)展過程，觀察電弧自熄狀況。

6 結(jié)論

本文根據(jù)電場強(qiáng)度、溫度、濃度、氣體壓力等物理因素的變化影響情況，搭建出試驗(yàn)回路，該實(shí)驗(yàn)回路能夠有效減小游離和增加消游離，從而使產(chǎn)生的電弧能夠盡快地熄滅，進(jìn)而避免了傳統(tǒng)電弧試驗(yàn)投入較大、靈活性不足以及受實(shí)驗(yàn)條件限制等缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔靜.小波分析在配電網(wǎng)單相接地故障選線中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2012（36）.

[2]顏湘蓮，陳維江，賀子鳴，張少軍，李慶余.10kV配電網(wǎng)單相接地故障電弧自熄特性的試驗(yàn)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008（08）：25-28+34.

[3]王子涵.中性點(diǎn)接地方式在中壓配電網(wǎng)中的決策[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（06）：27-29.

[4]劉笑笑，鄭喻，鄭志超.基于ATP-EMTP的故障接地電弧仿真研究[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（11）：53-57.

本論文基于66kV系統(tǒng)電弧自熄特性研究（遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目編號2018210101002827）

作者簡介：楊凌志（1995-），女，吉林人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行、分析與控制。