高漏抗式消弧線圈的配電網(wǎng)單相接地故障狀態(tài)研究

陳漢超，萬家偉，方書博，李 迪

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)防湖北省重點實驗室，武漢 430074）

引言

在配電網(wǎng)中，線網(wǎng)的中性點和大地相連接的方式是通過消弧線圈進行連接，這種連接方式叫做諧振接地，其比其他配電網(wǎng)中性點接地方式突出許多，諧振接地方式有著較多優(yōu)勢[1]。例如，在單相接地故障發(fā)生后，可通過消弧線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，以此來彌補配電網(wǎng)電容中缺失的部分，從而消除弧光。在滅弧成功后，使故障電壓的恢復(fù)速度降低，避免弧光重新燃燒。諧振接地技術(shù)在一定程度上降低了接地故障的發(fā)生率，被廣泛應(yīng)用于中壓變電站中。在傳統(tǒng)的變電站中，適應(yīng)較為廣泛的是調(diào)匝式消弧線圈，這種線圈主要是通過改變電感線圈的檔位，實現(xiàn)電感值的調(diào)節(jié)。

在配電網(wǎng)采用諧振接地的連接方式以后，當(dāng)接地故障消失時，單相接地消失并不能夠被消弧線圈有效判斷出來，沒有及時地退出補償狀態(tài)，導(dǎo)致消弧線圈與系統(tǒng)對地電容串聯(lián)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)正常運行。針對這一種情況，目前所用的方式是增加消弧線圈的脫諧度，有效地將補償精度增加[2]。

1 諧振接地系統(tǒng)接地故障消失時的暫態(tài)過程

當(dāng)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，零序回路如圖1所示。Ua為故障電源電壓，U0為系統(tǒng)的零序電壓，Rd為故障點接地電阻，L為消弧線圈的電感值，C0為系統(tǒng)三相對地分布電容等效電容值，R0消弧線圈的損耗。

圖1 零序回路等效電路

當(dāng)接地故障點零電弧熄滅時，如同圖中開關(guān)S斷開，這時系統(tǒng)的零序回路等效電路如圖2所示，圖2中Uk表示系統(tǒng)中三相不平衡電壓。

圖2 接地故障消失時零序回路等效電路

在配電網(wǎng)單相接地故障消失之前，零序回路中的每一項參數(shù)決定零序電壓的幅值，此時的U0角頻率與電網(wǎng)中電源的角頻率大致相同。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)至正常狀態(tài)后，消弧線圈電感會與系統(tǒng)對電容形成一個諧振回路，如圖2中所示，接地消失后，零序電壓中將會出現(xiàn)一個變化量，并且這個變化量會隨著角頻率的降低逐漸降低。因此，為了防止單相接地時產(chǎn)生大量的殘流，可以通過消弧線圈中的電抗來對其進行相應(yīng)的補償[3]。因此，當(dāng)接地消失時，圖2中的電路自振頻率與系統(tǒng)電源頻率相同，一般為了讓單相接地時電弧能夠快速地熄滅，殘流需越小越好。

2 高漏抗式消弧線圈在接地消失時的暫態(tài)分析

通常來說，高漏式消弧線圈是處于零序電壓的周波范圍內(nèi)。但晶閘管處于斷開狀態(tài)時，濾波阻抗將會對輸入的電流產(chǎn)生一定的阻礙。此時，若配電系統(tǒng)發(fā)生故障，則消弧線圈中的電流大小將會受到晶閘管的影響。由于高抗漏式消弧線圈的基本原理和構(gòu)造與其他線圈之間存在一定的差異，在接地消失的過程中，電路中的零序電壓變化也不同。

2.1 晶閘管不導(dǎo)通時零序電壓的變化

在接地消失之后，檢查發(fā)現(xiàn)消弧線圈中晶閘管出現(xiàn)異常情況，相應(yīng)的電路如圖3所示。圖3中，Uk為不平衡電壓，C0為對地電容，L0為等效電感，L1+L2表示阻抗電感值，U0表示零序電壓。

圖3 接地消失時系統(tǒng)的等效電路

零序暫態(tài)電壓的頻率分量受到系統(tǒng)對地電容與消弧線圈勵磁阻抗的參數(shù)影響，而高頻暫態(tài)分量，則受到濾波回路和系統(tǒng)對地電容的參數(shù)的影響。當(dāng)晶閘管一直處于截止?fàn)顟B(tài)時，零序電壓在振蕩衰減過程中，電壓幅度值降低時，頻率也相應(yīng)減小。

2.2 晶閘管導(dǎo)通時零序電壓的變化

針對不同類型晶閘管對零序電壓影響的問題，通過相應(yīng)的試驗來對其研究，試驗為高壓配網(wǎng)模擬試驗。試驗中消弧線圈的基本參數(shù)見表1。

表1 消弧線圈的基本參數(shù)

在試驗過程中，要將消弧線圈的晶閘管觸發(fā)延遲角度穩(wěn)定在一個固定的狀態(tài)，然后再用示波器來記錄每個階段零序電壓的變化。根據(jù)相應(yīng)的試驗參數(shù)，將晶閘管的觸角延遲角度定為111.5°。接地消失后，產(chǎn)生相應(yīng)的串聯(lián)諧振，此時便能得到相應(yīng)的諧振觸發(fā)延遲角。此外，根據(jù)不同類型晶閘管的延遲角，可將其分為大于、等于、小于系統(tǒng)諧振觸發(fā)的延遲角三種情況[4]。

3 基于頻率跟蹤的系統(tǒng)單相接地故障狀態(tài)識別方法

當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)單相接地情況時，電網(wǎng)中的電流量會缺失，此時高漏抗消弧線圈便會產(chǎn)生相應(yīng)的補償電流。若將此時觸發(fā)延遲角定為D1，則在接地故障消失的某個特定時間值內(nèi)，可以通過相應(yīng)的裝置調(diào)整晶閘管的觸發(fā)延遲角，使其變?yōu)镈2，那么零序電壓的頻率變化△?m為：

控制裝置的實際測量零序電壓的頻率變化為?,一般裝置的誤差與消弧線圈都會影響?值，都會有相對的偏差。即

當(dāng)接地故障解除后，配電網(wǎng)的接地故障也隨之改變。經(jīng)過許多測試以后，發(fā)現(xiàn)K值取0.6最為理想。在接地故障沒有消失的情況下，在控制裝置調(diào)整延遲角度后，在故障電壓的影響下，消弧線圈的電壓會受到相應(yīng)的限制，但是零序電壓是保持恒定不變的。在經(jīng)過頻率跟蹤系統(tǒng)的單相接地故障狀態(tài)識別后，判斷之間沒有相應(yīng)的交集，這樣能夠?qū)⑾到y(tǒng)的狀態(tài)準(zhǔn)確地判斷出來。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以某變電站為例，通過其人工接地故障的試驗數(shù)據(jù)來進行頻率跟蹤。線路采用的電纜是YJV22-3×300交聯(lián)聚乙烯電力電纜，單位長度與參數(shù)見表2。各出線電纜長度見表3。

表2 YJV22-3×300交聯(lián)聚乙烯電纜線路單位參數(shù)

表3 出線電纜長度與對地電容電流

在一段母線上通過對金屬性接地、弧光接地等不同接地方式進行模擬。試驗表明，在系統(tǒng)接地故障消失以后，系統(tǒng)中的零序電壓產(chǎn)生了一定的變化，逐漸減小。再結(jié)合控制裝置中的記錄數(shù)據(jù)來分析后發(fā)現(xiàn)，此時晶閘管的角度變?yōu)?11.1°，并且系統(tǒng)中的電容與消弧線圈兩者之間呈現(xiàn)出串聯(lián)諧振的狀態(tài)，并且故障點的電壓有最低的恢復(fù)速度。在啟動頻率跟蹤判斷以后，改變了晶閘體管的觸發(fā)延遲角，讓其變?yōu)?49.0°，零序電壓頻率也相應(yīng)地變?yōu)?9.5 Hz，與接地故障狀態(tài)下消失的頻率跟蹤判斷相同，說明單相接地故障得到了有效消除。晶閘管出現(xiàn)延遲角變化，使得串聯(lián)諧振現(xiàn)象不能發(fā)生。除此之外，在脫諧度的變化下，零序電壓也隨之發(fā)生了相應(yīng)的改變，并且其恢復(fù)速度逐漸降低。在零序電壓降低到一定的范圍時，便可以停止相應(yīng)的觸發(fā)，系統(tǒng)將恢復(fù)正常的運行狀態(tài)[5]。這些試驗充分說明了基于頻率跟蹤的系統(tǒng)單相接地故障狀態(tài)識別方法是有效的，這種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高漏式抗消弧線圈中。

5 結(jié)語

針對配電網(wǎng)單相接地故障問題，對配電網(wǎng)中高漏抗式消弧線圈的應(yīng)用進行了分析，并提出一種利用頻率的診斷方式。通過這種方式，能夠有效識別出系統(tǒng)接地時零序電壓的變化。在接地消失后，能夠有效防止系統(tǒng)中產(chǎn)生串聯(lián)諧振。此外，增大脫諧度的作用下，將接地故障時電容產(chǎn)生的殘流降低到最小，并且能夠使電壓以緩慢的速度恢復(fù)，在一定程度上避免了電弧重新燃燒的情況，這對于提升配電網(wǎng)的安全運行有著十分重要的作用。