王曉蕾

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

35 kV消弧線圈的容量選擇與計(jì)算

王曉蕾

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

針對(duì)35 kV配電系統(tǒng)大量使用電纜出線造成的接地電容電流大幅增加問(wèn)題，采用消弧線圈接地，消弧線圈產(chǎn)生感性電流補(bǔ)償接地點(diǎn)的電容電流，減小接地電流，降低故障相電壓恢復(fù)速度，使接地點(diǎn)電弧自動(dòng)熄滅.結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算35 kV單相接地電容電流，為合理選擇消弧線圈容量提供了參考.

消弧線圈; 電容電流; 容量選擇

隨著石油化工建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，110 kV變電所的增多，35 kV配電系統(tǒng)的安全性、可靠性越來(lái)越重要.中性點(diǎn)接地方式的選擇是直接影響這兩個(gè)指標(biāo)的重要因素.35 kV配電系統(tǒng)的電纜出線數(shù)較多，且配電線路較長(zhǎng).電纜線路的大量使用使得配電網(wǎng)單相接地電容電流大幅度增加.當(dāng)35 kV系統(tǒng)單相接地電容電流大于10 A時(shí)，電弧有可能不自行熄滅，并極易發(fā)展為相間短路故障，且單相接地為間歇性弧光時(shí)，會(huì)引起幅值很高的弧光過(guò)電壓，很容易擊穿系統(tǒng)內(nèi)絕緣較薄弱的設(shè)備，引發(fā)嚴(yán)重的事故.采用消弧線圈接地時(shí)，消弧線圈產(chǎn)生的感性電流補(bǔ)償了接地點(diǎn)的電容電流，降低了故障相電壓恢復(fù)速度，使接地點(diǎn)電弧自動(dòng)熄滅.因此，必須正確計(jì)算系統(tǒng)的電容電流值.計(jì)算單相接地故障的電容電流時(shí)，選擇合理消弧線圈容量是關(guān)鍵[1].本文擬介紹消弧線圈的基本工作原理，以某石化項(xiàng)目為例，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算35 kV系統(tǒng)的電容電流，確定消弧線圈容量.

1 消弧線圈的工作原理和補(bǔ)償方式

1.1 消弧線圈的工作原理

消弧線圈是一個(gè)具有鐵芯的電感線圈.其電阻很小，電抗很大.線圈具有抽頭.其電抗值可通過(guò)改變線圈的匝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié).鐵芯具有較大的空氣歇，使電抗值穩(wěn)定，從而使電壓與電流成正比[2].

在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，消弧線圈中沒(méi)有電流.圖1所示，單相(如W相)發(fā)生接地故障時(shí)，接地點(diǎn)對(duì)地電壓為零，中性點(diǎn)對(duì)地電壓上升為相電壓，非故障相對(duì)地電壓上升為線電壓，網(wǎng)絡(luò)的線電壓不變.這與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相似，此時(shí)，消弧線圈在中性點(diǎn)電壓的作用下，有電感電流IL通過(guò).該電流通過(guò)接地點(diǎn)形成回路，與單相接地的接地電容電流IC方向相反(圖2)，在接地處相互抵消.這被稱為電感電流對(duì)接地電流的補(bǔ)償.如果適當(dāng)選取消弧線圈的匝數(shù)，使流過(guò)接地點(diǎn)的電感電流恰好等于電容電流，那么接地點(diǎn)的電流會(huì)變得很小或等于零，使故障相恢復(fù)電壓速度減小，接地點(diǎn)電弧自動(dòng)熄滅，可消滅間歇性電弧的產(chǎn)生，從而使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常.

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電路圖

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的向量圖

1.2 消弧線圈的補(bǔ)償方式

消弧線圈的脫諧度V表征偏離諧振狀態(tài)的程度，可以用來(lái)描述消弧線圈的補(bǔ)償程度[2].

V=(IC-IL)/IC×100%

式中：IC——對(duì)地電容電流，A；IL——消弧線圈電感電流，A.

消弧線圈的工作狀態(tài)即電感電流對(duì)接地電流的補(bǔ)償程度，一般有3種：全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償.

1.2.1 全補(bǔ)償

全補(bǔ)償狀態(tài)指電容電流與電感電流大小相等，方向相反，即V=0，IL=IC，接地處電流為零.現(xiàn)實(shí)中并不采用這種方式，因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電壓不可能完全對(duì)稱，致使在未發(fā)生接地故障情況下，中性點(diǎn)對(duì)地之間出現(xiàn)了一定的電壓(稱為中性點(diǎn)的位移電壓).此電壓將引起串聯(lián)諧振過(guò)電壓，危及電網(wǎng)設(shè)備的絕緣.

1.2.2 欠補(bǔ)償

欠補(bǔ)償狀態(tài)指電感電流小于電容電流，即V>0，IL

1.2.3 過(guò)補(bǔ)償

過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)指電感電流大于電容電流，即V<0，IL>IC，單相接地處有感性電流流過(guò).過(guò)補(bǔ)償既能消除接地處的電弧，又不會(huì)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓.這是因?yàn)橥ｋ姍z修部分線路或系統(tǒng)頻率降低，使接地電流IC減小，IL>>IC，遠(yuǎn)離產(chǎn)生諧振的條件.即使電網(wǎng)發(fā)展使電容電流增大，由于消弧線圈有一定的裕度，也有IL>IC，不會(huì)產(chǎn)生諧振，可以繼續(xù)使用一段時(shí)間，故過(guò)補(bǔ)償在電網(wǎng)中被廣泛使用.

消弧線圈接地系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間電壓位移不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓的15%[3].消弧線圈宜采用過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式.

2 消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置

在電容電流變化較大的場(chǎng)所，采用自動(dòng)跟蹤動(dòng)態(tài)補(bǔ)償式消弧線圈可以補(bǔ)償電容電流，使其殘留很少，瞬時(shí)性接地故障自動(dòng)消除而不影響供電[4].

2.1 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)南【€圈

(1)預(yù)調(diào)式.系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈預(yù)先調(diào)節(jié)，等候在補(bǔ)償位置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈零延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償.預(yù)調(diào)式一次設(shè)備的電子元器件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，故障發(fā)生時(shí)補(bǔ)償不依賴于二次電源.調(diào)匝式消弧線圈即為預(yù)調(diào)式自動(dòng)補(bǔ)償?shù)南【€圈.

(2)隨調(diào)式.系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈遠(yuǎn)離補(bǔ)償位置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)自動(dòng)將消弧線圈調(diào)節(jié)到補(bǔ)償位置.它至少需要60 ms，速度較慢，且一次設(shè)備的電子元器件較多，影響可靠性，故障發(fā)生時(shí)補(bǔ)償要依賴于二次電源.直流偏磁式消弧線圈、調(diào)容式消弧線圈即為隨調(diào)式自動(dòng)補(bǔ)償?shù)南【€圈.

2.2 自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線，系統(tǒng)圈改變電感的方式

2.2.1 調(diào)匝式

調(diào)匝式消弧線圈是在消弧線圈上設(shè)有多個(gè)分接頭，采用有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電抗器的抽頭以改變電感值.電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量流過(guò)消弧線圈電流的幅值，計(jì)算出電網(wǎng)當(dāng)前的對(duì)地電容電流，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的最小殘流值，通過(guò)控制器將有載調(diào)壓分接頭調(diào)到需要的補(bǔ)償檔位.當(dāng)發(fā)生接地故障后，補(bǔ)償接地時(shí)電容電流，使故障點(diǎn)的殘流限制在設(shè)定的范圍內(nèi).

調(diào)匝式消弧線圈的主要特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，噪聲低，能夠自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)運(yùn)行，接地補(bǔ)償時(shí)間可做到零秒響應(yīng).它以內(nèi)嵌式工控機(jī)作為核心，功能強(qiáng)大，可靠性高.目前我國(guó)電力系統(tǒng)中運(yùn)行的具有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧裝置大部分采用調(diào)匝式消弧線圈.

2.2.2 調(diào)容式

調(diào)容式消弧線圈在繞組的二次側(cè)并聯(lián)若干組采用真空開(kāi)關(guān)或晶閘管通斷的電容器，用來(lái)調(diào)節(jié)二次側(cè)電容的容抗值，以滿足減小一次側(cè)電感電流的要求.其電容值的大小及組數(shù)有多種排列組合，以滿足電容調(diào)節(jié)范圍和精度的要求.但是，調(diào)容式消弧線圈不能連續(xù)調(diào)節(jié).

2.2.3 調(diào)氣隙式

調(diào)氣隙式消弧線圈的電抗器鐵芯由靜止芯和動(dòng)芯組成.鐵芯下半部分同線圈一起固定在框架上；上半部分鐵芯(用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu))可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙大小達(dá)到改變電抗器電抗值的目的.

2.2.4 直流偏磁式

直流偏磁式消弧線圈的交流工作線圈內(nèi)布置了一個(gè)鐵芯磁化段，通過(guò)改變鐵芯磁化段磁路上直流助磁通的大小來(lái)調(diào)節(jié)鐵芯的磁飽和程度，從而實(shí)現(xiàn)電感的連續(xù)可調(diào).

3 消弧線圈的容量選擇及計(jì)算

3.1 電容電流計(jì)算方法

計(jì)算單相接地故障時(shí)電容電流IC是合理選擇消弧線圈容量的關(guān)鍵.電網(wǎng)中的單相接地電容電流由電力線路和電力設(shè)備(如同步發(fā)電機(jī)、大容量同步電動(dòng)機(jī)及變壓器等)兩部分的電容電流組成[2]，即：

IC=IC′+IC″

(1)

式中：IC′——電力線路接地電容電流，A；

IC″——電力設(shè)備接地電容電流，A.

(1)電力線路的單相接地電容電流為：

(2)

式中: Up——額定線電壓，kV；

ω=2πf，f為50Hz；

C——單位長(zhǎng)度電力線路的對(duì)地電容.

(2)電力設(shè)備接地電容電流估算公式為：

IC″=αIC′

(3)

式中，α——變電所附加的接地電容電流比例(表1)[1].

表1 變電所附加的接地電容電流比例

3.2 實(shí)際應(yīng)用

某石化項(xiàng)目新建一座110 kV的全廠總變電站(以下稱總變)，總變向各區(qū)域變電所和大電機(jī)供電.建設(shè)最終規(guī)模為4臺(tái)90 MVA變壓器，首期建設(shè)2臺(tái)90 MVA自冷有載調(diào)壓電力變壓器.電壓比為110 kV/35 kV.110 kV系統(tǒng)和35 kV系統(tǒng)均采用雙母線方式，110 kV出線回路為2回，35 kV出線回路為16回(其中2回為備用).由于35 kV供電回路較多，考慮到各區(qū)域變電所的供電回路皆為電纜回路，并且供電線路較長(zhǎng)，單相接地電容電流可能會(huì)急劇增加.

這里以35 kV的I、II段母線電容電流計(jì)算為例，選擇消弧線圈的容量[4].

(1)電力線路接地電容電流計(jì)算如下：

根據(jù)廠家樣本查閱的交聯(lián)聚乙烯電纜單位長(zhǎng)度電容量：

ZRA-YJV-26/35-3×150的線路電容為0.153 mF/km;ZRA-YJV-26/35-3×185的線路電容為0.163 mF/km;ZRA-YJV-26/35-3×95的線路電容為0.135 mF/km.

Ⅰ、Ⅱ段母線電纜規(guī)格及長(zhǎng)度如表2所示.

表2 Ⅰ、Ⅱ段母線電纜規(guī)格及長(zhǎng)度

以ZAR-YJV-26/35-3×150為例，電纜長(zhǎng)度為0.7 km.

電力線路接地電容電流為：

IC′=IC l′×L=2.91(A)

式中：IC l′——單位長(zhǎng)度電力線路接地電容電流，A;

L——電纜長(zhǎng)度，km.

經(jīng)過(guò)計(jì)算，35 kW系統(tǒng)Ⅰ段電力線路接地電容電流為25.91 A，Ⅱ段電力線路接地電容電流為26.57 A.

(2)變電站附加的接地電容電流值為13%，且主變?nèi)萘肯嗤?

Ⅰ段：IC=IC′+IC″=25.91+25.91×0.13=29.27(A)

Ⅱ段：IC=IC′+IC″=26.57+26.57×0.13=30.02(A)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，總變電站Ⅰ段總電容電流為29.27 A,Ⅱ段總電容電流為30.02 A.二者均大于規(guī)范中35 kV系統(tǒng)允許電容電流上限值10 A，需投入消弧線圈補(bǔ)償.對(duì)于35 kV系統(tǒng)采用經(jīng)消弧線圈的接地方式.

(3)根據(jù)文獻(xiàn)[3]，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償功能的消弧裝置消弧部分的容量為：

(4)

式中，Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV.

Ⅰ段消弧線圈容量為：

WⅠ=1.35×28.9×35/1.732≈788.4(kVA)

Ⅱ段消弧線圈容量為：

WⅡ=1.35×30.02×35/1.732≈819.0(kVA)

考慮電力線路的綜合因素后，Ⅰ段、Ⅱ段各安裝一套消弧線圈，容量不小于1 000kVA.

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著配網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性要求的日益提高，35kV電纜線路的廣泛應(yīng)用，消弧線圈的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.

(2)通過(guò)計(jì)算某石油化工項(xiàng)目110kV總變電所的35kV單相接地故障電容電流，為消弧線圈容量的選擇提供了設(shè)計(jì)思路及方法.

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)(上、下冊(cè)) [M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[3] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[4] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).3kV～110kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S] . 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

Capacity Selection and Calculation of 35 kV Arc Suppression Coil

WANG Xiao-lei

(Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd,Beijing 100107, China)

In the 35 kV power distribution system, the cable outlet is adopted, and the large amount of cable makes the capacitive current of the system increase greatly. The arc suppression coil is adopted to ground, and the arc suppression coil generates inductive current to compensate the capacitive current of the grounding point, thus reducing the grounding current, reducing the recovery speed of the fault phase voltage and automatically extinguishing the grounding arc. Therefore, the reasonable selection of arc suppression coil capacity is particularly important to the distribution system. In this paper, the capacitive current of 35 kV single-phase grounding is calculated with an engineering example, and the arc suppression coil capacity is rationally chosen.

arc suppression; coil capacitance current; capacity selection

2017-04-11

王曉蕾(1980-)，女，河南鄭州人，工程師，研究方向?yàn)槭突すこ痰墓┡潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì).

1006-3269(2017)02-0059-04

TM475

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.013