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0 引 言

由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)具有單相接地故障時(shí)非故障相可以不中斷向用戶供電的特點(diǎn)，因此中國6～10 kV系統(tǒng)大多都采用了這種運(yùn)行方式。但是這種方式下容易產(chǎn)生間隙性弧光接地過電壓，使原本的單相接地故障進(jìn)一步發(fā)展為相間短路或多點(diǎn)重復(fù)性接地故障，從而威脅電網(wǎng)安全[1-3]。為了減少單相接地時(shí)產(chǎn)生的電容性電流，中國在大范圍內(nèi)應(yīng)用了消弧線圈技術(shù)，將它接入站用接地變壓器的中性點(diǎn)，從而在接地點(diǎn)的接地弧道中補(bǔ)充電感性電流，實(shí)現(xiàn)抵消經(jīng)健全相流入短路點(diǎn)的電容性電流的目的，可顯著減小接地電流，實(shí)現(xiàn)快速熄弧的目的[4-8]。

目前大量變電站中的10 kV部分都采用了預(yù)調(diào)式消弧線圈調(diào)諧裝置，在系統(tǒng)發(fā)生接地故障前計(jì)算故障時(shí)的電容電流，并將消弧線圈調(diào)整到匹配的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障可快速補(bǔ)充電感電流[9-12]。下面以現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以兩款主流國產(chǎn)消弧線圈調(diào)諧裝置(分別稱為裝置1和裝置2)為例，針對變電運(yùn)行人員在電容電流的計(jì)算和測量、消弧線圈裝置并列運(yùn)行以及現(xiàn)場調(diào)試中的常見問題進(jìn)行了研究，介紹了不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)電容電流的算法以及消弧線圈的現(xiàn)場調(diào)試方法。

1 電容電流的計(jì)算方法

1.1 電容電流的基本計(jì)算

變壓器的10 kV側(cè)通常采用的接線方式為三角形接線，雖然沒有可見的物理中性點(diǎn)，但是在電氣上是存在中性點(diǎn)O的。為了實(shí)現(xiàn)消弧線圈在中性點(diǎn)的接入，必須引出一個(gè)中性點(diǎn)，其方法是在10 kV母線上接入一臺采用Z型接線方式的接地變壓器。該方法特點(diǎn)是零序電抗小，不會對零序電流產(chǎn)生扼流效應(yīng)。在引出的中性點(diǎn)中接入消弧線圈后，消弧線圈提供的感性補(bǔ)償電流可在其中自由地流通。在中性點(diǎn)接入消弧線圈后，正常運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)如圖1所示[13-14]。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

圖2 正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)

1)依據(jù)基爾霍夫電流定理，流出中性點(diǎn)的電流和為0可得：

可得中性點(diǎn)電壓

(2)

2)通過戴維南等效電路與諾頓等效電路的轉(zhuǎn)化可知，中性點(diǎn)O對地電壓為

(3)

式中：α=ej120°，1+α2+α=0；YA、YB、YC分別為三相對地導(dǎo)納。當(dāng)三相對地電容相等即CA=CB=CC時(shí)中，性點(diǎn)電壓為0。而當(dāng)配電網(wǎng)不平衡時(shí)即CA≠CB≠CC，會產(chǎn)生不平衡電壓UOO′≠0。由于不平衡電壓的存在，在中性點(diǎn)接入消弧線圈以后會在CA、CB、CC和消弧線圈L上產(chǎn)生電流。

正常運(yùn)行時(shí)消弧線圈的等效電路如圖3所示。

圖中：U0=UOO′，為系統(tǒng)不平衡電壓，它具有零序電壓的性質(zhì)；Un為中性點(diǎn)位移電壓；UR為阻尼電阻分壓；L為消弧線圈等效電感；R為阻尼電阻；C=CA+CB+CC為系統(tǒng)等效對地電容；I0為系統(tǒng)的不平衡電流。

(4)

則母線中性點(diǎn)的零序電壓為

(5)

(6)

圖4 A相接地時(shí)電容電流分布

圖5 A相接地時(shí)的向量關(guān)系

從式(1)至式(6)中可以看出，分析補(bǔ)償電網(wǎng)單相接地時(shí)可用一個(gè)如圖6所示的并聯(lián)諧振電路來等效，此時(shí)的電源電動勢為相電壓。

圖6 補(bǔ)償電網(wǎng)單相接地等效電路

1.2 電容電流測量方法

消弧線圈的自動調(diào)諧是按電網(wǎng)電容的變比來調(diào)整消弧線圈的接入電感值，使其產(chǎn)生的電感電流能夠有效抵消故障相的電容電流。一般是在單相故障發(fā)生前，也就是在正常運(yùn)行狀態(tài)下預(yù)先調(diào)節(jié)消弧線圈電感使其達(dá)到串聯(lián)諧振擋位，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)最大限度地補(bǔ)償電容電流。思路是在系統(tǒng)發(fā)生故障前采集中性點(diǎn)的位移電壓、中性點(diǎn)電流和消弧線圈的電感值，以此計(jì)算出系統(tǒng)的對地容抗，并通過單相接地故障的等效回路計(jì)算此時(shí)的電容電流[15-17]。

電容電流：

(7)

電感電流：

(8)

式中：Uφ為相電壓；C為系統(tǒng)電容；L為消弧線圈電感。

裝置1各擋位與對應(yīng)電抗如表1所示，據(jù)此可以計(jì)算每擋電感電流。

表1 裝置1各擋位與對應(yīng)電抗

(9)

在計(jì)算系統(tǒng)電容時(shí)采用幅值相位法，具體方法為調(diào)整消弧線圈擋位，根據(jù)位移電壓或電流的變化找出諧振點(diǎn)，用諧振點(diǎn)兩側(cè)擋位的中性點(diǎn)電流以及它們之間的相位差，根據(jù)阻抗三角形計(jì)算電容電流，如圖7所示。此方法考慮了中性點(diǎn)電阻的影響，測量精度比裝置中可供選擇的外加非工頻信號法和幅值計(jì)算法要高。

圖7 阻抗三角形

(10)

(11)

式中：Z1和Z2分別為在兩個(gè)擋位下系統(tǒng)的總阻抗；L1和L2分別為在兩個(gè)擋位下裝置的電抗值；I01和I02分別為在兩個(gè)擋位下系統(tǒng)的不平衡電流。

裝置2擋位與對應(yīng)電感電流如表2所示，據(jù)此可以計(jì)算每檔電抗。

表2 裝置2擋位與對應(yīng)電感電流

(12)

(13)

(14)

但在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)可能出現(xiàn)一種情況：由于系統(tǒng)線路比較對稱,導(dǎo)致測得的中性點(diǎn)電壓很小,無法準(zhǔn)確計(jì)算電容電流。為了能滿足裝置計(jì)算需求，往往要人為將Z型接地變壓器的擋位調(diào)偏(例如B相的擋位與A、C相不同)，以提高中性點(diǎn)處的不平衡電壓,使調(diào)諧裝置可以計(jì)算電容電流。

2 并列消弧線圈的計(jì)算方法

當(dāng)幾個(gè)獨(dú)立的消弧線圈系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，母聯(lián)開關(guān)合上時(shí)，如果兩套消弧線圈裝置無法判斷并列狀態(tài)，則兩套裝置將會不斷調(diào)擋而達(dá)不到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。為了避免多套消弧線圈控制裝置并列運(yùn)行時(shí)影響彼此計(jì)算結(jié)果和調(diào)擋的正確性，消弧線圈裝置均采用一套裝置定擋另一套裝置調(diào)擋的運(yùn)行策略[18-20]。以圖8所示的裝置為例，按照主機(jī)定擋運(yùn)行、從機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)擋原則，采用兩點(diǎn)法對電容電流進(jìn)行如下計(jì)算。

圖8 兩套消弧裝置并列運(yùn)行等效電路

(15)

(16)

(17)

3 消弧線圈調(diào)試方法

按照圖9所示的等效模型圖進(jìn)行圖10所示的現(xiàn)場接線，完成自動調(diào)諧消弧線圈的現(xiàn)場調(diào)試[21]。

以裝置1為例，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，隨著擋位增大，消弧線圈電感減小、電感電流增大，并逐一進(jìn)行相關(guān)調(diào)試項(xiàng)目。

圖9 試驗(yàn)等效電路

圖10 試驗(yàn)接線

表3 裝置1參數(shù)計(jì)算表

1)自動調(diào)擋試驗(yàn)：校驗(yàn)電容電流計(jì)算的準(zhǔn)確性及自動調(diào)擋的準(zhǔn)確性。接入電容為32 μF，電源為12 V，此時(shí)電容電流為Ic=UφωC1=60.94 A，為滿足殘流為1～10 A的過補(bǔ)償狀態(tài)，查詢表3的補(bǔ)償電流的計(jì)算值可見3擋和4擋滿足要求，而此時(shí)裝置顯示消弧線圈停留在3擋，說明該裝置自動調(diào)擋試驗(yàn)結(jié)果正確。

2)自動跟蹤調(diào)諧試驗(yàn)：減小電容，模擬切除故障線路后系統(tǒng)電容改變，以校驗(yàn)系統(tǒng)電容發(fā)生變化時(shí)，電容電流計(jì)算的準(zhǔn)確性和自動調(diào)擋的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中保持電源電壓不變，減小電容至24 μF，此時(shí)電容電流為Ic=UφωC2=45.70 A，裝置自動調(diào)至1擋，說明該裝置自動跟蹤調(diào)諧試驗(yàn)結(jié)果正確。

3)手動調(diào)擋試驗(yàn)：從1擋至最高擋進(jìn)行手動調(diào)檔，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，從變化趨勢和滿足公式兩方面分析中性點(diǎn)電流和中性點(diǎn)位移電壓的準(zhǔn)確性。

由于中性點(diǎn)電流：

(18)

隨著擋位增大，消弧線圈電感減小，中性點(diǎn)電流和中性點(diǎn)位移電壓應(yīng)滿足先增后減的變化規(guī)律，并在諧振點(diǎn)時(shí)幅值達(dá)到最大。

4 結(jié) 論

通過上面的分析，可以得出在變電站現(xiàn)場進(jìn)行消弧線圈計(jì)算和調(diào)試時(shí)的一些實(shí)用結(jié)論：

1)在單相接地故障發(fā)生前，10 kV系統(tǒng)不接地電網(wǎng)接入消弧線圈后，消弧線圈與線路對地電容以及阻尼電阻可等效為RLC串聯(lián)回路；單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)等效為LC并聯(lián)回路。在正常運(yùn)行時(shí)滿足諧振條件的電感值能在故障時(shí)獲得最佳補(bǔ)償效果。

2)分析了不同運(yùn)行方式下，系統(tǒng)電容電流的計(jì)算方法，裝置2在計(jì)算電容電流時(shí)采用幅值相位法，兩套消弧線圈裝置并列運(yùn)行時(shí)，從機(jī)定擋運(yùn)行主機(jī)可調(diào)擋；而裝置1采用實(shí)時(shí)計(jì)算法(兩點(diǎn)法)，主機(jī)定擋運(yùn)行從機(jī)可調(diào)擋，此時(shí)主機(jī)顯示的電流約等于系統(tǒng)電容電流減去從機(jī)顯示的電感電流。

3)總結(jié)了消弧線圈自動控制裝置的現(xiàn)場調(diào)試方法，在調(diào)試過程中，應(yīng)分別針對消弧線圈裝置的自動調(diào)擋功能和自動跟蹤調(diào)諧進(jìn)行試驗(yàn)，并通過記錄手動調(diào)擋數(shù)據(jù)確定裝置的正常運(yùn)行。而針對當(dāng)中性點(diǎn)不平衡電壓很低時(shí)電容電流的計(jì)算問題，還需要開展更加深入的研究。