消弧線圈在35 kV電網(wǎng)中的運(yùn)行方式

趙啟兵，袁建州，劉渝根

（1.鶴壁供電公司，河南省鶴壁市，458000；2.河南省電機(jī)工程學(xué)會(huì)，鄭州市，450004；3.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶市，400044）

0 引言

35 kV電網(wǎng)在我國(guó)城市近郊電網(wǎng)及農(nóng)網(wǎng)中占較大比重，受地理?xiàng)l件限制，其線路一般不進(jìn)行換位處理（或換位不充分），造成三相對(duì)地電容不對(duì)稱，從而使電網(wǎng)三相電壓不平衡。若按正常補(bǔ)償度整定消弧線圈，三相電壓不平衡度可能加劇，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)無法正常運(yùn)行。增大消弧線圈補(bǔ)償度，雖然可改善電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)三相電壓不平衡度，但雷擊引起線路單相接地時(shí)，因消弧線圈補(bǔ)償度過大，使接地點(diǎn)工頻電弧不易熄滅，消弧線圈不能有效發(fā)揮熄滅電弧的作用，線路雷擊跳閘率無法降低。本文提出了一種新型的適用于山區(qū)35 kV電網(wǎng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式，既能保證電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)三相電壓平衡，又能充分發(fā)揮消弧線圈熄滅線路單相接地工頻續(xù)流電弧，從而起到消除單相接地故障的作用。

1 35 kV電網(wǎng)運(yùn)行中存在的問題

35 kV線路若不進(jìn)行換位，往往存在三相對(duì)地電容不對(duì)稱問題[1]，當(dāng)線路總長(zhǎng)超過100 km時(shí)，電容不對(duì)稱情況更為顯著。表1為重慶電力公司35 kV麒麟壩變電站總長(zhǎng)120 km線路的單相接地電容電流實(shí)測(cè)結(jié)果[2]，表2為該線路三相對(duì)地電容的計(jì)算值。表1中ISA、ISB、ISC為A、B、C相單相接地電容電流，表2中CA、CB、CC分別為A、B、C三相對(duì)地電容。

表1 單相接地電容電流實(shí)測(cè)值Tab.1 Measured value of single-phase grounding capacitive current

表2 三相對(duì)地電容計(jì)算值Tab.2 Calculated value of three-phase grounding capacity

經(jīng)計(jì)算得到電網(wǎng)中性點(diǎn)采用絕緣運(yùn)行方式時(shí)的三相電壓值，如表3所示，其中UA、UB、UC分別為三相電壓。由表3可知，當(dāng)電網(wǎng)中性點(diǎn)采用絕緣運(yùn)行方式時(shí)，三相電壓最大不平衡度約為4.5%，符合電網(wǎng)正常運(yùn)行要求。

電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（以消弧線圈XDJ-550/35為例）接地運(yùn)行方式時(shí)，計(jì)算電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)消弧線圈不同檔位（即不同補(bǔ)償度）下的中性點(diǎn)位移電壓及三相電壓，結(jié)果如表4所示。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈不同檔位（即不同補(bǔ)償度）下的中性點(diǎn)位移電壓及三相電壓不平衡度為5%～96%。

表3 中性點(diǎn)采用絕緣運(yùn)行方式時(shí)電網(wǎng)的三相電壓值Tab.3 Value of three-phase voltage underr insulation operation of neutral pointt

表4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)中性點(diǎn)位移電壓及三相電壓不平衡度Tab.4 Calculation results after compensation of suppressing coil

電網(wǎng)單相接地時(shí)，投入消弧線圈（以XDJ-550/35為例），計(jì)算消弧線圈不同檔位（即采用不同補(bǔ)償度）下的接地電弧電流，結(jié)果如表5所示。

表5 消弧線圈補(bǔ)償單相接地電容電流Tab.5 Value of single-phase grounding capacitive current after compensation of suppressing coil

整定消弧線圈必須同時(shí)兼顧3個(gè)原則：（1）合適的補(bǔ)償度，一般為5%～10%；（2）對(duì)于35 kV系統(tǒng)，經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后的單相接地電流即殘流應(yīng)控制為3～10 A；（3）系統(tǒng)帶消弧線圈正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓小于中性點(diǎn)位移電壓的15%，考慮到三相電壓的平衡，小于中性點(diǎn)位移電壓的5%為宜[2]。當(dāng)電網(wǎng)在帶消弧線圈運(yùn)行時(shí)，從兼顧電網(wǎng)三相電壓平衡和中性點(diǎn)位移電壓整定原則考慮，消弧線圈補(bǔ)償檔位應(yīng)選Ⅳ－Ⅸ檔（表4）。而從消弧線圈補(bǔ)償單相接地電流整定原則考慮，消弧線圈應(yīng)選Ⅰ檔位或Ⅱ檔位（表5）。

由此可見，山區(qū)35 kV電網(wǎng)由于三相對(duì)地電容不對(duì)稱，消弧線圈的整定幾乎不能兼顧正常運(yùn)行時(shí)三相電壓的平衡和單相接地時(shí)消弧線圈的消弧作用，這樣就給電網(wǎng)的正常運(yùn)行和降低線路雷擊跳閘率帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。

2 新型的中性點(diǎn)運(yùn)行方式

在大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中暫態(tài)過程數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過對(duì)中性點(diǎn)新型運(yùn)行方式下可能出現(xiàn)的過電壓和沖擊電流水平以及可行性的研究，提出了一種適于山區(qū)35 kV電網(wǎng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式利用中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式下電網(wǎng)三相電壓不平衡度最小的特點(diǎn)，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)采用中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式，保證三相電壓的平衡；當(dāng)電網(wǎng)因雷擊引起線路單相接地時(shí)，通過對(duì)電網(wǎng)三相電壓和中性點(diǎn)電壓等參數(shù)的檢測(cè)，利用自動(dòng)投切裝置快速投入已經(jīng)正常整定的消弧線圈，消弧線圈的投入將迅速熄滅單相接地短路電流電弧，從而消除單相接地故障；在檢測(cè)到單相接地故障已經(jīng)消除后，利用自動(dòng)投切裝置退出消弧線圈將電網(wǎng)恢復(fù)到正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式。該運(yùn)行方式既能保證電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)三相電壓平衡，又能充分發(fā)揮消弧線圈有效熄滅單相接地電弧消除單相接地故障的作用，從而提高了山區(qū)35 kV電網(wǎng)運(yùn)行水平和防雷水平，降低線路雷擊跳閘率，減少電網(wǎng)停電事故。消弧線圈自動(dòng)投切裝置原理如圖1所示。

3 新型中性點(diǎn)運(yùn)行方式下的暫態(tài)過程計(jì)算

3.1 投切消弧線圈暫態(tài)過程計(jì)算

新型的中性點(diǎn)運(yùn)行方式數(shù)值模擬計(jì)算等值圖如圖2所示。圖中：RS為電源內(nèi)電阻；LS為電源內(nèi)電抗；L為消弧線圈的調(diào)諧電感；CA、CB、CC分別為電網(wǎng)各相對(duì)應(yīng)的對(duì)地電容；K為單相接地短路點(diǎn)；S為消弧線圈的投切開關(guān)[3-4]。

電網(wǎng)A相在10 ms時(shí)刻燃弧，30 ms時(shí)刻重燃，并在重燃后投入消弧線圈。圖3為模擬故障點(diǎn)2次燃熄弧[5]后投入消弧線圈故障相、健全相和中性點(diǎn)上的電壓。圖4為消弧線圈沖擊電流，35 ms時(shí)刻為電流最大值時(shí)刻。

由圖3、4可得：消弧線圈投入后，故障相、非故障相、中性點(diǎn)過電壓均被有效抑制，電壓恢復(fù)正常。

電網(wǎng)在2.00 s時(shí)刻退出消弧線圈，經(jīng)計(jì)算得到消弧線圈退出時(shí)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓曲線如圖5所示。由圖5可得：退出消弧線圈時(shí)三相電壓和中性點(diǎn)最大電壓值分別為1.30 pu（1 pu=35×√2/3 kV）和0.30 pu，均在暫態(tài)過程電壓允許范圍。

3.2 單相短路暫態(tài)過程計(jì)算

不同相單相短路對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)過電壓最大值和消弧線圈電流的最大值如表6所示。

表6 單相短路時(shí)的過電壓值和沖擊電流值Tab.6 Values of over-voltage and impulse current in single-phase short circuit

新型中性點(diǎn)運(yùn)行方式下消弧線圈的投入和切除會(huì)引起電網(wǎng)電磁振蕩，考慮了諸多影響因素的大量數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，暫態(tài)過程中并不會(huì)引起超過中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行或經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行的35 kV電網(wǎng)中的過電壓和過電流。

4 結(jié)論

（1）提出了一種適用于山區(qū)35 kV電網(wǎng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式，即電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)采用中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式，保證電網(wǎng)三相電壓的平衡，在電網(wǎng)因雷擊發(fā)生單相接地故障后投入消弧線圈，充分消弧線圈熄滅單相接地故障的作用，接地故障消除后退出消弧線圈恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式。

（2）新型中性點(diǎn)運(yùn)行方式的暫態(tài)過程中可能出現(xiàn)的故障相、健全相和中性點(diǎn)電壓最大值分別不超過2.60、2.89 pu和2.10 pu，電網(wǎng)過電壓水平均在電網(wǎng)絕緣配合的允許范圍內(nèi)。

（3）消弧線圈在整個(gè)暫態(tài)過程中可能承受的過電壓最大值和過電流最大值分別為2.10 pu和27.4 A，因此可以利用負(fù)荷開關(guān)配以自動(dòng)操作裝置完成投入和退出操作。

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