消弧線圈中阻尼電阻的選用對光伏系統(tǒng)不平衡度的影響

龍源格爾木光伏電站安全生產(chǎn)部 ■ 楊繼盛 曹有連 象征 陳艷明 奎明瑋

0 引言

通常，在中性點非直接接地的運行方式下，若電力電纜等容性負載較多，則發(fā)生單相間隙性接地時，接地點會產(chǎn)生較大的容性電流，從而引起電弧，造成弧光過電壓(約為2.7倍的額定相電壓)，過電壓使系統(tǒng)中絕緣薄弱的環(huán)節(jié)造成對地擊穿，進而發(fā)展成為相間短路，使事故擴大。所以在非直接接地系統(tǒng)中一般會采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，以消弧線圈的感性電流來補償接地點的容性電流，從而使電弧熄滅。我國電氣設(shè)備設(shè)計規(guī)范中明確規(guī)定35 kV電網(wǎng)中如果單相接地電容電流大于10 A或3～10 kV電網(wǎng)中接地電容電流大于30 A，都需要采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。

然而，消弧線圈補償是非常嚴謹?shù)模热缪b置中阻尼電阻選擇不合適，就會引起中性點位移電壓升高，進而使系統(tǒng)電壓的不平衡度加大，這種情況嚴重時會影響電網(wǎng)的正常運行。所以，準確的選用阻尼電阻至關(guān)重要。

1 術(shù)語和定義

1.1 感性負載及感性電流

1)感性負載：一般把帶有電感參數(shù)的負載稱為感性負載，比如線圈。

2)感性電流：在感性負載上通過的電流。文中特指在消弧線圈中通過的電流，用IL表示。

1.2 容性負載與容性電流

1)容性負載：一般把帶電容參數(shù)的負載，即符合電壓滯后電流特性的負載稱為容性負載，比如電容器。

2)容性電流：在容性負載上通過的電流。文中特指系統(tǒng)對地的電容電流，用IC表示。

1.3 消弧線圈

在系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時，故障點同時流過消弧線圈的電感電流和非接地相對地的電容電流，因為補償?shù)碾姼须娏骱碗娙蓦娏鞔笮〗葡嗟龋蚁辔幌嗖?80°，從而使接地點的電流接近于0，達到相互補償?shù)淖饔谩?/p>

1.4 脫諧度(V)

式中，IC為系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的電容電流；IL為消弧線圈補償?shù)碾姼须娏鳌?/p>

1.5 阻尼率δ

式中，R為阻尼電阻；ω為正弦波角頻率；L為消弧線圈的電感系數(shù)。

1.6 不平衡電壓(E0)

表示三相電壓之間在幅值上的差別，或相對正常電壓相位差存在相位偏移，亦或兩者兼而有之。

1.7 中性點位移電壓(U0)

三相交流系統(tǒng)中，實際的或等效的中性點與參考地之間的電位差。在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中：

式中，j表示復(fù)數(shù)的虛部。

2 消弧線圈補償原理及電容電流計算

2.1 消弧線圈補償原理

消弧線圈一般會設(shè)計很多檔位來滿足不同容抗值的電力網(wǎng)絡(luò)。首先它預(yù)先通過兩次自動調(diào)檔來計算系統(tǒng)容抗，再根據(jù)內(nèi)部換算計算出系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的電容電流，為了讓補償?shù)母辛?消弧線圈電流)與接地后的容流相等，消弧線圈將預(yù)調(diào)至與容抗值相等的感抗值所對應(yīng)的檔位，等待系統(tǒng)接地故障時進行補償。但由于感抗值(XL)與容抗值(XC)相等，滿足諧振發(fā)生的條件，所以在系統(tǒng)投入消弧線圈時，消弧線圈及其串聯(lián)電阻(即阻尼電阻)與對地電容在中性點不平衡電壓E0下形成串聯(lián)諧振回路，如圖1所示。

圖1 RLC串聯(lián)電路

2.2 系統(tǒng)容抗與電容電流計算

在圖1中，XL表示消弧線圈感抗；XC表示系統(tǒng)對地電容容抗；R表示阻尼電阻。設(shè)消弧線圈處于某一檔位時其感抗為XL1，與之對應(yīng)的電流與中性點位移電壓為I01、U01；消弧線圈改變檔位后感抗為XL2，與之對應(yīng)的電流與中性點位移電壓為I02、U02。

則有：

所以系統(tǒng)正常運行時的容抗值為：

則系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的電容電流為：

式(4)、(5)中，E0是中性點不平衡電壓，不隨消弧線圈感抗的變化而改變；式(6)中，Uφ為系統(tǒng)額定相電壓。

3 阻尼電阻對系統(tǒng)不平衡度的影響

三相對地電壓不平衡主要表現(xiàn)在系統(tǒng)中性點與大地電位不一致，即中性點發(fā)生位移。當系統(tǒng)中三相對地感抗或?qū)Φ厝菘谷我徊糠殖霈F(xiàn)不平衡，都會導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗不相等，從而使中性點發(fā)生位移。另外，消弧裝置為了便于計算系統(tǒng)容抗，有意設(shè)置接地變調(diào)偏開關(guān)，產(chǎn)生不平衡電壓。這些不平衡電壓將會讓消弧線圈及串聯(lián)電阻與系統(tǒng)對地電容間產(chǎn)生串聯(lián)諧振，如果阻尼電阻選擇不當，將會使諧振加劇，引起系統(tǒng)不平衡度加大。

那么，阻尼電阻到底與中性點位移電壓有什么關(guān)系呢？如圖1所示，當系統(tǒng)投入消弧線圈后系統(tǒng)會工作在諧振點，根據(jù)式(3)可知，脫諧度越大，則中性點位移電壓(U0)會越小，然而這樣接地點的無功電流會很大，不易滅弧。那么另一種減小U0的方法就是增大阻尼率(δ)，根據(jù)式(2)，在系統(tǒng)頻率及電感性質(zhì)一定的情況下只有加大電路中的阻尼電阻才能有效抑制諧振過電壓，從而有效控制中性點位移電壓(U0)，也就意味著使系統(tǒng)三相電壓對地的矢量和不會偏移很多，即三相接近平衡。

4 龍源格爾木光伏電站35 kV Ⅱ段母線電壓不平衡實際分析

龍源格爾木新能源開發(fā)有限公司光伏電站35 kVⅡ段母線接地方式為經(jīng)消弧線圈接地，如圖2所示。

圖2 龍源光伏電站35 kVⅡ段母線經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖

本裝置在消弧線圈的回路中串接大功率電阻，且在電阻兩段并聯(lián)晶閘管，在系統(tǒng)正常運行時阻尼電阻投入，有效地增大了LC回路的阻尼率，抑制了LC諧振過電壓的產(chǎn)生，使U0控制在電網(wǎng)允許的范圍內(nèi)(U0不超過系統(tǒng)標稱相電壓的15%，一般調(diào)至約5%)；同時也有效地控制了三相電壓的不平衡度。但當系統(tǒng)接地時，電阻兩端的電壓會隨補償電流的增大而增大，當達到一定值時使晶閘管導(dǎo)通，從而將阻尼電阻短接，這樣可使消弧線圈電流IL充分補償接地電容電流，使接地點的殘流很小或接近0，有利于熄滅電弧。

下面通過實例來分析阻尼電阻在抑制中性點電壓方面的作用。先將系統(tǒng)不投運消弧線圈及消弧線圈分別在1、2檔時的相關(guān)參數(shù)列舉見表1。

表1 消弧線圈不同運行狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)消弧線圈的補償標準，補償后的殘流應(yīng)該小于5 A，脫諧度應(yīng)小于10%。在1檔時，殘流基本符合標準，但脫諧度為20.6%，超過標準。而在2檔時，殘流與脫諧度都滿足要求，且容抗(實時參數(shù))與感抗(基準參數(shù))值基本相等，屬于完全補償，LC基本在諧振點工作，符合消弧線圈的最佳補償狀態(tài)；但是位移電壓偏高，造成系統(tǒng)不平衡率達到5.99%，而我國目前執(zhí)行的GB/T 15543-1995《三相電壓允許不平衡度》規(guī)定了電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，同時規(guī)定了短時的不平衡度不得超過4%，所以明顯超過了國家規(guī)定的標準。

鑒于這種情況，電站檢修人員對消弧線圈做了針對性的檢查，最后發(fā)現(xiàn)阻尼電阻只投入30 Ω，后按照廠家說明書正確投入80 Ω后，有效抑制了中性點位移電壓高的現(xiàn)象，從而有效控制了系統(tǒng)電壓不平衡度。改變阻尼電阻以后的參數(shù)列舉見表2。

表2 阻尼電阻為80 Ω時消弧線圈的相關(guān)參數(shù)

通過對表1、表2參數(shù)的比較，改變阻尼電阻后殘流及脫諧度都減小為0，而且位移電壓由原4.8 V降為0.4 V，系統(tǒng)不平衡度由原5.99%降低為0.97%，使系統(tǒng)三相電壓基本趨于平衡，有效改善了系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

5 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，消弧線圈成為電力系統(tǒng)不可缺少的角色，但在實際應(yīng)用中，仍存在諸多問題， 對系統(tǒng)電壓不平衡度的影響是諸多問題之一。本文簡單地介紹了一下消弧線圈中阻尼電阻在抑制中性點電位升高并使三相電壓不平衡度有效降低的作用，并結(jié)合龍源格爾木新能源開發(fā)有限公司的實際情況，闡述了它的重要意義，有望在以后的現(xiàn)實應(yīng)用中能予以借鑒，確保供電的可靠性及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。