中壓配電網消弧線圈分布式補償的仿真研究

嚴倚天，趙志剛，嚴浩軍

（1.沈陽工程學院，沈陽 110000；2.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

我國中壓（35 kV，10 kV）配電網基本采用中性點不接地或經消弧線圈接地，簡稱小電流接地系統[1]。隨著我國經濟發展和城鎮化的推進，出線電纜化進程也不斷加快，從而導致了小電流接地系統對地電容電流急劇增加[2]。小電流接地系統單相接地，當接地點電流超過10 A時，其自熄弧能力受到限制，將產生弧光接地過電壓[3]，進而導致電纜頭爆炸、開關柜燒毀等一系列事故[4－5]。因此，近20年來，中壓配電網中性點接地方式一直是電力技術人員和學者持續關注和討論的熱點。整治急劇增加的電容電流一般有2種方案，一是將配電網中性點改成低電阻接地方式；二是配置適當容量的消弧線圈進行補償。對于第一種方案，若是變電站采用全電纜、全絕緣出線，或是新規劃區域，則是一種理想選擇[6]；若是老配電區域，或因設備改造難度大，或因配電區域聯絡線眾多而難以實施[7]。實際工作中，遇到的大多是非規劃新區，既有架空出線又有電纜出線，或是二者混合的配電區域，其不斷增加的電容電流只能采取消弧線圈補償[8]，而這又涉及到消弧線圈的配置、增容和安裝方式等，依然需要處理不少難點和棘手問題。鑒于此，結合寧波電網的整治經驗，重點討論中壓配電網的消弧線圈分布式補償問題。

1 消弧線圈補償原理

設中性點不接地系統A相金屬性接地（如圖1所示），以UA為參考相量，中性點O電壓將升至相電壓，B相和C相電壓將升為線電壓。相量表示如下：

B相和C相通過對地電容和接地點構成回路，近似考慮三相線路對地電容相等，則等于是系統對地電容電流，亦即故障點的電容電流），負號表示與參考方向相反。產生電容電流（參考方向由地流入A相為正），

由式（4），式（5）可知，雖然接地故障發生前后接入電路的有效電容不一樣（接地前為三相，接地后僅有兩相），但由于接地后作用在非故障兩相的電壓上升為線電壓，因而，由此產生的流過接地故障點的故障電流，與三相線路正常條件下不平衡電壓為相電壓時的零序電流，在數值上是相等的，因此，可以用串聯等效電路模型來分析系統的電容電流[9]。當消弧線圈接入中性點以后（見圖2），A相通過消弧線圈和接地點形成回路，產生一個由地流入A相的感性電流，電動勢為感性電流如式（6）所示，負號表示與參考方向相反。

式中：IL為流過消弧線圈的電感電流；ILS為系統感性電流，亦即流過故障點的感性電流；XL為消弧線圈的感抗。

由式（4）、式（6）可知，流過故障點的感性電流和容性電流參考方向一致，但一個為容性，一個為感性，正好相差180°，故消弧線圈產生的電感電流能補償故障點的電容電流。具體補償程度取決于消弧線圈當前感抗的大小。中性點經消弧線圈接地的系統單相接地時的相量關系見圖3。

圖2 消弧線圈補償原理圖示意

圖3 消弧線圈補償相量

2 消弧線圈配置存在的問題

按照有關規定[5，10]，中壓配電網對地電容電流大于10 A時，中性點應加裝消弧線圈接地，使補償后單相接地殘流小于10 A，以有效抑制弧光過電壓的產生。中性點經消弧線圈接地具有許多優點[11]，目前已在我國中壓配電網得到了廣泛應用，但隨著系統電容電流的增大，實施過程中也碰到了一些問題，主要有：

（1）沒有安裝消弧線圈的老變電站，隨著中壓配電網電纜化率的增加，單相接地電容電流超過10 A，按照有關規程需增加消弧線圈補償，然而變電站內已沒有合適的安裝地點，使消弧線圈增裝項目實際難以實施。

（2）近年來，配電線路電纜化率超過規劃預期，部分投運時間并不太久的變電站已發生消弧線圈容量不足，按規程規定必須增容。然而消弧線圈增容是一個比較復雜的問題，傳統方法不但要更換消弧線圈，同時還要對所用變壓器增容（變電站主變壓器低壓側為三角形接線的系統，中性點往往從所用變壓器高壓側引出），這時不僅要更換消弧線圈，還要更換所用變壓器，不但成本高，實施難度也大[12]。

3 消弧線圈分布式補償方案

第2節所述消弧線圈配置存在的問題主要涉及以下方面：一是原未安裝消弧線圈的變電站因電容電流超過10 A后需增裝消弧線圈；二是因電容電流增大，變電站內的消弧線圈需要增容。對此，考慮站外實施補償，可從無功功率的分散補償得到啟發，探討消弧線圈分布式補償的可行性。為此，重點研究以下幾種情況：

（1）集中補償消弧線圈由變電站內移至站外方式。

（2）消弧線圈在變電站內集中補償加出線分布補償方式。

（3）消弧線圈在變電站內集中補償加故障線路和正常線路分布補償方式。

4 消弧線圈分布式補償仿真分析

4.1 系統接線

設某220 kV變電站系統拓撲如圖4所示，當前35 kV出線3回，均為架空與電纜混合線路，其中出線電纜總長度約10 km，架空線總長度約35 km，所用變壓器容量為1 500 kVA。因架空線路對地電容電流很小予以忽略[13]，僅考慮出線電纜電容電流。

圖4 220 kV變電站系統接線拓撲

4.2 線路參數

35 kV線路電纜采用YJV22－3×300交聯聚乙烯電力電纜[14]，線路等效模型采用π型電路，單位長度電纜線路參數見表1，各35 kV出線電纜長度及其對地電容電流見表2。

4.3 仿真計算

表1 35 kV YJV22-3×300交聯聚乙烯電纜線路單位參數

表2 35 kV出線電纜長度及對地電容電流

系統單相金屬性接地時，按以下幾種情況，用MATLAB軟件開展仿真計算：

（1）中性點不接地。

（2）變電站所用變壓器中性點經消弧線圈接地。

（3）35 kV出線L1末端經消弧線圈接地。

（4）變電站所用變壓器中性點、35 kV出線L4末端分別經消弧線圈接地。

（5）變電站所用變壓器中性點、35 kV出線L4和L5末端分別經消弧線圈接地。

4.3.1 中性點不接地

仿真得到35 kV中性點不接地系統A相金屬性接地時流過接地點的故障電流（由大地流向A相）波形，其如圖5所示。由圖5可知，流過故障點的電容電流幅值為44 A，其有效值為=31 A。

圖5 35 kV中性點不接地系統A相接地時的接地點電流波形

4.3.2 變電站所用變壓器中性點經消弧線圈接地

圖6 消弧線圈變電站集中補償示意

圖7 MATLAB軟件35 kV A相接地仿真模型

此時由中性點O流經消弧線圈的電流波形如圖8所示，流過接地點的殘流如圖9所示。

圖8 A相接地時由中性點O流經消弧線圈的電流波形

圖9 A相接地時經消弧線圈補償后的接地點殘流

接地點殘流為由中性點流入消弧線圈（即由消弧線圈流入大地）的電感電流與B，C兩相流入大地的電容電流相量之和，而B，C兩相流入大地的電容電流相量和即為中性點不接地系統A相接地時，接地點由大地流入A相的電容電流。由此可知，此時接地點殘流應為圖5與圖8電流曲線之和（電流參考方向已在仿真模型中統一校正）。分析圖5和圖8，2條電流曲線數值接近、相位差為180°，相加后正好抵消，流過電抗器的感性電流略大于B，C兩相電容電流之和1.51 A（幅值），差值波形與仿真所得波形圖9完全一致。

由圖9可知，與中性點不接地系統故障點電流31 A相比，中性點經消弧線圈接地后，故障點電流被控制在（有效值）， 小于10 A且呈感性，滿足有關規程對消弧線圈補償的要求[6， 10]。

4.3.3 35 kV出線L1末端接消弧線圈接地

移除變電站內集中補償的消弧線圈，將相同容量的消弧線圈接于35 kV出線L1的末端，如圖10所示。

圖10 35 kV出線L1末端中性點經消弧線圈接地

當系統發生A相單相接地時，仿真得到流經消弧線圈的電流波形及接地點殘流波形，與消弧線圈經變電站所用變壓器中性點接地時完全相同（包括幅值、頻率、初相），這說明如果不考慮其他因素，集中補償方式也可在變電站外部實施。

4.3.4 變電站所用變壓器中性點及35 kV出線L4末端分別接消弧線圈接地

設此時在原35 kV出線L1，L2，L3的基礎上新增出線L4，電纜長度見表2。變電站集中補償消弧線圈容量仍為1 000 kVA，L4增加電容電流10.1 A，相應需增配消弧線圈容量=204 kVA，取整數考慮在L4線路末端加裝容量350 kVA的固定式消弧線圈。設35 kV出線L1的A相接地，系統接線如圖11所示，仿真測得相關電流見表3。由表3可知，接地點殘流呈感性，有效值為1.2 A，滿足有關規程要求；將電纜線路電容電流、消弧線圈電感電流理論值代入：殘流=電纜線路電容電流－消弧線圈補償電感電流=（8.5 A+8.5 A+10.1 A+10.1 A）－（28.6 A+10.0 A）=－1.4 A，與仿真結果基本相等，也滿足有關理論計算。可見，接于線路L4末端的固定式消弧線圈起到了補償作用。

圖11 消弧線圈變電站集中補償加出線L4分散補償示意

表3 消弧線圈變電站集中補償加L4分布補償后的仿真電流

4.3.5 變電站所用變壓器中性點及35 kV出線L4和L5末端分別經消弧線圈接地

在4.3.4的基礎上再增加出線L5，設出線L5的電纜長度5 km，新增電容電流12.7 A（詳見表2），相應增配消弧線圈容量kVA，在L5末端再加裝300 kVA消弧線圈。假設此時線路L4單相接地，系統接線如圖12所示。仿真得到有關電流見表4。由表4可知：接地點殘流呈感性，有效值為1.7 A，滿足有關規程要求；將電纜線路電容電流、消弧線圈電感電流理論值代入：殘流=電纜線路電容電流－消弧線圈補償電感電流=（8.5 A+8.5 A+10.1 A+10.1 A+12.7 A）－（28.6 A+10 A+12.8 A）=－1.6 A，滿足理論校核。可見，接于線路L4和L5末端的固定式消弧線圈均起到了補償作用。

圖12 消弧線圈變電站集中補償加L4和L5分散補償示意

表4 消弧線圈變電站集中補償加出線L4和L5分布補償后的仿真電流

4.4 仿真結果分析

分析上述仿真結果可知：

（1）消弧線圈的集中補償既可在變電站內實施，也可在變電站外實施。

（2）消弧線圈也可在變電站外的出線上進行分散補償。

（3）由上述2條可進一步推得，系統對地電容電流的感性補償具有區域效應，即如果運行方式允許，可在同一小電流接地系統內的合適位置進行補償。

雖然消弧線圈的站外補償與站內補償具有同樣效果，但站外補償必須考慮系統運行方式的影響。如接于線路，當線路退出運行時就無法起到補償作用。因此當消弧線圈外接于線路時，一般考慮補償本條線路電容電流。另外，既然系統電容電流的感性補償具有區域效應，那么當變電站及其出線無法實施時，還可在同一系統的配電網開閉所、環網站等處實施，這就為消弧線圈的靈活補償提供了諸多便利。

消弧線圈在變電站外的分布補償方式，已在寧波海曙和鄞州配電網試點應用，效果良好。從寧波電網消弧線圈的運行和維護經驗看，對地電容電流的消弧線圈補償以變電站就地集中補償加周邊分布式補償方式為佳。

5 結論

（1）消弧線圈的電容電流補償具有區域效應，推薦以變電站集中補償為主，周邊分布補償為輔的建設方案，并建議供電部門在規劃區域配電網的同時，作好消弧線圈補償的統一規劃工作。

（2）如果變電站內因某種原因無法實施消弧線圈的集中補償，也可在同一配網系統的變電站外實施，后者同樣能起到補償作用。

（3）當變電站內消弧線圈增容困難時，可在有關出線上采用分布式補償方式增容。

（4）上述結論同樣適用于20 kV，10 kV等其他電壓等級的小電流接地系統。

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