消弧線圈分散補(bǔ)償單相接地故障運(yùn)行特性分析

林海，梁志瑞

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

0 引 言

目前，隨著全球電力需求不斷增加和電纜線路的大量應(yīng)用，幾乎所有的諧振接地系統(tǒng)遲早都需要進(jìn)行增容改造[1]。一些諧振接地系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)次增容改造以獲得更大的補(bǔ)償容量，這必須對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃。如果消弧線圈接地系統(tǒng)的對(duì)地電容電流得不到及時(shí)、有效的補(bǔ)償，在故障點(diǎn)處將會(huì)出現(xiàn)較大的接地殘流和跨步電壓，這不僅對(duì)電氣設(shè)備造成損傷，還對(duì)人身安全構(gòu)成威脅[2-3]。此外，現(xiàn)有的消弧線圈設(shè)備更換困難，成本花費(fèi)大，又比較耗時(shí)，在更換期間系統(tǒng)得不到消弧線圈的有效補(bǔ)償，系統(tǒng)承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)較大。在消弧線圈接地系統(tǒng)中增設(shè)消弧線圈是一種值得考慮的辦法，這既發(fā)揮了原有消弧線圈的補(bǔ)償作用，也避免了電氣設(shè)備的頻繁更換。

消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)地電容電流有集中式補(bǔ)償和分散式補(bǔ)償兩種方式，前者適合于系統(tǒng)對(duì)地電容電流不大的情況，后者更適合于系統(tǒng)電容電流較大的情況。與集中補(bǔ)償式系統(tǒng)相比，分散補(bǔ)償是在主變電站消弧線圈的基礎(chǔ)上加裝分散式安裝的消弧線圈，不僅使系統(tǒng)在補(bǔ)償容量上得到了滿足，而且還不失主變電站消弧線圈的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償作用。用于分散補(bǔ)償?shù)南【€圈設(shè)備具有容量小、價(jià)格低廉和安裝方便的特點(diǎn)，即使是與主變電站距離很遠(yuǎn)的地方，也可以根據(jù)現(xiàn)場要求進(jìn)行安裝。因此，對(duì)分散補(bǔ)償消弧線圈運(yùn)行特性的研究對(duì)于提高電網(wǎng)的安全性和可靠性具有重要的價(jià)值和意義。

1 消弧線圈分散補(bǔ)償原理

分散補(bǔ)償接地運(yùn)行方式是以主站的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈作為發(fā)揮主要補(bǔ)償作用的消弧線圈(簡稱主消弧線圈)，其補(bǔ)償容量一般占系統(tǒng)需補(bǔ)償容量的50%以上，另外根據(jù)所在地區(qū)線路結(jié)構(gòu)情況和電容電流的分布情況尋找合適的地點(diǎn)，安裝一套或多套起到輔助補(bǔ)償作用的小容量的消弧線圈(簡稱分散補(bǔ)償消弧線圈)，以起到多點(diǎn)共同補(bǔ)償?shù)男Ч鸞4]。如果系統(tǒng)電容電流還是由于增大而導(dǎo)致補(bǔ)償容量不足，那么繼續(xù)增加分散補(bǔ)償消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償即可。在較大的電網(wǎng)中，由于系統(tǒng)電容電流增大而導(dǎo)致主站消弧線圈補(bǔ)償容量不足的情況很常見，此時(shí)消弧線圈分散補(bǔ)償運(yùn)行方式具有很好的優(yōu)勢和適用性[5]。

在消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)中，總補(bǔ)償電流為所有消弧線圈(包括主消弧線圈和所有分散補(bǔ)償消弧線圈)補(bǔ)償電流的總和。因此，對(duì)于大電容電流的系統(tǒng)，可以通過在合適的補(bǔ)償點(diǎn)加裝若干套分散補(bǔ)償消弧線圈設(shè)備，只要消弧線圈的總補(bǔ)償容量與系統(tǒng)電容電流相匹配就能滿足補(bǔ)償要求。

分散補(bǔ)償系統(tǒng)零序等效電路如圖1所示，其中L為變電站自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈， L1～Lm為用于分散補(bǔ)償?shù)膍套消弧線圈，3C為系統(tǒng)對(duì)地電容,UΨ為系統(tǒng)相電壓，Rd為故障點(diǎn)過渡電阻,U0為系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓。

圖1 分散補(bǔ)償系統(tǒng)零序等效電路

顯然由圖1可得到接地殘流為:

(1)

由失諧度定義:

(2)

2 分散補(bǔ)償消弧線圈調(diào)節(jié)原理和安裝位置

2.1 分散補(bǔ)償消弧線圈結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理

在實(shí)行分散補(bǔ)償時(shí)，三相五柱式消弧線圈的使用不僅解決了引出中性點(diǎn)困難的問題，而且三相五柱式消弧線圈結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本相對(duì)較低，性能優(yōu)良，安裝方便，免運(yùn)行維護(hù)，適合安裝在環(huán)境惡劣、維護(hù)困難的邊遠(yuǎn)地方，是配電網(wǎng)增容改造的重點(diǎn)研究對(duì)象[6]。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 分散補(bǔ)償消弧線圈結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí) ,加載在該消弧線圈三繞組的電壓為三相對(duì)稱電壓，無零序電流產(chǎn)生，該消弧線圈僅起到為系統(tǒng)引出一個(gè)中性點(diǎn)的作用。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),零序磁通在該消弧線圈的中間三柱鐵芯生成, 其回路經(jīng)過如圖3所示的氣隙與左右兩邊柱鐵芯[7]。

其零序回路的電壓方程為:

(3)

三相五柱式消弧線圈的補(bǔ)償電流為:

(4)

由式(3)和式(4)可知，當(dāng)零序電壓不變時(shí),補(bǔ)償電流隨著氣隙δ增大而增大[8]。

2.2 分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置

根據(jù)補(bǔ)償接入點(diǎn)的不同，分散補(bǔ)償消弧線圈可以安裝在主站中性點(diǎn)與主消弧線圈并聯(lián)，可以安裝在母線，也可以選擇安裝在線路末端。而線路發(fā)生單相接地故障具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性，故障有可能發(fā)生在安裝有分散補(bǔ)償消弧線圈的線路，也有可能發(fā)生在沒有安裝分散補(bǔ)償消弧線圈的線路，因此文中根據(jù)分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置和故障位置的不同，分主站擴(kuò)容安裝(方式一)、母線安裝(方式二)、非故障線路末端安裝(方式三)和故障線路末端安裝(方式四)四種情況來考慮，可得到四種不同的分散補(bǔ)償接地運(yùn)行方式，如圖3所示。

圖3 分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置

3 分散補(bǔ)償運(yùn)行特性分析

根據(jù)圖3所示系統(tǒng)圖，用Matlab建立仿真模型。該模型總共有5條線路，包括4條電纜線路(長度依次分別為17 km、14 km、12 km、11 km)和1條10 km架空線路和8 km電纜組成的混合線路，依次分別記為L1～L5。對(duì)于方式三和方式四所在系統(tǒng)，分散補(bǔ)償消弧線圈均安裝在線路L5末端。假設(shè)在0.1 s時(shí),對(duì)于方式一、方式二和方式四所在系統(tǒng)在線路L5離母線首端1 km處發(fā)生A相接地故障，對(duì)于方式三所在系統(tǒng)在線路L1離母線首端1 km處發(fā)生A相接地故障。

方式一～方式四所在系統(tǒng)總電容電流均為99.2 A,失諧度均取 -5%，由式(2)可求需補(bǔ)償電流均為104 A。

3.1 分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置和分散補(bǔ)償容量大小對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償特性的影響

假設(shè)單相接地故障過渡電阻為1 Ω，分散補(bǔ)償消弧線圈安裝位置為非故障線路末端安裝(即方式三)，補(bǔ)償容量分配按需補(bǔ)償電流分配來考慮，此處取主消弧線圈L補(bǔ)償64 A,分散補(bǔ)償消弧線圈L1補(bǔ)償40 A。消弧線圈補(bǔ)償前接地電流波形如圖4所示，消弧線圈集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償后接地殘流波形如圖5和圖6所示。

圖4 消弧線圈補(bǔ)償前接地電流

圖5 消弧線圈集中補(bǔ)償后的接地殘流

圖6 消弧線圈分散補(bǔ)償后的接地殘流

由圖4～圖6可見，發(fā)生單相接地故障時(shí)，無論采用集中補(bǔ)償還是分散補(bǔ)償，消弧線圈的接入都能夠有效補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)地電容電流，使接地殘流被控制在較小的范圍內(nèi)。其中作為對(duì)比，集中補(bǔ)償后的接地殘流為4.313 A。

改變分散補(bǔ)償消弧線圈的安裝位置和補(bǔ)償容量，對(duì)每一種情況進(jìn)行仿真，所得的接地殘流值如表1所示。

表1 不同補(bǔ)償容量分配和安裝位置下系統(tǒng)的接地

由上述仿真結(jié)果可得：

(1)當(dāng)系統(tǒng)消弧線圈總補(bǔ)償電流不變時(shí)，分散補(bǔ)償消弧線圈無論采用哪一種接地運(yùn)行方式和采用多大的補(bǔ)償容量，都能有效補(bǔ)償接地電容電流，使接地殘流不超過5.02 A，滿足熄弧條件;

(2)補(bǔ)償容量分配一定時(shí)，因?yàn)榉稚⒀a(bǔ)償消弧線圈安裝位置不同造成電感電流流過的零序回路不同，引起零序有功殘流不同，從而故障點(diǎn)接地殘流略有差異;

(3)通過比較和分析可知，對(duì)于方式一和方式二，分散補(bǔ)償電流大約為30 A時(shí)接地殘流最大，分散補(bǔ)償電流小于20 A時(shí)補(bǔ)償效果最好。因此，分散補(bǔ)償容量小于總補(bǔ)償容量的20%時(shí)，分散補(bǔ)償消弧線圈宜采用主站擴(kuò)容安裝方式和母線安裝方式;

(4)通過比較和分析可知，對(duì)于方式三和方式四，分散補(bǔ)償電流約為20 A時(shí)接地殘流最大，分布補(bǔ)償電流大于40 A時(shí)補(bǔ)償效果最好。因此，分散補(bǔ)償容量大于總補(bǔ)償容量的40%時(shí)，分散補(bǔ)償消弧線圈宜采用線路末端安裝方式。

3.2 過渡電阻對(duì)接地殘流的影響

保持補(bǔ)償容量分配為L 64 A+L 140 A不變，改變單相接地故障的過渡電阻，可得到分散補(bǔ)償消弧線圈不同接地方式下的系統(tǒng)的接地殘流如表2所示。

由表2仿真結(jié)果可知：

(1)每一種分散補(bǔ)償接地方式的單相接地故障接地殘流都隨著過渡電阻的增大而減小，但其變化值不明顯;

(2)過渡電阻從1 Ω～500 Ω變化時(shí)，方式一至方式四的接地殘流最大變化值分別為0.409 A、0.453 A、0.421 A和0.220 A，可得消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的單相接地故障殘流受過渡電阻影響較小。

表2 不同過渡電阻下分散補(bǔ)償系統(tǒng)的接地

4 弧光過電壓分析

在單相接地故障中，間歇性弧光接地故障占大多數(shù)，因此有必要對(duì)消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的弧光過電壓進(jìn)行仿真和研究。

研究弧光過電壓的理論有工頻熄弧理論和高頻熄弧理論，前者以工頻振蕩電流第一次過零時(shí)弧光熄滅來分析弧光過電壓的形成過程，后者以高頻振蕩電流第一次過零時(shí)弧光熄滅來分析弧光過電壓的形成過程[9]。根據(jù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)可知，利用工頻熄弧理論分析得出來的弧光過電壓結(jié)果比較接近實(shí)際[10]。以工頻熄弧理論為基礎(chǔ)對(duì)弧光過電壓進(jìn)行分析，假設(shè)A相電壓到達(dá)正的最大幅值時(shí)(t=0.023 4 s)發(fā)生間歇性弧光接地故障，采用分散補(bǔ)償時(shí)容量分配為L 64A+L140A，得到不同接地方式下的弧光過電壓波形如圖7所示。

圖7 不同接地方式下弧光過電壓波形

由圖7的仿真結(jié)果可得，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的弧光過電壓發(fā)生兩次燃弧后過電壓基本趨于穩(wěn)定，而消弧線圈接地系統(tǒng)的最大過電壓往往出現(xiàn)在第一次燃弧的時(shí)候。與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比，消弧線圈接地系統(tǒng)的過電壓水平會(huì)小很多。其中，中性點(diǎn)不接地和集中補(bǔ)償時(shí)最大過電壓倍數(shù)分別為2.902 p.u.和2.289 p.u.。分散補(bǔ)償不同接地方式和補(bǔ)償容量下的最大過電壓倍數(shù)仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同接地方式和補(bǔ)償容量下的最大過電壓倍數(shù)(單位：p.u.)

由表3仿真結(jié)果可知：

(1)同等條件下，所有經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的最大過電壓倍數(shù)很接近，且與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的最大過電壓倍數(shù)2.902 p.u.相比要小很多;

(2)集中補(bǔ)償和方式一的最大過電壓倍數(shù)同為2.289 p.u.，可見分散補(bǔ)償消弧線圈主站擴(kuò)容接地方式和集中補(bǔ)償接地方式對(duì)弧光過電壓的抑制效果是一樣的;

(3)在分散補(bǔ)償接地方式中，方式一和方式二的最大弧光過電壓倍數(shù)不隨補(bǔ)償容量分配的改變而改變;

(4)在方式三即分散補(bǔ)償消弧線圈所在線路為非故障線路時(shí)，其最大過電壓倍數(shù)隨著分散補(bǔ)償容量的增大而慢慢減小;

(5)在方式四即分散補(bǔ)償消弧線圈所在線路為故障線路時(shí)，其最大過電壓倍數(shù)隨著分散補(bǔ)償容量的增大而慢慢增大。

總之，當(dāng)發(fā)生間歇性弧光接地時(shí)，消弧線圈分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償一樣，都能有效抑制弧光過電壓的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

介紹了分散補(bǔ)償?shù)脑砗吞攸c(diǎn)，闡述了分散補(bǔ)償消弧線圈的調(diào)節(jié)原理和安裝位置，然后通過改變分散補(bǔ)償消弧線圈的安裝位置和補(bǔ)償容量對(duì)單相接地故障時(shí)分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的接地殘流大小進(jìn)行了分析，最后對(duì)分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)的弧光過電壓進(jìn)行了研究，通過Matlab進(jìn)行建模及仿真分析，得出結(jié)論如下：

(1)消弧線圈分散補(bǔ)償接地方式能夠有效補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)地電容電流使接地殘流滿足熄弧要求，因?yàn)楦行噪娏髁鬟^的零序回路不同，所以造成各分散補(bǔ)償接地方式下的接地殘流不同；

(2)為了更好地降低單相接地故障殘流，分散補(bǔ)償容量小于總補(bǔ)償容量20%的分散補(bǔ)償消弧線圈比較適合安裝在母線和主站，分散補(bǔ)償容量大于總補(bǔ)償容量40%的分散補(bǔ)償消弧線圈比較適合安裝在線路末端；

(3)與消弧線圈集中補(bǔ)償系統(tǒng)一樣，消弧線圈分散補(bǔ)償接地系統(tǒng)能夠很好地抑制弧光過電壓，并且受分散補(bǔ)償消弧線圈的安裝位置和補(bǔ)償容量影響較小；

(4)消弧線圈分散補(bǔ)償運(yùn)行方式不僅為系統(tǒng)的增容改造開辟了一條新的路徑，而且單相接地故障發(fā)生時(shí)具有較好的補(bǔ)償效果和滅弧性能，表明該種補(bǔ)償方式具有很好的實(shí)際推廣價(jià)值。