預調式消弧線圈自動控制裝置的現場調試方法

(國網四川電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

由于中性點不接地系統具有單相接地故障時非故障相可以不中斷向用戶供電的特點，因此中國6～10 kV系統大多都采用了這種運行方式。但是這種方式下容易產生間隙性弧光接地過電壓，使原本的單相接地故障進一步發展為相間短路或多點重復性接地故障，從而威脅電網安全[1-3]。為了減少單相接地時產生的電容性電流，中國在大范圍內應用了消弧線圈技術，將它接入站用接地變壓器的中性點，從而在接地點的接地弧道中補充電感性電流，實現抵消經健全相流入短路點的電容性電流的目的，可顯著減小接地電流，實現快速熄弧的目的[4-8]。

目前大量變電站中的10 kV部分都采用了預調式消弧線圈調諧裝置，在系統發生接地故障前計算故障時的電容電流，并將消弧線圈調整到匹配的狀態，一旦發生故障可快速補充電感電流[9-12]。下面以現場運行調試經驗為基礎，以兩款主流國產消弧線圈調諧裝置(分別稱為裝置1和裝置2)為例，針對變電運行人員在電容電流的計算和測量、消弧線圈裝置并列運行以及現場調試中的常見問題進行了研究，介紹了不同運行方式下系統電容電流的算法以及消弧線圈的現場調試方法。

1 電容電流的計算方法

1.1 電容電流的基本計算

變壓器的10 kV側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，但是在電氣上是存在中性點O的。為了實現消弧線圈在中性點的接入，必須引出一個中性點，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。該方法特點是零序電抗小，不會對零序電流產生扼流效應。在引出的中性點中接入消弧線圈后，消弧線圈提供的感性補償電流可在其中自由地流通。在中性點接入消弧線圈后，正常運行時的系統如圖1所示[13-14]。

圖1 中性點經消弧線圈接地系統

圖2 正常運行時系統

1)依據基爾霍夫電流定理，流出中性點的電流和為0可得：

可得中性點電壓

(2)

2)通過戴維南等效電路與諾頓等效電路的轉化可知，中性點O對地電壓為

(3)

式中：α=ej120°，1+α2+α=0；YA、YB、YC分別為三相對地導納。當三相對地電容相等即CA=CB=CC時中，性點電壓為0。而當配電網不平衡時即CA≠CB≠CC，會產生不平衡電壓UOO′≠0。由于不平衡電壓的存在，在中性點接入消弧線圈以后會在CA、CB、CC和消弧線圈L上產生電流。

正常運行時消弧線圈的等效電路如圖3所示。

圖中：U0=UOO′，為系統不平衡電壓，它具有零序電壓的性質；Un為中性點位移電壓；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為系統等效對地電容；I0為系統的不平衡電流。

(4)

則母線中性點的零序電壓為

(5)

(6)

圖4 A相接地時電容電流分布

圖5 A相接地時的向量關系

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

圖6 補償電網單相接地等效電路

1.2 電容電流測量方法

消弧線圈的自動調諧是按電網電容的變比來調整消弧線圈的接入電感值，使其產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生前，也就是在正常運行狀態下預先調節消弧線圈電感使其達到串聯諧振擋位，當故障發生時最大限度地補償電容電流。思路是在系統發生故障前采集中性點的位移電壓、中性點電流和消弧線圈的電感值，以此計算出系統的對地容抗，并通過單相接地故障的等效回路計算此時的電容電流[15-17]。

電容電流：

(7)

電感電流：

(8)

式中：Uφ為相電壓；C為系統電容；L為消弧線圈電感。

裝置1各擋位與對應電抗如表1所示，據此可以計算每擋電感電流。

表1 裝置1各擋位與對應電抗

(9)

在計算系統電容時采用幅值相位法，具體方法為調整消弧線圈擋位，根據位移電壓或電流的變化找出諧振點，用諧振點兩側擋位的中性點電流以及它們之間的相位差，根據阻抗三角形計算電容電流，如圖7所示。此方法考慮了中性點電阻的影響，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算法要高。

圖7 阻抗三角形

(10)

(11)

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

裝置2擋位與對應電感電流如表2所示，據此可以計算每檔電抗。

表2 裝置2擋位與對應電感電流

(12)

(13)

(14)

但在現場調試時可能出現一種情況：由于系統線路比較對稱,導致測得的中性點電壓很小,無法準確計算電容電流。為了能滿足裝置計算需求，往往要人為將Z型接地變壓器的擋位調偏(例如B相的擋位與A、C相不同)，以提高中性點處的不平衡電壓,使調諧裝置可以計算電容電流。

2 并列消弧線圈的計算方法

當幾個獨立的消弧線圈系統聯機運行，母聯開關合上時，如果兩套消弧線圈裝置無法判斷并列狀態，則兩套裝置將會不斷調擋而達不到一個穩定狀態。為了避免多套消弧線圈控制裝置并列運行時影響彼此計算結果和調擋的正確性，消弧線圈裝置均采用一套裝置定擋另一套裝置調擋的運行策略[18-20]。以圖8所示的裝置為例，按照主機定擋運行、從機負責調擋原則，采用兩點法對電容電流進行如下計算。

圖8 兩套消弧裝置并列運行等效電路

(15)

(16)

(17)

3 消弧線圈調試方法

按照圖9所示的等效模型圖進行圖10所示的現場接線，完成自動調諧消弧線圈的現場調試[21]。

以裝置1為例，其設計參數如表3所示，隨著擋位增大，消弧線圈電感減小、電感電流增大，并逐一進行相關調試項目。

圖9 試驗等效電路

圖10 試驗接線

表3 裝置1參數計算表

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

2)自動跟蹤調諧試驗：減小電容，模擬切除故障線路后系統電容改變，以校驗系統電容發生變化時，電容電流計算的準確性和自動調擋的準確性。試驗中保持電源電壓不變，減小電容至24 μF，此時電容電流為Ic=UφωC2=45.70 A，裝置自動調至1擋，說明該裝置自動跟蹤調諧試驗結果正確。

3)手動調擋試驗：從1擋至最高擋進行手動調檔，同時記錄數據，從變化趨勢和滿足公式兩方面分析中性點電流和中性點位移電壓的準確性。

由于中性點電流：

(18)

隨著擋位增大，消弧線圈電感減小，中性點電流和中性點位移電壓應滿足先增后減的變化規律，并在諧振點時幅值達到最大。

4 結 論

通過上面的分析，可以得出在變電站現場進行消弧線圈計算和調試時的一些實用結論：

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

2)分析了不同運行方式下，系統電容電流的計算方法，裝置2在計算電容電流時采用幅值相位法，兩套消弧線圈裝置并列運行時，從機定擋運行主機可調擋；而裝置1采用實時計算法(兩點法)，主機定擋運行從機可調擋，此時主機顯示的電流約等于系統電容電流減去從機顯示的電感電流。

3)總結了消弧線圈自動控制裝置的現場調試方法，在調試過程中，應分別針對消弧線圈裝置的自動調擋功能和自動跟蹤調諧進行試驗，并通過記錄手動調擋數據確定裝置的正常運行。而針對當中性點不平衡電壓很低時電容電流的計算問題，還需要開展更加深入的研究。