鋼鐵廠變電站電容電流的治理與研究

韓 雷

（1.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002；2.河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067002）

隨著社會發展，對電能的需求量越來越大，火電站、核電站等大型發電站的建設也在增加。基于環境保護的原則，受到地理位置條件的制約，建設大型發電站需要遠離負荷中心，進而影響到電力系統的傳輸向遠距離、高電壓、大容量的方向發展[1]。大型城市的發展導致電網負荷不斷增加，配電線路越來越長，電纜化率也在增大，因此電力系統的電容電流也迅速增長。作為電力系統的樞紐，鋼鐵廠變電站發揮著重要作用，是保障電力系統的安全運行的關鍵。隨著電能負荷密度的增大和供電需求的增多，對鋼鐵廠變電站的要求也產生了變化。如果變電站的電容電流過大，導致電弧不能自行熄滅，引起電流短路，可能會造成變電站內變壓器、電抗器等絕緣損壞，且不具備自動恢復功能，電氣設備燒壞后修復非常困難，甚至還會發生停電事故，嚴重影響到供電系統安全可靠地運行，造成國民經濟的巨大損失[2]。因此，本文通過探討鋼鐵廠變電站電容電流的治理與研究，進而提高鋼鐵廠變電站電容電流的適應性，為保障電力系統安全可靠運行提供一定參考依據。

1 鋼鐵廠變電站電容電流的擴大容量治理

隨著電容電流的迅速增加，電網容量顯示不足，需要進行增容更換，但經過幾次改造，就無法再進行增容，如果更換設備，需要較多的資金，造成一定負擔。因此，可以考慮在鋼鐵廠變電站負荷側安裝消弧線圈，進行分布式補償，是一種經濟實用的解決方式[3]。對消弧線圈進行分布式補償，一方面，可以改善電容電流容量不足的問題；另一方面，不會對原有調諧造成影響，并可以降低有功電流，彌補了不能補償有功電流的不足。

1.1 制定分布式補償方案

當鋼鐵廠變電站對地等效電容電流增大，原有容量不足，可考慮制定分布式補償方案，合理選擇補償點，增加電網補償容量。從原理上看，無論補償裝置安裝在何處，都可以與主站消弧線圈相配合，完成電容電流補償要求[4]。一般情況下，選擇單相接地電容電流最大的線路，進行分布式補償，補償容量與電容電流最為接近。當發生故障時，分布式補償消弧線圈，可以減少零序回路電流，并降低故障點殘流。從經濟層面看，安裝分布式補償消弧線圈，可以降低投資成本。根據實際項目，考慮補償120A的電容電流，可以保持變電站原補償電流75A 不動，在開閉所增設補償40A 的分布式消弧線圈，整個方案增設的設備總成本不超過20 萬，就滿足補償電流的要求；而若采用增容改造的方案，總成本在70 萬左右，同時需考慮設備的安裝空間，可以發現，分布式補償消弧線圈方案，比增容改造方案更能減少成本和安裝空間，具有很強的優勢。當鋼鐵廠變電站電容電流較大，可以采用多點分布式補償，從設備成本、安裝空間和電網未來規劃等方面進行綜合考慮，在補償方式組合中，選取最優方式。

1.2 確定補償容量

分布式補償系統零序等效電路，可由以下公式計算：

其中，I D˙為變電站感應電流，I˙為感應流出電流，1L～NL為N 個分布式補償消弧線圈，L 為主消弧線圈，C 為接地過渡電阻。

由脫諧度定義：

其中，I 為補償電流，v 為脫諧度。

由于電流為標量值，則可得到：

脫諧度一般取值-15%，補償電流調節范圍為：

則得到：

當鋼鐵廠變電站運行方式改變，導致電容電流減小時，可能出現過補償。而主消弧線圈補償的是分布式補償之后的殘余電流。確定補償容量，需要考慮運行方式變化，并滿足主消弧線圈調節范圍。

1.3 安裝補償裝置

本文引入的分布式補償消弧線圈，結構如圖1 所示。該裝置由五柱鐵芯①組成，中間三個鐵芯柱連接有繞組②，兩邊鐵芯柱有四個氣隙③，形成零序磁路。這種分布式裝置制造成本較低、體積小方便安裝，且可以安裝于柱上，對環境適應性很好，無需人員或設備監測，可免維護，具有一定優勢。

圖1 消弧線圈的結構

2 鋼鐵廠變電站電容電流的故障排查治理

現階段對鋼鐵廠變電站故障線路選線功能的裝置，主要通過零序電流互感器進行選擇。雖然便于運維人員確定故障線路，進行檢修處理，但這種做法會導致故障處理時間長，運維工作量繁重，尤其在雨雪天氣，更加重了檢修工作的難度[5]。因此本文提出采用變壓器接地轉移裝置治理電容電流故障，可同時實現選線、消滅電弧、故障定位等功能。

2.1 選取故障相

選取故障相是變壓器接地轉移裝置，在鋼鐵廠變電站電網中安全穩定運行的首要條件。該裝置是一種穩態接地設備，采取單相接地故障時的穩態信號，可以精準確定零序電壓變化，判斷接地相別。

2.2 限制短路電流

一般情況下，電路會發生兩相接地短路故障，為保證鋼鐵廠變電站電網的運行，需要對短路電流進行限制，并對鋼鐵廠變電站電網系統進行保護[6]。限制短路電流，最有效的方式是采用感性元件，在發生兩相接地短路故障時，感性元件串接在故障相電壓回路中，進而有效限制短路電流[7]。當感性元件的感抗為1Ω時，即使出現出口短路，接地電阻為零的狀況，變壓器接地轉移裝置也能有效將故障電流限制在5000A 以下，小于直接短路電流，有效保護電網系統。

變壓器接地轉移裝置通過對零序電壓、相電壓和線電壓實時采集，根據采集數據分析線電壓及零序電壓的變化，可自動識別接地故障，判斷接地相別。采用比較零序電壓模角，準確判斷故障相別，且能快速啟動，保證了設備的靈敏度和準確度。

3 實驗測試

3.1 分析補償后電容電流情況

以某110kV變電站10kV側段母線為研究對象，采用消弧線圈分布式補償方式，分析補償后電容電流的接地殘留情況。通過測量變電站每條出線的接地電容電流大小，找出出線電容電流最大值，從系統接地電容電流減去最大值，作為最小接地電流。該變電站實驗段有10條出線，每條出線的電容電流測量值如表1所示。

表1 變電站出線電容電流

確定分布式補償線路方法如下：首先，對線路按電容電流大小排序，將電容電流最大的選為初選線路，其余為備選線路，線路電容電流越大，負荷相對較多，線路比較重要，供電要求較高，安裝分布式補償可以降低主消弧線圈補償容量；其次，分析與驗證是否滿足補償條件；最后，如果初選線路不滿足條件，再從備選線路中選擇電容電流最大的線路分析驗證，直至確定出最合適線路。將分布式消弧線圈安裝在線路9 末端，在線路5 距母線1km 處發生接地故障，過度電阻為1Ω。計算可得分布式消弧線圈容量為56A，消弧線圈補償前接地殘留為80.6A，補償后的接地殘留為5.3A。由此實驗表明，發生單相接地故障時，采用分布式補償后，能夠有效補償電容電流，接地殘流被控制在較小的范圍。因此，使用分布式消弧線圈，可以補償鋼鐵廠變電站電容電流，并減小接地殘留。

3.2 抑制電容電流故障效果

選擇運行過程中接地故障頻繁的鋼鐵廠變電站為試點，對變電站安裝變壓器接地轉移裝置，進行接地測試并驗收效果，對動作、保護跳閘、選線結果和裝置運行異常進行記錄。選相單元的動作記錄如表2 所示。

表2 選相單元動作記錄

在鋼鐵廠變電站電網中發生單相接地故障，該裝置會自動選準故障線路及相別，讓對應開關立刻合閘，熄滅電弧，對變電站提供有效保護，避免傷害事故發生。在某一相發生故障后，該相零序電流變化最大，接地保護選線單元會合閘開關，并錄波，根據零序電流在開關合閘前后的變化，確定接地故障線路。實驗結果表明，在自然運行狀態過程中，經過人為施加和自然故障點兩種方式，進行瞬時性單相接地故障試驗，接地轉移設備都能達到快速熄弧的狀態，滿足安全運行的要求。

4 結語

本文通過研究鋼鐵廠變電站電容電流的治理，安裝分布式消弧線圈補償電容電流，改善電容電流容量不足的問題；采用變壓器接地轉移裝置治理電容電流故障，實現選線、消滅電弧、故障定位等功能，有效解決鋼鐵廠變電站電容電流的接地故障問題。本文對鋼鐵廠變電站電容電流的研究雖然取得一定成果，但還存在不足之處。電子器件在自動補償裝置中的使用越來越廣泛，因而在以后的研究中，可以選擇性能好的設備進行試驗；此外還應不斷嘗試更優的選線算法，以提高準確率。