消弧線圈多臺并運控制技術

劉亞南

消弧線圈多臺并運控制技術

劉亞南

（國網蕪湖市供電公司，安徽蕪湖，241200）

多臺消弧線圈獨立運行時不能統一控制，在接地系統發(fā)生故障時，將不能達到有效補償效果。結合國內外先進電力應用技術與實踐經驗，提出了針對性控制策略與有效控制手段——采用多級消弧線圈并聯運行的方式在接地事故中進行功率補償。首先，闡述了接地事故的發(fā)生原理與產生危害，并立足已有技術條件與運行經驗詳細分析了采用并聯方式運行多組消弧線圈的相關理論原理與工作流程。其次，充分利用現有仿真模擬軟件與相關應用，對上述原理與相關結果進行仿真驗證。最后，通過充分比對、分析，表明本文提出通過多臺消弧線圈并聯應對接地故障的方法是行之有效的，具備極高可行性。

消弧線圈；并聯運行；電容電流

引言

經濟社會的高速發(fā)展推動了電力市場的發(fā)展與壯大，市場的需求與負荷的高速增長也對電網及相關電力配套設施提出了更高的要求。安徽省蕪湖市在國家促進中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略指引下，經濟社會高速發(fā)展，電力供應的需求也隨之顯著增加，對于電力企業(yè)的保障與供應提出了更高的要求。

電網規(guī)模與電網負荷在顯著提高的過程中，線路總里程必然明顯增加，因此發(fā)生接地故障及相關運行故障的幾率也明顯上升，同時由于電網負荷的增加導致在發(fā)生電網輸配電線路發(fā)生接地故障時接地電流強度激增，我市輸配電網絡裝備的現有消弧線圈容量小，進而無法滿足大電流強度下的補償需求與預定技術功能，對于電網安全帶來了極大的安全風險與隱患。

本文進行了抑制弧光接地過電壓造成危害方面的研究。

1　弧光接地過電壓

為保護電網安全運行，抑制弧光接地過電壓造成的危害，我市配電網多采用中性點諧振接地系統，即中性點對地之間加裝消弧線圈以補償系統的接地電容電流。

為了有效應對與排除解決上述供電安全風險，通過綜合考慮，在現有的技術條件下采用加裝消弧線圈的方法與策略，其具體形式為在輸配電線路的兩段母線分別裝備兩臺或多臺消弧線圈[1-3]，然而該方法在現實應用與自動化控制方面存在一系列技術問題有待解決，主要為一般情況下在輸配電網絡中的消弧線圈均獨立運行，實現了實體與控制的隔離，無法進行有效的統一控制與調整，尤其是當10 kV系統母線并聯運行時，每段消弧線圈之間不能聯系，必須通過手動調檔才能保證補償效果，顯然不利于系統的安全運行。多臺消弧線圈的并聯運行控制成為迫切需要解決的現實問題。

2　多臺消弧線圈并聯運行

2.1消弧線圈并聯運行工作原理[4-6]

圖1為同一變電站諧振接地電網分段母線消弧線圈并聯運行故障的電流分布示意圖，清晰展示了在接地故障之下，分段母線消弧線圈的電流分布情況與相互關系，其中電容 為一簡化參數，表示該出線回路的總電容，同時為了簡化圖形關系與明確相互連接結構，本圖采用一條饋線代表所有未接地線路。同時本文在建模過程中，針對零序電流進行了簡化與抽象，由于線路或其他元件的串聯阻抗較小，對于整個模型與相關理論分析不產生決定性影響，因此在此處作出約定，不考慮串聯阻抗影響，各相對地電容和中性點的消弧線圈的電抗構成的回路直接決定接地故障電流。

圖1 并聯消弧線圈系統單相接地故障電流分布

圖2為圖1根據戴維南定理簡化、抽象后的電流分布示意圖，在本圖中，對地電容3C0遠遠大于線路阻抗，因此不考慮線路阻抗影響，現對圖中相關技術參數作出簡要說明如下：

C1：系統對地電容；

C2、C3、C4：正常線路電容；

圖2　等值電路

輸配電網絡及相關配套設備在正常工況下，所有電氣設備三相絕緣的運行環(huán)境、運行狀況和污穢情況均大致相同，因此忽略上述參數與技術條件差異帶來的影響，進而假定電氣設備三相對地泄露電阻或電相相等，即rA=rB=rC=r0和gA=gB=gC=rg0，那么

式(2)為中性點電壓計算的一般公式：

式(3)～式(7)為各線路電流計算一般公式：

根據電力系統暫穩(wěn)態(tài)相關理論與繼電保護原理，不難得知：消弧線圈單相接地故障與諧振接地電網同一變電站分段母線消弧線圈并聯運行故障從技術原理具有高度相似性。二者之間僅存在細微差異，即消弧線圈自身制造工藝的差異導致相同消弧線圈的電容等電氣參數存在細微差別，因此在并聯運行條件下，流經各消弧線圈的電感電流略有差異。通過上述分析可知，在發(fā)生接地故障時，中性點電壓直接決定了流進線路的零序電流，而故障線路接地電阻又直接影響中性點電壓，因此在制定并聯消弧線圈故障檢測與控制方案與技術路線時，必須全面考慮上述電氣特征的影響。

2.2消弧線圈并聯運行接地電流檢測

對地電容電流值是消弧線圈補償系統的最重要參考量。精確的接地電流檢測是發(fā)揮消弧線圈作用的首要前提，在現有條件下盡量提高檢測精度是一個非常重要的工作。

在單機消弧線圈正常工況下，中性點電壓和系統電流強度均可通過消弧線圈的電抗調節(jié)進行調整與控制，通過自動控制與遠程檢測裝置的計算與分析，可以由電氣參數變化量得到系統電容電流值。而多臺消弧線圈聯機工作時具有不同的工作地位與功能側重，一般情況下，選擇其中一臺消弧線圈作為主消弧設備，其余均為從消弧設備，通過上述設備的相互配合與協調工作共同完成相關電氣功能任務，而電容電流的計算與調整僅取決于主消弧線圈。

在上述理論分析與對比的基礎上，本文進行相關電氣系統建模，并作出如下約定：

（1）選擇消弧線圈L作為主消弧設備；

（2）選擇消弧線圈1、……、i、……、n(n為自然數)為從消弧設備；

（3）所有從消弧設備具有相同恒定的固定電抗值。

根據前文理論分析與假設約定，相較于單臺消弧線圈計算過程，本計算方法與過程較為負雜，現詳述如下。

圖3為系統零序回路示意圖，圖4為其簡化示意圖，各電氣參數說明如下：

Uo’、Uo1’、……Uoi’、……Uon’：各消弧支路的不平衡電壓；

R：成套主消弧設備電阻值；

L、L1、……Li、……Ln：消弧線圈；

Cs：簡化系統對地電容總值。

在并聯系統中，由于在并列運行的消弧系統的L1～Ln各從消弧線圈電感值維持恒定，通過調檔實現對主消弧線圈電感量的調整與控制，利用主消弧線圈控制器完成相關參數的采集、識別與計算，并最終得到系統電容電流。

圖3　多臺消弧線圈聯機運行零序回路圖

圖4　多臺消弧線圈聯機運行零序等效電路

圖5 多臺消弧線圈聯機運行等效戴維南電路

圖5虛線框內所示部分為將圖3中相應部分通過戴維南定理簡化后的等效電路圖，各電氣參數說明如下：

XCs：系統電容容抗；

XLp：從消弧線圈并聯感抗總值。

上述電氣參數滿足式（8）～式（11）所表示的數量與計算關系：

由圖5所示相互關系得到回路中的電壓相量關系式：

圖6為對地電容電流相量圖，各參數說明如下：

R：回路總電阻；

XL1：主消弧線圈調檔前電抗值；

XL2：主消弧線圈調檔后電抗值；

XP：并聯容抗絕對值；

U0：戴維南等效電路電源；

I11：調檔前主消弧線圈中性點電流強度值；

I12：調檔后主消弧線圈中性點電流強度值；

θ：調檔前后電流相位差。

根據相量圖（圖6）得到二元一次方程組：

聯立上述方程組和式(12)可以解出R、XP：

由方程式(10)、(14)可得方程：

圖6　簡化零序等效電路單位圓圖

對上述方程中各變量進行分析與帶入計算，得到XCs為唯一未知量，因此上述方程為一一元二次方程，通過數學方法計算得到XCs，進而利用前文所述相關方程與計算關系得到系統電容電流IC：

在中性點補償系統的分析中，將整個電網系統簡化為一個黑盒進行統一化處理，將其具體結構與設備組成按照主要功能簡化為唯一的典型三相對地電容，而忽略電網其他結構形式參數，如出線形式、環(huán)網結構、兩端供電形式以及鏈式結構等。

3　消弧線圈并聯運行控制策略

消弧線圈并聯運行的補償控制的主要工作是：檢測對地電容電流，對需要補償的容量在各個并聯運行中的消弧線圈之間進行合理分配，實現最佳調檔策略。

3.1消弧線圈并聯運行檔位控制

并聯運行的檔位選取，可根據不同需要制定不同策略。

（1）根據母線開斷情況，切換不同的并聯運行檔位。當兩組消弧線圈獨立運行、分別測量需要補償的電容電流時，即兩段母線所帶線路的電容電流由其自身補償時，確定檔位，母線斷開；母線閉合對于采用并聯方式連接的消弧線圈運行具有積極影響，因此出于維護系統穩(wěn)定性與可靠性的考慮，母線閉合的情況不做檔位調整。

（2）根據消弧線圈容量，制定并聯運行檔位。消弧線圈具有不同的容量，對于系統的運行與穩(wěn)定具有較大影響，同時直接決定了系統在補償過程中的運行檔位，因此綜合而言，必須根據設備（即消弧線圈）的自身性能與容量，針對性地調整運行檔位。調節(jié)過程主要分為兩種：其一，當母線閉合時，在系統所有的消弧線圈中選擇一臺進行調諧，而其他線圈不參與調諧過程，之后根據系統反饋與工作結果進行下一步控制動作；其二，當母線斷開時，安裝在不同母線上的兩臺消弧線圈實現實體隔離，運行工況獨立，在各自的線路上完成相應的調諧響應。該方法控制簡單、過程清晰，可以最大程度利用消弧線圈的容量與技術能力，但是對于補償電流的分配具有不利影響。

（3）在消弧線圈自身補償能力范圍內，兩條母線所裝備的消弧線圈各補償一半電容電流。本方法計算過程簡單、直觀，操作簡單，穩(wěn)定性高，可行性強，有利于輸配電網絡的管理與遠程控制。但是操作過程較為繁瑣，尤其是兼容性較差，例如在母線通斷的過程中，由于工作原理不同，必須采用不同的操作方式。

（4）以消弧線圈操作性為核心，與消弧線圈類型共同制定并聯運行檔位。按照現有的技術條件與制造能力，在我國輸配電網絡中裝備的主力消弧線圈類型為調容式與調匝式消弧線圈。相較于調匝式消弧線圈，調容式消弧線圈在調整過程中具有調節(jié)速度快、精度高、可靠性高的突出優(yōu)點，檢測方法也更有效、方便。綜合上述設備的運行特征與優(yōu)缺點綜合分析，一般情況下，調匝式消弧線圈作為固定補償容量，而調容式消弧線圈則作為調整配電網電容電流的主要設備。本方法適應性、操作性高，有效考慮了技術實現能力與經濟成本。

（5）根據不同消弧線圈的投入年限及壽命，制定并聯運行檔位。在運行過程中，由于日常損耗與環(huán)境污染，造成消弧線圈的工作性能必然存在一定程度下降，該影響不可忽略，因此對不同工作年限的消弧線圈需要有針對性地調整與應對。主要方法為：對于服役期較長、工作年限較長的消弧線圈分配較少的容量；相應地，工作年限較短的消弧線圈分配較多的容量，針對不同消弧線圈的工作能力進行有針對性地容量調整，有利于延長消弧線圈的服役壽期，但該方法補償策略繁瑣、不易操作是不可忽視的缺點。

3.2補償容量分配方法

從控制論角度而言，采用并聯運行方式的消弧線圈具有綜合程度極高的控制過程。該過程既需要制定數量眾多的消弧線圈相互配合模式，同時還要包含相同或不同配電站內部的信息管理與控制流程，綜合性與集成化程度較高。補償容量的分配是并聯運行的消弧線圈控制管理核心問題與關注焦點，尤其是在復雜系統中，采用有效方式避免多臺消弧線圈輪番調檔、循環(huán)動作更是重中之重。在生產實踐中，一般采用邏輯控制與狀態(tài)識別的方法解決不同消弧線圈的管理控制。在此基礎之上，再進行后續(xù)的容量分配與各消弧線圈檔位調整。以下為容量分配的三種主要控制方式，現詳述如下：

（1）統一分配控制方式。以系統中裝備的各個消弧線圈信息交互為前提條件，按照不同的配比對每個消弧線圈承擔的補償容量進行分配。

（2）自動并聯控制方式。按照自動控制原理，各消弧線圈獨立進行自身控制，較適合于多臺（3臺以上）消弧線圈并聯運行工作。

（3）主從并聯控制方式。系統接地電容電流的檢測、識別由主消弧線圈完成，而根據該測量結果以及各從消弧線圈容量，調整相應的調整范圍與調整容量。主從并聯控制方式在某些環(huán)節(jié)與統一分配控制方式是相似的。

4　天門山變電站仿真實驗

針對蕪湖天門山變電站而言，兩段10 kV母線的每段中性點均經消弧線圈接地，兩臺主變容量均為50 000 kVA。

分別以母線1，母線2所帶線路為研究對象，接地電阻維持定值10 Ω，補償度維持定值10%。在t＝0.1175 s時刻，對兩端母線分別進行A相單相接地，圖7為故障相三相電流，圖8為各相零序電流，圖9為A相電壓與系統零序電壓示意圖。

圖7　故障相三相電流

圖8　各相零序電流

圖9　A相電壓與系統零序電壓

仿真結果顯示：一段與二段母線工作情況存在較大差異，前者由于消弧線圈無法滿足10%的補償能力，因此事實上系統處于欠補償工況。在發(fā)生接地事故時，線路電容電流無法得到100%補償，進而導致接地殘留過大，同時殘留電流方向相反，極易造成輸配電線路諧振，對電網的安全運行帶來較大安全風險，甚至造成全電網解鏈。后者跟前者相類似，亦無法得到100%補償，但該欠補償是由于二段線路自身檔位原因造成，因此易于調整。在仿真中，當L取值為0.884H時，根據仿真結果，圖10為故障相三相電流，圖11為各相零序電流，圖12為A相電壓與系統零序電壓示意圖。

圖10　故障相三相電流

圖11　各相零序電流

圖12　A相電壓與系統零序電壓

仿真結果顯示：一段與二段母線工作情況存在較大差異，后者由于消弧線圈補償能力強，因此事實上系統處于過補償工況，在發(fā)生接地事故時，線路電容電流得到完全補償，接地殘留小，有利于系統的安全穩(wěn)定運行與電網安全。但該母線消弧線圈必然存在一定程度的容量浪費，經濟性較差。A相接地殘流明顯減少，滿足系統運行要求。

根據前文所述，由于一段母線消弧線圈補償能力不足、二段母線消弧線圈補償能力充盈，故將一段消弧線圈完全投入，而二段消弧線圈視實際情況按照某一比例投入補償，進而達到兩端母線的平衡。在該種工況下，根據仿真結果，圖13為一段、二段消弧線圈電流，圖14為一段、二段消弧線圈補償電流，圖15為各相零序電流，圖16為A相電壓與系統零序電壓，圖17為各項零序電流示意圖。

圖13　一段、二段消弧線圈電流

圖14　一段、二段消弧線圈補償電流

圖15　各相零序電流

圖16　A相電壓與系統零序電壓

圖17　各相零序電流

仿真結果顯示：當消弧線圈并聯運行時，通過一、二段的相互配合與補充完全可以解決單個消弧線圈容量不足的問題，滿足系統安全、高效運行條件，對于輸配電網絡整體安全運行、控制管理均具有積極作用。

5　結論與展望

該裝置已在蕪湖供電公司天門山變電站得到實驗和應用，消弧線圈可并聯運行，也可獨立運行，使用效果明顯。消弧線圈的順利并運有效解決了天門山變電站一段母線所帶消弧線圈無法全補償所帶線路電容電流的問題，提高了工作效率、節(jié)省了大量費用，對于保證電力系統配電網的安全運行提供了有效保障。

經過調查分析，發(fā)現該裝置存在的問題主要是檢測不夠準確，并運程序有待進一步完善。消弧線圈并聯運行方式能夠更廣泛地應用于現場，服務現場，提高配電網供電的可靠性。

[1]陳忠仁, 吳維寧, 張勤, 等. 自動調諧式消弧線圈的并聯運行方式[J]. 電力自動化設備, 2005, 22(7): 16-18, doi: 10.3969/ j.issn.1006-6357.2005.03.005.

[2]陳忠仁, 吳維寧, 陳家宏, 等. 自動補償消弧裝置并聯運行方式[J]. 高電壓技術, 2005, 26(3): 41-43, doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2005.03.018.

[3]劉味果, 李彥明, 何紅. 不同變電站自動跟蹤補償消弧裝置并列運行探討[J]. 高壓電器, 2008, 44(4): 338-341.

[4]李景祿, 李朝暉. 自動補償消弧裝置用于配電網若干問題的討論[J]. 高電壓技術, 2001, 27(6): 61-62, doi: 10.3969/j.issn.1003-6520.2001.06.026.

[5]陳忠仁, 吳維寧, 張勤, 等. 調匝式消弧線圈自動調諧新方法[J]. 高壓電器, 2005, 41(5): 75-78, doi: 10.3969/j.issn.1001-1609.2005.05.016.

[6]劉提. 配電網消弧控制策略與故障選線技術的研究[D]. 北京:華北電力大學(北京), 2010, doi: 10.7666/d.y1796780.

劉亞南(1966-)，上海交通大學電力系統及其自動化專業(yè)畢業(yè)，工學學士。清華大學企業(yè)管理研究生，高級工程師，現任國網蕪湖供電公司總經理。

E-mail: 15755330077@139.com

Technology of Parallel Connection of Arc-extinction Coils

LIU Ya-nan
(State Grid Wuhu Electric Power Supply Company, Wuhu, Anhui, 241200, China)

Arc-extinction coil running independently cannot be unified controlled. When the grounding fault occurs, perfect compensation effect cannot be achieved. Based on the combination of domestic and foreign advanced power application technology and practical experiences, the technology of the parallel connection of arc-extinction coils has been proposed to solve this situation. Firstly, this paper expounds the principle and the harm of grounding fault, and analyzes the theory and work flow of the parallel connection of arc-extinction coils on the basis of technical condition and operation experience. Meanwhile, the above principles and associated results are verified by simulation of using existing simulation software and related applications. Finally, the simulation result verifies the extreme validity and feasibility of the proposed scheme by comparison and analysis.

Arc-extinction Coil; Parallel Connection; Permittivity Current

O357

A

2095-8412 (2016) 05-996-07工業(yè)技術創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.046