中壓配電網(wǎng)消弧線圈分布式補(bǔ)償?shù)姆抡嫜芯?/h1>

2018-04-19 03:21:12嚴(yán)倚天趙志剛嚴(yán)浩軍

浙江電力訂閱 2018年3期 收藏

關(guān)鍵詞：出線弧線中性點(diǎn)

嚴(yán)倚天，趙志剛，嚴(yán)浩軍

（1.沈陽工程學(xué)院，沈陽 110000；2.國網(wǎng)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(wǎng)基本采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地，簡稱小電流接地系統(tǒng)[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，出線電纜化進(jìn)程也不斷加快，從而導(dǎo)致了小電流接地系統(tǒng)對地電容電流急劇增加[2]。小電流接地系統(tǒng)單相接地，當(dāng)接地點(diǎn)電流超過10 A時，其自熄弧能力受到限制，將產(chǎn)生弧光接地過電壓[3]，進(jìn)而導(dǎo)致電纜頭爆炸、開關(guān)柜燒毀等一系列事故[4－5]。因此，近20年來，中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式一直是電力技術(shù)人員和學(xué)者持續(xù)關(guān)注和討論的熱點(diǎn)。整治急劇增加的電容電流一般有2種方案，一是將配電網(wǎng)中性點(diǎn)改成低電阻接地方式；二是配置適當(dāng)容量的消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)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(guī)劃區(qū)域，則是一種理想選擇[6]；若是老配電區(qū)域，或因設(shè)備改造難度大，或因配電區(qū)域聯(lián)絡(luò)線眾多而難以實(shí)施[7]。實(shí)際工作中，遇到的大多是非規(guī)劃新區(qū)，既有架空出線又有電纜出線，或是二者混合的配電區(qū)域，其不斷增加的電容電流只能采取消弧線圈補(bǔ)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(diǎn)和棘手問題。鑒于此，結(jié)合寧波電網(wǎng)的整治經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)討論中壓配電網(wǎng)的消弧線圈分布式補(bǔ)償問題。

1 消弧線圈補(bǔ)償原理

設(shè)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相金屬性接地（如圖1所示），以UA為參考相量，中性點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)成回路，近似考慮三相線路對地電容相等，則等于是系統(tǒng)對地電容電流，亦即故障點(diǎn)的電容電流），負(fù)號表示與參考方向相反。產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生的流過接地故障點(diǎn)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(shù)值上是相等的，因此，可以用串聯(lián)等效電路模型來分析系統(tǒng)的電容電流[9]。當(dāng)消弧線圈接入中性點(diǎn)以后（見圖2），A相通過消弧線圈和接地點(diǎn)形成回路，產(chǎn)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(fù)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(tǒng)感性電流，亦即流過故障點(diǎn)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(diǎn)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(chǎn)生的電感電流能補(bǔ)償故障點(diǎn)的電容電流。具體補(bǔ)償程度取決于消弧線圈當(dāng)前感抗的大小。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)單相接地時的相量關(guān)系見圖3。

圖2 消弧線圈補(bǔ)償原理圖示意

圖3 消弧線圈補(bǔ)償相量

2 消弧線圈配置存在的問題

按照有關(guān)規(guī)定[5，10]，中壓配電網(wǎng)對地電容電流大于10 A時，中性點(diǎn)應(yīng)加裝消弧線圈接地，使補(bǔ)償后單相接地殘流小于10 A，以有效抑制弧光過電壓的產(chǎn)生。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地具有許多優(yōu)點(diǎn)[11]，目前已在我國中壓配電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用，但隨著系統(tǒng)電容電流的增大，實(shí)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(wǎng)電纜化率的增加，單相接地電容電流超過10 A，按照有關(guān)規(guī)程需增加消弧線圈補(bǔ)償，然而變電站內(nèi)已沒有合適的安裝地點(diǎn)，使消弧線圈增裝項(xiàng)目實(shí)際難以實(shí)施。

（2）近年來，配電線路電纜化率超過規(guī)劃預(yù)期，部分投運(yùn)時間并不太久的變電站已發(fā)生消弧線圈容量不足，按規(guī)程規(guī)定必須增容。然而消弧線圈增容是一個比較復(fù)雜的問題，傳統(tǒng)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(cè)為三角形接線的系統(tǒng)，中性點(diǎn)往往從所用變壓器高壓側(cè)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(shí)施難度也大[12]。

3 消弧線圈分布式補(bǔ)償方案

第2節(jié)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(nèi)的消弧線圈需要增容。對此，考慮站外實(shí)施補(bǔ)償，可從無功功率的分散補(bǔ)償?shù)玫絾l(fā)，探討消弧線圈分布式補(bǔ)償?shù)目尚行浴榇?，重點(diǎn)研究以下幾種情況：

（1）集中補(bǔ)償消弧線圈由變電站內(nèi)移至站外方式。

（2）消弧線圈在變電站內(nèi)集中補(bǔ)償加出線分布補(bǔ)償方式。

（3）消弧線圈在變電站內(nèi)集中補(bǔ)償加故障線路和正常線路分布補(bǔ)償方式。

4 消弧線圈分布式補(bǔ)償仿真分析

4.1 系統(tǒng)接線

設(shè)某220 kV變電站系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示，當(dāng)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(tǒng)接線拓?fù)?/p>

4.2 線路參數(shù)

35 kV線路電纜采用YJV22－3×300交聯(lián)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(shù)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(jì)算

表1 35 kV YJV22-3×300交聯(lián)聚乙烯電纜線路單位參數(shù)

表2 35 kV出線電纜長度及對地電容電流

系統(tǒng)單相金屬性接地時，按以下幾種情況，用MATLAB軟件開展仿真計(jì)算：

（1）中性點(diǎn)不接地。

（2）變電站所用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。

（3）35 kV出線L1末端經(jīng)消弧線圈接地。

（4）變電站所用變壓器中性點(diǎn)、35 kV出線L4末端分別經(jīng)消弧線圈接地。

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

4.3.1 中性點(diǎn)不接地

仿真得到35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相金屬性接地時流過接地點(diǎn)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(diǎn)的電容電流幅值為44 A，其有效值為=31 A。

圖5 35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相接地時的接地點(diǎn)電流波形

4.3.2 變電站所用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

圖6 消弧線圈變電站集中補(bǔ)償示意

圖7 MATLAB軟件35 kV A相接地仿真模型

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

圖8 A相接地時由中性點(diǎn)O流經(jīng)消弧線圈的電流波形

圖9 A相接地時經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后的接地點(diǎn)殘流

接地點(diǎn)殘流為由中性點(diǎn)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(diǎn)不接地系統(tǒng)A相接地時，接地點(diǎn)由大地流入A相的電容電流。由此可知，此時接地點(diǎn)殘流應(yīng)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(tǒng)一校正）。分析圖5和圖8，2條電流曲線數(shù)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(diǎn)不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)電流31 A相比，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地后，故障點(diǎn)電流被控制在（有效值）， 小于10 A且呈感性，滿足有關(guān)規(guī)程對消弧線圈補(bǔ)償?shù)囊骩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(nèi)集中補(bǔ)償?shù)南【€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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生A相單相接地時，仿真得到流經(jīng)消弧線圈的電流波形及接地點(diǎn)殘流波形，與消弧線圈經(jīng)變電站所用變壓器中性點(diǎn)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(bǔ)償方式也可在變電站外部實(shí)施。

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

設(shè)此時在原35 kV出線L1，L2，L3的基礎(chǔ)上新增出線L4，電纜長度見表2。變電站集中補(bǔ)償消弧線圈容量仍為1 000 kVA，L4增加電容電流10.1 A，相應(yīng)需增配消弧線圈容量=204 kVA，取整數(shù)考慮在L4線路末端加裝容量350 kVA的固定式消弧線圈。設(shè)35 kV出線L1的A相接地，系統(tǒng)接線如圖11所示，仿真測得相關(guān)電流見表3。由表3可知，接地點(diǎn)殘流呈感性，有效值為1.2 A，滿足有關(guān)規(guī)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(bǔ)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(jié)果基本相等，也滿足有關(guān)理論計(jì)算?？梢?，接于線路L4末端的固定式消弧線圈起到了補(bǔ)償作用。

圖11 消弧線圈變電站集中補(bǔ)償加出線L4分散補(bǔ)償示意

表3 消弧線圈變電站集中補(bǔ)償加L4分布補(bǔ)償后的仿真電流

4.3.5 變電站所用變壓器中性點(diǎn)及35 kV出線L4和L5末端分別經(jīng)消弧線圈接地

在4.3.4的基礎(chǔ)上再增加出線L5，設(shè)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(yīng)增配消弧線圈容量kVA，在L5末端再加裝300 kVA消弧線圈。假設(shè)此時線路L4單相接地，系統(tǒng)接線如圖12所示。仿真得到有關(guān)電流見表4。由表4可知：接地點(diǎn)殘流呈感性，有效值為1.7 A，滿足有關(guān)規(guī)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(bǔ)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(bǔ)償作用。

圖12 消弧線圈變電站集中補(bǔ)償加L4和L5分散補(bǔ)償示意

表4 消弧線圈變電站集中補(bǔ)償加出線L4和L5分布補(bǔ)償后的仿真電流

4.4 仿真結(jié)果分析

分析上述仿真結(jié)果可知：

（1）消弧線圈的集中補(bǔ)償既可在變電站內(nèi)實(shí)施，也可在變電站外實(shí)施。

（2）消弧線圈也可在變電站外的出線上進(jìn)行分散補(bǔ)償。

（3）由上述2條可進(jìn)一步推得，系統(tǒng)對地電容電流的感性補(bǔ)償具有區(qū)域效應(yīng)，即如果運(yùn)行方式允許，可在同一小電流接地系統(tǒng)內(nèi)的合適位置進(jìn)行補(bǔ)償。

雖然消弧線圈的站外補(bǔ)償與站內(nèi)補(bǔ)償具有同樣效果，但站外補(bǔ)償必須考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。如接于線路，當(dāng)線路退出運(yùn)行時就無法起到補(bǔ)償作用。因此當(dāng)消弧線圈外接于線路時，一般考慮補(bǔ)償本條線路電容電流。另外，既然系統(tǒng)電容電流的感性補(bǔ)償具有區(qū)域效應(yīng)，那么當(dāng)變電站及其出線無法實(shí)施時，還可在同一系統(tǒng)的配電網(wǎng)開閉所、環(huán)網(wǎng)站等處實(shí)施，這就為消弧線圈的靈活補(bǔ)償提供了諸多便利。

消弧線圈在變電站外的分布補(bǔ)償方式，已在寧波海曙和鄞州配電網(wǎng)試點(diǎn)應(yīng)用，效果良好。從寧波電網(wǎng)消弧線圈的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)看，對地電容電流的消弧線圈補(bǔ)償以變電站就地集中補(bǔ)償加周邊分布式補(bǔ)償方式為佳。

5 結(jié)論

（1）消弧線圈的電容電流補(bǔ)償具有區(qū)域效應(yīng)，推薦以變電站集中補(bǔ)償為主，周邊分布補(bǔ)償為輔的建設(shè)方案，并建議供電部門在規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)的同時，作好消弧線圈補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一規(guī)劃工作。

（2）如果變電站內(nèi)因某種原因無法實(shí)施消弧線圈的集中補(bǔ)償，也可在同一配網(wǎng)系統(tǒng)的變電站外實(shí)施，后者同樣能起到補(bǔ)償作用。

（3）當(dāng)變電站內(nèi)消弧線圈增容困難時，可在有關(guān)出線上采用分布式補(bǔ)償方式增容。

（4）上述結(jié)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(tǒng)。

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