消弧线圈在中压电网中的应用分析

消弧线圈在中压电网中的应用分析李 磊 云南大理供电有限公司 , 云南 大理 671000摘 要 随着电网的发展 , 大量电缆应用到配电网中 , 当系统发生单相接地故障时 , 电容电 流变大 , 威胁到电 网的安全、 稳定 运行。文章分析了电容电流的产生和危害及消弧线圈在非有效接地系统中应用的必要性 ; 阐述了消弧线圈的工作原 理、 容量选择等相 关问题 ; 对各类型消弧线圈的优缺点进行了分析。关键词 消弧线圈 ; 电容电流 ; 接地变压器 ; 自动调谐中图分类号 TM727 2; TM712 文献标识码 B 文章编号 1006- 39512008 06- 0089- 05目前 , 我国的 6 35 kV 的电网多为非有效接地系统。早期供电网络结构比较简单 , 系统不大 , 输电线以架空线为主 , 由于雷击、 树木和大风等因素的影响 , 单相接地故障是配电网中出现概率最大的一种故障 , 且这种故障往往是可恢复性的故障 , 由于非有效接地系统的中性点不接地 , 即使发生单相金属性永久接地或稳定电弧接地 , 仍能不间断供电 , 这是这种电网的一大优点 , 因此对供电的可靠性起到了积极的作用。但随着供电系统的不断完善 , 电缆线路的增加 , 配电网的接地电容达到一定数值后 , 配电网的供电可靠性将受到威胁 1 。首先 , 当配电网发生单相接地、 接地电流较大、 电弧很难熄灭时 , 可能发展成相间短路 ; 其次 , 当发生间歇性弧光接地时 , 易产生弧光接地过电压 , 从而波及到整个配电网。为了解决这些问题 , 在配电网中性点装设消弧线圈是一项有效的措施。1 电容电流的产生及危害1 1 供电系统对地存在电容任何导体对地间均存在电容 , 电力设备的对地电容值在整个供电系统的电容 总量中所占比 例很小 , 对系统的影响不大。输电线路和配电装置母线对地产生的电容对电力系统的影响很大 , 其大小与输电线路的截面、 材质、 长度及周围介质有关。1 2 电容电流的产生由于供电系统对地有电容存在 , 因此 , 在供电系统带电运行时 , 就会通过对地电容而产生电容电流 ,其大小与系统电压、 线路长度成正比。一个系统中总的电容值是该系统输电线路、 配电装置母线及母线设备对地电容、 系统中其它需经电容器组接地的电容值的总和。正常运行情况下 , 供电系统三相对地电容电流值基本相等 I A I B I C , 且三项向量相加和为零 , 故影响很小。只在供电系统发生单相接地短路时 , 其危害才表现出来。1 3 电容电流的危害中性点不接地系统发生单相接地故障时电容电流的分布状况和向量关系如图 1 a 、 b 所示。 a电流分布 b 向量关系图 1 中性点不接地系统单相接地的电流分布和向量关系图由图 1 可知 , 发生单相接地故障时 , 流经接地相接地点的电流属于容性电流。供电网络越大 , 电容值越大 , 则电容电流越大。电容电流的主要危害有 可能使接地点电弧不能自行熄灭 , 引起弧光接地过电压 , 可能烧坏附近电缆 , 造成大面积停电 , 进而扩大事故 ; 导致另外两非接地相产生很高的过渡过电压 , 从而引起系统内部过电压 , 可能造成系统绝89第 24 卷第 6 期云南水力发电YUNNAN WATER POWER收稿日期 2008- 07- 25作者简介 李 磊 1977- , 女 , 云南大理人 , 助理工程师 , 主要从事电力调度工作。缘薄弱处击穿 ; 电弧不能自行很快熄灭 , 引起供电系统电磁能强烈振荡 , 中性点偏移 ; 在发生单相接地故障时 , 非接地相对地电压升高为相电压 3倍 , 引起系统过电压。2 消弧线圈应用的必要性单相接地电容电流对电网的危害早在 20 世纪初即为人们所重视 , 德国人于 1919 年左右提出了中性点经消弧线圈接地的方式。前已提及 , 我国目前 10 kV、 35 kV 城乡 配电网络多为非有效接地系统 , 由于早期供电网络结构比较简单 , 系统不大 , 输电线以架空线为主 , 单相接地故障是配电网中出现概率最大的一种故障。由于小电流接地系统的中性点不接地 , 即使发生单相金属性永久接地或稳定电弧接地 , 仍能不间断供电。随着供电系统的不断完善 , 电缆线路的增加 , 配电网的接地电容及电流将愈来愈大 , 单相接地故障必将影响到配电网的供电可靠性及威胁运行机组的安全稳定性 , 从而波及整个电网。运行经验证明 , 当单相接地电流大于 10 A 时 ,电弧就可能使故障发展成相间故障 , 造成事故跳闸。目前 , 根据计算和实测结果 , 一般配电网系统单相接地电流都已远大于 10 A, 所以减少单相接地的电容性电流已成为保证供电可靠性的一个重要课题。运用消弧线圈补偿容性电流 , 是成熟的常用方法 , 采用中性点经消弧线圈接地的系统 , 可使接地处的电流减少 , 这也就减少了单相接地时产生的电弧和由它发展为多相短路的可能性。尤其在瞬间接地时 , 因为电弧可以很快的熄灭 , 线路可不被断开 , 提高了系统运行的稳定性 2 。由此可知 , 消弧线圈有两个作用 , 一是大大减小故障点接地电流 ; 二是减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度。消弧线圈应接于系统中性点上 , 电力系统中性点实际上是发电机和变压器的中性点。3 消弧线圈的工作原理消弧线圈是 1 台带有间隙的分段铁芯的可调电感线圈。其伏安特性对于无间隙铁心线圈来说是不易饱和的。消 弧线圈的铁心和 线圈均浸在绝 缘油中 , 外形与单相变压器相似。以 A 相接地为例 , 图 2 所示为补偿电网单相接地故障示意图 , 其中 gx 、 L x 分别表示消弧线圈的电导和电感 , g1 、 g2 、 g 3 分别 代表三相 对地电导 , C1、C2 、 C3 分别代表三相对地电容。图 3 为单相接地的等值电路图 , 其中的 I d 为接地点 D 处的接地电流。图 4 为单相接地向量图 , 其中的 I C 为电网的电容电流 , I L 为消弧线圈的补偿电流。由于消弧线圈是一个电感元件 , 因此向量图中的 I C 和 I L 为方向相反的电流。图 2 配电网单相接地示意图图 3 单相接地等值电路图 图 4 单相接地向量图如忽略导纳的影响 , 根据以上分析可以得出 I d的数值 I d j C1 C2 C3 - 1LX UA I C I L式中的电流值均为向量 , 由此可得 I d C1 C2 C 3 - 1LX UA当 I d 0 时 , 电网电容电流全部被消弧线圈所补偿。消弧线圈的脱谐度 v 是表征偏离谐振状态的程度 , 可以用来描述消弧线圈的补偿程度。v I C - I LI C100式中 I C I L 但另一方面 , 脱谐度的减小会使消弧线圈分接头数量增多 , 增加设备的复杂程度 , 还会使有载调节开关频繁动作 , 降低设备运行的可靠性。运行经验表明 , 脱谐度不大于 5 就能很好地灭弧、 维持较理想的残余电流和恢复电压的上升速度。DL T 620 Ubd v Un I C 二是根据配电网参数来估算。估算电容电流主要包括有电气连接的所有架空线路、 电缆线路、 变压器以及母线和电器的电容电流。架空线路的电容电流近似估算公式 无架空地线 I C 2 7 Ue L 10- 3有架空地线 I C 3 3 Ue L 10- 3式中 L I C Ue I C Ue 所以接入此类接地变压器的消弧线圈的容量不应超过变压器容量 的 20 。为 满足消弧线圈接地补偿的需要 , 同时也满足动力与照明混合负载的需要 , 可采用Z 型接线的变压器 , 即 ZN, ynl1 连接的变压器。由于变压器高压侧采用 Z 型接线 , 每相绕组由两段组成 ,并分别位于不同相的铁心柱上 , 两段线圈反极性相连 , 零序阻抗非常小 , 空载损耗低 , 变压器容量 95被利用 , 并能够调节电网的不对称电压。可见 , Z 型接线的变压器作为接地变压器是较好的选择 3 。5. 2 容量的选择接地变压器的容 量应与消弧线圈的容量相配合。当接地变压器只带消弧线圈 , 无二次负载时 , 接地变压器的容量与消弧线圈的容量相等即可。当接地变压器除带消弧线圈外 , 还兼作所用变压器使用时 , 接地变压器的容量应大于消弧线圈的容量 , 具体91李 磊 消弧线圈在中压电网中的应用分析大多少应根据接地变压器二次侧的容量来定。系统单相接地时 , 流过接地变压器的电流是零序电流与二次负荷电流的矢量和。6 消弧线圈的分类及比较消弧线圈分为固定补偿的人工调匝式消弧线圈和能跟踪电网电容电流自动调谐的消弧线圈 4 。6. 1 人工调匝式固定补偿消弧线圈的缺点随着国民经济的发展 , 某些城市的配电网已改变了过去以架空线为主的局面 , 而以电缆线路为主。同时一些新型设备 , 如结构紧凑的封闭式 SF6 开关柜 , 交联聚乙烯电缆以及氧化锌避雷器等得到广泛的应用 , 对原有离线手动调节消弧线圈的应用起到一定的制约 , 其主要表现在 1 调整频繁 , 操作繁琐。采用中性点经消弧线圈接地 , 在改变运行方式切合线路时 , 电容电流变化大 , 需要及时调整消弧线圈档位 , 调整次数多 , 而且操作需离线进行 , 操作麻烦。2 脱谐度测量困难。传统电容电流的 测量采用单相金属接地法或中性点外加电容法 , 测量时需要改变一次设备 , 而且具有一定的冒险性 , 要花费很大的人力和物力 , 测量困难大 , 所以配电系统一般很少测量脱谐度 , 平时只是估算运行 ;3 调谐不当易产生谐振电压。采用中 性点经消弧线圈接地方式 , 其 工频过电压、 弧光接地 过电压、 各种谐振过电压的幅值都很高 , 持续时间长 , 对设备绝缘和间隙氧化锌避雷器的安全运行具有严重的威胁 ;4 部分引进电气设备不适合消弧线圈的运行。近年来引进的不少国外电气设备 , 有些是只适用于中性点有效接地配电网 , 其绝缘耐受的电压比我国的相应电压等级低 , 这些设备在我国非有效接地配电网中运行是不安全的 , 易发生绝缘事故 ;5 继电保护动作困难。采用中性点经 消弧线圈接地方式 , 零序电抗 与正序电抗的比值 大 大于4 5 。单相接地电流往往比正常接地电流少很多 ,零序滤波器的不平衡电流相差不多 , 因而很难用普通的方向继电器来判断故障线路 , 这给继电保护带来一定困难。由此可见 , 原有离线手动调节消弧线圈制约了中性点经消弧线圈接地 谐振接地 方式的应用。只有快速、 准确、 自动的消弧线圈系统才能达到良好的消弧补偿效果 , 研究此类消弧线圈是实现配电网自动化、 提高供电质量的重要措施。6. 2 自动调谐的消弧线圈消弧线圈的补偿效果与其脱谐度有很大关系 ,调谐适当的消弧线圈才能达到理想的效果。而电网随时会发生变化 , 单相接地电容电流也会随之变化 ,这就需要人们根据电网的变化来调整消弧线圈的补偿电流。这种工作不仅比较繁琐 , 而且在很多场合下人工很难及时准确地调谐消弧线圈。所以实现消弧线圈的自动调谐非常必要。目前我国自动跟踪补偿装置分为两种模式 随动式补偿系统和动态补偿系统。按改变电感方法的不同 , 自动调谐消弧线圈分为三类 , 即调匝式、 调气隙式及直流偏磁式。1 调匝式可控消弧线圈 调匝式属于随动式补偿系统。调匝式消弧线圈靠改变绕组的线圈匝数来改变电感 , 电感量与匝数的平方成比例。因此其电感不连续可调。它是技术上最成熟的 , 也是目前使用最多的一种可控消弧线圈。其主要缺点是调节速度慢 , 有载开关每切换一档需十余秒钟 , 另外由于有运动部件 , 可靠性差 , 使用寿命短。2 调气隙式消弧线圈 调隙式属于随动式补偿系统。这种消弧线圈的工作原理是靠移动插入线圈内部的可动铁 心来改变磁导率从而改 变线圈电感的。从理论上讲这种消弧线圈的电感可连续调节 ,但实际上因为机械的惯性和电机的控制精度问题在工程中做不到。其主要缺点是精度不高 , 可靠性差 ,响应慢 , 动作时间取决于可动铁心的移动时间 , 可至数十秒钟。在额定电压下消弧线圈噪音较大且铁心不可调节 因为此时静动铁心间电磁力很大 。3 直流偏磁式消弧线圈 该装置属于动态式补偿系统。这种消弧线圈的工作原理是利用附加直流励磁磁化铁心 , 改变铁心磁导率 , 实现电感量连续变化。这类消弧线圈的结构有多种 , 按照励磁方式的不同 , 可分为励式和自励式两种。他励式又可分为横向励磁、 纵向励磁和纵横向励磁三种类型 , 具体实现方案有多种。直流偏磁式消弧线圈是一种可连续调节电感的消弧线圈 , 内部为全静态结构 , 无运动部件 , 工作可靠性高。其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。其补偿电流上下限之比可达到 61, 是一种很有发展前途的消弧线圈。7 结束语随着电网的发展 , 大量电缆应用到配电网中 , 当系统发生单相接地故障时 , 电容电流变大 , 威胁到电网的安全、 稳定运行。92 云南水力发电 2008 年第 6 期采用中性点经消弧线圈接地的系统 , 可使接地处的电流减少 , 这也就减少了单相接地时产生的电弧和由它发展为多相短路的可能性。固定补偿的人工调匝式消弧线圈已满足不了电网安全的要求 , 随动式和动态式自动跟踪补偿装置将为电网的安全运行提供可靠的保证。具有自动跟踪补偿功能的消弧线圈接地的接地方式目前在城市供电网中使用的比较多。采用自动跟踪补偿的消弧线圈 , 可以将电容电流补偿到残流很小 , 使瞬时性接 地故障自动消除 而不影响供电。如果配有自动选线装置 , 对于永久性故障能正确选出故障线路并跳闸 , 则可不影响其他非故障线路的正常运行 , 是比较合理和很有发展前景的中性点接地方式。参考文献 1 黄东平 . 消弧线圈接地装置及其在变电站设计中的应用 J . 继电器 , 2005,33 12 36- 38.2 要焕年 , 曹梅月 . 电力系统 谐振接地 M . 北 京 中国 电力出 版社 , 2000.3 李润光 . 中压电网系统接地实用技术 M . 北 京 中国电力出 版社 , 2001.4 李敬伟 . 消 弧线 圈的 作用 及国 内 应用 现状 比较 J . 轻金 属 ,2006, 5 70- 73.上接第 71页 脆性转变温度、 磁粉与超声波探伤报告、 叶片铸件缺陷图及记录、 缺陷焊补记录 包括焊工资证、 焊接材料、 探伤种类 、 再次探伤报告和叶片型线尺寸检验记录。 叶片精铣检验资料包括 叶片加工见证、 叶片精铣后探伤、 叶片缺 陷图及记录、 缺陷焊补 记录包括焊工资证、 焊接材料、 探伤种类 、 缺陷修补后PT、 MT 报告、 缺陷修补后最终 UT 报告、 叶片进水边型线检验及记录、 叶片六点厚度检验及记录、 叶片出水边型线检验及记录、 叶片称重及记录和叶片形线检测报告。4 对上冠、 下环验收见证资料的确认 , 由现场监理工程师完成。资料包括 炉前材料证明 包括化学成份、 机械性能等 ; 热处理报告及曲线 ; 热处理后性能试验 包括化学成份、 机械性能等 ; 冲击功 ; , 脆性转变温度 ; - 磁粉与超声波探伤报告 ;. 上冠和下环铸件缺陷图及记录 ; / 缺陷焊补记录包括焊工资证、 焊接材料、 探伤种类 ; 0 再次探伤报告 ; 1 上冠和下环尺寸检验记录。5 对上冠和下环进行 UT、 PT 检验和尺寸检验 ,对叶片进行 UT、 PT 检验 , 由现场监理工程师完成。6 焊接前对组装转轮进行尺寸检验 , 由业主及现场监理工程师完成 , 也可邀请部分专家参加。内容参见图纸 , 主要尺寸有转轮高度 应考虑焊接收缩量 、 直径、 开口、 进口截距、 进口角、 出口角等。7 焊接过程中的各焊接参数 , 转轮主要尺寸的监测及焊缝缺陷处理见证 , 转轮焊接过程中的消氢见证 , 由现场监理工程师完成。8 转轮焊接完后 , 退火前的 UT、 PT 检验及缺陷处理见证 , 由现场监理工程师完成。9 转轮退火见证 包括退火炉温度控制精度、转轮温度测点布置及热处理曲线见证等 , 由现场监理工程师完成。10 转轮退火后 UT、 PT 检验 , 开口、 出口角、 进口截距、 进口角检验。过流面表面粗糙度、 波浪度检验、 残余应 力测试等 , 由 业主及现场监 理工程师完成 , 可邀请部分专家参加。11 转轮精加工尺寸检验 , 内容参见转轮图纸及转轮检验表 , 主要有上冠、 下环、 止漏环直径 注意应确保与顶盖 , 底环、 止漏环的间隙 、 转轮高度、 上冠法兰止口尺寸、 联轴销套孔尺寸、 表面粗糙度等 ,由业主及现场监理工程师完成 , 可邀请部分专家参加。12 转轮静平衡 , 转轮制造最终验收及质量评估。验收前由业主组建验收专家组 , 专家组根据合同和图纸、 IEC 标准及 GB 标准等 编制转轮 验收大纲 , 由专家组及业主、 现场监理工程师对转轮进行最终验收。糯扎渡电站地下工程施工进入高峰期最近 , 糯扎渡电站地下厂房运输洞开挖完成 , 转入 混凝土施工 , 加上先 期 6号施工支洞和尾水隧洞实现贯通 , 目前主厂房内 主要施工通道 已经全 部打通 ,施工通道实现了串联 , 多个工作面同时施工的格 局已形成 , 这标志着 引水发 电系统已进入到施工高峰期。进入四季度以来 , 糯扎渡电站引水发电系统工程施工进度不断加快。引水压力 管道上平段开挖 9月底全部完成后 ,下平段、 竖井段的开挖紧张进行 ; 主 厂房第 五层开挖 11 月初完成 , 第六层开挖有 望在年底前完成 ; 主变室正进行第 三层开 挖 ; 母线洞、 尾水支洞开挖也已经全面展开 ; 工期较紧的尾水系统压力大大缓解 , 施工环境明显改善 , 施工组织已步入正轨。 摘自 云南省水力发电工程学会简报 总第 118期 93李 磊 消弧线圈在中压电网中的应用分析