浅析消弧线圈在电网中的应用

浅析消弧线圈在电网中的应用[ 摘 要 ] 文章通过对 10kV、 35kV 配电网中电容电流的分析，阐述了消弧线圈在城乡配电网中的应用必要性，并从消弧线圈的工作原理、容量选择、接地变的选择等方面进行了说明。[ 关键词 ] 消弧线圈、电容电流、接地变压器目前的 10kV、 35kV 的城乡配电网络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。首先，当配电网发生单相接地时，接地电流较大，电弧很难熄灭，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 消弧线圈在配电网中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。其伏安特性组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。图 1 配电网单相接地示意图图 1 所示为补偿电网单相接地故障示意图， 其中 gx、 Lx 分别表示消弧线圈的电导和电感， g1、 g2、 g3 分别代表三相对地电导， C1、 C2、 C3分别代表三相对地电容，消弧线圈电感为 Lx。 图 2 为单相接地的等值电路图， 其中的 Id 为接地点 D处的接地电流。 图 3 为单相接地相量图， 其中的 Ic 为电网的电容电流， IL 为消弧线圈的补偿电流。 由于消弧线圈是一个电感元件， 因此相量图中的 Ic 和 IL 为方向相反的电流。如忽略导纳的影响，根据以上分析可以得出 Id 的数值。注 : 式中的电流值均为相量当 Id=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。脱谐度数值的选取应适当。一方面，脱谐度的减小不仅能减小单相接地弧道中的残流，还可以降低恢复电压的上升速度，从这一角度来看，脱谐度越小越好 ; 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/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定 : 消弧线圈接地系统， 在正常运行情况下， 中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的 15%，消弧线圈宜采用过补偿运行方式。目前的自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或很小的脱谐度， 主要是由于在消弧线圈的一次回路中串入了大功率的阻尼电阻，降低中性点电压的幅值， 使之达到相电压的 5%～ 10%。 因为如果当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时，即在谐振时中性点电压限制在允许值以下，就可实现全补偿方式，这是残流为最小的最佳工作方式。所以，可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻，增大阻尼率的措施来达到。由下式可知 : 式中 : d ——阻尼率 ( 一般对 35Kv 及以下架空线路取 5%，电缆线路取 2— 4%); Ubd——中性点不对称电压，一般取 0.8%相电压， kV; v——消弧线圈的脱谐度。中性点位移电压 U0与电网的不对称电压 Ubd、消弧线圈的脱谐率 v 及电网的阻尼率有关，当电网形成后其不对称电压基本是个固定值，消弧线圈的脱谐率 v 为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生，要求达到± 5%以内，那么只有改变阻尼率 d 才能改变位移电压，因此应当在消弧线圈回路串入电阻，保证阻尼率，控制中性点位移电压。在低压电网中由于中性点不对称电压很小，为提高测量精度采用特制的中性点专用互感器，提高检测灵敏度。2 消弧线圈容量的选择消弧线圈容量应主要根据系统单相接地故障时电容电流的大小来确定，并应留一定裕度，以适应系统今后的发展和满足设备裕度的要求等。消弧线圈的容量可按下式确定 : 实测值为依据 ; 对于新建工程， 则应根据 10kV配电网络的规划、 设计资料进行计算。作为消弧线圈接地装置选择的第一步应该是确定配电网的电容电流，有两种方法 : 一是进行实际测量，利用中性点外加电容法，增量法等，可以比较有效的将电容电流测出来，且对系统没有任何影响 ; 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 : 注 : 同杆双回线路的电容电流为单回路的 1.3 — 1.6 倍。电缆线路的电容电流近似估算公式 : 上述公式主要适用于油浸纸电力电缆，对于目前采用较多的交联聚乙烯电缆，其每 km的对地电容电流根据制造厂提供的参数比油浸纸电力电缆的大 20%左右。下面的算例是我们在实际工作中对上述内容的应用。新疆乌鲁木齐市一钢铁厂 110kV变电站为比较典型的用户站，该站规模为 : 2台 110kV/35kV/6kV， 40MVA变压器； 110kV 部分为桥型接线 ; 35kV、 6kV 部分均为单母线分段接线 ; 35kV 出线 6 回，均为架空线，且线路非常短（在厂区之内） ; 6kV出线 16 回， 分别接在 2 段母线之上。 在 6kV 两段母线上分别装 1 套接地变压器加消弧线圈，出线均采用电缆，业主提供每段母线所接的电缆长度资料为 : VLV22-240 ，15km; VLV22-120， 16km; VLV22-35， 10km。根据电缆得长度选择消弧线圈的容量。根据计算公式（ 10）计算 VLV22-240电缆的单位电容电流 (A/km) 采取相同的计算方法得到 VLV22-120电缆的单位电容电流为 1.12459(A/km); VLV22-35电缆的单位电容电流为 0.4829(A/km) 。根据业主提供的电缆长度可以得出一段母线上所接电缆的电容电流数 : 根据上述计算，消弧线圈的容量选择为 200kVA。3 接地变压器的选择3.1 使 Z 型接线变压器作为接地变压器消弧线圈接入系统必须要有电源中性点，在其中性点上接入消弧线圈，当发生单相接地时，流过变压器的三相同方向的零序磁通，经过油箱壁绝缘油及空气等介质形成闭合的回路，在油箱铁心等处产生附加的损耗，这种损耗是不均匀的，必然要形成局部过热，影响变压器的正常运行和使用寿命。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， yn11 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 ; 变压器容量可以 95%被利用 ; 并能够调节电网的不对称电压。 由此可见， Z 型接线的变压器作为接地变压器是一种比较好的选择。3.2 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。4 结论随着社会经济的发展，工、农业生产对用电的可靠性和用电质量都提出了更高的要求。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，则是比较合理和很有发展前景的中性点接地方式。◎