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日新技術

日新技術:試論消弧線圈技術參數對補償效果的影響

發布日期:2012/10/5 | 點擊:3388 | 上一頁 | 下一頁

試論消弧線圈技術參數對補償效果的影響


    隨著配電網容量的日益擴大和廣大用戶對供電可靠性的要求越來越高,目前中性點不接地的方式已越來越不適應系統的發展要求。而中性點經小電阻接地的方式由于跳閘率高、接地電流過大可能對人身和設備安全構成威脅,在配電網日益發展的今天,尤其隨著微電子技術的廣泛應用,其應用也將不可避免受到某些限制;從系統長遠的發展觀點而言,這種接地方式是否完全符合電力系統的實際需要,還有待進一步的研究和探討。中性點經消弧線圈接地的方式在國內外已有成功運行的經驗。近幾年來隨著微電子技術的長足發展,各種形式的自動跟蹤消弧系統相繼出現,將大大克服傳統消弧線圈的缺點,無論從補償效果還是過電壓水平來說,都得到了改進。國內已有越來越多的單位使用消弧線圈,并取得了相當多的運行經驗。日新電氣研究中心通過本文并以10kV系統為例討論了消弧線圈各個參數對補償效果的影響。

1、消弧線圈若干問題的探討

1.1 消弧線圈伏安特性對補償效果的影響

    消弧線圈的伏安特性直接影響到單相高阻接地時的補償效果,是消弧線圈極為重要的一個參數。下面說明該參數的影響。一般情況下,消弧線圈為了能達到補償不同零序電容電流和跟蹤配電網的需要,毫無例外地都做成了分級式結構,分級的形式有多種多樣,分級的多少視消弧線圈的容量來定。每一級都對應著額定電壓下的一種額定補償電流。目前實際運行中的消弧系統,投檔原則是,不管單相接地時中性點電壓Un為多少,都是按照某檔位額定補償電流與額定電容電流基本相等的原則將消弧線圈調至該檔位。這種投檔方式,僅當消弧線圈伏安特性接近直線時是可行的,因為只有在此條件下消弧線圈某檔位補償電流與電容電流均與中性點電壓成正比,保證了二者額定電流相等,就能保證其它中性點電壓下二者也基本相等。但當消弧線圈伏安特性為非線性時,這種投檔方式,僅在線路發生單相金屬性接地時是較為合理的,因為此時中性點電壓接近于消弧線圈的額定工作電壓,與各檔位電流實測條件相當;但當線路發生高阻接地時,這種投檔方式就不太妥當了。假設某10kV電網額定零序電容電流為98.8A,消弧線圈某檔額定補償電流為98.8A,依據上述投檔原則,不論發生何種單相接地,即無論中性點電壓為何值,消弧線圈都會調到該檔進行補償。當發生單相金屬性接地,中性點電壓接近額定相電壓時補償較好,接地殘流較??;但若接地時中性點電壓為3844V,消弧線圈提供的補償電流為71.5A,而此時電容電流為IC=98.8×3844/6062=62.7A(考慮電容電流與中性點電壓成正比),因此僅僅因為消弧線圈非線性所帶來的接地殘流附加值為8.8A,再考慮到級差電流、電容電流測試的不準確性和零序回路有功分量的影響,極易導致接地殘流超過10A。消弧線圈越是非線性,其影響也就越大。 消弧線圈多年的運行實踐表明,絕大多數(超過90%)單相接地故障為弧光接地和高阻接地,這使得單相接地故障時的中性點電壓(即消弧線圈上實際承受的電壓)并不是系統額定相電壓。實際運行中,中性點電壓低于2000V的單相高阻接地大有記錄。因此,在消弧線圈伏安特性非線性的狀況下,以額定電壓下補償電流相等或相近于此時的零序電容電流來進行補償,則實際接地殘流受消弧線圈伏安特性的影響很大。目前很多消弧線圈不易做到線性優良,主要是受其工作原理的限制,即利用調節電感或變壓器勵磁特性來調節補償電流,由于磁滯回線的影響,不可能做出在全電壓范圍內伏安特性線性度優良的高質量消弧線圈。因此,用戶必須向廠家了解所購自動跟蹤消弧線圈如下兩個特性:

    (1)消弧線圈(0%~110%額定電壓)的伏安特性曲線;

    (2)自動跟蹤消弧線圈系統在中性點電壓超過多少伏(設為Ux)時便進行投檔。 根據上述兩條,再結合消弧線圈所安裝的配電網絡的零序電容電流IC(IC=ωCUph ,Uph為系統額定相電壓),用戶便可從廠家提供的伏安特性曲線計算出中性點電壓為Un(Ux<Un<Uph)時,由于消弧線圈伏安特性非線性所帶來的附加接地殘流,再考慮到其它因素(級差、測量準確性和零序有功分量)的影響,最終殘流不應超過規程所規定的允許殘留值。

1.2 接地信息顯示

    接地信息的記錄或顯示,各廠家有其自己的方法。不管廠家最終以何種方式將接地時的相關信息提供給用戶,用戶有必要知道接地時相應信息的真實情況,一般應包括單相接地時系統中性點的電壓Un及與其相應的零序電容電流(IC=ωCUn)、消弧線圈實際的補償電流、發生接地時的時間等參量。其中,消弧線圈實際的補償電流是很重要的參數。若只提供接地發生時消弧線圈所調檔位或檔位的額定電流,則由上述伏安特性的討論可知,它并不能反映出接地時消弧線圈所補償的實際電流,甚至會造成誤解,使得殘流的計算脫離實際太遠。一般的中性點補償系統,都裝設有中性點電壓互感器和電流互感器,使得這些參數的測量成為可能,因此廠家應提供上述參數。

1.3 關于殘余電流問題

    按照殘流的定義,接地殘流系指經消弧線圈補償之后流經接地點的電流。從數學意義上來說,它等于系統零序電容電流與消弧線圈補償電流的矢量之和。一般說來,由于線路實際存在有功損耗及消弧線圈等設備的有功損耗的影響,使得消弧線圈所補償的電流和系統零序電容電流在接地點處并非嚴格反相。所以,殘流并非簡單的等于補償電流與零序電容電流數值意義上的相減。筆者認為:由于各線路的有功損耗可能都不相同,因此考慮消弧線圈補償系統殘流指標時可暫不考慮其影響。一套消弧線圈系統,其殘流指標的給出,首先應指出失諧度的設定值,還應綜合考慮到本套系統中直接接入零序回路的一次設備的有功損耗、控制系統零序電容電流的測量誤差以及消弧線圈伏安特性的非線性的影響等因素。當消弧線圈容量較大(超過400kVA)且伏安特性為非線性時,經該套系統補償之后的接地點殘流最大值不一定出現在中性點電壓較高時,大多數情況下,反而會出現在當中性點電壓低于4000V的時候。當然,若消弧線圈伏安特性線性度較好,就不存在這個問題了,目前國內大多數消弧線圈基本上是應用調節消弧線圈勵磁電抗這一原理,即使能保證伏安特性局部線性,但還是保證不了較大電壓范圍內的線性度,都多多少少存在非線性的問題,有些還甚為嚴重。所以要較為準確地計算一套消弧系統的殘流時,需綜合考慮各因素的影響,有時還存在不定因素,較為復雜。若有條件最好進行現場人工接地試驗(尤其是高阻接地試驗)實測接地殘流。在目前對確定殘流尚未有明確規范的條件下,廠家最好能提供實測值,或提供盡量接近實際的參數并說明其相應的條件。用戶也應了解影響殘流的因素,對消弧系統能否滿足規定的殘流值作出科學的判斷。

1.4 接地變壓器的零序阻抗

    由于主變壓器10kV側一般采用△接法,如果采用消弧線圈系統,一般都要加裝接地變壓器。接地變壓器的零序阻抗可以做得比較小,但是如不注意消弧線圈和接地變壓器零序阻抗的匹配,將嚴重影響消弧線圈輸出的補償電流。例如,標稱容量為500kVA/10.5kV的消弧線圈,當在實際配電網中投入運行后,如不注意接地變壓器零序阻抗的影響,有可能對80A的電容電流根本無法補償。因此,用戶一定要對接地變壓器的零序阻抗提出具體要求。一般來講,消弧線圈容量越大,要求接地變壓器的零序阻抗就越小,當然接地變壓器零序阻抗越小,其造價就越高。

1.5 接地解除后消弧線圈補償狀態的退出

    發生單相接地故障后,消弧線圈將馬上投入運行,這時在等效零序回路中,消弧線圈與零序電容是并聯的,因此達到了補償的目的。大部分的單相接地故障在補償之后都能自動解除,這時消弧線圈與零序電容就形成串聯回路,如果消弧線圈未能及時退出補償狀態,阻尼電阻還處于被短接的狀態,這時消弧線圈就剛好與零序電容形成串聯諧振,而且諧振狀態會一直維持下去,造成較長時間的工頻過電壓,因此必須設法盡快結束該狀態。但是,一般消弧系統均是以中性點電壓超過一定值作為發生單相接地的判據而投消弧線圈的,而串聯諧振時中性點電壓也較高(達到了數千伏),導致系統誤認為單相接地故障繼續存在,所以系統將繼續進行補償,從而導致惡性循環。失諧度設定得越小,消弧線圈啟動電壓設定得越低(如低于2000V),消弧線圈系統補償得越好,就越有可能出現這種情況。然而失諧度和消弧線圈啟動電壓又不能設定得太高,前者太大,將會導致殘流過大,而后者設定得太高,將會導致有些高阻性接地故障時系統無法正常啟動補償。因此,消弧線圈的控制系統必須具備一定的狀態識別功能,識別出系統處在單相接地狀態還是諧振狀態,確保單相接地故障解除后,消弧線圈能可靠地立即退出補償狀態。

1.6 消弧線圈的響應速度

    消弧線圈的響應速度也是一個很重要的參數,當發生單相接地故障時,若需經過幾十毫秒甚至多達數秒的時間才能投上消弧線圈,對于目前接地電流越來越大的系統來講,已經越來越不適應了。理想的對策是利用快速響應的消弧線圈將弧光接地抑制在起弧的一瞬間,這就要求消弧系統具有極快的響應速度。同時,實際運行中(特別是在雷雨季節)通常會連續發生相隔時間極短的多次單相接地故障(例如某站在一個雷雨季節中已記錄到7次相隔3~10s的多次單相接地故障),消弧線圈必須具有極快的響應速度,才能有效地補償并消除這些故障,保證系統的安全運行。國內有些中性點需加阻尼電阻的消弧線圈系統,為了提高響應速度,采用預調的工作方式,即無故障時已將消弧線圈調至計算好的檔位,當發生單相接地故障時再短接阻尼電阻。這種方式,往往還是要受制于阻尼電阻短接機構(接觸器和多級中間繼電器)操作時間的影響,所以也難提高響應速度。利用可控硅控制的消弧線圈,可以在幾個毫秒內對單相接地迅速響應,應是自動跟蹤控制消弧線圈的發展方向。有人擔心可控硅的可靠性問題,其實這主要取決于可控硅的選型、可控硅的實際工況(即消弧線圈的控制方式)等。即使是國產大功率可控硅,日新電氣的消弧線圈在某些大型電站已有幾十年成功運行的經驗,如果選型正確、運用恰當,可控硅的可靠性還是相當高的。

1.7 消弧線圈的使用范圍

    目前有人認為對于純電纜網絡或以電纜為主的配電網宜采用小電阻接地,而對于以架空線為主的配電網宜采用消弧線圈接地。對于前一點,日新電氣研究中心技術人員有不同的看法。電纜為主的網絡,如果采用中性點經小電阻接地的方式,則會如前所述帶來一定的弊端。若代之以能快速響應的消弧線圈接地(響應時間應小于10ms ,低于小電阻接地系統中開關等的響應時間),則不管是因電纜本身質量問題還是電纜連接頭閃絡而導致的單相接地,消弧線圈能快速補償,就能顯著地降低接地點的電流,使瞬時性故障能自行恢復,避免跳閘造成的停電;而對非瞬時性故障也因故障電流大大減少而避免了巨大的短路電流對電纜的沖擊,使故障點不易擴大,因而大大提高了供電可靠性。如果消弧線圈系統自帶狀態識別功能,對于永久性接地故障能在接地發生后快速選線并跳閘,就與小電阻接地方式一樣對電纜起到保護作用??梢?,性能優良的消弧線圈系統在純電纜或以電纜為主的配電網中使用更具優越性。而上述接地方式集中了傳統消弧線圈接地和經小電阻接地的優點,是一種較為理想的接地方式。

 

 

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