淺議供電系統(tǒng)單相接地消弧裝置的原理與應(yīng)用

摘 要：單相接地故障是配電網(wǎng)中最常見的故障形式，消弧線圈消除接地電流的方式主要分為手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種方式，對于大中型廠礦地面變電站，傳統(tǒng)人工投切方法無法實現(xiàn)及時調(diào)諧，由此衍生出了包括直流勵磁在內(nèi)的多種自動調(diào)諧方式的消弧裝置。

關(guān)鍵詞：單相接地；自動；消弧裝置；直流勵磁

中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0115-01

1 單相接地的危害性

單相接地可以說是低壓供電網(wǎng)絡(luò)中最常見的故障形式。雖然即使發(fā)生單相金屬性長時間的接地或持久電弧接地，系統(tǒng)整體仍舊可以不間斷供電，但考慮到單相接地時會有電弧產(chǎn)生，在風(fēng)力、電動力和熱力流的作用下，電弧會被拉長，繼而引發(fā)多相短路，開關(guān)跳閘或設(shè)備損壞等事故。如果是間歇性的電弧接地，還會引起過電壓。所以，在中性點不接地的電網(wǎng)中，要完全杜絕單相接地電流大于自熄電流，抑制接地電弧的產(chǎn)生，最有效的一項措施就是在電網(wǎng)中性點和地之間裝設(shè)消弧裝置進(jìn)行滅弧。電力行業(yè)明確規(guī)定了在6～10 kV供電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，如果接地電容電流超過了30 A就必須采用消弧線圈進(jìn)行接地。

2 中性點接地消弧裝置的原理

電網(wǎng)的中性點接地系統(tǒng)有兩種，一種是中性點通過電阻接地，一種是中性點經(jīng)過消弧線圈接地。在中性點通過電阻接地的系統(tǒng)中，當(dāng)線路出現(xiàn)接地故障的時候，繼電保護(hù)裝置將自動啟動進(jìn)行跳閘，并把故障線路退出。這種消弧方式需要性能良好的開關(guān)設(shè)備和多電源的供電系統(tǒng)，尤其是在裝有自動重合閘設(shè)備的線路上，跳閘停電會非常頻繁，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的日常生活，并且大大增加了開關(guān)的維護(hù)工作量。所以當(dāng)前的6～35 KV配網(wǎng)系統(tǒng)里面已經(jīng)淘汰了這種接地方式。

消弧線圈的本質(zhì)，是一個有鐵芯的可以調(diào)節(jié)電感的線圈，可以裝設(shè)在變壓器或者發(fā)電機(jī)所在電網(wǎng)的中性點上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線圈里面會形成一個與接地電容電流的大小接近但是方向相反的電感電流，對電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，于是使中性點的接地電流變得很小甚至接近于零，從而消除了接地點過電流產(chǎn)生的電弧及隨之帶來的一系列危害。消弧裝置按滅弧方式大致可以分為手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種。

3 手動與自動調(diào)諧消弧方式的區(qū)別

我國在智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的早期，采用的消弧線圈滅弧方式一般是根據(jù)既定的容量方案對應(yīng)不同的運行方式，人工投切消弧線圈的分接頭，使電網(wǎng)的脫諧度、殘流和中性點偏移電壓都縮小在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)。由于這種調(diào)節(jié)方式不能自動跟蹤中性點接地電容電流大小的變化，在調(diào)節(jié)和運行上十分不便，此外，計算設(shè)定調(diào)節(jié)方案的工作量較大。所以隨著國內(nèi)智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展步驟的加快，這種手工調(diào)節(jié)式的消弧線圈也慢慢退出了配電網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)今城鄉(xiāng)的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展都十分迅速，特別是大中型城市區(qū)域，越來越多地采用電纜輸電的方式，系統(tǒng)單相接地的電容電流增長速度很快，電網(wǎng)的運行方式變化繁雜，使得人工調(diào)節(jié)方式完全無法滿足滅弧的調(diào)諧需要。此外，大電網(wǎng)的單相接地電流中的有功分量十分可觀，哪怕只有很小一部分比例的殘流也可能引發(fā)嚴(yán)重的事故，所以需要更精確的調(diào)諧手段才能確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，于是自動調(diào)諧消弧裝置應(yīng)運而生。

自動調(diào)諧消弧裝置的調(diào)節(jié)原理是讓自動裝置按電網(wǎng)電容變化來自動改變消弧線圈的電感，使單相接地電容電流得到對應(yīng)值的電感電流的有效補(bǔ)償。具有自動調(diào)節(jié)功能的消弧裝置一般采用以下三種調(diào)節(jié)方式。

（1）用有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)消弧線圈對應(yīng)的分接頭，這種方法的弊端是電感電流無法連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）調(diào)節(jié)機(jī)械可動鐵心，改變消弧線圈的鐵芯氣隙，這種方法可以持續(xù)調(diào)節(jié)中性點電感電流，但機(jī)械運作部分噪音大，易磨損。（3）在鐵心中灌注直流偏磁。這些消弧線圈特色鮮明，但作用同樣都是減少接地殘流和降低恢復(fù)電壓的上升速度，盡量使脫諧度達(dá)到最低。調(diào)節(jié)線圈分接頭式的消弧裝置不但無法將殘流減少到最小，還必須用串聯(lián)電阻來限制中性點的偏移電壓，發(fā)生單相接地故障的時候必須立即短接電阻，所以消弧系統(tǒng)的附加裝置十分復(fù)雜；對于可調(diào)鐵心氣隙的消弧裝置，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單電感連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點，但運行系統(tǒng)需要穩(wěn)固可靠的機(jī)械裝置，電流補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度較慢，而且運行噪聲很大；而直流勵磁式的消弧線圈，不但可以連續(xù)調(diào)節(jié)電感電流，中性點電流補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度迅速，而且由于沒有機(jī)械傳動部分，所以運行時不會產(chǎn)生環(huán)境噪音。缺點是部分裝置的系統(tǒng)諧波大，研發(fā)成本較高。在供電設(shè)備設(shè)施發(fā)達(dá)的國家，在6～110 kV配電網(wǎng)中已經(jīng)廣泛采用了中性點經(jīng)消弧線圈接地的滅弧方式。消弧系統(tǒng)的自動跟蹤調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、脫諧度幾乎可以達(dá)到零，并且具有實時監(jiān)控功能，自動化程度相當(dāng)高。我國在消弧裝置方面起步比較晚，但目前在理論研究和生產(chǎn)實踐水平上已經(jīng)接近國際領(lǐng)先水平。囿于我國電網(wǎng)整體的過電壓防護(hù)和絕緣水平的能力制約，具有完善遠(yuǎn)動功能，可以投網(wǎng)穩(wěn)定運行的消弧裝置滅都還處在發(fā)展和完善階段。比如6～35kV配電網(wǎng)中，同樣類型的自動消弧裝置，與國外同類產(chǎn)品比較，還存在響應(yīng)時間長，系統(tǒng)諧波偏大，控制系統(tǒng)可靠性差等缺點。

4 直流勵磁自動消弧裝置的工作原理

直流勵磁消弧裝置是采用直流控制電流來控制線圈的鐵芯飽和度，從而來達(dá)到平滑調(diào)節(jié)消弧線圈補(bǔ)償容量的目的。消弧裝置的工作繞組和控制繞組合為一體，利用電網(wǎng)電壓本身經(jīng)過繞組自耦變壓后經(jīng)可控硅整流來獲得直流控制電流。直流勵磁消弧線圈在電網(wǎng)正常工作時遠(yuǎn)離諧振點，實時跟蹤電網(wǎng)電容電流的變化并進(jìn)行測量和顯示，但在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，消弧裝置則會迅速按當(dāng)前電容電流測量值調(diào)整至全補(bǔ)償狀態(tài)。與傳統(tǒng)消弧裝置相比，直流勵磁消弧線圈是利用電網(wǎng)電壓自身通過自耦繞組變壓后獲得控制電流，不需要外加激磁電源。而且由于控制電流獲取方式的不同，也導(dǎo)致了伏安特性有很大的差別，傳統(tǒng)裝置的伏安特性具有明顯的非線性特征，不利于連續(xù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，而后者的特性曲線則更近似線性。其次，傳統(tǒng)型消弧裝置的工作繞組和控制繞組相互獨立的，而直流勵磁型的消弧裝置的工作繞組和控制繞組被有機(jī)地結(jié)合在了一起，不但有利于減少損耗，而且大大簡化了線圈結(jié)構(gòu)。

5 單相接地消弧線圈的前景

在我國電氣及機(jī)械傳動設(shè)別可靠性較低的大前提下，研究怎樣進(jìn)一步提高消弧裝置的可靠性，豐富改變電感的方法，減少機(jī)械傳動部分……對于提高整個配電網(wǎng)的可靠性都有著廣闊的前景和意義。尤其是對于無人值守變電站，對接地滅弧裝置的控制系統(tǒng)自動化方面的進(jìn)一步深入研究尤其具有現(xiàn)實意義。如何使消弧裝置與計算機(jī)系統(tǒng)之間和諧配合運作，提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)動能力，如何進(jìn)一步減小中性點接地殘流和降低恢復(fù)電壓的上升速度，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)將成為我國單相接地消弧裝置控制系統(tǒng)研究發(fā)展的主導(dǎo)方向。

參考文獻(xiàn)

[1]要煥月，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京：中國電力出版社，2001：1-98.

[2]洪耀鵬.配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇[M].農(nóng)村電氣化，2004，16（4）：28-29.

[3]周臘吾，徐勇，朱青，等.新型可控電抗器的工作原理與選型分析[J].變壓器，2002，40（8）：1-5.