風電場偏磁式消弧線圈的應用

李 亮 黃建明

（大唐國際河北風電開發有限公司，河北 承德 067000）

電網及廠礦企業的中壓系統，大部分為中性點不（非）直接接地（即小電流接地）系統。這種系統在發生單相接地時，電網仍可帶故障運行一定時間，這就大大降低了運行成本，提高了供電系統的可靠性，但當發生單相接地故障時，接地電容電流很大，如果接地電弧發展為間歇性的熄滅與重燃，往往會引起弧光接地過電壓，危及電氣設備的絕緣，給供用電設備造成了極大的危害。如果接地電弧不能可靠熄滅，弧光接地過電壓可能會引發其他非故障相的絕緣破壞，就會迅速發展為相間短路，引起線路跳閘，供電中斷。

防止這種危害的方法之一就是在中性點和地之間串接一個電抗器，這個電抗器也就是通常所說的消弧線圈。它能有效的減少接地點電流，從而達到自動熄滅電弧的目的。

偏磁式消弧線圈自動跟蹤補償系統，可準確地實時測量電網對地電容電流，并對電網接地電容電流實施快速自動補償，并可有效地抑制弧光接地過電壓危害。

1 偏磁式消弧線圈的工作原理

1.1 普通消弧線圈工作原理

普通消弧線圈接地系統等效電路如圖1所示，中性點N接入消弧線圈，系統正常時，其中性點對地電位為零，沒有電流通過消弧線圈，線圈也沒有電壓，當系統發生A相接地故障時，中性點產生對地電位，此電壓施加在消弧線圈兩端，此時IL通過消弧線圈和接地點，接地點通過電流IDC超前中性點電壓 90°，IL與IDC相位相反（相差 180°），如果適當選擇消弧線圈L值的大小，可使通過故障點電流為 0，即接地電容電流IDC全部被消弧線圈電感電流IL所補償，從而達到使電弧熄滅的目的。

圖1 普通消弧線圈接地系統等效電路

1.2 偏磁式消弧線圈工作原理

偏磁式消弧線圈自動跟蹤補償控制系統采用交流線圈內布置一個磁化鐵心段，通過施加直流勵磁電流改變鐵心的磁導，從而實現電感的連續可調。當電網發生單相接地時，該系統能瞬間調整電感，補償接地電容電流。該系統電控無級連續、靜態可調，具備優良的技術性能。

圖2所示為偏磁式消弧線圈原理框圖，其基本原理是利用施加直流勵磁電流，改變鐵心的磁阻，從而達到改變消弧線圈電抗值的目的，它可以帶高壓，迅速調節電感值。在電網正常運行時，不施加勵磁電流，將消弧線圈調整到遠離諧振點的狀態，避免串聯諧振過電壓的產生，而無須阻尼電阻，同時實時檢測電容電流的大小，當電網發生單相接地故障后，瞬間調節消弧線圈，實施最佳補償。

圖2 偏磁式消弧線圈原理框圖

2 偏磁式消弧線圈的組成及技術參數

2.1 偏磁式消弧線圈的組成

偏磁式消弧線圈自動跟蹤補償控制系統由3部分組成，即接地變壓器、偏磁式消弧線圈、微機控制柜。其中，接地變壓器和消弧線圈可以為干式也可以為油浸式（在有中性點的電網中，不需要接地變壓器），微機控制柜為標準屏體，屏體上裝有自動跟蹤補償控制器、儀表盤、整流設備等。

2.2 35kV偏磁式消弧線圈補償電流（見表1）

表1

3 風電場偏磁式消弧線圈的實際應用

3.1 風場中性點系統（偏磁式消弧線圈）電氣接線圖、電氣主接線圖（見圖3）

圖3 中性點系統（偏磁式消弧線圈）電氣接線圖

3.2 風電場現場情況簡介

風電場220kV升壓站采用風機——機組變壓器單元接線方式，每臺風力發電機經一臺升壓變（2.35MVA），將機端電壓由0.66kV升至35kV，之后經6回35kV集電線路送至匯集站35kV母線，再通過1號主變（150MVA）升壓至220kV后，以單回220kV線路接入系統。

圖4 風電場電氣主接線圖

風電場35kV架空線路69.508km，架空線路電容電流8.028A；35kV系統電纜4.96km，電容電流17.36A；故 35kV系統單相接地的電容電流為25.388A。基于以上分析，風電場35kV系統中性點的接地方式，采用了普通消弧線圈的接地方式。該風場是于2011年12月08日變電站及35kV帶電，12月30日風機線路開始帶電運行。

3.3 風電場安裝偏磁式消弧線圈前的故障事件

1）2012年02月06日22時53分，35kV系統出現間歇性接地報警；次日12時38分，1號所用變高壓側346開關跳閘，風機三線313開關避雷器爆炸。

2）2012年04月08日23時19分32秒，1號所用變、SVC裝置、風機一線至風機六線接地報警；23時20分59秒，1號所用變超溫保護動作，1號所用變高壓側346開關、低壓側401開關跳閘。風機六線316開關過流Ⅱ、Ⅲ段保護動作跳閘，導致12臺風機脫網。

3）2012年04月12日04時03分52秒，風電場35kV風機二線312開關過流I段保護動作跳閘；04時04分28秒，風電場35kV風機六線316開關過流Ⅱ、Ⅲ段保護動作跳閘，導致風機二線、風機六線的26臺風機脫網。

4）2012年04月13日18時26分26秒，風電場 35kV風機一線 311開關過流Ⅱ、Ⅲ段保護動作跳閘，故障錄波器顯示35kV母線電壓Uc突變量起動；18時26分26秒風電場35kV風機四線314開關過流I段保護動作跳閘，故障錄波器顯示35kV母線電壓Uc突變量起動，導致風機一線、風機四線共23臺風機脫網。

5）2012年04月14日02時22分27秒，風電場35kV風機六線316開關過流Ⅱ、Ⅲ段動作跳閘，故障錄波器顯示35kV母線電壓Ub突變量起動，導致風機三線27號至31號、風機五線50號60號，16臺風機脫網。

6）2012年05月10日14時05分11秒，故障錄波器顯示220kV母線電壓3U0電壓突增量起動，導致風機一線、風機二線、風機四線、風機五線、風機六線，五條風機線共計29臺風機脫網。

3.4 風電場安裝偏磁式消弧線圈后的情況

2012年5月12日，技術人員到站上進行技術改造，將普通消弧線圈接地方式升級為偏磁式消弧線圈自動跟蹤補償的小電流接地方式。5月17日，技改工作完成，將系統投入運行。

在2012年的雷雨季節即6月1日至9月30日四個月的時間里，風電場 35kV系統遭受雷擊，消弧線圈正確動作有統計的是6次，未發生開關跳閘、風機脫網事件。具體動作數據見表2。

表2 6月1日至9月30日消弧線圈動作統計表

4 結論

風電場安裝偏磁式消弧線圈后，沒有發生一次因接地故障使線路開關跳閘的事故。即使是在2012年11月3日、4日華北北部遭遇暴雪襲擊的惡劣氣候條件下，其他風電場均發生了接地故障，致使風機線路開關跳閘，而本風電場依然平穩運行，全部機組均在網。

近一年的設備試運行和改造，通過前后運行情況的對比，我們不難得出結論：偏磁式消弧線圈具有穩定可靠、調節精度高、調節范圍大的特點，能夠滿足風電場35kV系統接地設備安全運行的要求。

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