淺談消弧裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

淺談消弧裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉錦新

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的先進(jìn)設(shè)備投入使用。人們對電網(wǎng)供電的可靠性的要求也隨之提高。對于10kV配網(wǎng)為保證供電的可靠性一般中性點(diǎn)要采用經(jīng)消弧裝置接地，本文對消弧裝置的原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。

消弧裝置；電力系統(tǒng)；電弧

概述

近幾年來我國社會(huì)水平和工業(yè)化程度有了很大程度的提高，與此同時(shí)人們對電網(wǎng)供電可靠性的要求也隨之提高。目前我國工廠內(nèi)配網(wǎng)電壓在10kV左右，對于10kV配網(wǎng)為保證供電可靠性，消除間隙性弧光接地過電壓，電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。隨著技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在電網(wǎng)中逐漸采用了消弧裝置來替代消弧線圈。

1 消弧裝置重要性

現(xiàn)階段我國對于10kV配電網(wǎng)，為了提高電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性普遍采用是中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，另外兩相對地電位為故障前電壓的1.73倍左右。一般當(dāng)輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，流經(jīng)故障點(diǎn)的電流雖然為所有接地線路電容電流之和，但是故障電流不大短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成嚴(yán)重的后果。但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，輸電容量的增加及輸電線路出線數(shù)量的增多，系統(tǒng)單相故障接地后流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流較大，接地電弧無法及時(shí)熄滅從而產(chǎn)生較大的間隙性弧光接地過電壓。弧光接地過電壓一般是相電壓的3.5倍左右，可以導(dǎo)致相關(guān)絕緣性薄弱的設(shè)備被擊穿損壞。

另外，電磁式的熔斷器和互感器鐵芯飽和時(shí)會(huì)發(fā)生諧振過電壓現(xiàn)象，從而導(dǎo)致相關(guān)的熔斷器和互感器損壞，威脅配網(wǎng)線路的供電安全。如果輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)接地電弧無法及時(shí)消滅，會(huì)破壞線路的絕緣從而造成輸電線路相間短路最終損壞設(shè)備造成停電事故的發(fā)生。在此種情況下，如果有人接觸到故障部位，將大大的加重對其傷害，甚至造成觸電人員的死亡。

2 消弧裝置工作原理

由上面的分析可知，當(dāng)接地電弧無法被及時(shí)熄滅時(shí)必須在中性點(diǎn)連接消弧裝置。對于10kV配電網(wǎng)絡(luò)一般情況下，當(dāng)單相接地故障電流超過10A時(shí)中性點(diǎn)必須經(jīng)消弧裝置接地。通過接入消弧裝置使得流過接地點(diǎn)的電流小于故障電弧維持電流，從而達(dá)到消除接地點(diǎn)電弧的作用。

供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)等效電路圖如圖1所示。

假設(shè)供電系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路中的故障電流為I0，IC代表流過故障點(diǎn)的對地容性電流，IL代表流經(jīng)消弧裝置的感性電流，因此總的故障電流I0的計(jì)算公式（2）如下

圖1 單相接地故障等效電路圖

圖2 電網(wǎng)回路等值電路

在上式中：j代表復(fù)數(shù)因子， 代表角頻率，rad/s。U0代表電網(wǎng)的不平衡電壓，V。IC代表容性電流，A。 IL代表感性電流，A。

通過上式（2）分析可知，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)可以調(diào)節(jié)消弧裝置使是裝置的感性電流能夠中和故障點(diǎn)處的容性電流，使得故障接地點(diǎn)的無功電流分量為0。因此，通過合理的調(diào)節(jié)消弧裝置的電感量就能夠?qū)⒐收宵c(diǎn)的故障電流控制在10A以下從而達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。另外，消弧裝置能夠像過零電弧熄滅，避免電弧的重燃，從而使得接地電弧徹底熄滅。根據(jù)DL/T 620—《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中的規(guī)定，3-10kV的輸電線路線路構(gòu)成的系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地故障電流大于10 A時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。[2]另外對于高于10kV但低于66kV高壓電網(wǎng)系統(tǒng)，為了保障供電的可靠性，當(dāng)故障電流大于10 A時(shí)尤其要注意消弧裝置的安裝。

另外，通過計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前的脫諧度（如式1）與相關(guān)的設(shè)定值比較，決定是否調(diào)節(jié)消弧裝置的分接頭。

在式（2）中，代表消弧電容電流量，代表消弧電感電流。

3 XHK-Ⅱ型消弧線圈的應(yīng)用

本文以思源電氣XHK-Ⅱ型消弧裝置在廣東電網(wǎng)公司某變電站的應(yīng)用為例，進(jìn)行具體的分析探討。

思源電氣XHK-Ⅱ型消弧裝置是由可調(diào)消弧線圈加小電阻、接地變壓器及其他裝置共同組成。其中，接地變壓器具有功耗小、勵(lì)磁阻抗較大、勵(lì)磁阻抗

大等諸多優(yōu)點(diǎn)。消弧裝置中的接地變壓器每一相由兩個(gè)相等的串聯(lián)繞組組成，鐵芯上每個(gè)繞組之間和次級繞組之間的零序磁通為零。對于3—10kV的電網(wǎng)，變壓器的繞組一般采用的是三角形接法，因此需要從消弧裝置中的接地變壓器引出

中性點(diǎn)。對于110kV和220kV電網(wǎng)而言，變壓器的繞組通常采用的是星形接法，變壓器本身就有中性點(diǎn)引出因此不需要使用消弧裝置中的接地變壓器。

電網(wǎng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)的等值電路，如圖2。

在圖2中，U1代表中性點(diǎn)電壓，U0代表輸電系統(tǒng)的不對稱電壓，C代表對地等效電容，L代表消弧裝置的電感，R代表輸電回路的電阻。

通過對圖二的分析可知，消弧裝置中的電感量L和不對稱電壓U0有可能會(huì)形成諧振回路。當(dāng)系統(tǒng)的對地電容C為固定的情況下，通過調(diào)節(jié)消弧裝置中的電感量L的大小最終能夠組成串聯(lián)諧振回路，此時(shí)中性點(diǎn)的電壓U1和輸電回路中的電流同相位，并且U1的數(shù)值將達(dá)到最高值。根據(jù)串聯(lián)諧振原理發(fā)展出角度跟蹤法和最大電壓法兩種對地電容的跟蹤算法。其中，角度跟蹤法的思想是通過調(diào)節(jié)消弧裝置中電感量L是的中性點(diǎn)的電壓的相角和中性點(diǎn)電流的相角相同。最大電壓法的思路是找到和系統(tǒng)電容量C相對應(yīng)的消弧裝置中電感量L，從而使得中性點(diǎn)電壓U1的幅值達(dá)到最大。以上兩種方法對系統(tǒng)對地電容C的測量是比較準(zhǔn)確的，但是這兩種方法容易受到電網(wǎng)中其他測量擾動(dòng)的影響，并且測量周期比較長，無法對系統(tǒng)的對地電容C進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測。

現(xiàn)階段消弧裝置中對L的選擇一般采用的是狀態(tài)參數(shù)法。具體的計(jì)算公式如下：

在上式（3）、（4）中U0代表輸電系統(tǒng)的不對稱電壓，XC代表的是消弧裝置中的電抗量，XL代表的是消弧裝置中電感量。由上式（3）、（4）可以求出R和XC。然后再和控制器中的脫諧度進(jìn)行比較，如果超出了脫諧度的設(shè)定范圍，則通過調(diào)節(jié)消弧裝置中的開關(guān)對電感量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其脫諧度能夠滿足相關(guān)的設(shè)定要求。

下面以廣東電網(wǎng)公司佛山某變電站中性點(diǎn)接消弧裝置為例，進(jìn)行相關(guān)的分析。由參考文獻(xiàn)[3]中的分析可知，該變電站為10kV變電站系統(tǒng)一共分三段，主要是為該地提供10kV電源。由文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)分析可知，變電站對地電容電流為29A遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了國家標(biāo)準(zhǔn)10A的要求，因此必須要安裝相關(guān)消弧裝置。根據(jù)該變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，消弧裝置的容量最低要求是227kVA，因此應(yīng)當(dāng)選擇型315kVA的消弧裝置，則裝置中接地變壓器的容量也應(yīng)當(dāng)選擇315kVA型。

4 消弧裝置使用注意事項(xiàng)

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)采用了中性點(diǎn)接消弧裝置后，還需要注意以下幾點(diǎn)問題：

（1）現(xiàn)階段采用消弧裝置的電網(wǎng)系統(tǒng)也安裝了相應(yīng)的故障選線裝置，但是大多數(shù)的消弧裝置和故障選線系統(tǒng)不匹配。消弧裝置的反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間一般要短于故障選線裝置的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，消弧裝置的反應(yīng)時(shí)間一般在30-40ms之間，相關(guān)的裝置在這段時(shí)間內(nèi)相繼動(dòng)作。因此，故障選線裝置必須在此段時(shí)間內(nèi)及時(shí)的選出故障線路所在相，但是在目前階段一般的選線裝置反應(yīng)動(dòng)作速度較慢，很難做到30ms內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作選出相應(yīng)的故障相。

針對這個(gè)問題，通常情況不能采取延長消弧裝置動(dòng)作時(shí)間的做法，因?yàn)椴扇⊙娱L動(dòng)作時(shí)間會(huì)降低諧振過電壓的效果。因此，在選用消弧裝置時(shí)最好同時(shí)選用該商家的故障選線裝置，從而達(dá)到相互匹配的目的。另外，在選取故障選線裝置時(shí)還要選取相匹配的門檻電壓值。一般情況下，消弧裝置的動(dòng)作電壓為相電壓的40%左右，為了保證選線裝置能夠提前與消弧裝置動(dòng)作必須使得選線裝置的門檻電壓值低于40%。

（2）對于兩段母線的并聯(lián)運(yùn)行問題，如果兩段母線上同時(shí)都安裝有相應(yīng)的消弧裝置和選線裝置，當(dāng)一次供電系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，兩段母線上的相關(guān)裝置會(huì)同時(shí)動(dòng)作切出故障。如果此時(shí)，相關(guān)的工作人員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)操作規(guī)范很容易造成操作失誤。因此對于此種問題相關(guān)的操作人員要認(rèn)真對待正確的分析和判斷。

（3）對于含有高能限壓電阻的消弧裝置，應(yīng)當(dāng)合理的選取它的電阻容量。和變電站的設(shè)計(jì)思路相類似，在選取消弧裝置的容量時(shí)要留出一定的裕量。該類消弧裝置的電流容量一般不會(huì)超過80A。在選擇消弧裝置電流容量時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮配網(wǎng)系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式下的電容電流。對于運(yùn)行中的消弧裝置，當(dāng)系統(tǒng)的容量快速增大接近消弧裝置的電流容量時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換更大容量的高能限壓電阻。

結(jié)語

由上文的分析可知，隨著電力系統(tǒng)輸電線路容量的快速增長，一旦發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)的故障電弧不容易及時(shí)的熄滅，而中性點(diǎn)接消弧裝置能夠有效的解決該問題，因此消弧裝置對于保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要的意義。本文對消弧裝置的消弧原理，實(shí)例應(yīng)用以及工作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討，希望能夠?qū)窈笙⊙b置的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

[1]尹曉霞．消弧裝置在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的運(yùn)用[J]．人民長江，2009（06）．

[2]王雙棉，崔立新． 淺談自動(dòng)調(diào)諧消弧裝置在電力系統(tǒng)中的作用[J]．黑龍江科技，2013（08）．

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