消弧線圈分散補償單相接地故障運行特性分析

林海，梁志瑞

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

0 引 言

目前，隨著全球電力需求不斷增加和電纜線路的大量應(yīng)用，幾乎所有的諧振接地系統(tǒng)遲早都需要進行增容改造[1]。一些諧振接地系統(tǒng)需要進行數(shù)次增容改造以獲得更大的補償容量，這必須對城市基礎(chǔ)設(shè)施進行詳細的規(guī)劃。如果消弧線圈接地系統(tǒng)的對地電容電流得不到及時、有效的補償，在故障點處將會出現(xiàn)較大的接地殘流和跨步電壓，這不僅對電氣設(shè)備造成損傷，還對人身安全構(gòu)成威脅[2-3]。此外，現(xiàn)有的消弧線圈設(shè)備更換困難，成本花費大，又比較耗時，在更換期間系統(tǒng)得不到消弧線圈的有效補償，系統(tǒng)承擔風險較大。在消弧線圈接地系統(tǒng)中增設(shè)消弧線圈是一種值得考慮的辦法，這既發(fā)揮了原有消弧線圈的補償作用，也避免了電氣設(shè)備的頻繁更換。

消弧線圈補償系統(tǒng)對地電容電流有集中式補償和分散式補償兩種方式，前者適合于系統(tǒng)對地電容電流不大的情況，后者更適合于系統(tǒng)電容電流較大的情況。與集中補償式系統(tǒng)相比，分散補償是在主變電站消弧線圈的基礎(chǔ)上加裝分散式安裝的消弧線圈，不僅使系統(tǒng)在補償容量上得到了滿足，而且還不失主變電站消弧線圈的自動跟蹤補償作用。用于分散補償?shù)南【€圈設(shè)備具有容量小、價格低廉和安裝方便的特點，即使是與主變電站距離很遠的地方，也可以根據(jù)現(xiàn)場要求進行安裝。因此，對分散補償消弧線圈運行特性的研究對于提高電網(wǎng)的安全性和可靠性具有重要的價值和意義。

1 消弧線圈分散補償原理

分散補償接地運行方式是以主站的自動跟蹤補償消弧線圈作為發(fā)揮主要補償作用的消弧線圈(簡稱主消弧線圈)，其補償容量一般占系統(tǒng)需補償容量的50%以上，另外根據(jù)所在地區(qū)線路結(jié)構(gòu)情況和電容電流的分布情況尋找合適的地點，安裝一套或多套起到輔助補償作用的小容量的消弧線圈(簡稱分散補償消弧線圈)，以起到多點共同補償?shù)男Ч鸞4]。如果系統(tǒng)電容電流還是由于增大而導(dǎo)致補償容量不足，那么繼續(xù)增加分散補償消弧線圈進行補償即可。在較大的電網(wǎng)中，由于系統(tǒng)電容電流增大而導(dǎo)致主站消弧線圈補償容量不足的情況很常見，此時消弧線圈分散補償運行方式具有很好的優(yōu)勢和適用性[5]。

在消弧線圈分散補償接地系統(tǒng)中，總補償電流為所有消弧線圈(包括主消弧線圈和所有分散補償消弧線圈)補償電流的總和。因此，對于大電容電流的系統(tǒng)，可以通過在合適的補償點加裝若干套分散補償消弧線圈設(shè)備，只要消弧線圈的總補償容量與系統(tǒng)電容電流相匹配就能滿足補償要求。

分散補償系統(tǒng)零序等效電路如圖1所示，其中L為變電站自動跟蹤補償消弧線圈， L1～Lm為用于分散補償?shù)膍套消弧線圈，3C為系統(tǒng)對地電容,UΨ為系統(tǒng)相電壓，Rd為故障點過渡電阻,U0為系統(tǒng)中性點位移電壓。

圖1 分散補償系統(tǒng)零序等效電路

顯然由圖1可得到接地殘流為:

(1)

由失諧度定義:

(2)

2 分散補償消弧線圈調(diào)節(jié)原理和安裝位置

2.1 分散補償消弧線圈結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理

在實行分散補償時，三相五柱式消弧線圈的使用不僅解決了引出中性點困難的問題，而且三相五柱式消弧線圈結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本相對較低，性能優(yōu)良，安裝方便，免運行維護，適合安裝在環(huán)境惡劣、維護困難的邊遠地方，是配電網(wǎng)增容改造的重點研究對象[6]。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 分散補償消弧線圈結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時 ,加載在該消弧線圈三繞組的電壓為三相對稱電壓，無零序電流產(chǎn)生，該消弧線圈僅起到為系統(tǒng)引出一個中性點的作用。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,零序磁通在該消弧線圈的中間三柱鐵芯生成, 其回路經(jīng)過如圖3所示的氣隙與左右兩邊柱鐵芯[7]。

其零序回路的電壓方程為:

(3)

三相五柱式消弧線圈的補償電流為:

(4)

由式(3)和式(4)可知，當零序電壓不變時,補償電流隨著氣隙δ增大而增大[8]。

2.2 分散補償消弧線圈安裝位置

根據(jù)補償接入點的不同，分散補償消弧線圈可以安裝在主站中性點與主消弧線圈并聯(lián)，可以安裝在母線，也可以選擇安裝在線路末端。而線路發(fā)生單相接地故障具有隨機性和不可預(yù)測性，故障有可能發(fā)生在安裝有分散補償消弧線圈的線路，也有可能發(fā)生在沒有安裝分散補償消弧線圈的線路，因此文中根據(jù)分散補償消弧線圈安裝位置和故障位置的不同，分主站擴容安裝(方式一)、母線安裝(方式二)、非故障線路末端安裝(方式三)和故障線路末端安裝(方式四)四種情況來考慮，可得到四種不同的分散補償接地運行方式，如圖3所示。

圖3 分散補償消弧線圈安裝位置

3 分散補償運行特性分析

根據(jù)圖3所示系統(tǒng)圖，用Matlab建立仿真模型。該模型總共有5條線路，包括4條電纜線路(長度依次分別為17 km、14 km、12 km、11 km)和1條10 km架空線路和8 km電纜組成的混合線路，依次分別記為L1～L5。對于方式三和方式四所在系統(tǒng)，分散補償消弧線圈均安裝在線路L5末端。假設(shè)在0.1 s時,對于方式一、方式二和方式四所在系統(tǒng)在線路L5離母線首端1 km處發(fā)生A相接地故障，對于方式三所在系統(tǒng)在線路L1離母線首端1 km處發(fā)生A相接地故障。

方式一～方式四所在系統(tǒng)總電容電流均為99.2 A,失諧度均取 -5%，由式(2)可求需補償電流均為104 A。

3.1 分散補償消弧線圈安裝位置和分散補償容量大小對系統(tǒng)補償特性的影響

假設(shè)單相接地故障過渡電阻為1 Ω，分散補償消弧線圈安裝位置為非故障線路末端安裝(即方式三)，補償容量分配按需補償電流分配來考慮，此處取主消弧線圈L補償64 A,分散補償消弧線圈L1補償40 A。消弧線圈補償前接地電流波形如圖4所示，消弧線圈集中補償和分散補償后接地殘流波形如圖5和圖6所示。

圖4 消弧線圈補償前接地電流

圖5 消弧線圈集中補償后的接地殘流

圖6 消弧線圈分散補償后的接地殘流

由圖4～圖6可見，發(fā)生單相接地故障時，無論采用集中補償還是分散補償，消弧線圈的接入都能夠有效補償系統(tǒng)對地電容電流，使接地殘流被控制在較小的范圍內(nèi)。其中作為對比，集中補償后的接地殘流為4.313 A。

改變分散補償消弧線圈的安裝位置和補償容量，對每一種情況進行仿真，所得的接地殘流值如表1所示。

表1 不同補償容量分配和安裝位置下系統(tǒng)的接地

由上述仿真結(jié)果可得：

(1)當系統(tǒng)消弧線圈總補償電流不變時，分散補償消弧線圈無論采用哪一種接地運行方式和采用多大的補償容量，都能有效補償接地電容電流，使接地殘流不超過5.02 A，滿足熄弧條件;

(2)補償容量分配一定時，因為分散補償消弧線圈安裝位置不同造成電感電流流過的零序回路不同，引起零序有功殘流不同，從而故障點接地殘流略有差異;

(3)通過比較和分析可知，對于方式一和方式二，分散補償電流大約為30 A時接地殘流最大，分散補償電流小于20 A時補償效果最好。因此，分散補償容量小于總補償容量的20%時，分散補償消弧線圈宜采用主站擴容安裝方式和母線安裝方式;

(4)通過比較和分析可知，對于方式三和方式四，分散補償電流約為20 A時接地殘流最大，分布補償電流大于40 A時補償效果最好。因此，分散補償容量大于總補償容量的40%時，分散補償消弧線圈宜采用線路末端安裝方式。

3.2 過渡電阻對接地殘流的影響

保持補償容量分配為L 64 A+L 140 A不變，改變單相接地故障的過渡電阻，可得到分散補償消弧線圈不同接地方式下的系統(tǒng)的接地殘流如表2所示。

由表2仿真結(jié)果可知：

(1)每一種分散補償接地方式的單相接地故障接地殘流都隨著過渡電阻的增大而減小，但其變化值不明顯;

(2)過渡電阻從1 Ω～500 Ω變化時，方式一至方式四的接地殘流最大變化值分別為0.409 A、0.453 A、0.421 A和0.220 A，可得消弧線圈分散補償接地系統(tǒng)的單相接地故障殘流受過渡電阻影響較小。

表2 不同過渡電阻下分散補償系統(tǒng)的接地

4 弧光過電壓分析

在單相接地故障中，間歇性弧光接地故障占大多數(shù)，因此有必要對消弧線圈分散補償接地系統(tǒng)的弧光過電壓進行仿真和研究。

研究弧光過電壓的理論有工頻熄弧理論和高頻熄弧理論，前者以工頻振蕩電流第一次過零時弧光熄滅來分析弧光過電壓的形成過程，后者以高頻振蕩電流第一次過零時弧光熄滅來分析弧光過電壓的形成過程[9]。根據(jù)實踐和經(jīng)驗可知，利用工頻熄弧理論分析得出來的弧光過電壓結(jié)果比較接近實際[10]。以工頻熄弧理論為基礎(chǔ)對弧光過電壓進行分析，假設(shè)A相電壓到達正的最大幅值時(t=0.023 4 s)發(fā)生間歇性弧光接地故障，采用分散補償時容量分配為L 64A+L140A，得到不同接地方式下的弧光過電壓波形如圖7所示。

圖7 不同接地方式下弧光過電壓波形

由圖7的仿真結(jié)果可得，中性點不接地系統(tǒng)的弧光過電壓發(fā)生兩次燃弧后過電壓基本趨于穩(wěn)定，而消弧線圈接地系統(tǒng)的最大過電壓往往出現(xiàn)在第一次燃弧的時候。與中性點不接地系統(tǒng)相比，消弧線圈接地系統(tǒng)的過電壓水平會小很多。其中，中性點不接地和集中補償時最大過電壓倍數(shù)分別為2.902 p.u.和2.289 p.u.。分散補償不同接地方式和補償容量下的最大過電壓倍數(shù)仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同接地方式和補償容量下的最大過電壓倍數(shù)(單位：p.u.)

由表3仿真結(jié)果可知：

(1)同等條件下，所有經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的最大過電壓倍數(shù)很接近，且與中性點不接地系統(tǒng)的最大過電壓倍數(shù)2.902 p.u.相比要小很多;

(2)集中補償和方式一的最大過電壓倍數(shù)同為2.289 p.u.，可見分散補償消弧線圈主站擴容接地方式和集中補償接地方式對弧光過電壓的抑制效果是一樣的;

(3)在分散補償接地方式中，方式一和方式二的最大弧光過電壓倍數(shù)不隨補償容量分配的改變而改變;

(4)在方式三即分散補償消弧線圈所在線路為非故障線路時，其最大過電壓倍數(shù)隨著分散補償容量的增大而慢慢減小;

(5)在方式四即分散補償消弧線圈所在線路為故障線路時，其最大過電壓倍數(shù)隨著分散補償容量的增大而慢慢增大。

總之，當發(fā)生間歇性弧光接地時，消弧線圈分散補償與集中補償一樣，都能有效抑制弧光過電壓的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

介紹了分散補償?shù)脑砗吞攸c，闡述了分散補償消弧線圈的調(diào)節(jié)原理和安裝位置，然后通過改變分散補償消弧線圈的安裝位置和補償容量對單相接地故障時分散補償接地系統(tǒng)的接地殘流大小進行了分析，最后對分散補償接地系統(tǒng)的弧光過電壓進行了研究，通過Matlab進行建模及仿真分析，得出結(jié)論如下：

(1)消弧線圈分散補償接地方式能夠有效補償系統(tǒng)對地電容電流使接地殘流滿足熄弧要求，因為感性電流流過的零序回路不同，所以造成各分散補償接地方式下的接地殘流不同；

(2)為了更好地降低單相接地故障殘流，分散補償容量小于總補償容量20%的分散補償消弧線圈比較適合安裝在母線和主站，分散補償容量大于總補償容量40%的分散補償消弧線圈比較適合安裝在線路末端；

(3)與消弧線圈集中補償系統(tǒng)一樣，消弧線圈分散補償接地系統(tǒng)能夠很好地抑制弧光過電壓，并且受分散補償消弧線圈的安裝位置和補償容量影響較小；

(4)消弧線圈分散補償運行方式不僅為系統(tǒng)的增容改造開辟了一條新的路徑，而且單相接地故障發(fā)生時具有較好的補償效果和滅弧性能，表明該種補償方式具有很好的實際推廣價值。