基于注入工頻信號的相控式消弧線圈系統的研究

黎軍華，胡天祥，胡華萍

(樂山一拉得電網自動化有限公司，四川 樂山 614000)

0 引 言

國內6～35 kV中壓配電網中，系統中性點的接地方式主要有不接地、經小電阻接地和經消弧線圈接地3種方式[1]。近20年來，由于電纜在城市配電網建設中大量使用，從而導致城市配電網的電容電流很大，發生單相接地時易產生弧光過電壓，這對于配電網的安全運行構成了威脅。消弧線圈既可以有效解決單相接地弧光過電壓問題，又可以減少單相接地引發的停電事故，因此在城市變電站建設中使用非常廣泛。進入21世紀以來，隨著智能控制與電力電子技術的快速發展，消弧線圈的智能化水平也得到顯著提高。目前，自動跟蹤型消弧線圈在國內配電網系統中得到了廣泛的應用，其技術實現方式主要分為調匝式、相控式、調容式三種[2]，其中相控式消弧線圈技術先進，并具有補償電流連續無級可調、響應快速、結構簡單、運行維護方便等優點，所以使用越來越廣泛。

由于國內變電站的主變壓器35 kV側的中性點通常已經引出，所以35 kV配電網無需采用接地變壓器,消弧線圈可直接接在主變壓器的中性點上。對于用于35 kV配電網系統的相控式消弧線圈，由于配電網系統中性點的正常不對稱電壓通常很小，但是又沒有接地變壓器來調節，因此若采用常規的電網電容電流測量方法，測量誤差很大，有時甚至無法進行測量(由于大功率晶閘管兩端電壓太小無法導通)，從而造成相控式消弧線圈無法正常工作。對于這種場合，采用信號注入法來測量系統電容電流是一個合適的選擇。目前，采用注入變頻信號[3]來測量配電網電容電流的消弧線圈比較常見，但該消弧系統需要采用結構復雜的變頻模塊，這對于整套消弧設備來講，不但制造成本會增加，而且設備可靠性也會降低，運行維護更復雜。

下面提出一種基于注入工頻信號的相控式消弧線圈系統，該系統采用了工頻信號注入裝置，其結構簡單、使用穩定、成本低廉，在配電網系統不對稱電壓很小時也能快速、準確地測量出配電網的電容電流。

1 相控式消弧線圈的構成原理

IDC-3000型相控式消弧線圈系統主要包括相控式消弧線圈、本地控制柜、微機控制器、中性點電壓互感器、中性點電流互感器、單極隔離開關、Z型接地變壓器(可選)。

相控式消弧線圈是一種阻抗電壓在90%左右的高短路阻抗單相變壓器，它包括高壓繞組(AX)和低壓繞組，其低壓繞組由控制繞組(a1x1)和濾波繞組(a2x2)組成。高壓繞組的額定電壓與配電網系統的額定相電壓相同，低壓繞組的額定電壓通常設計為固定的500 V，這樣做的目的是為了便于晶閘管選型。高壓繞組的A端與配電網系統的中性點連接，X端與變電站的地網連接。低壓繞組的控制繞組(a1x1)與兩個反向并聯的高電壓、大功率晶閘管連接。通過調節晶閘管的控制角在0～90°之間變化，其導通角的變化范圍即為0～180°，從而使消弧線圈高壓側的等效阻抗在無窮大至額定值之間連續變化，輸出的感性補償電流可根據電網電流的變化進行連續無級調節。低壓繞組的濾波繞組與LC濾波器連接，其主要作用是消除晶閘管工作時產生的3次和5次諧波電流，從而避免消弧線圈輸出的補償電流中含有較大的諧波電流。相控式消弧線圈的結構原理如圖1所示。

圖1 IDC型消弧線圈結構原理

本地控制柜用于安裝工頻信號注入裝置、大功率晶閘管以及LC濾波器。工頻信號注入裝置由一臺微型單相降壓變壓器、一個雙向的的小功率晶閘管和一只電阻器組成。從主控室交流電源屏引入220 V交流工頻電源，把該電源接入到微型單相降壓變壓器的一次繞組；把單相降壓變壓器的二次繞組通過串聯雙向晶閘管和電阻器，然后并接到相控式消弧線圈的低壓濾波繞組(a2x2)。工頻信號注入裝置的結構原理如圖2所示。

圖2 工頻信號注入裝置結構原理

微機控制器是相控式消弧線圈系統的“大腦”，負責監測電網系統的運行狀況，實時測量配電網的電容電流。當微機控制器監測到配電網發生單相接地時，迅速控制晶閘管導通，使消弧線圈高壓繞組輸出與當前配電網電容電流相匹配的補償電流。由于具有補償電流連續無級可調的優點，消弧線圈補償后的殘流通常在2 A左右，因而接地點的電弧更容易熄滅。微機控制器的電壓、電流采集電路采用了特殊的調理技術，從而確保電壓、電流采集誤差均小于1%。該控制器采用工頻信號注入法來測量配電網系統的電容電流，即使用于沒有接地變壓器的配電網系統，也能保證電容電流測量的準確性。

微機控制器具有“一控二”功能，即一臺控制器可以控制兩臺消弧線圈，兩臺消弧線圈既可分列運行也可并列運行，每臺消弧線圈只需滿足安裝段容量要求即可。兩臺控制器可實現一控一聯機運行，即正常工作時一控一，其中一臺控制器故障時另一臺控制器就同時控制兩臺消弧線圈，由此實現兩臺控制器互為熱備用，大大提高了設備的可靠性。

中性點電壓互感器用于測量系統中性點的零序電壓，該電壓的幅值與頻率是作為電網是否發生單相接地和單相接地是否消失的主要判據。當相控式消弧線圈的大功率晶閘管未導通時，中性點電壓互感器所測得的電壓即為系統的不對稱電壓。中性點電流互感器用于測量相控式消弧線圈高壓繞組中流過的電流，當配電網發生單相接地時，該電流即為消弧線圈輸出的補償電流。單極隔離開關用于消弧線圈系統檢修時產生一個明顯的斷開點，從而確保人身安全。

接地變壓器的主要作用是引出配電網的中性點。對于110 kV及以上的變電站，由于主變壓器的35 kV繞組通常采用的是星型接線，因此35 kV系統的中性點已經引出，消弧線圈可直接接在主變壓器的中性點上，無需再設置接地變壓器。然而主變壓器的10 kV繞組通常采用的是三角形接線，所以10 kV系統就需要增加接地變壓器來產生系統中性點。由于接地變壓器自身的零序阻抗過大會影響消弧線圈的額定補償容量，因此實際應用中是通過繞組采用Z型接線的辦法來降低接地變壓器的零序阻抗。此外，繞組采用Z型接線可以增大接地變壓器的激磁阻抗，減少其功耗。接地變壓器可配400 V繞組用作站用電源。需要注意的是，當接地變壓器兼作站用變壓器時，其初級繞組容量是由消弧線圈容量和站用變壓器容量兩部分組成。

2 工頻信號注入法的測量原理

采用注入工頻信號來測量電網電容電流的等效原理如圖3所示。圖中XL為相控式消弧線圈高壓側的等效電抗；C′為低壓濾波回路折算到高壓側的等效電容；C為系統對地電容；Ubd為系統不對稱電壓；IZ為注入工頻電壓信號后測量回路中產生的電流。

圖3 測量電網電容電流的等效原理

圖3對應的矢量關系如圖4所示。

圖4 矢量關系

由圖4可以得出消弧線圈高壓繞組兩端的電壓UAX、系統中性點的不對稱電壓Ubd以及系統對地電容兩端的電壓UC三者之間的矢量關系為

(1)

根據余弦定理，進一步可以得出UAX、Ubd以及UC三者之間的幅值關系為

(2)

對式(3)兩端開方即可得出UC的幅值為

(3)

把Ubd、UAX以及兩者之間的夾角θ的值代入式(3)即可計算出對地電容兩端的電壓UC。再把UC、IZ代入容抗計算公式：

XC=UC/IZ

(4)

即可求出配電網系統的對地電容容抗XC。最后，把系統額定相電壓Ue和XC代入系統的電容電流計算公式：

IC=Ue/XC

(5)

即可求出配電網系統的電容電流IC。該值即為系統發生單相金屬性接地時，從接地點流入配電網系統的零序電流值。

3 實驗及應用

為了測試基于注入工頻信號的相控式消弧線圈系統測量電網電容電流的精度，在實驗室搭建了一個模擬系統，實驗接線如圖5所示。圖中的消弧線圈為IDC-3000型相控式消弧線圈系統，C為模擬的配電網系統對地電容，調壓器輸出模擬系統的不對稱電壓Ubd。

圖5 實驗接線

采用9只標稱電容值為1 μF的電容器并聯組合成2 μF、3 μF、4 μF三種電容器組合，實測電容量分別為2.13 μF、3.21μF、4.29 μF。通過公式IC=Ue×2πfC，即可計算出3種電容組合對應到35 kV系統的模擬電容電流分別是14.85 A、22.38 A、29.90 A，式中Ue的取值為35 kV系統的標稱相電壓22.2 kV。測試數據見表1。

表1 工頻信號注入法模擬測試數據

消弧線圈標準(DL/T 1057—2007)對電容電流測量誤差的規定：當系統電容電流IC≤30 A時，測量誤差應不大于1 A；當30 A≤IC≤100 A時,測量誤差應不大于3%IC;當IC>100 A時,應保證補償后的殘流不應大于10 A。根據多年研制消弧線圈系統的經驗可知，系統電容電流越小，微機控制器采樣信號的相對誤差就越大，從而使電容電流的測量精度越難保證。對應到消弧線圈的標準要求來講：當系統電容電流IC≤30 A時，電容電流的測量精度最難保證；當IC>30 A時，電容電流的測量精度更容易達到標準要求。由上述測試結果可以看出，當系統電容電流IC≤30 A時，基于注入工頻信號的IDC-3000型相控式消弧線圈系統的電容電流測量誤差在1 A以內，能滿足消弧線圈標準對電容電流測量精度的要求。

采用工頻信號注入法的IDC-3000型相控式消弧線圈系統已在樂山110 kV桐梓坪變電站、樂山110 kV井研變電站、雅安35 kV廣元堡變電站等多個變電站使用，投入運行以來工作穩定，有效地抑制了單相接地時產生的弧光過電壓，對提高電網系統的供電可靠性及安全運行起到了顯著的作用。

4 結 語

上面研究了基于注入工頻信號的相控式消弧線圈系統，提出了一種全新的電容電流測量方法——工頻信號注入法，該測量方法已取得國家發明專利。基于該方法的消弧線圈系統特別適用于配電網系統的不對稱電壓很小，但是又沒有接地變壓器來調節的場合。經過3年多的運行實踐，已證實基于注入工頻信號的相控式消弧線圈系統使用效果良好，可廣泛用于6～35 kV配電網系統。