配电网消弧线圈分散补偿接地方式的研究

文玉玲

(国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

配电网消弧线圈分散补偿接地方式的研究

文玉玲

(国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

消弧线圈分散补偿接地方式具有安装灵活和扩容方便的优点而备受关注，然而有关多个分散补偿消弧线圈接地系统的故障残流及过电压的研究缺乏。讨论了分散式消弧线圈容量配置原则并根据开发区变电站进行实例设计，选择了8种消弧线圈安装方式。通过仿真表明，消弧线圈集中补偿与分散补偿均能满足规程接地残流的要求，且能极大延迟间歇性电弧的重燃时间，而其非故障相弧光过电压水平基本相同，且小于中性点不接地系统，所得结论有利于消弧线圈分散补偿的推广应用。

消弧线圈；分散补偿；接地；故障残流；弧光过电压

0 引 言

配电网作为输变配系统的最后环节，承担着用户的用电需求，在电网中所占比例很大，因此研究配电网稳定运行具有重要意义[1]。目前，我国配电网中性点接地方式分为小电流接地和大电流接地方式。小电流接地方式有消弧线圈接地、不接地和经高电阻接地三种[2]，发生单相接地故障时接地电流小，瞬时性接地故障不停电，且允许系统带故障运行2小时，因此运行可靠性高，但故障选线困难；而大电流接地包括经小电阻、低电抗以及直接接地方式[3]，发生单相接地故障后，零序过流保护可靠动作，不管瞬时性还是永久性故障均跳闸，供电可靠性低。实际应用中，以中性点经消弧线圈接地、经小电阻接地以及中性点不接地三种方式最普遍[4]。

消弧线圈接地通过在系统零序回路注入感性电流，当电网发生单相接地时，该电流与系统接地容性电流相抵消，使流过接地点电流幅值很小或接近于零，有助电弧的熄灭[5]。当接地电流过零电弧熄灭后，消弧线圈还能延长故障相电压恢复时间，利于介质绝缘强度的恢复，减小电弧重燃的可能性，电弧重燃次数大为减小，降低了系统发生间歇性弧光过电压的可能性。因此，中性点经消弧线圈接地方式在我国配电网应用广泛。

随着电网规模的不断扩大及电缆线路的大量使用，变电站接地电容电流急剧增加，导致消弧线圈补偿容量不足[6]。传统集中补偿需频繁更换消弧线圈，成本开销大。针对于此，文献[7]提出通过增加小容量固定式消弧线圈进行分散补偿，分析了分散补偿消弧线圈安装位置和补偿容量对补偿性能的影响，但未给出分散补偿消弧线圈容量选择方法，且未对分散补偿接地方式系统过电压进行分析。文献[8]采用7台分散补偿消弧线圈并联运行，表明多台分散补偿方式也能满足DL/T 1057-2007标准规定接地残流的要求，但未讨论多台分散消弧线圈安装位置的影响。文献[9]认为并联的固定消弧线圈容量不宜过大，可导致大量过补偿，也未给出具体选择方法。

鉴于分散补偿接地方式消弧线圈容量设计方法，以及发生间歇性电弧接地时系统弧光过电压的研究目前未见报道，本文以某市供电公司10 kV变电站的I段母线为对象，对以上两个问题进行探讨研究。

1 分散补偿容量选择原则

图1 零序等效电路

如图1所示为系统零序等效电路，其中L1～LN为N个分散补偿消弧线圈，L为变电站自动跟踪补偿消弧线圈，EA为系统A相等效电势，3C为系统对地电容，R为接地过渡电阻。

显然由图1可得到：

(1)

由脱谐度定义：

(2)

注意公式(2)的电流为标量值，且可得下式：

(3)

上式脱谐度υ一般取-15%[10]，IL为变电站自动跟踪补偿消弧线圈补偿电流，对于调匝式消弧线圈可根据铭牌数据得到，而晶闸管投切电容器式消弧线圈可通过系统参数计算得到。记额定工作电压UN，补偿电流调节范围为：

ILmin≤IL≤ILmax

(4)

得到：

(5)

另一方面，当系统运行方式改变，如切除部分线路，则接地电容电流减小，此时容量过大的分散补偿消弧线圈将导致过补偿[11]，而自动跟踪补偿消弧线圈补偿由分散式消弧线圈补偿后的残余电流，如果此电流小于主消弧线圈最小补偿电流，则主消弧线圈无法跟踪补偿，因此，应根据变电站运行方式对上式进行修正。

综上所述，分散式消弧线圈补偿容量的选择，需要满足系统运行方式与自动跟踪补偿线圈调节范围两方面的要求。

2 容量设计与安装位置

以某市10 kV变电站I段母线为例，测量其接地电容电流为70.7 A，计算等效电容为3.9e-05 μF，即3C=3.9e-05 μF。

图2 TSC消弧线圈结构

其自动跟踪补偿消弧线圈为晶闸管投切电容器式(thyristor switched capacitor， TSC)消弧线圈，结构如图 2所示。

TSC消弧线圈参数如表1所示。

图3 TSC消弧线圈等效电路

其中nL1～nL5为防浪涌电感，目的是减小晶闸管合闸时的冲击电流，其电感容量取值约占所串联电容器容量的5%，因此不影响TSC消弧线圈的分析，由图2可得其等效电路如下：

由图3可得其等效阻抗为：

表1 TSC消弧线圈参数

(6)

化简得到等效电感：

(7)

其中C∑为二次侧所投电容容量总和，当T1～T5均关断，则C1～C5不投入，L最小，此时C∑=0，L=0.202 2 H；而T1～T5开通，则C1～C5投入，L最大时C∑=4 216 μF，L=1.275 H，因此：

0.202 2H≤L≤1.275H

(8)

15.1A≤IL≤95.4 A

(9)

将υ=-0.15和IC=70.7 A及公式(9)代入公式(5)可得：

(10)

上式左边为负因为主消弧线圈最大补偿电流大于补偿系统接地所需感性电流。在了解系统不同运行方式接地电容电流最小值时，将此值代入公式(5)右边IC。

本文通过分别测量变电站每条出线的接地电容电流，找出出线电容电流的最大值，从系统接地电容电流减去最大出线电流作为系统最小接地电流。原因是目前消弧线圈接地系统故障选线装置的准确性不高，经常需要手动逐条拉闸进行选线[12]，显然断开最大电容电流的线路时系统接地电流最小。因此，这样做符合系统实际运行情况，该变电站I母有10条出线，其每条出线的电容电流测量值如表2所示。

经开一线接地电容电流最大为20.3 A，经河一线电容电流次之为13.3 A，原因是经开一线由20 km的电缆线路接开闭所，而经河一线由13 km电缆和14 km架空线连接开闭所。因此可得开发区站I母电容电流最小值为50.4 A，代入公式(5)并考虑公式(10)可得：

(11)

根据文献[13]，分散补偿消弧线圈有四种安装方式，即主消弧线圈扩容、母线安装、故障线路末端安装和非故障线路末端安装方式。但论文只讨论了单个固定容量消弧线圈，实际系统可能含有多个分散式补偿消弧线圈。

表2 某10 kV变电站I母出线电容电流

根据开发区I母实际情况，由公式(11)可知分散式消弧线圈容量约为40 A，本文对以下八种情况进行讨论，如图4所示。

图4 分散补偿消弧线圈连接方式

图4中，L为TSC主消弧线圈，L0为容量40 A分散补偿消弧线圈，L1和L2为容量20 A分散补偿消弧线圈，并设置Line1即经开一线的中点发生单相接地故障。

3 补偿后接地残流

在PSCAD建立开发区变电站仿真模型如图5所示，下面给出八种消弧线圈安装方式补偿后接地残流有效值仿真结果，如图6所示。

由图6得到表3。

图5 开发区变电站PSCAD仿真模型

序号名称安装方式残流有效值/A1方式一消弧线圈集中补偿1.052方式二L0主消弧线圈扩容2.413方式三L0母线安装2.404方式四L0故障线路末端3.055方式五L0非故障线路末端4.236方式六L1母线,L2故障线路末端2.417方式七L1母线,L2非故障线路末端2.808方式八L1故障线路,L2非故障线路末端2.81

由表3可知，八种运行方式接地残流均满足规程要求的小于10 A要求，而方式五，即40 A分散补偿消弧线圈安装在非故障线路末端时，接地残流最大为4.23 A，而方式四接地残流次之为3.05 A，其余安装方式接地残流有效值均小于3 A。

4 电弧重燃与弧光过电压

与中性点不接地系统相比，当电弧熄灭时，消弧线圈接地系统可以减缓故障相电压的恢复速度，推迟电弧重燃时间，有利于绝缘介质强度的恢复和电弧永久性熄灭，从而降低发生间歇性弧光过电压的概率。

燃弧条件有高频熄弧理论和工频熄弧理论，前者以高频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，后者以工频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程[14]。系统实测值表明，工频理论所得过电压值较接近实际情况[15]，因此本文用工频熄弧理论仿真弧光过电压与电弧重燃。

图6 故障接地残流

图7 不接地系统电弧重燃

设置0.107 s A相电压峰值处经开一线的中点发生间歇性电弧接地故障。如图7所示，为中性点不接地时，故障相电压仿真波形，可见每隔半个周波电弧发生熄灭与重燃，即电弧重燃时间为0.01 s，且故障相电压均为正值，这是工频熄弧的特点[16]，测量非故障相最高过电压为2.855倍额定电压。

故障设置与不接地系统相同，如图8所示，为消弧线圈接地八种安装方式故障相电压波形，与中性点不接地方式相比，熄弧后故障相电压为缓慢恢复过程，当恢复电压达到击穿电压后再次发生燃弧，如此重复，熄弧时间与非故障相最高过电压倍数列如表4所示。

表4 8种安装方式接地残流

由表4可知，消弧线圈接地可以大大延迟电弧重燃时间，而消弧线圈分散补偿方式四和五熄弧时间相对小，但均远大于不接地系统的半周波0.01 s。并且，消弧线圈接地系统发生间歇性电弧接地时非故障相过电压倍数基本相同，约为2.3倍额定电压，小于不接地系统的2.855倍。

图8 消弧线圈接地电弧重燃

5 结束语

本文首先分析了分散补偿消弧线圈容量配置方法，并给出了设计过程。接着给出了分散补偿消弧线圈的安装位置，针对目前相关研究偏少的情况，对消弧线圈集中补偿、单台分散式消弧线圈等共八种安装方式进行了讨论。

在PSCAD建立变电站模型，首先对八种消弧线圈安装方式进行接地残流仿真，结果表明八种安装方式接地残流均满足规程要求，具有很好地接地电容电流补偿能力。接着对间歇性电弧接地故障进行仿真，结果表明与不接地系统相比，消弧线圈接地可延迟电弧重燃时间，降低故障相电压恢复速度。最后，通过测量间歇性弧光过电压表明八种安装方式过电压水平基本相同，且小于不接地系统，由于电弧重燃时间被推迟，消弧线圈接地系统发生弧光过电压的概率大大降低。

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An Investigation on Decentralized Compensation Grounding Mode for Arc Suppression Coil in Distribution Network

Wen Yuling

(Urumqi Power Supply Company of State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi Xinjiang Uygur Zizhiqu 830011，China)

Decentralized compensation grounding mode for Arc suppression coil is concerned due to its advantages of flexible installation and easy expansion, however, there is a lack of investigation on fault residual current and over-voltage appeared in multiple grounding systems for arc suppression coils with decentralized compensation. This article has reviewed the principle of capacity configuration for decentralized arc suppression coil and in a case design for the substation in a development area, 8 modes were selected to fix the arc suppression coil. The simulation showed that both centralized compensation and decentralized compensation of arc suppression coil can meet the requirements specified by the provisions on residual current while the re-ignition time for the intermittent arc can be delayed greatly. Whereas its overvoltage level for non-fault phase arc is substantially the same and less than the isolated neutral system. The conclusion is in favor of the extensive applications of the arc suppression coil with decentralized compensation.

arc suppression coil；decentralized compensation；grounding；fault residual current ；arc overvoltage

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.028

TM761

A

1000-3886(2016)05-0089-05

文玉玲(1975-)，女，新疆人，研究生，研究方向：电力系统稳定与控制。

定稿日期: 2016-05-04