消弧线圈多台并运控制技术

刘亚南

消弧线圈多台并运控制技术

刘亚南

（国网芜湖市供电公司，安徽芜湖，241200）

多台消弧线圈独立运行时不能统一控制，在接地系统发生故障时，将不能达到有效补偿效果。结合国内外先进电力应用技术与实践经验，提出了针对性控制策略与有效控制手段——采用多级消弧线圈并联运行的方式在接地事故中进行功率补偿。首先，阐述了接地事故的发生原理与产生危害，并立足已有技术条件与运行经验详细分析了采用并联方式运行多组消弧线圈的相关理论原理与工作流程。其次，充分利用现有仿真模拟软件与相关应用，对上述原理与相关结果进行仿真验证。最后，通过充分比对、分析，表明本文提出通过多台消弧线圈并联应对接地故障的方法是行之有效的，具备极高可行性。

消弧线圈；并联运行；电容电流

引言

经济社会的高速发展推动了电力市场的发展与壮大，市场的需求与负荷的高速增长也对电网及相关电力配套设施提出了更高的要求。安徽省芜湖市在国家促进中部地区崛起战略指引下，经济社会高速发展，电力供应的需求也随之显著增加，对于电力企业的保障与供应提出了更高的要求。

电网规模与电网负荷在显著提高的过程中，线路总里程必然明显增加，因此发生接地故障及相关运行故障的几率也明显上升，同时由于电网负荷的增加导致在发生电网输配电线路发生接地故障时接地电流强度激增，我市输配电网络装备的现有消弧线圈容量小，进而无法满足大电流强度下的补偿需求与预定技术功能，对于电网安全带来了极大的安全风险与隐患。

本文进行了抑制弧光接地过电压造成危害方面的研究。

1　弧光接地过电压

为保护电网安全运行，抑制弧光接地过电压造成的危害，我市配电网多采用中性点谐振接地系统，即中性点对地之间加装消弧线圈以补偿系统的接地电容电流。

为了有效应对与排除解决上述供电安全风险，通过综合考虑，在现有的技术条件下采用加装消弧线圈的方法与策略，其具体形式为在输配电线路的两段母线分别装备两台或多台消弧线圈[1-3]，然而该方法在现实应用与自动化控制方面存在一系列技术问题有待解决，主要为一般情况下在输配电网络中的消弧线圈均独立运行，实现了实体与控制的隔离，无法进行有效的统一控制与调整，尤其是当10 kV系统母线并联运行时，每段消弧线圈之间不能联系，必须通过手动调档才能保证补偿效果，显然不利于系统的安全运行。多台消弧线圈的并联运行控制成为迫切需要解决的现实问题。

2　多台消弧线圈并联运行

2.1消弧线圈并联运行工作原理[4-6]

图1为同一变电站谐振接地电网分段母线消弧线圈并联运行故障的电流分布示意图，清晰展示了在接地故障之下，分段母线消弧线圈的电流分布情况与相互关系，其中电容 为一简化参数，表示该出线回路的总电容，同时为了简化图形关系与明确相互连接结构，本图采用一条馈线代表所有未接地线路。同时本文在建模过程中，针对零序电流进行了简化与抽象，由于线路或其他元件的串联阻抗较小，对于整个模型与相关理论分析不产生决定性影响，因此在此处作出约定，不考虑串联阻抗影响，各相对地电容和中性点的消弧线圈的电抗构成的回路直接决定接地故障电流。

图1 并联消弧线圈系统单相接地故障电流分布

图2为图1根据戴维南定理简化、抽象后的电流分布示意图，在本图中，对地电容3C0远远大于线路阻抗，因此不考虑线路阻抗影响，现对图中相关技术参数作出简要说明如下：

C1：系统对地电容；

C2、C3、C4：正常线路电容；

图2　等值电路

输配电网络及相关配套设备在正常工况下，所有电气设备三相绝缘的运行环境、运行状况和污秽情况均大致相同，因此忽略上述参数与技术条件差异带来的影响，进而假定电气设备三相对地泄露电阻或电相相等，即rA=rB=rC=r0和gA=gB=gC=rg0，那么

式(2)为中性点电压计算的一般公式：

式(3)～式(7)为各线路电流计算一般公式：

根据电力系统暂稳态相关理论与继电保护原理，不难得知：消弧线圈单相接地故障与谐振接地电网同一变电站分段母线消弧线圈并联运行故障从技术原理具有高度相似性。二者之间仅存在细微差异，即消弧线圈自身制造工艺的差异导致相同消弧线圈的电容等电气参数存在细微差别，因此在并联运行条件下，流经各消弧线圈的电感电流略有差异。通过上述分析可知，在发生接地故障时，中性点电压直接决定了流进线路的零序电流，而故障线路接地电阻又直接影响中性点电压，因此在制定并联消弧线圈故障检测与控制方案与技术路线时，必须全面考虑上述电气特征的影响。

2.2消弧线圈并联运行接地电流检测

对地电容电流值是消弧线圈补偿系统的最重要参考量。精确的接地电流检测是发挥消弧线圈作用的首要前提，在现有条件下尽量提高检测精度是一个非常重要的工作。

在单机消弧线圈正常工况下，中性点电压和系统电流强度均可通过消弧线圈的电抗调节进行调整与控制，通过自动控制与远程检测装置的计算与分析，可以由电气参数变化量得到系统电容电流值。而多台消弧线圈联机工作时具有不同的工作地位与功能侧重，一般情况下，选择其中一台消弧线圈作为主消弧设备，其余均为从消弧设备，通过上述设备的相互配合与协调工作共同完成相关电气功能任务，而电容电流的计算与调整仅取决于主消弧线圈。

在上述理论分析与对比的基础上，本文进行相关电气系统建模，并作出如下约定：

（1）选择消弧线圈L作为主消弧设备；

（2）选择消弧线圈1、……、i、……、n(n为自然数)为从消弧设备；

（3）所有从消弧设备具有相同恒定的固定电抗值。

根据前文理论分析与假设约定，相较于单台消弧线圈计算过程，本计算方法与过程较为负杂，现详述如下。

图3为系统零序回路示意图，图4为其简化示意图，各电气参数说明如下：

Uo’、Uo1’、……Uoi’、……Uon’：各消弧支路的不平衡电压；

R：成套主消弧设备电阻值；

L、L1、……Li、……Ln：消弧线圈；

Cs：简化系统对地电容总值。

在并联系统中，由于在并列运行的消弧系统的L1～Ln各从消弧线圈电感值维持恒定，通过调档实现对主消弧线圈电感量的调整与控制，利用主消弧线圈控制器完成相关参数的采集、识别与计算，并最终得到系统电容电流。

图3　多台消弧线圈联机运行零序回路图

图4　多台消弧线圈联机运行零序等效电路

图5 多台消弧线圈联机运行等效戴维南电路

图5虚线框内所示部分为将图3中相应部分通过戴维南定理简化后的等效电路图，各电气参数说明如下：

XCs：系统电容容抗；

XLp：从消弧线圈并联感抗总值。

上述电气参数满足式（8）～式（11）所表示的数量与计算关系：

由图5所示相互关系得到回路中的电压相量关系式：

图6为对地电容电流相量图，各参数说明如下：

R：回路总电阻；

XL1：主消弧线圈调档前电抗值；

XL2：主消弧线圈调档后电抗值；

XP：并联容抗绝对值；

U0：戴维南等效电路电源；

I11：调档前主消弧线圈中性点电流强度值；

I12：调档后主消弧线圈中性点电流强度值；

θ：调档前后电流相位差。

根据相量图（图6）得到二元一次方程组：

联立上述方程组和式(12)可以解出R、XP：

由方程式(10)、(14)可得方程：

图6　简化零序等效电路单位圆图

对上述方程中各变量进行分析与带入计算，得到XCs为唯一未知量，因此上述方程为一一元二次方程，通过数学方法计算得到XCs，进而利用前文所述相关方程与计算关系得到系统电容电流IC：

在中性点补偿系统的分析中，将整个电网系统简化为一个黑盒进行统一化处理，将其具体结构与设备组成按照主要功能简化为唯一的典型三相对地电容，而忽略电网其他结构形式参数，如出线形式、环网结构、两端供电形式以及链式结构等。

3　消弧线圈并联运行控制策略

消弧线圈并联运行的补偿控制的主要工作是：检测对地电容电流，对需要补偿的容量在各个并联运行中的消弧线圈之间进行合理分配，实现最佳调档策略。

3.1消弧线圈并联运行档位控制

并联运行的档位选取，可根据不同需要制定不同策略。

（1）根据母线开断情况，切换不同的并联运行档位。当两组消弧线圈独立运行、分别测量需要补偿的电容电流时，即两段母线所带线路的电容电流由其自身补偿时，确定档位，母线断开；母线闭合对于采用并联方式连接的消弧线圈运行具有积极影响，因此出于维护系统稳定性与可靠性的考虑，母线闭合的情况不做档位调整。

（2）根据消弧线圈容量，制定并联运行档位。消弧线圈具有不同的容量，对于系统的运行与稳定具有较大影响，同时直接决定了系统在补偿过程中的运行档位，因此综合而言，必须根据设备（即消弧线圈）的自身性能与容量，针对性地调整运行档位。调节过程主要分为两种：其一，当母线闭合时，在系统所有的消弧线圈中选择一台进行调谐，而其他线圈不参与调谐过程，之后根据系统反馈与工作结果进行下一步控制动作；其二，当母线断开时，安装在不同母线上的两台消弧线圈实现实体隔离，运行工况独立，在各自的线路上完成相应的调谐响应。该方法控制简单、过程清晰，可以最大程度利用消弧线圈的容量与技术能力，但是对于补偿电流的分配具有不利影响。

（3）在消弧线圈自身补偿能力范围内，两条母线所装备的消弧线圈各补偿一半电容电流。本方法计算过程简单、直观，操作简单，稳定性高，可行性强，有利于输配电网络的管理与远程控制。但是操作过程较为繁琐，尤其是兼容性较差，例如在母线通断的过程中，由于工作原理不同，必须采用不同的操作方式。

（4）以消弧线圈操作性为核心，与消弧线圈类型共同制定并联运行档位。按照现有的技术条件与制造能力，在我国输配电网络中装备的主力消弧线圈类型为调容式与调匝式消弧线圈。相较于调匝式消弧线圈，调容式消弧线圈在调整过程中具有调节速度快、精度高、可靠性高的突出优点，检测方法也更有效、方便。综合上述设备的运行特征与优缺点综合分析，一般情况下，调匝式消弧线圈作为固定补偿容量，而调容式消弧线圈则作为调整配电网电容电流的主要设备。本方法适应性、操作性高，有效考虑了技术实现能力与经济成本。

（5）根据不同消弧线圈的投入年限及寿命，制定并联运行档位。在运行过程中，由于日常损耗与环境污染，造成消弧线圈的工作性能必然存在一定程度下降，该影响不可忽略，因此对不同工作年限的消弧线圈需要有针对性地调整与应对。主要方法为：对于服役期较长、工作年限较长的消弧线圈分配较少的容量；相应地，工作年限较短的消弧线圈分配较多的容量，针对不同消弧线圈的工作能力进行有针对性地容量调整，有利于延长消弧线圈的服役寿期，但该方法补偿策略繁琐、不易操作是不可忽视的缺点。

3.2补偿容量分配方法

从控制论角度而言，采用并联运行方式的消弧线圈具有综合程度极高的控制过程。该过程既需要制定数量众多的消弧线圈相互配合模式，同时还要包含相同或不同配电站内部的信息管理与控制流程，综合性与集成化程度较高。补偿容量的分配是并联运行的消弧线圈控制管理核心问题与关注焦点，尤其是在复杂系统中，采用有效方式避免多台消弧线圈轮番调档、循环动作更是重中之重。在生产实践中，一般采用逻辑控制与状态识别的方法解决不同消弧线圈的管理控制。在此基础之上，再进行后续的容量分配与各消弧线圈档位调整。以下为容量分配的三种主要控制方式，现详述如下：

（1）统一分配控制方式。以系统中装备的各个消弧线圈信息交互为前提条件，按照不同的配比对每个消弧线圈承担的补偿容量进行分配。

（2）自动并联控制方式。按照自动控制原理，各消弧线圈独立进行自身控制，较适合于多台（3台以上）消弧线圈并联运行工作。

（3）主从并联控制方式。系统接地电容电流的检测、识别由主消弧线圈完成，而根据该测量结果以及各从消弧线圈容量，调整相应的调整范围与调整容量。主从并联控制方式在某些环节与统一分配控制方式是相似的。

4　天门山变电站仿真实验

针对芜湖天门山变电站而言，两段10 kV母线的每段中性点均经消弧线圈接地，两台主变容量均为50 000 kVA。

分别以母线1，母线2所带线路为研究对象，接地电阻维持定值10 Ω，补偿度维持定值10%。在t＝0.1175 s时刻，对两端母线分别进行A相单相接地，图7为故障相三相电流，图8为各相零序电流，图9为A相电压与系统零序电压示意图。

图7　故障相三相电流

图8　各相零序电流

图9　A相电压与系统零序电压

仿真结果显示：一段与二段母线工作情况存在较大差异，前者由于消弧线圈无法满足10%的补偿能力，因此事实上系统处于欠补偿工况。在发生接地事故时，线路电容电流无法得到100%补偿，进而导致接地残留过大，同时残留电流方向相反，极易造成输配电线路谐振，对电网的安全运行带来较大安全风险，甚至造成全电网解链。后者跟前者相类似，亦无法得到100%补偿，但该欠补偿是由于二段线路自身档位原因造成，因此易于调整。在仿真中，当L取值为0.884H时，根据仿真结果，图10为故障相三相电流，图11为各相零序电流，图12为A相电压与系统零序电压示意图。

图10　故障相三相电流

图11　各相零序电流

图12　A相电压与系统零序电压

仿真结果显示：一段与二段母线工作情况存在较大差异，后者由于消弧线圈补偿能力强，因此事实上系统处于过补偿工况，在发生接地事故时，线路电容电流得到完全补偿，接地残留小，有利于系统的安全稳定运行与电网安全。但该母线消弧线圈必然存在一定程度的容量浪费，经济性较差。A相接地残流明显减少，满足系统运行要求。

根据前文所述，由于一段母线消弧线圈补偿能力不足、二段母线消弧线圈补偿能力充盈，故将一段消弧线圈完全投入，而二段消弧线圈视实际情况按照某一比例投入补偿，进而达到两端母线的平衡。在该种工况下，根据仿真结果，图13为一段、二段消弧线圈电流，图14为一段、二段消弧线圈补偿电流，图15为各相零序电流，图16为A相电压与系统零序电压，图17为各项零序电流示意图。

图13　一段、二段消弧线圈电流

图14　一段、二段消弧线圈补偿电流

图15　各相零序电流

图16　A相电压与系统零序电压

图17　各相零序电流

仿真结果显示：当消弧线圈并联运行时，通过一、二段的相互配合与补充完全可以解决单个消弧线圈容量不足的问题，满足系统安全、高效运行条件，对于输配电网络整体安全运行、控制管理均具有积极作用。

5　结论与展望

该装置已在芜湖供电公司天门山变电站得到实验和应用，消弧线圈可并联运行，也可独立运行，使用效果明显。消弧线圈的顺利并运有效解决了天门山变电站一段母线所带消弧线圈无法全补偿所带线路电容电流的问题，提高了工作效率、节省了大量费用，对于保证电力系统配电网的安全运行提供了有效保障。

经过调查分析，发现该装置存在的问题主要是检测不够准确，并运程序有待进一步完善。消弧线圈并联运行方式能够更广泛地应用于现场，服务现场，提高配电网供电的可靠性。

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[2]陈忠仁, 吴维宁, 陈家宏, 等. 自动补偿消弧装置并联运行方式[J]. 高电压技术, 2005, 26(3): 41-43, doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2005.03.018.

[3]刘味果, 李彦明, 何红. 不同变电站自动跟踪补偿消弧装置并列运行探讨[J]. 高压电器, 2008, 44(4): 338-341.

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[5]陈忠仁, 吴维宁, 张勤, 等. 调匝式消弧线圈自动调谐新方法[J]. 高压电器, 2005, 41(5): 75-78, doi: 10.3969/j.issn.1001-1609.2005.05.016.

[6]刘提. 配电网消弧控制策略与故障选线技术的研究[D]. 北京:华北电力大学(北京), 2010, doi: 10.7666/d.y1796780.

刘亚南(1966-)，上海交通大学电力系统及其自动化专业毕业，工学学士。清华大学企业管理研究生，高级工程师，现任国网芜湖供电公司总经理。

E-mail: 15755330077@139.com

Technology of Parallel Connection of Arc-extinction Coils

LIU Ya-nan
(State Grid Wuhu Electric Power Supply Company, Wuhu, Anhui, 241200, China)

Arc-extinction coil running independently cannot be unified controlled. When the grounding fault occurs, perfect compensation effect cannot be achieved. Based on the combination of domestic and foreign advanced power application technology and practical experiences, the technology of the parallel connection of arc-extinction coils has been proposed to solve this situation. Firstly, this paper expounds the principle and the harm of grounding fault, and analyzes the theory and work flow of the parallel connection of arc-extinction coils on the basis of technical condition and operation experience. Meanwhile, the above principles and associated results are verified by simulation of using existing simulation software and related applications. Finally, the simulation result verifies the extreme validity and feasibility of the proposed scheme by comparison and analysis.

Arc-extinction Coil; Parallel Connection; Permittivity Current

O357

A

2095-8412 (2016) 05-996-07工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.046