中压配电网消弧线圈分布式补偿的仿真研究

2018-04-19严倚天赵志刚严浩军

浙江电力 2018年3期

严倚天，赵志刚，严浩军

（1.沈阳工程学院，沈阳 110000；2.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江宁波 315000）

0 引言

我国中压（35 kV，10 kV）配电网基本采用中性点不接地或经消弧线圈接地，简称小电流接地系统[1]。随着我国经济发展和城镇化的推进，出线电缆化进程也不断加快，从而导致了小电流接地系统对地电容电流急剧增加[2]。小电流接地系统单相接地，当接地点电流超过10 A时，其自熄弧能力受到限制，将产生弧光接地过电压[3]，进而导致电缆头爆炸、开关柜烧毁等一系列事故[4－5]。因此，近20年来，中压配电网中性点接地方式一直是电力技术人员和学者持续关注和讨论的热点。整治急剧增加的电容电流一般有2种方案，一是将配电网中性点改成低电阻接地方式；二是配置适当容量的消弧线圈进行补偿。对于第一种方案，若是变电站采用全电缆、全绝缘出线，或是新规划区域，则是一种理想选择[6]；若是老配电区域，或因设备改造难度大，或因配电区域联络线众多而难以实施[7]。实际工作中，遇到的大多是非规划新区，既有架空出线又有电缆出线，或是二者混合的配电区域，其不断增加的电容电流只能采取消弧线圈补偿[8]，而这又涉及到消弧线圈的配置、增容和安装方式等，依然需要处理不少难点和棘手问题。鉴于此，结合宁波电网的整治经验，重点讨论中压配电网的消弧线圈分布式补偿问题。

1 消弧线圈补偿原理

设中性点不接地系统A相金属性接地（如图1所示），以UA为参考相量，中性点O电压将升至相电压，B相和C相电压将升为线电压。相量表示如下：

B相和C相通过对地电容和接地点构成回路，近似考虑三相线路对地电容相等，则等于是系统对地电容电流，亦即故障点的电容电流），负号表示与参考方向相反。产生电容电流（参考方向由地流入A相为正），

由式（4），式（5）可知，虽然接地故障发生前后接入电路的有效电容不一样（接地前为三相，接地后仅有两相），但由于接地后作用在非故障两相的电压上升为线电压，因而，由此产生的流过接地故障点的故障电流，与三相线路正常条件下不平衡电压为相电压时的零序电流，在数值上是相等的，因此，可以用串联等效电路模型来分析系统的电容电流[9]。当消弧线圈接入中性点以后（见图2），A相通过消弧线圈和接地点形成回路，产生一个由地流入A相的感性电流，电动势为感性电流如式（6）所示，负号表示与参考方向相反。

式中：IL为流过消弧线圈的电感电流；ILS为系统感性电流，亦即流过故障点的感性电流；XL为消弧线圈的感抗。

由式（4）、式（6）可知，流过故障点的感性电流和容性电流参考方向一致，但一个为容性，一个为感性，正好相差180°，故消弧线圈产生的电感电流能补偿故障点的电容电流。具体补偿程度取决于消弧线圈当前感抗的大小。中性点经消弧线圈接地的系统单相接地时的相量关系见图3。

图2 消弧线圈补偿原理图示意

图3 消弧线圈补偿相量

2 消弧线圈配置存在的问题

按照有关规定[5，10]，中压配电网对地电容电流大于10 A时，中性点应加装消弧线圈接地，使补偿后单相接地残流小于10 A，以有效抑制弧光过电压的产生。中性点经消弧线圈接地具有许多优点[11]，目前已在我国中压配电网得到了广泛应用，但随着系统电容电流的增大，实施过程中也碰到了一些问题，主要有：

（1）没有安装消弧线圈的老变电站，随着中压配电网电缆化率的增加，单相接地电容电流超过10 A，按照有关规程需增加消弧线圈补偿，然而变电站内已没有合适的安装地点，使消弧线圈增装项目实际难以实施。

（2）近年来，配电线路电缆化率超过规划预期，部分投运时间并不太久的变电站已发生消弧线圈容量不足，按规程规定必须增容。然而消弧线圈增容是一个比较复杂的问题，传统方法不但要更换消弧线圈，同时还要对所用变压器增容（变电站主变压器低压侧为三角形接线的系统，中性点往往从所用变压器高压侧引出），这时不仅要更换消弧线圈，还要更换所用变压器，不但成本高，实施难度也大[12]。

3 消弧线圈分布式补偿方案

第2节所述消弧线圈配置存在的问题主要涉及以下方面：一是原未安装消弧线圈的变电站因电容电流超过10 A后需增装消弧线圈；二是因电容电流增大，变电站内的消弧线圈需要增容。对此，考虑站外实施补偿，可从无功功率的分散补偿得到启发，探讨消弧线圈分布式补偿的可行性。为此，重点研究以下几种情况：

（1）集中补偿消弧线圈由变电站内移至站外方式。

（2）消弧线圈在变电站内集中补偿加出线分布补偿方式。

（3）消弧线圈在变电站内集中补偿加故障线路和正常线路分布补偿方式。

4 消弧线圈分布式补偿仿真分析

4.1 系统接线

设某220 kV变电站系统拓扑如图4所示，当前35 kV出线3回，均为架空与电缆混合线路，其中出线电缆总长度约10 km，架空线总长度约35 km，所用变压器容量为1 500 kVA。因架空线路对地电容电流很小予以忽略[13]，仅考虑出线电缆电容电流。

图4 220 kV变电站系统接线拓扑

4.2 线路参数

35 kV线路电缆采用YJV22－3×300交联聚乙烯电力电缆[14]，线路等效模型采用π型电路，单位长度电缆线路参数见表1，各35 kV出线电缆长度及其对地电容电流见表2。

4.3 仿真计算

表1 35 kV YJV22-3×300交联聚乙烯电缆线路单位参数

表2 35 kV出线电缆长度及对地电容电流

系统单相金属性接地时，按以下几种情况，用MATLAB软件开展仿真计算：

（1）中性点不接地。

（2）变电站所用变压器中性点经消弧线圈接地。

（3）35 kV出线L1末端经消弧线圈接地。

（4）变电站所用变压器中性点、35 kV出线L4末端分别经消弧线圈接地。

（5）变电站所用变压器中性点、35 kV出线L4和L5末端分别经消弧线圈接地。

4.3.1 中性点不接地

仿真得到35 kV中性点不接地系统A相金属性接地时流过接地点的故障电流（由大地流向A相）波形，其如图5所示。由图5可知，流过故障点的电容电流幅值为44 A，其有效值为=31 A。

图5 35 kV中性点不接地系统A相接地时的接地点电流波形

4.3.2 变电站所用变压器中性点经消弧线圈接地

图6 消弧线圈变电站集中补偿示意

图7 MATLAB软件35 kV A相接地仿真模型

此时由中性点O流经消弧线圈的电流波形如图8所示，流过接地点的残流如图9所示。

图8 A相接地时由中性点O流经消弧线圈的电流波形

图9 A相接地时经消弧线圈补偿后的接地点残流

接地点残流为由中性点流入消弧线圈（即由消弧线圈流入大地）的电感电流与B，C两相流入大地的电容电流相量之和，而B，C两相流入大地的电容电流相量和即为中性点不接地系统A相接地时，接地点由大地流入A相的电容电流。由此可知，此时接地点残流应为图5与图8电流曲线之和（电流参考方向已在仿真模型中统一校正）。分析图5和图8，2条电流曲线数值接近、相位差为180°，相加后正好抵消，流过电抗器的感性电流略大于B，C两相电容电流之和1.51 A（幅值），差值波形与仿真所得波形图9完全一致。

由图9可知，与中性点不接地系统故障点电流31 A相比，中性点经消弧线圈接地后，故障点电流被控制在（有效值），小于10 A且呈感性，满足有关规程对消弧线圈补偿的要求[6， 10]。

4.3.3 35 kV出线L1末端接消弧线圈接地

移除变电站内集中补偿的消弧线圈，将相同容量的消弧线圈接于35 kV出线L1的末端，如图10所示。

图10 35 kV出线L1末端中性点经消弧线圈接地

当系统发生A相单相接地时，仿真得到流经消弧线圈的电流波形及接地点残流波形，与消弧线圈经变电站所用变压器中性点接地时完全相同（包括幅值、频率、初相），这说明如果不考虑其他因素，集中补偿方式也可在变电站外部实施。

4.3.4 变电站所用变压器中性点及35 kV出线L4末端分别接消弧线圈接地

设此时在原35 kV出线L1，L2，L3的基础上新增出线L4，电缆长度见表2。变电站集中补偿消弧线圈容量仍为1 000 kVA，L4增加电容电流10.1 A，相应需增配消弧线圈容量=204 kVA，取整数考虑在L4线路末端加装容量350 kVA的固定式消弧线圈。设35 kV出线L1的A相接地，系统接线如图11所示，仿真测得相关电流见表3。由表3可知，接地点残流呈感性，有效值为1.2 A，满足有关规程要求；将电缆线路电容电流、消弧线圈电感电流理论值代入：残流=电缆线路电容电流－消弧线圈补偿电感电流=（8.5 A+8.5 A+10.1 A+10.1 A）－（28.6 A+10.0 A）=－1.4 A，与仿真结果基本相等，也满足有关理论计算。可见，接于线路L4末端的固定式消弧线圈起到了补偿作用。

图11 消弧线圈变电站集中补偿加出线L4分散补偿示意

表3 消弧线圈变电站集中补偿加L4分布补偿后的仿真电流

4.3.5 变电站所用变压器中性点及35 kV出线L4和L5末端分别经消弧线圈接地

在4.3.4的基础上再增加出线L5，设出线L5的电缆长度5 km，新增电容电流12.7 A（详见表2），相应增配消弧线圈容量kVA，在L5末端再加装300 kVA消弧线圈。假设此时线路L4单相接地，系统接线如图12所示。仿真得到有关电流见表4。由表4可知：接地点残流呈感性，有效值为1.7 A，满足有关规程要求；将电缆线路电容电流、消弧线圈电感电流理论值代入：残流=电缆线路电容电流－消弧线圈补偿电感电流=（8.5 A+8.5 A+10.1 A+10.1 A+12.7 A）－（28.6 A+10 A+12.8 A）=－1.6 A，满足理论校核。可见，接于线路L4和L5末端的固定式消弧线圈均起到了补偿作用。

图12 消弧线圈变电站集中补偿加L4和L5分散补偿示意

表4 消弧线圈变电站集中补偿加出线L4和L5分布补偿后的仿真电流

4.4 仿真结果分析

分析上述仿真结果可知：

（1）消弧线圈的集中补偿既可在变电站内实施，也可在变电站外实施。

（2）消弧线圈也可在变电站外的出线上进行分散补偿。

（3）由上述2条可进一步推得，系统对地电容电流的感性补偿具有区域效应，即如果运行方式允许，可在同一小电流接地系统内的合适位置进行补偿。

虽然消弧线圈的站外补偿与站内补偿具有同样效果，但站外补偿必须考虑系统运行方式的影响。如接于线路，当线路退出运行时就无法起到补偿作用。因此当消弧线圈外接于线路时，一般考虑补偿本条线路电容电流。另外，既然系统电容电流的感性补偿具有区域效应，那么当变电站及其出线无法实施时，还可在同一系统的配电网开闭所、环网站等处实施，这就为消弧线圈的灵活补偿提供了诸多便利。

消弧线圈在变电站外的分布补偿方式，已在宁波海曙和鄞州配电网试点应用，效果良好。从宁波电网消弧线圈的运行和维护经验看，对地电容电流的消弧线圈补偿以变电站就地集中补偿加周边分布式补偿方式为佳。