钢铁厂变电站电容电流的治理与研究

韩 雷

（1.河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002；2.河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067002）

随着社会发展，对电能的需求量越来越大，火电站、核电站等大型发电站的建设也在增加。基于环境保护的原则，受到地理位置条件的制约，建设大型发电站需要远离负荷中心，进而影响到电力系统的传输向远距离、高电压、大容量的方向发展[1]。大型城市的发展导致电网负荷不断增加，配电线路越来越长，电缆化率也在增大，因此电力系统的电容电流也迅速增长。作为电力系统的枢纽，钢铁厂变电站发挥着重要作用，是保障电力系统的安全运行的关键。随着电能负荷密度的增大和供电需求的增多，对钢铁厂变电站的要求也产生了变化。如果变电站的电容电流过大，导致电弧不能自行熄灭，引起电流短路，可能会造成变电站内变压器、电抗器等绝缘损坏，且不具备自动恢复功能，电气设备烧坏后修复非常困难，甚至还会发生停电事故，严重影响到供电系统安全可靠地运行，造成国民经济的巨大损失[2]。因此，本文通过探讨钢铁厂变电站电容电流的治理与研究，进而提高钢铁厂变电站电容电流的适应性，为保障电力系统安全可靠运行提供一定参考依据。

1 钢铁厂变电站电容电流的扩大容量治理

随着电容电流的迅速增加，电网容量显示不足，需要进行增容更换，但经过几次改造，就无法再进行增容，如果更换设备，需要较多的资金，造成一定负担。因此，可以考虑在钢铁厂变电站负荷侧安装消弧线圈，进行分布式补偿，是一种经济实用的解决方式[3]。对消弧线圈进行分布式补偿，一方面，可以改善电容电流容量不足的问题；另一方面，不会对原有调谐造成影响，并可以降低有功电流，弥补了不能补偿有功电流的不足。

1.1 制定分布式补偿方案

当钢铁厂变电站对地等效电容电流增大，原有容量不足，可考虑制定分布式补偿方案，合理选择补偿点，增加电网补偿容量。从原理上看，无论补偿装置安装在何处，都可以与主站消弧线圈相配合，完成电容电流补偿要求[4]。一般情况下，选择单相接地电容电流最大的线路，进行分布式补偿，补偿容量与电容电流最为接近。当发生故障时，分布式补偿消弧线圈，可以减少零序回路电流，并降低故障点残流。从经济层面看，安装分布式补偿消弧线圈，可以降低投资成本。根据实际项目，考虑补偿120A的电容电流，可以保持变电站原补偿电流75A 不动，在开闭所增设补偿40A 的分布式消弧线圈，整个方案增设的设备总成本不超过20 万，就满足补偿电流的要求；而若采用增容改造的方案，总成本在70 万左右，同时需考虑设备的安装空间，可以发现，分布式补偿消弧线圈方案，比增容改造方案更能减少成本和安装空间，具有很强的优势。当钢铁厂变电站电容电流较大，可以采用多点分布式补偿，从设备成本、安装空间和电网未来规划等方面进行综合考虑，在补偿方式组合中，选取最优方式。

1.2 确定补偿容量

分布式补偿系统零序等效电路，可由以下公式计算：

其中，I D˙为变电站感应电流，I˙为感应流出电流，1L～NL为N 个分布式补偿消弧线圈，L 为主消弧线圈，C 为接地过渡电阻。

由脱谐度定义：

其中，I 为补偿电流，v 为脱谐度。

由于电流为标量值，则可得到：

脱谐度一般取值-15%，补偿电流调节范围为：

则得到：

当钢铁厂变电站运行方式改变，导致电容电流减小时，可能出现过补偿。而主消弧线圈补偿的是分布式补偿之后的残余电流。确定补偿容量，需要考虑运行方式变化，并满足主消弧线圈调节范围。

1.3 安装补偿装置

本文引入的分布式补偿消弧线圈，结构如图1 所示。该装置由五柱铁芯①组成，中间三个铁芯柱连接有绕组②，两边铁芯柱有四个气隙③，形成零序磁路。这种分布式装置制造成本较低、体积小方便安装，且可以安装于柱上，对环境适应性很好，无需人员或设备监测，可免维护，具有一定优势。

图1 消弧线圈的结构

2 钢铁厂变电站电容电流的故障排查治理

现阶段对钢铁厂变电站故障线路选线功能的装置，主要通过零序电流互感器进行选择。虽然便于运维人员确定故障线路，进行检修处理，但这种做法会导致故障处理时间长，运维工作量繁重，尤其在雨雪天气，更加重了检修工作的难度[5]。因此本文提出采用变压器接地转移装置治理电容电流故障，可同时实现选线、消灭电弧、故障定位等功能。

2.1 选取故障相

选取故障相是变压器接地转移装置，在钢铁厂变电站电网中安全稳定运行的首要条件。该装置是一种稳态接地设备，采取单相接地故障时的稳态信号，可以精准确定零序电压变化，判断接地相别。

2.2 限制短路电流

一般情况下，电路会发生两相接地短路故障，为保证钢铁厂变电站电网的运行，需要对短路电流进行限制，并对钢铁厂变电站电网系统进行保护[6]。限制短路电流，最有效的方式是采用感性元件，在发生两相接地短路故障时，感性元件串接在故障相电压回路中，进而有效限制短路电流[7]。当感性元件的感抗为1Ω时，即使出现出口短路，接地电阻为零的状况，变压器接地转移装置也能有效将故障电流限制在5000A 以下，小于直接短路电流，有效保护电网系统。

变压器接地转移装置通过对零序电压、相电压和线电压实时采集，根据采集数据分析线电压及零序电压的变化，可自动识别接地故障，判断接地相别。采用比较零序电压模角，准确判断故障相别，且能快速启动，保证了设备的灵敏度和准确度。

3 实验测试

3.1 分析补偿后电容电流情况

以某110kV变电站10kV侧段母线为研究对象，采用消弧线圈分布式补偿方式，分析补偿后电容电流的接地残留情况。通过测量变电站每条出线的接地电容电流大小，找出出线电容电流最大值，从系统接地电容电流减去最大值，作为最小接地电流。该变电站实验段有10条出线，每条出线的电容电流测量值如表1所示。

表1 变电站出线电容电流

确定分布式补偿线路方法如下：首先，对线路按电容电流大小排序，将电容电流最大的选为初选线路，其余为备选线路，线路电容电流越大，负荷相对较多，线路比较重要，供电要求较高，安装分布式补偿可以降低主消弧线圈补偿容量；其次，分析与验证是否满足补偿条件；最后，如果初选线路不满足条件，再从备选线路中选择电容电流最大的线路分析验证，直至确定出最合适线路。将分布式消弧线圈安装在线路9 末端，在线路5 距母线1km 处发生接地故障，过度电阻为1Ω。计算可得分布式消弧线圈容量为56A，消弧线圈补偿前接地残留为80.6A，补偿后的接地残留为5.3A。由此实验表明，发生单相接地故障时，采用分布式补偿后，能够有效补偿电容电流，接地残流被控制在较小的范围。因此，使用分布式消弧线圈，可以补偿钢铁厂变电站电容电流，并减小接地残留。

3.2 抑制电容电流故障效果

选择运行过程中接地故障频繁的钢铁厂变电站为试点，对变电站安装变压器接地转移装置，进行接地测试并验收效果，对动作、保护跳闸、选线结果和装置运行异常进行记录。选相单元的动作记录如表2 所示。

表2 选相单元动作记录

在钢铁厂变电站电网中发生单相接地故障，该装置会自动选准故障线路及相别，让对应开关立刻合闸，熄灭电弧，对变电站提供有效保护，避免伤害事故发生。在某一相发生故障后，该相零序电流变化最大，接地保护选线单元会合闸开关，并录波，根据零序电流在开关合闸前后的变化，确定接地故障线路。实验结果表明，在自然运行状态过程中，经过人为施加和自然故障点两种方式，进行瞬时性单相接地故障试验，接地转移设备都能达到快速熄弧的状态，满足安全运行的要求。

4 结语

本文通过研究钢铁厂变电站电容电流的治理，安装分布式消弧线圈补偿电容电流，改善电容电流容量不足的问题；采用变压器接地转移装置治理电容电流故障，实现选线、消灭电弧、故障定位等功能，有效解决钢铁厂变电站电容电流的接地故障问题。本文对钢铁厂变电站电容电流的研究虽然取得一定成果，但还存在不足之处。电子器件在自动补偿装置中的使用越来越广泛，因而在以后的研究中，可以选择性能好的设备进行试验；此外还应不断尝试更优的选线算法，以提高准确率。