多分段电力系统中偏磁式消弧线圈的并列运行_李鹏飞.pdf

2023.05/多分段电力系统中偏磁式消弧线圈的并列运行李鹏飞1吕文军2牛晓南1张俊涛1(1.中国平煤神马集团尼龙科技有限公司2.河南平高电气股份有限公司)摘要:大型化工企业往往具有电力系统容量较大且改建扩建较多的特点，常规的消弧线圈布置方式对于电力系统的此类特征是不适用的。单台消弧线圈设置过小，在系统扩建之后，再次新增电缆线路后将无法满足补偿需求;而单台消弧线圈设置过大，一方面不够经济，另一方面一旦该台设备出现故障，将出现较严重的欠补偿现象，在发生故障时无法满足要求。本文研究一种在此类情况下的消弧线圈设置及配合运行的先进方案，一方面可以保障电气系统及电力设备的安全运行，当发生单相接地故障时，能可靠动作，对工业用电、民用电的供电安全性有显著的提高作用，另一方面作为一种适用于各类大型化工企业方案，具备在同类生产企业进行推广的可行性与实用性。关键词:电力系统;消弧线圈;并列运行;单相接地故障0引言我国的城市电网及厂矿企业的中压系统大部分为中性点不接地(即小电流接地)系统。这种系统在发生单相接地故障时，电网仍可带故障运行，但这种供电方式在单相接地电流较大时容易产生弧光过电压和相间短路，给供用电设备造成了极大的危害。过去防止这种危害的方法之一就是在中性点和地之间串接一个电抗器，但当系统运行方式发生改变或因扩建而引起对地电容电流改变之后，固定数值的电抗器并不能满足实际的需要，在特殊的情况下甚至会引发谐振过电压的风险。1研究对象本研究所采用的偏磁式消弧线圈能实时监测电网单相接地电流的大小，可以根据系统运行方式或线路变化改变感抗值。在发生单相接地时，能通过计算机系统及软件计算进行轻度过补偿，使接地点残流基波无功分量为零，熄灭接地电流，同时不会引发谐振过电压，使工厂供电的可靠性上了一个新的台阶，为连续性生产要求较高的化工企业提供了更加安全、稳定的供电保障。偏磁式消弧线圈在其交流工作线圈内布置了一个铁心磁化段，通过改变铁心磁化段磁路上的直流助磁磁通大小来调节交流等值磁导，实现电感连续可调的目的。其直流励磁绕组采取反串连接方式，使整个绕组上感应的工频电压相互抵消。通过对三相全控整流电路输出电流的闭环调节，实现消弧线圈励磁电流的控制。利用计算机的数据处理能力，对这类消弧线圈固有的不大的非线性伏安特性实施动态校正。电网中装设消弧线圈，当系统发生单相弧光接地时，利用消弧线圈产生的感性电流对故障点的电容电流进行补偿，使故障点的残流减小，达到自然熄弧。2技术方案及实施过程本研究的技术方案为线路发生接地故障时，中性点对地绝缘的供电系统会出现零序电压，将零序电压作为启动信号开始进行计算，然后根据发生故障时每相电压的情况进行逻辑分析计算，判定接地故障发生的相别及接地属性，再根据判定结果做出相应的处理。经过对设备与系统的分析，组织人员进行分析调研并收集相关资料进行对比，制定技术方案。在本公司 110kV 总变电站二期、段分别装设一套偏磁式消弧线圈，当 10kV 电力系统出现单相接地故障时，补偿接地电容电流，使电弧迅速熄灭，同时还可以根据系统运行方式与一期消弧线圈配合使用。3主要技术关键点3.1常规设计无法满足需求时的优化方案10kV 的配电多采用埋地电缆的敷设方式，正常101电气技术与经济/技术与应用/2023.05运行时电容电流较大，如不采取中性点谐振接地方式，当 U 相发生单相接地故障时，可通过文献 1计算得到:非接地相 V 相将会产生电容电流，计算式如下:ICV=(Un0+UV)jCV=3CUphe j60W 相将会产生电容电流，算式如下:ICW=(Un0+UW)jCW=3CUphe j120在 U 相的接地故障点入地的电容电流将达到IC=(ICV+ICW)=3CUphej90，即为正常运行时每相对地电容电流的 3 倍，这在电容电流较大的时候是相当不利的，极易产生电弧从而引起弧光过电压，该过电压往往可以达到 3.15 3.5 倍的相电压，对于整个电力系统具有很强的绝缘破坏作用。如采用固定调匝式消弧线圈，其电感电流为预调的固定数值，因本公司 10kV 电力系统装设有快切装置，如果发生外网单段晃电故障，故障段会经由快切至另一段，以保障持续供电，此时本段电容电流将会减少。多条线路切换将会出现较严重的过补偿，导致系统脱谐度 =(IL IC)/IC过大，启动阈值升高，发生单相接地故障将无法正常启动消弧线圈。如果10kV 倒负荷使得另一段线路切至本段，将会导致本段电容电流增加，使得系统脱谐度过低，全补偿引发谐振过电压的几率提升，不利于安全运行。偏磁式消弧线圈的电感值为非离散量，连续可调，且根据系统运行方式改变可以自动变更电感电流值，因而偏磁式消弧线圈更适合本公司实际，进而根据二期扩建后的预估电容电流来选取合适容量。实际调试中，因本公司负荷中三相负荷占绝对优势，三相不平衡度极低，选择容量较大的偏磁式消弧线圈后，因其工作原理限制导致其在三相平衡零序电压 U0极小的情况下，系统巡检时无法有效地找到谐振点，致使无法精确测量系统电容电流。经过电气技术人员的讨论研究，创新性提出采用将接地变调整单相分接头的方式，在系统谐振接地点将 U0扩大，经过理论推导与实践测试，成功解决了消弧线圈在三相平衡系统中的应用难题。3.2多台消弧线圈间的配合与改进方案通过试验对二期、段消弧线圈与一期、段消弧线圈之间的相互配合进行测试，验证原技术方案的可行性，下面以、段测试过程为例进行介绍，、段与之相同。确认段消弧线圈控制器接线无误、绝缘良好，试送电显示正常，报警、连锁测试正确无误。摇测接地变及消弧线圈本体等绝缘良好，符合送电条件，合接地变中性点负荷开关，总变高压送电，确认各项表计正常。将、段消弧线圈并列运行且均设自动方式时，段控制器开始巡检之后在消弧线圈铁心注入励磁直流，此时中性点电压处于串联谐振点附近，UN显著增大。当浮动值大于段控制器设定的灵敏度时，会使之自动进入巡检状态，而由于已巡检完毕的段控制器再次检测到段巡检引起的 UN浮动，将会开始第二次巡检，针对此种状况，经测试可采用提高灵敏度阈值的方法进行改善。将、段消弧线圈并列运行且均设手动方式时，此时运行情况类似于固定调匝式消弧线圈，虽然电感值连续可调，但其电感电流数值固定，在 10kV线路投切导致电容电流变化之后，不能满足需求。将、段消弧线圈并列运行且段设自动方式、段控制器设手动方式时，令段控制器重新巡检确定电容电流，虽然段电容器中并未注入励磁直流，但由于段消弧线圈本身的电感补偿作用，相较单独投运段消弧线圈时的 65.8A，电容电流降低至52.2A。由于发生单相接地故障时，控制器会将最近一次巡检所得的电容电流作为基准进行过补偿，而非即时所得，因而可对自动/手动并列运行的组合方式进行进一步方案优化，随后采用段手动方式投入、段进行系统巡检的方式，取得准确的电容电流值，配合情况良好。综上，二期消弧线圈可较好地完成与一期消弧线圈的配合过程，但对于当前方案，电气车间与厂家研发人员进行沟通，建议将两台消弧线圈控制器通讯模块进行改造，使两者之间可进行通讯交互。当发生单相接地故障之后，由段将手动补偿数值实时传输至段，段控制器即可根据差值计算出自动补偿的余量，优化完成后，即可在不牺牲灵敏度的前提下更好的完成两者的相互配合。201电气技术与经济/技术与应用2023.05/4完成效果一是对于 10kV 电力系统所采用的中性点不接地运行方式，当发生单相接地时可提高供电可靠性，但其可能产生弧光过电压引起绝缘破坏、相间短路或其他不可见隐患，采用中性点经消弧线圈接地可极大的避免弧光过电压的产生，提高系统的供电可靠性及安全性。二是传统的消弧线圈采用固定补偿系统，并不适用于本公司这种运行方式频繁改变且处于扩建期的电气系统，容易发生因脱谐度过低导致的谐振过电压或欠补偿导致的电弧难以熄灭。三是本研究所采用的偏磁式消弧线圈为动态补偿，内部为全静态结构，无任何运动部件，电感的调节通过辅助励磁的方法实现，调节范围、精度、可靠性均显著优于同类平均水平。四是本研究试运行阶段经过测试、调试，提出对两台消弧线圈控制器通讯模块进行改造，使两者之间进行通讯交互。当发生单相接地故障之后，由段将手动补偿数值实时传输至段，段控制器即可根据差值计算出自动补偿的余量，优化完成后，即可在不牺牲灵敏度的前提下完成两者的相互配合，相较厂家原设计方案，更加符合本公司实际的运行情况。5结束语在未设置偏磁式消弧线圈的情况下，发生 10kV单相接地故障，弧光过电压导致部分高压设备损坏需更换，以本公司主要产品少数设备过电压绝缘破坏致停车为例，更换数台高压电机再开车，视情况至少需要 24 48h，如无可更换备用设备，则可能需要 120h以上，期间的人力物力损失非常惊人。同时单相接地后有概率出现主线路绝缘破坏或变压器故障，处理及更换至少需要 200h 以上。本研究一方面可以保障电气系统及电力设备的安全运行，当发生单相接地故障时可靠动作，对工业用电、民用电的供电安全性有显著的提高作用，另一方面作为一种适用于各类大型化工企业方案，具备一定在同类生产企业推广的可行性与实用性。参考文献 1刘屏周工业与民用供配电设计手册(第四版)M 北京:中国电力出版社，2016:56-57(收稿日期:2023-03-09)301电气技术与经济/技术与应用