高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统探讨

摘要：提出了配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿；当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸。提出了高短路阻抗变压器式可控电抗器的基本结构和原理，用该原理研制成功的高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统，具有伏安特性线性度优良、响应速度快、电流由零到最大都能无级连续调节、补偿效果好、对系统适应性强等优点，是实现新型接地方式比较理想的设备。
关键词：配电网 消弧线圈 可控电抗器 晶闸管 短路阻抗

1　新型接地方式
　　配电网中性点接地方式的选择与电力系统安全可靠运行密切相关，是城网和农网建设中必须关注的重要问题。但长期以来并未得到满意的解决。随着电网的不断发展，电容电流小于一定值而允许中性点不接地的电网已越来越少，绝大多数配电网的中性点都采用低阻接地或消弧线圈接地方式。
　　低阻接地虽然避免了系统的过电压问题，但跳闸率过高，不能适应对供电可靠性越来越高的要求，尤其是在架空线路与电缆混合的配电网中此问题更为突出。同时，单相接地时巨大的接地电流将使地电位升高，严重时会超过安全值，可能对通信线路、低压电器和人身安全造成不利影响，这是该方式的先天缺陷。随着电力配电系统与电信网共处系统的日益增加，用户使用的敏感元件（电脑、电子控制、电力电子等）日益增多，以及国际标准对低压设备耐压要求的降低，低阻接地方式这一不可克服的缺陷越来越不能被社会容忍。尤其在电缆使用量逐渐增多、电网迅速扩大，使电容电流大增的情况下，用电阻将单相接地故障电流限制到远小于两相短路电流而同时又要满足过电压要求的做法已非常困难，即采用低阻接地方式已非常不经济。因此，低阻接地方式不仅不适合于以架空线路为主的农网，也将越来越不适合于以电缆为主、容量不断扩大的城网。
　　自动跟踪消弧线圈接地方式避免了巨大的接地故障电流带来的一系列问题，又能使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电^［1，2］。但是由于《规程》中规定线路单相接地时允许带故障运行2h，对系统的绝　　缘水平要求较高，因而使某些进口设备（尤其是电缆）受到威胁。同时故障电流持续时间长不仅对人身安全很不利，而且易使非瞬时性接地故障扩大成相间短路（尤其是电缆）。随着电缆逐渐代替架空线路，单相接地时不分瞬时性和非瞬时性故障都不跳闸的传统消弧线圈接地方式已不再适合。
　　配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿，使故障电流小于一定值而自动灭弧，从而使系统继续正常运行而不停止供电；当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸，不影响其他非故障线路的正常运行；同时保证单相接地故障持续时间小于10s，使系统的绝缘水平可与低阻接地时的相同^［3］。这种接地方式兼具了低阻接地和消弧线圈接地的优点，又摆脱了各自的缺点，是一种较为理想的新型接地方式。
　　该接地方式的实现，不仅须配备可靠、准确、响应快的小电流接地选线装置和相应的跳闸装置，还必须有高质量的自动跟踪补偿装置。主要要求是：消弧线圈伏安特性线性度好，响应快，能在大范围内连续调节，补偿效果好等。现有的各类自动跟踪补偿消弧线圈，包括调匝式^［4］、调气隙式^［5］、直流偏磁式^［6］、磁阀式^［7］、调电容式^［8］及其它类型^［9，10］，都具有某些缺点而不能同时满足上述要求。这也是目前消弧线圈的应用受到局限的原因。本文所述由高短路阻抗变压器式电抗器组成的新型自动快速消弧系统可以满足上述要求，使上述接地方式实现成为可能。
2　自动快速消弧系统的主要构成
　　该系统主要由高短路阻抗变压器式消弧线圈和控制器组成，同时采用小电流接地选线装置作为配套设备。
2．1　高短路阻抗变压器式消弧线圈
　　该消弧线圈是一种新型的变压器式可控电抗器，其一、二次绕组间的短路阻抗很大（达100％或更大），二次绕组用晶闸管短路。通过调节晶闸管的导通角来调节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。其原理结构见图1。
　　整套装置中设置特殊的滤波电路，用以吸收晶闸管通断时产生的谐波，使电抗器输出工频电流。当给定晶闸管的触发角α时，工作线圈输出的基波电流为：

式中　I_om为额定电压下晶闸管全导通时流经工作线圈的电流有效值。

　　该消弧线圈不需要调节匝数，铁芯不需要有气隙，不需要复杂的直流回路和任何机械传动装置，因而结构十分简单，与普通的变压器相同。由于电抗值的调节是通过调节晶闸管来实现的，该消弧线圈具有极快的响应速度，并可实现由零到额定电流的无级连续调节。
　　此外该消弧线圈的独特优点是作为补偿用的电感不是激磁阻抗而是利用变压器的短路阻抗，因而可保证在全电压范围内都具有良好的伏安特性，实测结果如图2所示。这一优点对可控消弧线圈非常重要，因为单相接地情况下中性点电压随接地阻抗变化，高阻接地时中性点电压较低，而最高可升到1．1倍相电压。若消弧线圈的伏安特性为非线性，则消弧线圈输出的补偿电流将成为中性点电压的非线性函数，因此利用消弧线圈在额定电压下对应的电流来外推或内推其它电压下的电流将会导致残流较大，再考虑到零序电容测量的不准确性，有可能使接地残流仍旧超过规定的允许值；对于分级式消弧线圈（如调匝式、调容式等），还存在级差电流，情况有可能更糟。

2．2　新型控制器
　　控制器是系统的核心，担负着实时跟踪测量系统电容电流并及时向系统投入或退出补偿电流、对接地故障线路实现跳闸等任务。
　　该控制器在测量过程中采用“试探法”，用两次测量的方法来保证系统电容电流测量的准确性。测量时系统远离谐振区，因此即使不采用阻尼电阻，中性点电压也不会上升至危险区域；硬件、软件采用多重滤波和自动量程跟踪技术，可消除谐波干扰和保证全量程的测量精度；软件设计中对系统中可能出现的多种现象（例如多次重复接地故障等）都有恰当的对策，尤其是在抗干扰方面采用了多重技术，除常规的“看门狗”外，还设计了超时检测技术，即使在死机状态下“看门狗”也能正常工作，保证整个系统在设定的时间内恢复正常，由于人为的误操作而退出运行时，装置能在设定的时间内自动转入运行状态。补偿方式可为欠补、过补、全补，由于装置响应很快，因此不需要预调谐，也就避免了因串联谐振可能带来的危险过电压；同时还设置了跳闸接口，可对发生接地故障的线路实现跳闸；具有信息传输接口，可将相应的信息由无人值班的变电站传送到远方的调度站。控制系统人机界面友好，采用液晶显示，全汉化操作，正常测量时实时显示系统接地次数，中性点电压、电流，时间和系统的运行状态。
　　该控制器还具有优良的抗电磁干扰性能，在有干扰的环境下仍能长期正常工作。
2．3　配套设备——小电流接地选线装置
　　该装置通过向系统注入一固定频率的信号，利用安装在变电站的探测器探测接地线路传回的电磁波的原理选出接地故障线路，科学合理，可靠性高，响应速度快。
3　自动快速消弧系统的主要性能及特点
　　该系统的工业样机已完成10．5kV电压下的全面系统模拟和现场试验，并已在某变电站运行。模拟试验接线如图3所示。试验内容包括10kV单相金属性接地、弧光接地和高阻接地等典型故障，模拟系统电容电流取值从零到额定值，实测的典型波形见图4。试验数据统计表明，残流均小于6A，大多数情况下残流都小于3A。该系统的主要优点是：
　　（1）响应时间短　接地故障发生（或解除）后5ms内即可投入（或退出）补偿电流，故障电流在60ms内即可降到很小的残流值。图4（b）为典型的动作过程。

　　（2）在非接地故障情况下可工作于远离谐振点的区域，因而不必担心产生串联谐振过电压的问题，不必设置阻尼电阻，既提高了安全可靠性又简化了设备。
　　（3）补偿状态可以随意变化　因为输出电流是真正无级连续可调的，所以欠补、过补或全补状态下都可以实现。
　　（4）对配电网的适应性强　每10s跟踪1次配电系统变化的同时不会对系统造成不良影响。调节范围可由零调到额定值的优点使它适应于变电站不同发展时期对消弧线圈容量的不同需要。240次接地故障和相应信息的记录容量可以清楚地了解故障状态，仅用一台控制器就能实现多台系统并联运行，降低了成本。同时，该系统还具有正确选出接地故障线路并实现跳闸的功能。

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