浅谈电网中的消弧线圈

2023-02-17

电力系统中性点运行方式可分为两大类:一类是大电流接地系统, 一类是小电流接地系统。大电流接地系统是指中性点直接或经过小阻抗接地系统。小电流接地系统是指中性点绝缘或经消弧线圈以及其他大阻抗接地系统。

目前我国电网采用的有中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地三种运行方式。中性点直接接地的运行方式的优点是:过电压数值小, 绝缘水平要求低, 因而投资少, 经济。主要缺点是供电可靠性低。当系统发生一相接地故障时, 通过故障点和变压器中性点与大地形成短路回路, 出现很大的短路电流, 引起线路跳闸。为了减少供电线路事故停电次数, 采用中性点不接地的运行方式是有利的。在中性点对地绝缘系统中, 当出现单相接地时, 不构成短路回路, 故障线路可以继续带接地点运行。这时其它两个非故障相对地电压将升高为相电压的3倍。因此, 中性点不接地系统的电气设备对地绝缘应按线电压考虑。对于电压等级较高的系统, 电气设备的绝缘投资对总投资有很大影响, 降低对地绝缘水平的要求会带来显著的经济效益。在我国, 110千伏及以上的系统都采用中性点直接接地的大电流接地方式。对于60千伏及以下系统, 一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。

在中性点不接地系统中, 中性点对地电压因三相对地电容是否平衡而异。如果电容是平衡的, 即线路换位很好, 则中性点对地电压为零。如果三相对地电容平衡, 当发生单相接地时, 例如A相接地, 则A相对地电压UA=0;中性点对地电压将由零变为相电压;B相和C相的对地电压也因此变成了线电压。于是B相和C相的对地电容电流增大了3倍。即IB=IC=3ωC0Ux。

式中:C0为相对地电容;

Ux为相电压;

ω=2πf为工频角频率。

其方向分别超前于UBA和UCA90°。流过接地点的电容电流大小为:

即等于正相对地充电电流的3倍, 方向落后与A相正常时的相电压90°。由于接地电流和接地相正常时的电压相差90°, 所以当接地电流为零时, 加在弧隙两端的电源电压为最大值, 因此故障点的电弧不易熄灭。当线路较长、电容电流较大时, 容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地能导致危险的过电压, 稳定性的弧光接地能发展成为相间短路故障。

对于中性点不接地系统, 为了防止接地故障时电容电流过大引起间歇性弧光接地造成过电压, 可以采取中性点经消弧线圈接地的方法来补偿电容电流。

所谓消弧线圈, 就是在变压器中性点与大地之间接入一个电抗线圈。下面简要说明消弧线圈的工作原理、结构、作用及选择和运行。

1 消弧线圈的工作原理

我们知道, 电容电流和其它对地导纳所造成的各种接地电流分量, 都是经过接地故障点而返回系统的, 因而接地点的总电流就等于这些分量的总和。如果在总接地电流中存在着两个数值相等而方向相反的电流分量, 则迭加后就将彼此补偿, 电容电流和电感电流的迭加就是其中一种。当中性点不接地系统中发生单相接地故障时, 经过接地点的电容电流IC比中性点电位UN (即零序电流U0) 超前90度。如果在中性点与大地之间接入一只电感为L的电抗器, 那么它在故障点所供给的电感电流IL, 将比中性点电位UN落后90°, 因而正好和电容电流互相抵消, 如果选择L之值, 使IL=IC, 就将完全中和了电容电流, 这种情况称之为全补偿 (也叫做谐振补偿) 。为了满足这个条件就应使

即:L=1/ (3ω2C0) 。

由于电网的对地电容是经常变化的, 因而接在中性点的电抗器的电感L也应随着做相应的改变, 才能达到补偿的目的。消弧线圈实质上就是这样一只可以调整电感的中性点电抗器。目前电力系统一般都采用过过补偿的方式, 即感性电流IL大于容性电流IC。

如果补偿电网中发生接地故障, 由于消弧线圈限制了故障电流, 所以电网可以带着单相接地继续运行一段时间 (一般不允许超过2小时) , 以便进行适当切换, 转移负荷, 消除故障。

2 消弧线圈的结构

消弧线圈的外形和单相变压器相似, 而内部实际上一只具有分段 (即带有间隙的) 铁芯的电感线圈。间隙是沿着整个铁芯分布的, 以便减少漏磁。铁芯与线圈均浸在变压器油中。采用带有间隙铁芯的目的是为了减小电感, 增大消弧线圈的容量, 以及使电感值比较稳定。每一消弧线圈均有调节补偿电流用的分接头。利用转换开关在一定的范围内改变线圈的匝数, 就可以获得不同数值的补偿电流。一般消弧线圈的最大补偿电流和最小补偿电流之比为2:1或2.5∶1。为了测量动作时的端电压和补偿电流, 消弧线圈内部还设有电压互感器和电流互感器。

3 消弧线圈的几种补偿方式

按照消弧线圈的补偿原理, 调整消弧线圈的分接头, 可以得到三种补偿方式。脱谐度计算公式为:

K=IL/IC=1/ (3ω2LC0) , 为补偿电网的调谐度。

经消弧线圈接地电网有三种不同的运行方式, 可以分为不同的脱谐度或调谐度来加以表示。

(1) μ>0或K<1, 电感电流小于电容电流, 电网以欠补偿的方式运行。

(2) μ<0或K>1, 电感电流大于电容电流, 电网以过补偿的方式运行。

(3) μ=0或K=1, 电感电流等于电容电流, 电网以全补偿的方式运行。

电网以全补偿方式运行时, IL=IC (ωL=1/3ωC0) 。

从消弧线圈的观点来看, 全补偿时故障点处的电流为零, 电弧自动熄灭, 效果最好。但是另一方面, 这种方式存在着严重的缺点, 因为全补偿时ωL=1/3ωC0, 正好构成串联谐振。使中性点和各相对地产生一个很高的谐振过电压, 危及电网的绝缘。因此, 实际上不采用全补偿的运行方式。

要保证一定的脱谐度可以采用过补偿方式, 也可以采用欠补偿方式, 但实际上一般采用过补偿为主的运行方式。

消弧线圈的运行主要就是调谐值的整定。经消弧线圈接地电网的线路长度是经常变化的, 在这种情况下, 就必须调整消弧线圈的分接头, 以便和电网的对地电容电流相适应。在实际选择消弧线圈的分接头时, 应该满足以下三方面的基本要求。

(1) 一相接地时通过故障点的残流应符合可靠消弧的要求, 即接地点电流最小, 对于60千伏电网一般不允许超过10A。

(2) 在电网正常运行和发生故障时, 中性点位移电压都不可升高到危及绝缘的数值。长时间不大于15%的相电压, 一小时不应大于30%相电压, 事故时不应大于100%相电压。

(3) 正常时采用采用过补偿运行方式, 特殊情况下可采用欠补偿方式运行, 脱谐度一般整定在±5%~10%范围内。

4 消弧线圈的选择与配置

消弧线圈通常装在电网中的各枢纽变电所内, 有时也装在某些发电厂内。消弧线圈的容量、台数和配置地点, 应该根据实际电网的具体情况来决定, 应使电网中每一独立部分都具有足够的补偿容量当发电厂或变电所内有两台以上的变压器可接消弧线圈时, 最好把消弧线圈通过两制刀闸分别接在两台变压器的中性点上, 但在运行中有一只刀闸是断开位置。当任何一台变压器从电网中切除时应保证消弧线圈不脱离电网。

一般来说, 消弧线圈的台数选得较多, 则系统的运行情况可较好, 而且一般系统运行方式改变时使每一部分都获得良好的补偿的可能性也较大;但是由于消弧线圈的台数越多, 设备投资和运行费用也随之增加, 并使电网的维护和管理趋于复杂。因此解决这个问题的原则是:在满足各种运行方式的补偿要求的前提下, 消弧线圈的台数应选得少一些, 以便在系统运行方式改变时, 只要进行最少的切换操作, 就能满足运行要求。在选择消弧线圈的数量极其安装地点时应注意以下几点。

(1) 在一般情况下, 应避免采用整个系统只安装一台消弧线圈的方案。 (2) 当采用数台消弧线圈时, 应尽量选用额定容量不同的消弧线圈。 (3) 在系统解列运行, 应保证每一部分都能得到应有的补偿。 (4) 无论采用几台消弧线圈, 它们都应尽可能装在电力系统或它们负责补偿的那一部分电网的送电端, 因为只有这样才能保证在某一线路发生故障时, 消弧线圈被切除的可能性为最小。 (5) 最后在选择消弧线圈的台数和安装地点时, 还应尽可能考虑系统发展的需要, 因为系统的发展必将要求增加或更换容量较大的消弧线圈。