高短路阻抗變壓器分析論文

　　摘要：提出了配電網(wǎng)中性點新型接地方式為：當(dāng)發(fā)生瞬時性單相接地故障時，利用自動跟蹤的消弧線圈實現(xiàn)快速補償；當(dāng)發(fā)生非瞬時性單相接地故障時，能正確選出故障線路并跳閘。提出了高短路阻抗變壓器式可控電抗器的基本結(jié)構(gòu)和原理，用該原理研制成功的高短路阻抗變壓器式自動快速消弧系統(tǒng)，具有伏安特性線性度優(yōu)良、響應(yīng)速度快、電流由零到最大都能無級連續(xù)調(diào)節(jié)、補償效果好、對系統(tǒng)適應(yīng)性強等優(yōu)點，是實現(xiàn)新型接地方式比較理想的設(shè)備。

　　關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)消弧線圈可控電抗器晶閘管短路阻抗

　　1新型接地方式

　　配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇與電力系統(tǒng)安全可靠運行密切相關(guān)，是城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)建設(shè)中必須關(guān)注的重要問題。但長期以來并未得到滿意的解決。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電容電流小于一定值而允許中性點不接地的電網(wǎng)已越來越少，絕大多數(shù)配電網(wǎng)的中性點都采用低阻接地或消弧線圈接地方式。

　　低阻接地雖然避免了系統(tǒng)的過電壓問題，但跳閘率過高，不能適應(yīng)對供電可靠性越來越高的要求，尤其是在架空線路與電纜混合的配電網(wǎng)中此問題更為突出。同時，單相接地時巨大的接地電流將使地電位升高，嚴(yán)重時會超過安全值，可能對通信線路、低壓電器和人身安全造成不利影響，這是該方式的先天缺陷。隨著電力配電系統(tǒng)與電信網(wǎng)共處系統(tǒng)的日益增加，用戶使用的敏感元件（電腦、電子控制、電力電子等）日益增多，以及國際標(biāo)準(zhǔn)對低壓設(shè)備耐壓要求的降低，低阻接地方式這一不可克服的缺陷越來越不能被社會容忍。尤其在電纜使用量逐漸增多、電網(wǎng)迅速擴大，使電容電流大增的情況下，用電阻將單相接地故障電流限制到遠(yuǎn)小于兩相短路電流而同時又要滿足過電壓要求的做法已非常困難，即采用低阻接地方式已非常不經(jīng)濟。因此，低阻接地方式不僅不適合于以架空線路為主的農(nóng)網(wǎng)，也將越來越不適合于以電纜為主、容量不斷擴大的城網(wǎng)。

　　自動跟蹤消弧線圈接地方式避免了巨大的接地故障電流帶來的一系列問題，又能使瞬時性接地故障自動消除而不影響供電［1，2］。但是由于《規(guī)程》中規(guī)定線路單相接地時允許帶故障運行2h，對系統(tǒng)的絕緣水平要求較高，因而使某些進口設(shè)備（尤其是電纜）受到威脅。同時故障電流持續(xù)時間長不僅對人身安全很不利，而且易使非瞬時性接地故障擴大成相間短路（尤其是電纜）。隨著電纜逐漸代替架空線路，單相接地時不分瞬時性和非瞬時性故障都不跳閘的傳統(tǒng)消弧線圈接地方式已不再適合。

　　配電網(wǎng)中性點新型接地方式為：當(dāng)發(fā)生瞬時性單相接地故障時，利用自動跟蹤的消弧線圈實現(xiàn)快速補償，使故障電流小于一定值而自動滅弧，從而使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行而不停止供電；當(dāng)發(fā)生非瞬時性單相接地故障時，能正確選出故障線路并跳閘，不影響其他非故障線路的正常運行；同時保證單相接地故障持續(xù)時間小于10s，使系統(tǒng)的絕緣水平可與低阻接地時的相同［3］。這種接地方式兼具了低阻接地和消弧線圈接地的優(yōu)點，又?jǐn)[脫了各自的缺點，是一種較為理想的新型接地方式。

　　該接地方式的實現(xiàn)，不僅須配備可靠、準(zhǔn)確、響應(yīng)快的小電流接地選線裝置和相應(yīng)的跳閘裝置，還必須有高質(zhì)量的`自動跟蹤補償裝置。主要要求是：消弧線圈伏安特性線性度好，響應(yīng)快，能在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，補償效果好等。現(xiàn)有的各類自動跟蹤補償消弧線圈，包括調(diào)匝式［4］、調(diào)氣隙式［5］、直流偏磁式［6］、磁閥式［7］、調(diào)電容式［8］及其它類型［9，10］，都具有某些缺點而不能同時滿足上述要求。這也是目前消弧線圈的應(yīng)用受到局限的原因。本文所述由高短路阻抗變壓器式電抗器組成的新型自動快速消弧系統(tǒng)可以滿足上述要求，使上述接地方式實現(xiàn)成為可能。

　　2自動快速消弧系統(tǒng)的主要構(gòu)成

　　該系統(tǒng)主要由高短路阻抗變壓器式消弧線圈和控制器組成，同時采用小電流接地選線裝置作為配套設(shè)備。

　　2．1高短路阻抗變壓器式消弧線圈

　　該消弧線圈是一種新型的變壓器式可控電抗器，其一、二次繞組間的短路阻抗很大（達100％或更大），二次繞組用晶閘管短路。通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)二次繞組中的短路電流，從而實現(xiàn)電抗值的可控調(diào)節(jié)。其原理結(jié)構(gòu)見圖1。

　　整套裝置中設(shè)置特殊的濾波電路，用以吸收晶閘管通斷時產(chǎn)生的諧波，使電抗器輸出工頻電流。當(dāng)給定晶閘管的觸發(fā)角α?xí)r，工作線圈輸出的基波電流為：

　　式中Iom為額定電壓下晶閘管全導(dǎo)通時流經(jīng)工作線圈的電流有效值。

　　該消弧線圈不需要調(diào)節(jié)匝數(shù)，鐵芯不需要有氣隙，不需要復(fù)雜的直流回路和任何機械傳動裝置，因而結(jié)構(gòu)十分簡單，與普通的變壓器相同。由于電抗值的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)晶閘管來實現(xiàn)的，該消弧線圈具有極快的響應(yīng)速度，并可實現(xiàn)由零到額定電流的無級連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　此外該消弧線圈的獨特優(yōu)點是作為補償用的電感不是激磁阻抗而是利用變壓器的短路阻抗，因而可保證在全電壓范圍內(nèi)都具有良好的伏安特性，實測結(jié)果如圖2所示。這一優(yōu)點對可控消弧線圈非常重要，因為單相接地情況下中性點電壓隨接地阻抗變化，高阻接地時中性點電壓較低，而最高可升到1．1倍相電壓。若消弧線圈的伏安特性為非線性，則消弧線圈輸出的補償電流將成為中性點電壓的非線性函數(shù)，因此利用消弧線圈在額定電壓下對應(yīng)的電流來外推或內(nèi)推其它電壓下的電流將會導(dǎo)致殘流較大，再考慮到零序電容測量的不準(zhǔn)確性，有可能使接地殘流仍舊超過規(guī)定的允許值；對于分級式消弧線圈（如調(diào)匝式、調(diào)容式等），還存在級差電流，情況有可能更糟。

　　2．2新型控制器

　　控制器是系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著實時跟蹤測量系統(tǒng)電容電流并及時向系統(tǒng)投入或退出補償電流、對接地故障線路實現(xiàn)跳閘等任務(wù)。

　　該控制器在測量過程中采用“試探法”，用兩次測量的方法來保證系統(tǒng)電容電流測量的準(zhǔn)確性。測量時系統(tǒng)遠(yuǎn)離諧振區(qū)，因此即使不采用阻尼電阻，中性點電壓也不會上升至危險區(qū)域；硬件、軟件采用多重濾波和自動量程跟蹤技術(shù)，可消除諧波干擾和保證全量程的測量精度；軟件設(shè)計中對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的多種現(xiàn)象（例如多次重復(fù)接地故障等）都有恰當(dāng)?shù)膶Σ�，尤其是在抗干擾方面采用了多重技術(shù)，除常規(guī)的“看門狗”外，還設(shè)計了超時檢測技術(shù)，即使在死機狀態(tài)下“看門狗”也能正常工作，保證整個系統(tǒng)在設(shè)定的時間內(nèi)恢復(fù)正常，由于人為的誤操作而退出運行時，裝置能在設(shè)定的時間內(nèi)自動轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。補償方式可為欠補、過補、全補，由于裝置響應(yīng)很快，因此不需要預(yù)調(diào)諧，也就避免了因串聯(lián)諧振可能帶來的危險過電壓；同時還設(shè)置了跳閘接口，可對發(fā)生接地故障的線路實現(xiàn)跳閘；具有信息傳輸接口，可將相應(yīng)的信息由無人值班的變電站傳送到遠(yuǎn)方的調(diào)度站。控制系統(tǒng)人機界面友好，采用液晶顯示，全漢化操作，正常測量時實時顯示系統(tǒng)接地次數(shù)，中性點電壓、電流，時間和系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

　　該控制器還具有優(yōu)良的抗電磁干擾性能，在有干擾的環(huán)境下仍能長期正常工作。

　　2．3配套設(shè)備——小電流接地選線裝置

　　該裝置通過向系統(tǒng)注入一固定頻率的信號，利用安裝在變電站的探測器探測接地線路傳回的電磁波的原理選出接地故障線路，科學(xué)合理，可靠性高，響應(yīng)速度快。

　　3自動快速消弧系統(tǒng)的主要性能及特點

　　該系統(tǒng)的工業(yè)樣機已完成10．5kV電壓下的全面系統(tǒng)模擬和現(xiàn)場試驗，并已在某變電站運行。模擬試驗接線如圖3所示。試驗內(nèi)容包括10kV單相金屬性接地、弧光接地和高阻接地等典型故障，模擬系統(tǒng)電容電流取值從零到額定值，實測的典型波形見圖4。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，殘流均小于6A，大多數(shù)情況下殘流都小于3A。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：

　�。�1）響應(yīng)時間短接地故障發(fā)生（或解除）后5ms內(nèi)即可投入（或退出）補償電流，故障電流在60ms內(nèi)即可降到很小的殘流值。圖4（b）為典型的動作過程。

　　（2）在非接地故障情況下可工作于遠(yuǎn)離諧振點的區(qū)域，因而不必?fù)?dān)心產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓的問題，不必設(shè)置阻尼電阻，既提高了安全可靠性又簡化了設(shè)備。

　�。�3）補償狀態(tài)可以隨意變化因為輸出電流是真正無級連續(xù)可調(diào)的，所以欠補、過補或全補狀態(tài)下都可以實現(xiàn)。

　�。�4）對配電網(wǎng)的適應(yīng)性強每10s跟蹤1次配電系統(tǒng)變化的同時不會對系統(tǒng)造成不良影響。調(diào)節(jié)范圍可由零調(diào)到額定值的優(yōu)點使它適應(yīng)于變電站不同發(fā)展時期對消弧線圈容量的不同需要。240次接地故障和相應(yīng)信息的記錄容量可以清楚地了解故障狀態(tài)，僅用一臺控制器就能實現(xiàn)多臺系統(tǒng)并聯(lián)運行，降低了成本。同時，該系統(tǒng)還具有正確選出接地故障線路并實現(xiàn)跳閘的功能。

　　4結(jié)論

　　利用可控消弧線圈補償電容電流使瞬時性單相接地故障得以自動消除、又對非瞬時性單相接地故障實現(xiàn)選線跳閘的接地方式是配電網(wǎng)中性點比較好的接地方式，采用由高短路阻抗變壓器式可控電抗器組成的快速自動消弧系統(tǒng)具有伏安特性線性度優(yōu)良、響應(yīng)快、電流由零到額定值都能無級連續(xù)調(diào)節(jié)、補償效果好、對系統(tǒng)適應(yīng)性強等優(yōu)點，是實現(xiàn)新型接地方式較為理想的設(shè)備。

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