隨著配電網(wǎng)電纜化率的提高，消弧線圈容量不足的現(xiàn)象凸顯，對(duì)消弧線圈增容改造增加了電網(wǎng)投資和改造的工作量，針對(duì)《一起變電站消弧線圈大容量改造方案分析》提出的方案，文章對(duì)電容電流的估算、消弧線圈容量、位移電壓和接地變壓器等問題進(jìn)行了探討，并給出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的消弧線圈容量、最大補(bǔ)償范圍;分析了位移電壓產(chǎn)生的主要原因是對(duì)地電容的不對(duì)稱和電壓互感器參數(shù)的差異;指出在消弧線圈改造時(shí)要使接地變壓器容量和消弧線圈相配合。

0 引言

隨著配電網(wǎng)建設(shè)與改造的不斷推進(jìn)，城市電纜化率日益提高，導(dǎo)致系統(tǒng)電容電流較之過去出現(xiàn)大幅度增大，消弧線圈容量不足的情況凸顯，需要及時(shí)對(duì)消弧線圈進(jìn)行增容改造。消弧線圈的增容改造增加了消弧線圈投資費(fèi)用和電網(wǎng)的改造工作量，這個(gè)問題一直困擾著電網(wǎng)運(yùn)行人員。文獻(xiàn)[1]為解決此問題給出了一種消弧線圈增容改造的經(jīng)濟(jì)型技術(shù)改造方案，是一個(gè)可借鑒的思路。但是此文有幾個(gè)值得商榷的問題，如消弧線圈容量與配電網(wǎng)電容電流估算、位移電壓形成的主要原因、接地變壓器的容量選擇等問題。有些問題可能是文章的疏漏，有些可能是技術(shù)觀點(diǎn)的差異。下面就文獻(xiàn)[1]中的幾個(gè)問題進(jìn)行分析和探討。

1. 消弧線圈容量與電容電流估算

文獻(xiàn)[1]中表1描述的雙閘變電站2號(hào)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)主要配置是：消弧線圈容量為630kVar，調(diào)節(jié)方式為預(yù)先調(diào)節(jié)，阻尼電阻為20Ω，可控硅觸發(fā)電壓和返回電壓為270/120V，系統(tǒng)實(shí)測(cè)電容電流為86.04A。但文獻(xiàn)[1]中圖1(消弧線圈控制裝置圖)中消弧線圈顯示檔位12檔，脫諧度-2.01%，電容電流103A，位移電壓0.017kV，按照DL/T1057-2007《自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈成套裝置技術(shù)要求》的定義，脫諧度為負(fù)值時(shí)是過補(bǔ)償，與文章給出的分析數(shù)據(jù)有差異。這里且按分析數(shù)據(jù)討論，按文獻(xiàn)[1]中表1給出的雙閘變電站2號(hào)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)主要配置值，按DL/T1057容量為630kVar消弧線圈補(bǔ)償電流100A以上，調(diào)節(jié)范圍30%～100%。當(dāng)時(shí)雙閘變電站2號(hào)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)實(shí)測(cè)電容電流值為86.04A，距最大補(bǔ)償電流值100A相差13.96A，沒有達(dá)到最大補(bǔ)償電流，不存在補(bǔ)償不足長(zhǎng)期欠補(bǔ)償?shù)膯栴}，存在補(bǔ)償容量裕度不足的情況。

“在處理故障時(shí)發(fā)現(xiàn)10kV XHK-Ⅱ型消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧及接地選線成套裝置的人機(jī)界面顯示：2號(hào)消弧線圈容量過小，當(dāng)前擋位12擋，已到最大擋，上調(diào)無效!過后又顯示正常，擋位在12擋，電容電流86.04A。”

對(duì)于上述的故障現(xiàn)象，可找生產(chǎn)廠商一起分析處理。雙閘變電站2號(hào)消弧線圈容量是630kVar，最大補(bǔ)償電流應(yīng)是100A以上，而電容電流實(shí)測(cè)顯示只有86.04A。怎么會(huì)顯示容量過小，已到最大檔，上調(diào)無效呢?需要生產(chǎn)廠商解釋，是消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置的設(shè)計(jì)問題還是測(cè)量問題。

消弧線圈裝置容量的確定，取決于電網(wǎng)中電容電流的大小。目前配電網(wǎng)電容電流的確定主要采用實(shí)際測(cè)量和理論估算兩種方式。對(duì)于已運(yùn)行的配電網(wǎng)可采用電容電流測(cè)量?jī)x測(cè)量，但在設(shè)計(jì)階段，由于配電網(wǎng)尚未形成，需用進(jìn)行估算。配電網(wǎng)電容電流的大小主要取決于線路類型和長(zhǎng)度，電纜線路的電容電流一般是架空線路的10倍以上。而電纜的不同型號(hào)其電容值也不盡相同。

中性點(diǎn)采用消弧線圈接地的系統(tǒng)，由于在發(fā)生單相接地故障后允許帶接地故障保持運(yùn)行，發(fā)生單相接地故障后瞬間過電壓幅值可能達(dá)到3.2 p.u.，因此在10kV電纜選型時(shí)應(yīng)采用額定電壓為8.7/15kV的交聯(lián)聚乙烯電纜，由于不同電纜型號(hào)和生產(chǎn)廠家給出的電纜參數(shù)的差異。表1給出了10kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜(XPLE)接地電容電流近似估算值。

國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GW1738-規(guī)定：中壓配電網(wǎng)導(dǎo)線截面選擇應(yīng)系列化，同一規(guī)劃區(qū)的主干線導(dǎo)線截面不宜超過3種，主變?nèi)萘颗c10kV線路導(dǎo)線截面的配合一般可參考表2。

城市中壓配電網(wǎng)主干線電纜截面是300～400mm2，每公里電容電流值在2A以上，分支截面要在150mm2以上，每公里電容電流值在1.5A以上。文獻(xiàn)[1]的估算是計(jì)算了10kVⅡ段母線上的所有出線電纜長(zhǎng)度疊加，再考慮未投運(yùn)的3條出線電纜的長(zhǎng)度后的電容電流為90.825A。此種估算法誤差較大，估算的電容電流偏小。

另外，在系統(tǒng)電容電流計(jì)算過程中，變電站母線電容電流也應(yīng)納入考慮范圍。對(duì)于敞開式母線，單位母線長(zhǎng)度電容電流一般取為(0.5～1)×10-3A/m;對(duì)于離相封閉母線，單相對(duì)地電容可通過下式近似求得。

式中：C0為單相對(duì)地電容，F(xiàn)/m;D為離相封閉母線的外殼半徑，m;d為離相封閉母線的外徑，m。對(duì)于電纜線路，除考慮電纜線路本身的電容電流外，配網(wǎng)中環(huán)網(wǎng)柜封閉式母線的電容電流應(yīng)在考慮范圍。這樣變電站、開閉所和環(huán)網(wǎng)柜母線所增加的電容電流大約為總電流的13%～15%。

2. 位移電壓過大的原因

國(guó)內(nèi)主變壓器10kV側(cè)主要是三角接線，沒有中性點(diǎn)，變電站的10kV母線電壓互感器一次繞組接成星型，中性點(diǎn)直接接地，電壓互感器的二次側(cè)至少有兩個(gè)二次繞組，一個(gè)是星型接線用于測(cè)量三相電壓，一個(gè)是開三角接線的繞組測(cè)量不平衡電壓(開三角電壓)。早期電壓互感器是三相五柱型電壓互感器，互感器是一體的，有較好的伏安特性，三相參數(shù)差異很小，不易激發(fā)鐵磁諧振。

近年來變電站的10kV母線電壓互感器大部分是采用三個(gè)單相電壓互感器組成的三相電壓互感器，這要求三個(gè)電壓互感器有比較一致的伏安特性。如果三個(gè)單相電壓互感器參數(shù)有差異就會(huì)產(chǎn)生不平衡電壓，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生諧振過電壓。筆者就處理過幾起由于三個(gè)單相電壓互感器的參數(shù)差異引起的虛幻接地故障。據(jù)多個(gè)變電站消弧線圈運(yùn)行情況的調(diào)研分析，沒有安裝消弧線圈的10kV母線電壓不平衡電壓(開三角電壓)很低，電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，不平衡電壓一般是由于三相對(duì)地電容的不對(duì)稱形成的。電纜系統(tǒng)主要采用三相電纜，三相對(duì)地電容基本對(duì)稱，所以電纜系統(tǒng)不平衡電壓一般小于1%～2%，架空線系統(tǒng)三相對(duì)地電容不大對(duì)稱，但是10kV架空線路一般都不太長(zhǎng)，所以一般也不大于5%。對(duì)于35kV和66kV線路需要進(jìn)行換擋，改善三相對(duì)地電容不對(duì)稱的情況，以降低不平衡電壓過高的問題。

消弧線圈接地通常也被稱為諧振接地，消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)主要有預(yù)調(diào)諧和快速調(diào)諧兩種類型。采用預(yù)調(diào)諧的消弧線圈由于處于諧振點(diǎn)附近，就會(huì)有高的位移電壓，正常系統(tǒng)的不平衡電壓只有1%～3% 的相電壓。在安裝消弧線圈后這個(gè)不平衡電壓被放大 倍。當(dāng)阻尼率一定時(shí)，當(dāng)脫諧度較小時(shí)，則有很高的位移電壓，以至影響系統(tǒng)的運(yùn)行。位移電壓過高一般不是文獻(xiàn)[1]中分析的“10kV母線三相負(fù)荷不平衡較嚴(yán)重，正常運(yùn)行狀態(tài)下中性點(diǎn)位移電壓就比較大”的情況，是不平衡電壓被放大造成的，放大的倍數(shù)與脫諧度和阻尼電阻值相關(guān)。

預(yù)調(diào)諧方式的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈正常運(yùn)行時(shí)工作于接近全調(diào)諧狀態(tài)，脫諧度很小，所以增加阻尼電阻器，將其接于消弧線圈與大地之間，以增加阻尼電阻值，使中性點(diǎn)位移電壓小于系統(tǒng)相電壓的15%。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓為相電壓，中性點(diǎn)流過消弧線圈的額定電流，為保護(hù)阻尼電阻，必須將阻尼電阻器短接。

快速調(diào)諧方式的消弧線圈正常工作遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，位移電壓很低，在正常運(yùn)行情況下和單相接地故障情況下都不需要串聯(lián)阻尼電阻。

采用預(yù)調(diào)諧方式的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈，要使位移電壓在合理范圍，需要協(xié)調(diào)阻尼電阻和脫諧度。有關(guān)消弧線圈串聯(lián)阻尼電阻值大小和容量的選擇有相關(guān)邊界條件和計(jì)算模型，這里就不在敘述。不同的配電系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)的差異，接入消弧線圈時(shí)被放大的位移電壓也不盡相同，為降低位移電壓使其滿足要求，需要對(duì)阻尼電阻的阻值和容量進(jìn)行計(jì)算，但是很多消弧線圈生產(chǎn)廠商為簡(jiǎn)化起見，不去做系統(tǒng)分析計(jì)算統(tǒng)一采用20Ω的電阻值，造成文獻(xiàn)[1]分析的情況，當(dāng)消弧線圈接近于諧振狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)“虛幻接地”。消弧線圈生產(chǎn)廠商在供貨時(shí)，應(yīng)提供阻尼電阻分不同阻值的檔位，以便在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)調(diào)整。

3. 接地變壓器容量

GB/T 50064-2014《交流電氣設(shè)備的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)電源變壓器無中性點(diǎn)或中性點(diǎn)未引出時(shí)，應(yīng)裝設(shè)專用接地變壓器以連接自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧裝置，接地變壓器容量應(yīng)與消弧部分的容量相配合。對(duì)新建變電站，接地變壓器可根據(jù)站用電的需要兼作站用變壓器。

國(guó)內(nèi)主變壓器的10kV側(cè)一般都是三角接線，無中性點(diǎn)引出，在選擇接地變壓器時(shí)，其容量應(yīng)與消弧線圈的容量相配合，具有相同額定容量下的運(yùn)行時(shí)間，并適當(dāng)考慮變壓器的短時(shí)過負(fù)荷能力。

不帶二次負(fù)荷的接地變壓器的容量的確定，計(jì)算公式為：

式中：Se為接地變?nèi)萘浚琸var;Q為消弧線圈補(bǔ)償容量，kW;k為系數(shù)，過補(bǔ)償時(shí)取1.35;U0為電網(wǎng)的額定線電壓，kV;Ic為電網(wǎng)回路電容電流，A。

Ic應(yīng)包括與之連接的所有架空線路、電纜線路、發(fā)電機(jī)、變壓器以及母線和電器的電容電流，并應(yīng)考慮電網(wǎng)的發(fā)展。

帶二次負(fù)荷的接地變壓器容量的確定，計(jì)算公式為：

式中：Qf為二次無功負(fù)荷，kvar;Pf為二次有功負(fù)荷，kW;k為裕度系數(shù)。

對(duì)于曲折形(Z形)接法的接地變壓器，建議其容量為消弧線圈容量的1.05～1.15倍，即取1.05～1.15。

另外，IEEE-C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變壓器一定過載時(shí)間內(nèi)的允許過載系數(shù)為，規(guī)定運(yùn)行過載系數(shù)為變壓器運(yùn)行短時(shí)容量與額定容量的比值。其中的數(shù)值見表3。

考慮到一般接地變壓器大多數(shù)兼用作所用變考慮，帶二次繞組，因而在正常持續(xù)運(yùn)行的變壓器可參照IEEE所做出的短時(shí)過載的倍數(shù)的接地變壓器。

在文獻(xiàn)[1]中新增的電抗器是與自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈都接在同一接地變壓器的中性點(diǎn)上，沒有分析接地變壓器的容量的計(jì)算及改造方案。不知是否按電抗器的容量對(duì)接地變壓器進(jìn)行了增容改造，還是考慮到接地變壓器的短時(shí)過載能力，增加電抗器的容量是原有消弧線圈容量的12%，按照單相接地故障的條件下運(yùn)行2h的要求接地變壓器的過載能力是可以滿足要求的。實(shí)際上有些消弧線圈生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的接地變壓器已經(jīng)利用接地變壓器所帶消弧線圈在接地時(shí)只工作2h的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)接地變壓器，設(shè)計(jì)的接地變壓器容量小于消弧線圈的容量，以降低生產(chǎn)成本。甚至有的接地變壓器容量只有消弧線圈容量的80%。有些廠家生產(chǎn)的接地變壓器帶有站用變壓器，而接地變壓器的容量只等于消弧線圈的容量，而沒有考慮站用變壓器容量和接地變壓器本身的損耗。由于電網(wǎng)企業(yè)對(duì)接地變壓器過載設(shè)計(jì)不十分清楚，接地變壓器的保護(hù)定值按接地變壓器的容量設(shè)置，這樣當(dāng)出現(xiàn)金屬性接地時(shí)接地變壓器可能出現(xiàn)過電流跳閘。由于接地變壓器帶有站用變，引起變電站斷電，直接影響到變電站運(yùn)行安全，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過多次這樣的事故。

4. 結(jié)語

文獻(xiàn)[1]提出的消弧線圈增容方案是個(gè)經(jīng)濟(jì)型技術(shù)改造方式，是值得借鑒的，但文中有幾個(gè)問題有待商榷。

1)雙閘變電站2號(hào)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)產(chǎn)生的虛幻接地，可能是諧振過電壓，可嘗試通過增加阻尼電阻值，改變脫諧度來解決。消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)實(shí)測(cè)電容電流為86.04A，如消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)的測(cè)量值是準(zhǔn)確的，DL/T1057標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)電容電流測(cè)量誤差：當(dāng)30A<100A時(shí)，測(cè)量誤差應(yīng)不大于3% )，則沒有到最大補(bǔ)償電流，不存在容量不足欠補(bǔ)償?shù)膯栴}，僅是消弧線圈容量的裕度不足。

2)電容電流計(jì)算的方法誤差大，按文獻(xiàn)[1]估算的雙閘變電站10kVⅡ段母線上的所有出線總電容電流=0.1×10×90.825=90.825A(由10kVⅡ段母線上的所有出線電纜長(zhǎng)度疊加，再考慮未投運(yùn)的3條出線電纜的長(zhǎng)度得出)。按此計(jì)算值雙閘變電站10kVⅡ段母線上的所有出線總電容電流還沒有達(dá)到原消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)補(bǔ)償容量為100A的容量。

3)10kV中性點(diǎn)位移電壓過大的主要原因是對(duì)線路地電容不對(duì)稱，三個(gè)單相電壓互感器參數(shù)不一致和采用預(yù)調(diào)諧方式消弧線圈對(duì)其放大而產(chǎn)生的，一般不是三相負(fù)荷不平衡造成的。

4)文獻(xiàn)[1]是將增加的電抗器與中原有的消弧線圈并聯(lián)接在同一接地變壓器的中性點(diǎn)上，沒有提及接地變壓器的改造問題。增容改造時(shí)一定要核算接地變?nèi)萘?，確保接地變壓器的容量要與消弧線圈和電抗器相配合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭有強(qiáng)，劉海峰.一起變電站消弧線圈大容量改造方案分析[J].供用電，2015，32(4)：72-74.

[2] GB50064-2014交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] DL/T1057-2007自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈成套裝置技術(shù)條件[S].

[4] Q/GDW1738-2012配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則[S].

作者簡(jiǎn)介

侯義明，男，中國(guó)電力科學(xué)研究院，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

引文信息

侯義明.變電站消弧線圈大容量改造方案幾個(gè)問題的商榷[J].供用電，2016,33(1)：72-75.

延伸閱讀：

【技術(shù)解析】配電節(jié)能變壓器的應(yīng)用及管理

【漲姿勢(shì)】淺析10KV配電設(shè)備常見故障

原標(biāo)題:【設(shè)備】侯義明：變電站消弧線圈大容量改造方案幾個(gè)問題的商榷