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消弧線圈接地補償裝置自動調諧改造探析
畢業論文消弧線圈接地補償裝置自動調諧改造初探
摘 要：通過對揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置目前運行狀況的分析，指出實行自動調諧改造的必要性，并就實現自動調諧提出了改造方案，且就實現自動調諧涉及到的幾個主要問題進行了詳細的討論。
關鍵詞：熱電廠 消弧線圈接地補償裝置 補償 消弧 改造
1 消弧線圈接地補償裝置的運行現狀 論文 畢業論文
揚子石化熱電廠電力系統中6kV 、35kV 系統的中性點采用經消弧線圈接地的運行方式。35kV 系統裝有4 臺消弧線圈：#0、#1 消弧線圈并接于#1、#2 主變的35kV 側中性點上（#0 消弧線圈備用），#2 消弧線圈接于#3、#4 主變的35kV 側中性點上，#5 消弧線圈接在#5、#6 主變35kV 側中性點上；6kV 系統裝有2 臺消弧線圈：#3 消弧線圈接在#1 發電機、#3 廠低變6kV 側中性點上，#4 消弧線圈接在#2 發電機、#6 廠低變6kV 側中性點上。由于電力系統中的電容電流隨運行方式的變化而變化，因此要求消弧線圈的電抗值也能作相應地調節，以達到最佳補償的目的。熱電廠采用九個分接頭的XDJL-2200/35（#0、＃1、#2 、#5 消弧線圈）和XDJ1-175/6（#3、#4 消弧線圈）型消弧線圈，可以手動調整消弧線圈的匝數，改變電抗的大小，從而調節消弧線圈的電感電流，以補償6kV 、35kV 系統接地電容電流，達到補償的目的。
6kV 、35kV 系統采用消弧線圈接地補償裝置，可使接地點流過的故障電流減小，這也就減少了單相接地時產生電弧和由它發展為相間短路的可能性，有效地減少事故跳閘次數。同時消弧線圈的接入對抑制各種過電壓也有非常明顯的效果。運行經驗證明，這種系統在單相接地后可繼續運行一段時間（不超過2小時），以便運行值班人員采取措施，利用MLX/98-2B （2A）微機小電流接地選線裝置，查出故障點所在的線路，在最短的時間內消除故障，保證電力系統的安全運行。
2 消弧線圈接地補償裝置存在的問題
正常情況下，揚子石化熱電廠電力系統的運行方式不會有很大的變化，消弧線圈的調整不會很頻繁，采用手動調節不會影響揚子石化公司熱電廠電力系統的安全運行，但隨著揚子石化公司的生產規模不斷擴大，每條母線上所帶的出線負荷不斷增多，電力系統各種參數也發生了變化，因此，消弧線圈接地補償裝置亦暴露出一定的問題：
(1) 由于揚子石化熱電廠電力系統中的6kV 、35kV 系統母線上直接帶有大量的電纜出線負荷，每一次較大的負荷切換都會導致系統的電容電流的變化，消弧線圈接地補償裝置不能自動地隨著電網參數的變化進行最佳補償，電網參數變化后靠手工計算出電容電流的變化，準確度差，然后進行倒閘操作，停下消弧線圈調整其分接頭位置，造成系統短時無消弧線圈補償，費工時又影響安全，不能使參數變化后的系統及時得到最佳補償。還有可能在系統出現單相接地故障時，帶負荷投運消弧線圈（在調檔過程中系統出現單相接地故障）。
(2) 消弧線圈接地補償裝置由于其自身固有的特點及電力系統的要求，在電網中只能運行在過補償狀態，不能長時期運行在欠補償狀態，更不能在全補償狀態下運行，電力系統發生事故，參數變化時脫諧度無法控制（規程規定為10% ，一般在20%-30% 甚至更大），以致消弧線圈運行在不允許的脫諧度之下,造成中性點過電壓，電力系統三相電壓對稱性遭到破壞。
(3) 電力系統三相對地電容不對稱或者斷路器（包括刀閘）操作時三相觸頭不能同時閉合，中性點不對稱電壓較高且不確定，影響消弧線圈手動調節的準確度。
(4)采用普通變壓器（或者發電機）引出高壓中性點作為接入消弧線圈之用，這種方法是很不經濟的，因為揚子石化熱電廠電力系統零序阻抗很大，發生單相接地故障時，既影響消弧線圈出力，又降低了變壓器的利用率。
綜上所述，揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置比較落后，電力系統安全狀況受到影響，供電可靠性差，需采取有效措施，來改善揚子石化熱電廠電力系統的安全運行狀況。為克服手動調節式消弧線圈接地補償裝置的不足，國內外已開始研究和開發自動跟蹤調諧的消弧線圈接地補償裝置，這種裝置能在全補（或者最小殘流）、過補或欠補狀態下運行，對地電容電流能在線檢測，自動進行跟蹤補償。本文將結合揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置，從技術角度探討如何實行自動調諧改造。
3 實行自動調諧改造相關技術問題探討
由于揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置設計及安裝得比較早，各種系統參數的配置已經不能滿足現行電力系統補償的需要，為實現自動調諧，必須解決以下幾個問題：
3.1 電力系統對地電容電流的測量：
揚子石化熱電廠電氣運行規程規定：“在并列運行的系統上，當35kV 的電容電流大于10A，6kV 的電容電流在接有發電機時大于5A，不接發電機時大于30A 時，消弧線圈即應投入運行。”為了能準確地選擇消弧線圈接地補償裝置所需要的容量，必須知道揚子石化熱電廠6kV 、35kV 系統準確的對地電容電流。表1 是揚子石化熱電廠電氣車間采用中性點外加電容法測量的對地電容電流
表1 揚子石化熱電廠6kV 、35kV 系統對地電容電流（A）
35 kV 6 kV
I II III I II
52.16 85.92 64.8 43.51 50.75
3.2 電容電流的自動跟蹤：
在揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置上實現自動調諧改造，必須解決電容電流的自動跟蹤問題，傳統的方法是利用中性點位移電壓的變化來進行跟蹤調節，因為當系統切換較大負荷或者發生單相接地時，必然會引起系統參數的變化，中性點位移電壓必然要發生變化，這種方法比較直觀和靈敏，易于實現自動調諧。缺點是當電力系統增加或減少一個出力負荷電纜時，系統的參數發生變化，必須再次實地測量校正后方可獲得滿意的補償效果，且對于因偶然擾動因素（絕緣子泄漏、單相爬弧等）造成的中性點位移電壓的變化沒有有效的克服措施。還有一種方法是利用中性點位移電壓電流之間的相位與消弧線圈不同分接頭的電抗值之間的關系，推導出脫諧度與相位角的關系，計算出脫諧度，與設定值比較進行調整。
脫諧度不受中性點位移電壓影響，不會因為中性點位移電壓的不穩定變化引起消弧線圈接地補償裝置頻繁動作，當脫諧度發生跳變（與設定值相比），裝置就判斷系統切換負荷或者發生單相接地故障，可靠性較高。
上述兩種方法可以單獨使用，亦可結合起來使用，可以取得相互補充的作用。
3.3 消弧線圈運行方式的擴展：
揚子石化熱電廠電氣運行規程規定：“消弧線圈的調諧選擇，一般應按過補償運行方式�！爆F行的消弧線圈由于其自身結構的原因及電力系統的要求，只能運行在過補償狀態。雖然從理論上講，全補償是最佳補償，但實際上并不采用這種補償方式，因為在正常運行時，由于系統三相對地電容并不能完全相等，或者斷路器（包括刀閘）操作時，三相觸頭不能同時閉合等原因，致使在未發生接地的情況下，中性點對地之間出現一定的不對稱電壓，此電壓將引起電力系統串聯諧振過電壓，危及電網的絕緣。而欠補償的方式一般也很少采用，因為在欠補償狀態下運行，若切除部分線路，或者線路發生一相斷線時，均可使系統接近或者達到全補償，以致出現串聯諧振過電壓。為了解決全補償時中性點過電壓，以及抑制各種過電壓倍數和限制欠補償狀態下諧振過電壓的危害，必須增大電網的阻尼率，方法是在消弧線圈回路中串入電阻或者可控硅。
《過電壓保護設計技術規程》規定：“中性點經消弧線圈接地的電力網，在正常運行的情況下，中性點位移電壓不得長時間超過額定相電壓的15% ，消弧線圈應采用過補償運行方式，其脫諧度一般不大于10% 。故障點殘流不超過10A �！睂τ谝话憬Y構的消弧線圈，在允許的范圍內，要想降低中性點電壓，只能設法增大阻尼率，當脫諧度超出規定的范圍，抑制各種過電壓的效果就很差。在消弧線圈回路串入適當的電阻，可以增大阻尼率，全補償時中性點過電壓可降到相電壓的15% 以內，就可以實現全補償運行。根據國內外研究的結論，在以電纜出線為主的中高壓配電網絡中，消弧線圈接地補償裝置串入電阻或者可控硅，可以采用全補償或欠補償的運行方式，不會引起工頻串聯諧振過電壓。
消弧線圈回路串入電阻或者可控硅后在正常情況下把中性點位移電壓降到允許值以內。但當系統接地時，應將電阻或者可控硅迅速短接，以免影響消弧線圈的出力及電阻過熱，從接地到短接電阻的時間越短越好，以免影響故障點的殘流。短接的方式有兩種：一種是利用繼電器和接觸器來短接，為可靠起見采用中性點電壓和電流兩套裝置來啟動短接回路；另一種是利用可控硅來短接電阻，優點是短接時間短。
由于采用了增大阻尼率的措施使全補償狀態下的中性點位移電壓降到規程允許的范圍內，使消弧線圈可運行在過補、全補、欠補狀態下，運行方式得到極大地擴展。
3.4 中性點的引出：
揚子石化熱電廠采用普通變壓器（或者發電機）引出中性點，雖然可以滿足作為接入消弧線圈之用，但因為系統零序阻抗很大，建議對于自動調諧裝置的中性點采用Z 型接線的專用接地變，其主要特點是當系統發生單相接地時，零序磁通相互抵消，這樣它的零序阻抗就很小，便于補償電流的輸出。這種專用接地變一、二次容量可以做成不相等，所以二次側可以帶專用負荷（如實現自動調諧的專用負荷）。利用這種專用接地變還可以調整系統中性點不對稱電壓，揚子石化熱電廠6kV、35kV 系統母線上全部是電纜出線負荷，三相對稱性較好，中性點不對稱電壓很低，給實現自動調諧帶來困難，利用專用接地變一次線圈做成人為的不對稱，可以提高系統的不對稱電壓，滿足自動調諧的需要。
3.5 消弧線圈的選用：
目前，揚子石化熱電廠采用的消弧線圈，由于其自身結構的原因，只能采用手動調節，且原先設計的容量已不能滿足目前電力系統接地補償的需要，為了實現自動調諧，必須對現有的消弧線圈進行更換。根據揚子石化熱電廠的實際情況，建議采用有載調匝式消弧線圈（市場上已有成形產品），因為有載調節開關的運用在揚子石化熱電廠已經取得比較成熟的經驗。采用有載調節開關調節消弧線圈，工作情況基本上接近空載切換，所以是非�？煽康�，且解決了遠方電動控制問題，為自動調諧創造了條件。這種方法的缺點是不能連續地調節。從實際的經驗來看，在應用中不可能也沒有必要使殘流絕對地趨近于零，只要把殘流降到小于電網最小上限滅弧電流，滿足滅弧需要即可。
消弧線圈容量的選取則按消弧線圈最大電流等于系統對地電容電流的1.5—2.0 倍，同時還應考慮到系統最小運行方式下系統對地電容電流不小于消弧線圈最小電流。
3.6 微機選線裝置的選用：
熱電廠6kV 、35kV 系統單相接地選線裝置采用MLX/98-2B（2A）微機小電流接地選線裝置，其基本工作原理是五次諧波方向電流原理，利用故障線路與非故障線路五次諧波電流方向相反來判斷故障線路。當系統實行自動跟蹤補償時，故障點殘流很小，五次諧波含量較小，且處于經常變化之中，加上PT、CT 對五次諧波的附加相移，會影響MLX/98-2B（2A）微機小電流接地裝置判別故障線路的準確度，根據熱電廠的實際情況，有必要對選線裝置進行改進或者更換。
對微機選線裝置的改進，可以在現有MLX/98-2B（2A）微機小電流接地選線裝置的基礎上，增加判別基波方向及基波有功功率兩種輔助方式，尤其是基波有功功率法可明顯提高諧振接地系統故障選線的準確率。采用計算機控制技術，在軟件設計中采用延時技術（或者硬件采用時間繼電器、定時器等），當測量板測出中性點位移電壓（或者脫諧度）發生跳變時，立即啟動MLX/98-2B（2A）微機小電流接地選線裝置，選出故障線路，然后再起動消弧線圈自動調諧裝置對系統進行自動跟蹤補償。上述措施對改進五次諧波含量變化給選線造成不利的影響有著明顯的改善效果，但對PT、CT 給五次諧波的附加相移所帶來的影響卻沒有有效的克服措施。
綜上所述，實現自動調諧狀態下快速檢測接地線路的關鍵在于新型的微機選線裝置工作原理應與接地線路的工頻及其各次諧波無關，信號注入式微機選線裝置（目前市場上已有多種成形產品）通過PT 向接地線路注入一種特殊的信號電流，該信號電流沿接地線路接地相流動并經接地點入地，用信號電流探測器探測信號電流的走向，就能判斷出故障線路，由于信號探測器只反映信號電流，而不反映接地線路的工頻及其各次諧波，可以從根本上克服采用零序電流和諧波方向選線裝置的種種不足，在自動跟蹤補償狀態下快速檢測故障線路。
4 自動調諧改造方案
4.1 裝置結構及安裝方式：
自動跟蹤接地補償裝置由Z 型專用接地變（可以不采用）、有載調匝式消弧線圈、控制阻尼柜、計算機控制系統及微機選線裝置組成。由于原來的消弧線圈接地補償裝置有的采用戶外安裝（#0、#1、#2、#5），有的采用戶內安裝（#3、#4），考慮到新老接地補償裝置配合方面問題，故新的接地補償裝置亦采用與原來相同的安裝方式，裝置中的計算機控制系統和微機選線裝置安裝在主控室控制屏上，既便于裝置之間的通訊聯系，又利于值班人員集中控制。
4.2 消弧線圈的補償方式：
前面已經提及，在消弧線圈回路中串入電阻或者可控硅，增大電網的阻尼率，可使消弧線圈運行在全補、過補、欠補三種方式下，由于采用的是有載調匝式消弧線圈（不是無級調節），故障點電流不可能完全為零（不能達到完全意義上的全補償），且欠補償方式（除了特殊運行方式下）沒有太大的意義，故消弧線圈的補償方式采用過補和最小殘流兩種，基本上能滿足熱電廠電力系統接地補償的需要。
4.3 與原先消弧線圈并列運行的配合：
實行自動調諧改造時，會出現與原先消弧線圈并列運行的階段，因為在對自動調諧接地補償裝置進行調試時，需要原先消弧線圈接地補償裝置的配合。當兩者并列運行時，原先的消弧線圈接地補償裝置的補償電流可按略低于系統最小運行方式時系統對地電容電流固定在某一分接頭，即用原先的消弧線圈接地補償裝置帶系統的基礎負荷，自動跟蹤補償裝置作為跟蹤調節，根據揚子石化熱電廠的實際情況，建議將原先的消弧線圈放在第1—2 檔。當并列運行時，老式消弧線圈的投退不受影響，但需要注意的是，自動跟蹤補償裝置不能運行在最小殘流方式下，以免引起老式消弧線圈的中性點諧振過電壓，若想對自動跟蹤補償裝置在最小殘流方式下進行調試，必須在原先的消弧線圈回路中串入阻尼電阻或將其退出運行。
4.4 多臺裝置的安裝與配合：
揚子石化熱電廠6kV 、35kV 系統的結線方式是雙母線分段方式，每段應安裝一臺自動跟蹤補償裝置（與原先消弧線圈分布相同），當母線分列運行時，各母線上的自動跟蹤補償裝置獨自承擔本段母線的跟蹤補償任務，當雙母線并列運行時，兩套自動跟蹤補償裝置共同承擔兩段母線的跟蹤補償任務，為保證并列運行的兩套裝置負荷平衡及避免互相搶負荷，采用計算機控制技術將一套裝置定為主機，另一套為備機。當主機檢測到系統中性點位移電壓（或者脫諧度）發生跳變，立即進行調節，每次調節一檔，調檔完成后，主機變為備機。備機在檢測到系統中性點位移電壓（或者脫諧度）發生跳變時，不立即進行調節，而延時一段時間（時間長短由主機調檔一次所需的時間長短來決定），在延時時間結束后，備機再次檢測，若系統中性點位移電壓（或者脫諧度）恢復為原來的值，備機不作調節，只是將備機轉為主機，若備機檢測到的系統中性點位移電壓（或者脫諧度）沒有恢復為原來數值，備機立即進行調節，每次調節一檔，同時備機將轉為主機，以此循環調節，其檔位差可保證不大于1 檔。采用這種方式可保證兩套裝置負荷平衡及避免搶負荷。其間的通訊聯系通過計算機控制系統來實現。
5 結束語
通過以上的分析可以看出，在揚子石化熱電廠消弧線圈接地補償裝置上實行自動調諧改造，在技術上是可行的。采用智能型消弧線圈接地補償裝置，提高了接地補償的效率，保證了熱電廠電力系統的安全運行（全文完）。
參考資料
1、《揚子石化熱電廠電氣運行規程》 揚子石化熱電廠電氣車間
2、《輸電線路電流電壓保護》 王靜茹 奕貴恩 水利電力出版社
3、《MCS-51 單片機應用設計》 張毅剛 哈爾濱工業大學出版社
4、《中性點絕緣電網電弧接地過電壓的分析與對策》 陳楠 《揚子石油化工》
5、《智能型接地補償裝置的研究及應用》 顧精彩 李新永 邯鄲恒山集團
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