消弧线圈分散补偿单相接地故障运行特性分析

林海，梁志瑞

(华北电力大学，河北 保定 071003)

0 引 言

目前，随着全球电力需求不断增加和电缆线路的大量应用，几乎所有的谐振接地系统迟早都需要进行增容改造[1]。一些谐振接地系统需要进行数次增容改造以获得更大的补偿容量，这必须对城市基础设施进行详细的规划。如果消弧线圈接地系统的对地电容电流得不到及时、有效的补偿，在故障点处将会出现较大的接地残流和跨步电压，这不仅对电气设备造成损伤，还对人身安全构成威胁[2-3]。此外，现有的消弧线圈设备更换困难，成本花费大，又比较耗时，在更换期间系统得不到消弧线圈的有效补偿，系统承担风险较大。在消弧线圈接地系统中增设消弧线圈是一种值得考虑的办法，这既发挥了原有消弧线圈的补偿作用，也避免了电气设备的频繁更换。

消弧线圈补偿系统对地电容电流有集中式补偿和分散式补偿两种方式，前者适合于系统对地电容电流不大的情况，后者更适合于系统电容电流较大的情况。与集中补偿式系统相比，分散补偿是在主变电站消弧线圈的基础上加装分散式安装的消弧线圈，不仅使系统在补偿容量上得到了满足，而且还不失主变电站消弧线圈的自动跟踪补偿作用。用于分散补偿的消弧线圈设备具有容量小、价格低廉和安装方便的特点，即使是与主变电站距离很远的地方，也可以根据现场要求进行安装。因此，对分散补偿消弧线圈运行特性的研究对于提高电网的安全性和可靠性具有重要的价值和意义。

1 消弧线圈分散补偿原理

分散补偿接地运行方式是以主站的自动跟踪补偿消弧线圈作为发挥主要补偿作用的消弧线圈(简称主消弧线圈)，其补偿容量一般占系统需补偿容量的50%以上，另外根据所在地区线路结构情况和电容电流的分布情况寻找合适的地点，安装一套或多套起到辅助补偿作用的小容量的消弧线圈(简称分散补偿消弧线圈)，以起到多点共同补偿的效果[4]。如果系统电容电流还是由于增大而导致补偿容量不足，那么继续增加分散补偿消弧线圈进行补偿即可。在较大的电网中，由于系统电容电流增大而导致主站消弧线圈补偿容量不足的情况很常见，此时消弧线圈分散补偿运行方式具有很好的优势和适用性[5]。

在消弧线圈分散补偿接地系统中，总补偿电流为所有消弧线圈(包括主消弧线圈和所有分散补偿消弧线圈)补偿电流的总和。因此，对于大电容电流的系统，可以通过在合适的补偿点加装若干套分散补偿消弧线圈设备，只要消弧线圈的总补偿容量与系统电容电流相匹配就能满足补偿要求。

分散补偿系统零序等效电路如图1所示，其中L为变电站自动跟踪补偿消弧线圈， L1～Lm为用于分散补偿的m套消弧线圈，3C为系统对地电容,UΨ为系统相电压，Rd为故障点过渡电阻,U0为系统中性点位移电压。

图1 分散补偿系统零序等效电路

显然由图1可得到接地残流为:

(1)

由失谐度定义:

(2)

2 分散补偿消弧线圈调节原理和安装位置

2.1 分散补偿消弧线圈结构及调节原理

在实行分散补偿时，三相五柱式消弧线圈的使用不仅解决了引出中性点困难的问题，而且三相五柱式消弧线圈结构简单，体积小，成本相对较低，性能优良，安装方便，免运行维护，适合安装在环境恶劣、维护困难的边远地方，是配电网增容改造的重点研究对象[6]。其结构简图如图2所示。

图2 分散补偿消弧线圈结构

系统处于正常工作状态时 ,加载在该消弧线圈三绕组的电压为三相对称电压，无零序电流产生，该消弧线圈仅起到为系统引出一个中性点的作用。系统发生单相接地故障时,零序磁通在该消弧线圈的中间三柱铁芯生成, 其回路经过如图3所示的气隙与左右两边柱铁芯[7]。

其零序回路的电压方程为:

(3)

三相五柱式消弧线圈的补偿电流为:

(4)

由式(3)和式(4)可知，当零序电压不变时,补偿电流随着气隙δ增大而增大[8]。

2.2 分散补偿消弧线圈安装位置

根据补偿接入点的不同，分散补偿消弧线圈可以安装在主站中性点与主消弧线圈并联，可以安装在母线，也可以选择安装在线路末端。而线路发生单相接地故障具有随机性和不可预测性，故障有可能发生在安装有分散补偿消弧线圈的线路，也有可能发生在没有安装分散补偿消弧线圈的线路，因此文中根据分散补偿消弧线圈安装位置和故障位置的不同，分主站扩容安装(方式一)、母线安装(方式二)、非故障线路末端安装(方式三)和故障线路末端安装(方式四)四种情况来考虑，可得到四种不同的分散补偿接地运行方式，如图3所示。

图3 分散补偿消弧线圈安装位置

3 分散补偿运行特性分析

根据图3所示系统图，用Matlab建立仿真模型。该模型总共有5条线路，包括4条电缆线路(长度依次分别为17 km、14 km、12 km、11 km)和1条10 km架空线路和8 km电缆组成的混合线路，依次分别记为L1～L5。对于方式三和方式四所在系统，分散补偿消弧线圈均安装在线路L5末端。假设在0.1 s时,对于方式一、方式二和方式四所在系统在线路L5离母线首端1 km处发生A相接地故障，对于方式三所在系统在线路L1离母线首端1 km处发生A相接地故障。

方式一～方式四所在系统总电容电流均为99.2 A,失谐度均取 -5%，由式(2)可求需补偿电流均为104 A。

3.1 分散补偿消弧线圈安装位置和分散补偿容量大小对系统补偿特性的影响

假设单相接地故障过渡电阻为1 Ω，分散补偿消弧线圈安装位置为非故障线路末端安装(即方式三)，补偿容量分配按需补偿电流分配来考虑，此处取主消弧线圈L补偿64 A,分散补偿消弧线圈L1补偿40 A。消弧线圈补偿前接地电流波形如图4所示，消弧线圈集中补偿和分散补偿后接地残流波形如图5和图6所示。

图4 消弧线圈补偿前接地电流

图5 消弧线圈集中补偿后的接地残流

图6 消弧线圈分散补偿后的接地残流

由图4～图6可见，发生单相接地故障时，无论采用集中补偿还是分散补偿，消弧线圈的接入都能够有效补偿系统对地电容电流，使接地残流被控制在较小的范围内。其中作为对比，集中补偿后的接地残流为4.313 A。

改变分散补偿消弧线圈的安装位置和补偿容量，对每一种情况进行仿真，所得的接地残流值如表1所示。

表1 不同补偿容量分配和安装位置下系统的接地

由上述仿真结果可得：

(1)当系统消弧线圈总补偿电流不变时，分散补偿消弧线圈无论采用哪一种接地运行方式和采用多大的补偿容量，都能有效补偿接地电容电流，使接地残流不超过5.02 A，满足熄弧条件;

(2)补偿容量分配一定时，因为分散补偿消弧线圈安装位置不同造成电感电流流过的零序回路不同，引起零序有功残流不同，从而故障点接地残流略有差异;

(3)通过比较和分析可知，对于方式一和方式二，分散补偿电流大约为30 A时接地残流最大，分散补偿电流小于20 A时补偿效果最好。因此，分散补偿容量小于总补偿容量的20%时，分散补偿消弧线圈宜采用主站扩容安装方式和母线安装方式;

(4)通过比较和分析可知，对于方式三和方式四，分散补偿电流约为20 A时接地残流最大，分布补偿电流大于40 A时补偿效果最好。因此，分散补偿容量大于总补偿容量的40%时，分散补偿消弧线圈宜采用线路末端安装方式。

3.2 过渡电阻对接地残流的影响

保持补偿容量分配为L 64 A+L 140 A不变，改变单相接地故障的过渡电阻，可得到分散补偿消弧线圈不同接地方式下的系统的接地残流如表2所示。

由表2仿真结果可知：

(1)每一种分散补偿接地方式的单相接地故障接地残流都随着过渡电阻的增大而减小，但其变化值不明显;

(2)过渡电阻从1 Ω～500 Ω变化时，方式一至方式四的接地残流最大变化值分别为0.409 A、0.453 A、0.421 A和0.220 A，可得消弧线圈分散补偿接地系统的单相接地故障残流受过渡电阻影响较小。

表2 不同过渡电阻下分散补偿系统的接地

4 弧光过电压分析

在单相接地故障中，间歇性弧光接地故障占大多数，因此有必要对消弧线圈分散补偿接地系统的弧光过电压进行仿真和研究。

研究弧光过电压的理论有工频熄弧理论和高频熄弧理论，前者以工频振荡电流第一次过零时弧光熄灭来分析弧光过电压的形成过程，后者以高频振荡电流第一次过零时弧光熄灭来分析弧光过电压的形成过程[9]。根据实践和经验可知，利用工频熄弧理论分析得出来的弧光过电压结果比较接近实际[10]。以工频熄弧理论为基础对弧光过电压进行分析，假设A相电压到达正的最大幅值时(t=0.023 4 s)发生间歇性弧光接地故障，采用分散补偿时容量分配为L 64A+L140A，得到不同接地方式下的弧光过电压波形如图7所示。

图7 不同接地方式下弧光过电压波形

由图7的仿真结果可得，中性点不接地系统的弧光过电压发生两次燃弧后过电压基本趋于稳定，而消弧线圈接地系统的最大过电压往往出现在第一次燃弧的时候。与中性点不接地系统相比，消弧线圈接地系统的过电压水平会小很多。其中，中性点不接地和集中补偿时最大过电压倍数分别为2.902 p.u.和2.289 p.u.。分散补偿不同接地方式和补偿容量下的最大过电压倍数仿真结果如表3所示。

表3 不同接地方式和补偿容量下的最大过电压倍数(单位：p.u.)

由表3仿真结果可知：

(1)同等条件下，所有经消弧线圈接地系统的最大过电压倍数很接近，且与中性点不接地系统的最大过电压倍数2.902 p.u.相比要小很多;

(2)集中补偿和方式一的最大过电压倍数同为2.289 p.u.，可见分散补偿消弧线圈主站扩容接地方式和集中补偿接地方式对弧光过电压的抑制效果是一样的;

(3)在分散补偿接地方式中，方式一和方式二的最大弧光过电压倍数不随补偿容量分配的改变而改变;

(4)在方式三即分散补偿消弧线圈所在线路为非故障线路时，其最大过电压倍数随着分散补偿容量的增大而慢慢减小;

(5)在方式四即分散补偿消弧线圈所在线路为故障线路时，其最大过电压倍数随着分散补偿容量的增大而慢慢增大。

总之，当发生间歇性弧光接地时，消弧线圈分散补偿与集中补偿一样，都能有效抑制弧光过电压的产生。

5 结束语

介绍了分散补偿的原理和特点，阐述了分散补偿消弧线圈的调节原理和安装位置，然后通过改变分散补偿消弧线圈的安装位置和补偿容量对单相接地故障时分散补偿接地系统的接地残流大小进行了分析，最后对分散补偿接地系统的弧光过电压进行了研究，通过Matlab进行建模及仿真分析，得出结论如下：

(1)消弧线圈分散补偿接地方式能够有效补偿系统对地电容电流使接地残流满足熄弧要求，因为感性电流流过的零序回路不同，所以造成各分散补偿接地方式下的接地残流不同；

(2)为了更好地降低单相接地故障残流，分散补偿容量小于总补偿容量20%的分散补偿消弧线圈比较适合安装在母线和主站，分散补偿容量大于总补偿容量40%的分散补偿消弧线圈比较适合安装在线路末端；

(3)与消弧线圈集中补偿系统一样，消弧线圈分散补偿接地系统能够很好地抑制弧光过电压，并且受分散补偿消弧线圈的安装位置和补偿容量影响较小；

(4)消弧线圈分散补偿运行方式不仅为系统的增容改造开辟了一条新的路径，而且单相接地故障发生时具有较好的补偿效果和灭弧性能，表明该种补偿方式具有很好的实际推广价值。