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消弧线圈接地补偿装置自动调谐改造探析
毕业论文消弧线圈接地补偿装置自动调谐改造初探
摘 要：通过对扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置目前运行状况的分析，指出实行自动调谐改造的必要性，并就实现自动调谐提出了改造方案，且就实现自动调谐涉及到的几个主要问题进行了详细的讨论。
关键词：热电厂 消弧线圈接地补偿装置 补偿 消弧 改造
1 消弧线圈接地补偿装置的运行现状 论文 毕业论文
扬子石化热电厂电力系统中6kV 、35kV 系统的中性点采用经消弧线圈接地的运行方式。35kV 系统装有4 台消弧线圈：#0、#1 消弧线圈并接于#1、#2 主变的35kV 侧中性点上（#0 消弧线圈备用），#2 消弧线圈接于#3、#4 主变的35kV 侧中性点上，#5 消弧线圈接在#5、#6 主变35kV 侧中性点上；6kV 系统装有2 台消弧线圈：#3 消弧线圈接在#1 发电机、#3 厂低变6kV 侧中性点上，#4 消弧线圈接在#2 发电机、#6 厂低变6kV 侧中性点上。由于电力系统中的电容电流随运行方式的变化而变化，因此要求消弧线圈的电抗值也能作相应地调节，以达到最佳补偿的目的。热电厂采用九个分接头的XDJL-2200/35（#0、＃1、#2 、#5 消弧线圈）和XDJ1-175/6（#3、#4 消弧线圈）型消弧线圈，可以手动调整消弧线圈的匝数，改变电抗的大小，从而调节消弧线圈的电感电流，以补偿6kV 、35kV 系统接地电容电流，达到补偿的目的。
6kV 、35kV 系统采用消弧线圈接地补偿装置，可使接地点流过的故障电流减小，这也就减少了单相接地时产生电弧和由它发展为相间短路的可能性，有效地减少事故跳闸次数。同时消弧线圈的接入对抑制各种过电压也有非常明显的效果。运行经验证明，这种系统在单相接地后可继续运行一段时间（不超过2小时），以便运行值班人员采取措施，利用MLX/98-2B （2A）微机小电流接地选线装置，查出故障点所在的线路，在最短的时间内消除故障，保证电力系统的安全运行。
2 消弧线圈接地补偿装置存在的问题
正常情况下，扬子石化热电厂电力系统的运行方式不会有很大的变化，消弧线圈的调整不会很频繁，采用手动调节不会影响扬子石化公司热电厂电力系统的安全运行，但随着扬子石化公司的生产规模不断扩大，每条母线上所带的出线负荷不断增多，电力系统各种参数也发生了变化，因此，消弧线圈接地补偿装置亦暴露出一定的问题：
(1) 由于扬子石化热电厂电力系统中的6kV 、35kV 系统母线上直接带有大量的电缆出线负荷，每一次较大的负荷切换都会导致系统的电容电流的变化，消弧线圈接地补偿装置不能自动地随着电网参数的变化进行最佳补偿，电网参数变化后靠手工计算出电容电流的变化，准确度差，然后进行倒闸操作，停下消弧线圈调整其分接头位置，造成系统短时无消弧线圈补偿，费工时又影响安全，不能使参数变化后的系统及时得到最佳补偿。还有可能在系统出现单相接地故障时，带负荷投运消弧线圈（在调档过程中系统出现单相接地故障）。
(2) 消弧线圈接地补偿装置由于其自身固有的特点及电力系统的要求，在电网中只能运行在过补偿状态，不能长时期运行在欠补偿状态，更不能在全补偿状态下运行，电力系统发生事故，参数变化时脱谐度无法控制（规程规定为10% ，一般在20%-30% 甚至更大），以致消弧线圈运行在不允许的脱谐度之下,造成中性点过电压，电力系统三相电压对称性遭到破坏。
(3) 电力系统三相对地电容不对称或者断路器（包括刀闸）操作时三相触头不能同时闭合，中性点不对称电压较高且不确定，影响消弧线圈手动调节的准确度。
(4)采用普通变压器（或者发电机）引出高压中性点作为接入消弧线圈之用，这种方法是很不经济的，因为扬子石化热电厂电力系统零序阻抗很大，发生单相接地故障时，既影响消弧线圈出力，又降低了变压器的利用率。
综上所述，扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置比较落后，电力系统安全状况受到影响，供电可靠性差，需采取有效措施，来改善扬子石化热电厂电力系统的安全运行状况。为克服手动调节式消弧线圈接地补偿装置的不足，国内外已开始研究和开发自动跟踪调谐的消弧线圈接地补偿装置，这种装置能在全补（或者最小残流）、过补或欠补状态下运行，对地电容电流能在线检测，自动进行跟踪补偿。本文将结合扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置，从技术角度探讨如何实行自动调谐改造。
3 实行自动调谐改造相关技术问题探讨
由于扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置设计及安装得比较早，各种系统参数的配置已经不能满足现行电力系统补偿的需要，为实现自动调谐，必须解决以下几个问题：
3.1 电力系统对地电容电流的测量：
扬子石化热电厂电气运行规程规定：“在并列运行的系统上，当35kV 的电容电流大于10A，6kV 的电容电流在接有发电机时大于5A，不接发电机时大于30A 时，消弧线圈即应投入运行。”为了能准确地选择消弧线圈接地补偿装置所需要的容量，必须知道扬子石化热电厂6kV 、35kV 系统准确的对地电容电流。表1 是扬子石化热电厂电气车间采用中性点外加电容法测量的对地电容电流
表1 扬子石化热电厂6kV 、35kV 系统对地电容电流（A）
35 kV 6 kV
I II III I II
52.16 85.92 64.8 43.51 50.75
3.2 电容电流的自动跟踪：
在扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置上实现自动调谐改造，必须解决电容电流的自动跟踪问题，传统的方法是利用中性点位移电压的变化来进行跟踪调节，因为当系统切换较大负荷或者发生单相接地时，必然会引起系统参数的变化，中性点位移电压必然要发生变化，这种方法比较直观和灵敏，易于实现自动调谐。缺点是当电力系统增加或减少一个出力负荷电缆时，系统的参数发生变化，必须再次实地测量校正后方可获得满意的补偿效果，且对于因偶然扰动因素（绝缘子泄漏、单相爬弧等）造成的中性点位移电压的变化没有有效的克服措施。还有一种方法是利用中性点位移电压电流之间的相位与消弧线圈不同分接头的电抗值之间的关系，推导出脱谐度与相位角的关系，计算出脱谐度，与设定值比较进行调整。
脱谐度不受中性点位移电压影响，不会因为中性点位移电压的不稳定变化引起消弧线圈接地补偿装置频繁动作，当脱谐度发生跳变（与设定值相比），装置就判断系统切换负荷或者发生单相接地故障，可靠性较高。
上述两种方法可以单独使用，亦可结合起来使用，可以取得相互补充的作用。
3.3 消弧线圈运行方式的扩展：
扬子石化热电厂电气运行规程规定：“消弧线圈的调谐选择，一般应按过补偿运行方式。”现行的消弧线圈由于其自身结构的原因及电力系统的要求，只能运行在过补偿状态。虽然从理论上讲，全补偿是最佳补偿，但实际上并不采用这种补偿方式，因为在正常运行时，由于系统三相对地电容并不能完全相等，或者断路器（包括刀闸）操作时，三相触头不能同时闭合等原因，致使在未发生接地的情况下，中性点对地之间出现一定的不对称电压，此电压将引起电力系统串联谐振过电压，危及电网的绝缘。而欠补偿的方式一般也很少采用，因为在欠补偿状态下运行，若切除部分线路，或者线路发生一相断线时，均可使系统接近或者达到全补偿，以致出现串联谐振过电压。为了解决全补偿时中性点过电压，以及抑制各种过电压倍数和限制欠补偿状态下谐振过电压的危害，必须增大电网的阻尼率，方法是在消弧线圈回路中串入电阻或者可控硅。
《过电压保护设计技术规程》规定：“中性点经消弧线圈接地的电力网，在正常运行的情况下，中性点位移电压不得长时间超过额定相电压的15% ，消弧线圈应采用过补偿运行方式，其脱谐度一般不大于10% 。故障点残流不超过10A 。”对于一般结构的消弧线圈，在允许的范围内，要想降低中性点电压，只能设法增大阻尼率，当脱谐度超出规定的范围，抑制各种过电压的效果就很差。在消弧线圈回路串入适当的电阻，可以增大阻尼率，全补偿时中性点过电压可降到相电压的15% 以内，就可以实现全补偿运行。根据国内外研究的结论，在以电缆出线为主的中高压配电网络中，消弧线圈接地补偿装置串入电阻或者可控硅，可以采用全补偿或欠补偿的运行方式，不会引起工频串联谐振过电压。
消弧线圈回路串入电阻或者可控硅后在正常情况下把中性点位移电压降到允许值以内。但当系统接地时，应将电阻或者可控硅迅速短接，以免影响消弧线圈的出力及电阻过热，从接地到短接电阻的时间越短越好，以免影响故障点的残流。短接的方式有两种：一种是利用继电器和接触器来短接，为可靠起见采用中性点电压和电流两套装置来启动短接回路；另一种是利用可控硅来短接电阻，优点是短接时间短。
由于采用了增大阻尼率的措施使全补偿状态下的中性点位移电压降到规程允许的范围内，使消弧线圈可运行在过补、全补、欠补状态下，运行方式得到极大地扩展。
3.4 中性点的引出：
扬子石化热电厂采用普通变压器（或者发电机）引出中性点，虽然可以满足作为接入消弧线圈之用，但因为系统零序阻抗很大，建议对于自动调谐装置的中性点采用Z 型接线的专用接地变，其主要特点是当系统发生单相接地时，零序磁通相互抵消，这样它的零序阻抗就很小，便于补偿电流的输出。这种专用接地变一、二次容量可以做成不相等，所以二次侧可以带专用负荷（如实现自动调谐的专用负荷）。利用这种专用接地变还可以调整系统中性点不对称电压，扬子石化热电厂6kV、35kV 系统母线上全部是电缆出线负荷，三相对称性较好，中性点不对称电压很低，给实现自动调谐带来困难，利用专用接地变一次线圈做成人为的不对称，可以提高系统的不对称电压，满足自动调谐的需要。
3.5 消弧线圈的选用：
目前，扬子石化热电厂采用的消弧线圈，由于其自身结构的原因，只能采用手动调节，且原先设计的容量已不能满足目前电力系统接地补偿的需要，为了实现自动调谐，必须对现有的消弧线圈进行更换。根据扬子石化热电厂的实际情况，建议采用有载调匝式消弧线圈（市场上已有成形产品），因为有载调节开关的运用在扬子石化热电厂已经取得比较成熟的经验。采用有载调节开关调节消弧线圈，工作情况基本上接近空载切换，所以是非常可靠的，且解决了远方电动控制问题，为自动调谐创造了条件。这种方法的缺点是不能连续地调节。从实际的经验来看，在应用中不可能也没有必要使残流绝对地趋近于零，只要把残流降到小于电网最小上限灭弧电流，满足灭弧需要即可。
消弧线圈容量的选取则按消弧线圈最大电流等于系统对地电容电流的1.5—2.0 倍，同时还应考虑到系统最小运行方式下系统对地电容电流不小于消弧线圈最小电流。
3.6 微机选线装置的选用：
热电厂6kV 、35kV 系统单相接地选线装置采用MLX/98-2B（2A）微机小电流接地选线装置，其基本工作原理是五次谐波方向电流原理，利用故障线路与非故障线路五次谐波电流方向相反来判断故障线路。当系统实行自动跟踪补偿时，故障点残流很小，五次谐波含量较小，且处于经常变化之中，加上PT、CT 对五次谐波的附加相移，会影响MLX/98-2B（2A）微机小电流接地装置判别故障线路的准确度，根据热电厂的实际情况，有必要对选线装置进行改进或者更换。
对微机选线装置的改进，可以在现有MLX/98-2B（2A）微机小电流接地选线装置的基础上，增加判别基波方向及基波有功功率两种辅助方式，尤其是基波有功功率法可明显提高谐振接地系统故障选线的准确率。采用计算机控制技术，在软件设计中采用延时技术（或者硬件采用时间继电器、定时器等），当测量板测出中性点位移电压（或者脱谐度）发生跳变时，立即启动MLX/98-2B（2A）微机小电流接地选线装置，选出故障线路，然后再起动消弧线圈自动调谐装置对系统进行自动跟踪补偿。上述措施对改进五次谐波含量变化给选线造成不利的影响有着明显的改善效果，但对PT、CT 给五次谐波的附加相移所带来的影响却没有有效的克服措施。
综上所述，实现自动调谐状态下快速检测接地线路的关键在于新型的微机选线装置工作原理应与接地线路的工频及其各次谐波无关，信号注入式微机选线装置（目前市场上已有多种成形产品）通过PT 向接地线路注入一种特殊的信号电流，该信号电流沿接地线路接地相流动并经接地点入地，用信号电流探测器探测信号电流的走向，就能判断出故障线路，由于信号探测器只反映信号电流，而不反映接地线路的工频及其各次谐波，可以从根本上克服采用零序电流和谐波方向选线装置的种种不足，在自动跟踪补偿状态下快速检测故障线路。
4 自动调谐改造方案
4.1 装置结构及安装方式：
自动跟踪接地补偿装置由Z 型专用接地变（可以不采用）、有载调匝式消弧线圈、控制阻尼柜、计算机控制系统及微机选线装置组成。由于原来的消弧线圈接地补偿装置有的采用户外安装（#0、#1、#2、#5），有的采用户内安装（#3、#4），考虑到新老接地补偿装置配合方面问题，故新的接地补偿装置亦采用与原来相同的安装方式，装置中的计算机控制系统和微机选线装置安装在主控室控制屏上，既便于装置之间的通讯联系，又利于值班人员集中控制。
4.2 消弧线圈的补偿方式：
前面已经提及，在消弧线圈回路中串入电阻或者可控硅，增大电网的阻尼率，可使消弧线圈运行在全补、过补、欠补三种方式下，由于采用的是有载调匝式消弧线圈（不是无级调节），故障点电流不可能完全为零（不能达到完全意义上的全补偿），且欠补偿方式（除了特殊运行方式下）没有太大的意义，故消弧线圈的补偿方式采用过补和最小残流两种，基本上能满足热电厂电力系统接地补偿的需要。
4.3 与原先消弧线圈并列运行的配合：
实行自动调谐改造时，会出现与原先消弧线圈并列运行的阶段，因为在对自动调谐接地补偿装置进行调试时，需要原先消弧线圈接地补偿装置的配合。当两者并列运行时，原先的消弧线圈接地补偿装置的补偿电流可按略低于系统最小运行方式时系统对地电容电流固定在某一分接头，即用原先的消弧线圈接地补偿装置带系统的基础负荷，自动跟踪补偿装置作为跟踪调节，根据扬子石化热电厂的实际情况，建议将原先的消弧线圈放在第1—2 档。当并列运行时，老式消弧线圈的投退不受影响，但需要注意的是，自动跟踪补偿装置不能运行在最小残流方式下，以免引起老式消弧线圈的中性点谐振过电压，若想对自动跟踪补偿装置在最小残流方式下进行调试，必须在原先的消弧线圈回路中串入阻尼电阻或将其退出运行。
4.4 多台装置的安装与配合：
扬子石化热电厂6kV 、35kV 系统的结线方式是双母线分段方式，每段应安装一台自动跟踪补偿装置（与原先消弧线圈分布相同），当母线分列运行时，各母线上的自动跟踪补偿装置独自承担本段母线的跟踪补偿任务，当双母线并列运行时，两套自动跟踪补偿装置共同承担两段母线的跟踪补偿任务，为保证并列运行的两套装置负荷平衡及避免互相抢负荷，采用计算机控制技术将一套装置定为主机，另一套为备机。当主机检测到系统中性点位移电压（或者脱谐度）发生跳变，立即进行调节，每次调节一档，调档完成后，主机变为备机。备机在检测到系统中性点位移电压（或者脱谐度）发生跳变时，不立即进行调节，而延时一段时间（时间长短由主机调档一次所需的时间长短来决定），在延时时间结束后，备机再次检测，若系统中性点位移电压（或者脱谐度）恢复为原来的值，备机不作调节，只是将备机转为主机，若备机检测到的系统中性点位移电压（或者脱谐度）没有恢复为原来数值，备机立即进行调节，每次调节一档，同时备机将转为主机，以此循环调节，其档位差可保证不大于1 档。采用这种方式可保证两套装置负荷平衡及避免抢负荷。其间的通讯联系通过计算机控制系统来实现。
5 结束语
通过以上的分析可以看出，在扬子石化热电厂消弧线圈接地补偿装置上实行自动调谐改造，在技术上是可行的。采用智能型消弧线圈接地补偿装置，提高了接地补偿的效率，保证了热电厂电力系统的安全运行（全文完）。
参考资料
1、《扬子石化热电厂电气运行规程》 扬子石化热电厂电气车间
2、《输电线路电流电压保护》 王静茹 奕贵恩 水利电力出版社
3、《MCS-51 单片机应用设计》 张毅刚 哈尔滨工业大学出版社
4、《中性点绝缘电网电弧接地过电压的分析与对策》 陈楠 《扬子石油化工》
5、《智能型接地补偿装置的研究及应用》 顾精彩 李新永 邯郸恒山集团
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