高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统

　

摘要：提出了配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿；当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸。提出了高短路阻抗变压器式可控电抗器的基本结构和原理，用该原理研制成功的高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统，具有伏安特性线性度优良、响应速度快、电流由零到最大都能无级连续调节、补偿效果好、对系统适应性强等优点，是实现新型接地方式比较理想的设备。

关键词：配电网 消弧线圈 可控电抗器 晶闸管 短路阻抗
1　新型接地方式
　　配电网中性点接地方式的选择与电力系统安全可靠运行密切相关，是城网和农网建设中必须关注的重要问题。但长期以来并未得到满意的解决。随着电网的不断发展，电容电流小于一定值而允许中性点不接地的电网已越来越少，绝大多数配电网的中性点都采用低阻接地或消弧线圈接地方式。
　　低阻接地虽然避免了系统的过电压问题，但跳闸率过高，不能适应对供电可靠性越来越高的要求，尤其是在架空线路与电缆混合的配电网中此问题更为突出。同时，单相接地时巨大的接地电流将使地电位升高，严重时会超过安全值，可能对通信线路、低压电器和人身安全造成不利影响，这是该方式的先天缺陷。随着电力配电系统与电信网共处系统的日益增加，用户使用的敏感元件（电脑、电子控制、电力电子等）日益增多，以及国际标准对低压设备耐压要求的降低，低阻接地方式这一不可克服的缺陷越来越不能被社会容忍。尤其在电缆使用量逐渐增多、电网迅速扩大，使电容电流大增的情况下，用电阻将单相接地故障电流限制到远小于两相短路电流而同时又要满足过电压要求的做法已非常困难，即采用低阻接地方式已非常不经济。因此，低阻接地方式不仅不适合于以架空线路为主的农网，也将越来越不适合于以电缆为主、容量不断扩大的城网。
　　自动跟踪消弧线圈接地方式避免了巨大的接地故障电流带来的一系列问题，又能使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电［1，2］。但是由于《规程》中规定线路单相接地时允许带故障运行2h，对系统的绝　　缘水平要求较高，因而使某些进口设备（尤其是电缆）受到威胁。同时故障电流持续时间长不仅对人身安全很不利，而且易使非瞬时性接地故障扩大成相间短路（尤其是电缆）。随着电缆逐渐代替架空线路，单相接地时不分瞬时性和非瞬时性故障都不跳闸的传统消弧线圈接地方式已不再适合。
　　配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿，使故障电流小于一定值而自动灭弧，从而使系统继续正常运行而不停止供电；当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸，不影响其他非故障线路的正常运行；同时保证单相接地故障持续时间小于10s，使系统的绝缘水平可与低阻接地时的相同［3］。这种接地方式兼具了低阻接地和消弧线圈接地的优点，又摆脱了各自的缺点，是一种较为理想的新型接地方式。
　　该接地方式的实现，不仅须配备可靠、准确、响应快的小电流接地选线装置和相应的跳闸装置，还必须有高质量的自动跟踪补偿装置。主要要求是：消弧线圈伏安特性线性度好，响应快，能在大范围内连续调节，补偿效果好等。现有的各类自动跟踪补偿消弧线圈，包括调匝式［4］、调气隙式［5］、直流偏磁式［6］、磁阀式［7］、调电容式［8］及其它类型［9，10］，都具有某些缺点而不能同时满足上述要求。这也是目前消弧线圈的应用受到局限的原因。本文所述由高短路阻抗变压器式电抗器组成的新型自动快速消弧系统可以满足上述要求，使上述接地方式实现成为可能。
2　自动快速消弧系统的主要构成
　　该系统主要由高短路阻抗变压器式消弧线圈和控制器组成，同时采用小电流接地选线装置作为配套设备。
2．1　高短路阻抗变压器式消弧线圈
　　该消弧线圈是一种新型的变压器式可控电抗器，其一、二次绕组间的短路阻抗很大（达100％或更大），二次绕组用晶闸管短路。通过调节晶闸管的导通角来调节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。其原理结构见图1。

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　　整套装置中设置特殊的滤波电路，用以吸收晶闸管通断时产生的谐波，使电抗器输出工频电流。当给定晶闸管的触发角α时，工作线圈输出的基波电流为：


式中　Iom为额定电压下晶闸管全导通时流经工作线圈的电流有效值。

　　该消弧线圈不需要调节匝数，铁芯不需要有气隙，不需要复杂的直流回路和任何机械传动装置，因而结构十分简单，与普通的变压器相同。由于电抗值的调节是通过调节晶闸管来实现的，该消弧线圈具有极快的响应速度，并可实现由零到额定电流的无级连续调节。
　　此外该消弧线圈的独特优点是作为补偿用的电感不是激磁阻抗而是利用变压器的短路阻抗，因而可保证在全电压范围内都具有良好的伏安特性，实测结果如图2所示。这一优点对可控消弧线圈非常重要，因为单相接地情况下中性点电压随接地阻抗变化，高阻接地时中性点电压较低，而最高可升到1．1倍相电压。若消弧线圈的伏安特性为非线性，则消弧线圈输出的补偿电流将成为中性点电压的非线性函数，因此利用消弧线圈在额定电压下对应的电流来外推或内推其它电压下的电流将会导致残流较大，再考虑到零序电容测量的不准确性，有可能使接地残流仍旧超过规定的允许值；对于分级式消弧线圈（如调匝式、调容式等），还存在级差电流，情况有可能更糟。
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