沈陽變壓器回收專題高短路阻抗變壓器式自動快速消弧系統
摘要：提出了配電網中性點新型接地方式為：當發生瞬時性單相接地故障時，利用自動跟蹤的消弧線圈實現快速補償；當發生非瞬時性單相接地故障時，能正確選出故障線路并跳閘。提出了高短路阻抗變壓器式可控電抗器的基本結構和原理，用該原理研制成功的高短路阻抗變壓器式自動快速消弧系統，具有伏安特性線性度優良、響應速度快、電流由零到最大都能無級連續調節、補償效果好、對系統適應性強等優點，是實現新型接地方式比較理想的設備。
關鍵詞：配電網 消弧線圈 可控電抗器 晶閘管 短路阻抗
1 新型接地方式
配電網中性點接地方式的選擇與電力系統安全可靠運行密切相關，是城網和農網建設中必須關注的重要問題。但長期以來并未得到滿意的解決。隨著電網的不斷發展，電容電流小于一定值而允許中性點不接地的電網已越來越少，絕大多數配電網的中性點都采用低阻接地或消弧線圈接地方式。
低阻接地雖然避免了系統的過電壓問題，但跳閘率過高，不能適應對供電可靠性越來越高的要求，尤其是在架空線路與電纜混合的配電網中此問題更為突出。同時，單相接地時巨大的接地電流將使地電位升高，嚴重時會超過安全值，可能對通信線路、低壓電器和人身安全造成不利影響，這是該方式的先天缺陷。隨著電力配電系統與電信網共處系統的日益增加，用戶使用的敏感元件（電腦、電子控制、電力電子等）日益增多，以及國際標準對低壓設備耐壓要求的降低，低阻接地方式這一不可克服的缺陷越來越不能被社會容忍。尤其在電纜使用量逐漸增多、電網迅速擴大，使電容電流大增的情況下，用電阻將單相接地故障電流限制到遠小于兩相短路電流而同時又要滿足過電壓要求的做法已非常困難，即采用低阻接地方式已非常不經濟。因此，低阻接地方式不僅不適合于以架空線路為主的農網，也將越來越不適合于以電纜為主、容量不斷擴大的城網。
自動跟蹤消弧線圈接地方式避免了巨大的接地故障電流帶來的一系列問題，又能使瞬時性接地故障自動消除而不影響供電［1，2］。但是由于《規程》中規定線路單相接地時允許帶故障運行2h，對系統的絕 緣水平要求較高，因而使某些進口設備（尤其是電纜）受到威脅。同時故障電流持續時間長不僅對人身安全很不利，而且易使非瞬時性接地故障擴大成相間短路（尤其是電纜）。隨著電纜逐漸代替架空線路，單相接地時不分瞬時性和非瞬時性故障都不跳閘的傳統消弧線圈接地方式已不再適合。
配電網中性點新型接地方式為：當發生瞬時性單相接地故障時，利用自動跟蹤的消弧線圈實現快速補償，使故障電流小于一定值而自動滅弧，從而使系統繼續正常運行而不停止供電；當發生非瞬時性單相接地故障時，能正確選出故障線路并跳閘，不影響其他非故障線路的正常運行；同時保證單相接地故障持續時間小于10s，使系統的絕緣水平可與低阻接地時的相同［3］。這種接地方式兼具了低阻接地和消弧線圈接地的優點，又擺脫了各自的缺點，是一種較為理想的新型接地方式。
該接地方式的實現，不僅須配備可靠、準確、響應快的小電流接地選線裝置和相應的跳閘裝置，還必須有高質量的自動跟蹤補償裝置。主要要求是：消弧線圈伏安特性線性度好，響應快，能在大范圍內連續調節，補償效果好等。現有的各類自動跟蹤補償消弧線圈，包括調匝式［4］、調氣隙式［5］、直流偏磁式［6］、磁閥式［7］、調電容式［8］及其它類型［9，10］，都具有某些缺點而不能同時滿足上述要求。這也是目前消弧線圈的應用受到局限的原因。本文所述由高短路阻抗變壓器式電抗器組成的新型自動快速消弧系統可以滿足上述要求，使上述接地方式實現成為可能。
2 自動快速消弧系統的主要構成
該系統主要由高短路阻抗變壓器式消弧線圈和控制器組成，同時采用小電流接地選線裝置作為配套設備。
2．1 高短路阻抗變壓器式消弧線圈
該消弧線圈是一種新型的變壓器式可控電抗器，其一、二次繞組間的短路阻抗很大（達100％或更大），二次繞組用晶閘管短路。通過調節晶閘管的導通角來調節二次繞組中的短路電流，從而實現電抗值的可控調節。其原理結構見圖1。
整套裝置中設置特殊的濾波電路，用以吸收晶閘管通斷時產生的諧波，使電抗器輸出工頻電流。當給定晶閘管的觸發角α時，工作線圈輸出的基波電流為：
該消弧線圈不需要調節匝數，鐵芯不需要有氣隙，不需要復雜的直流回路和任何機械傳動裝置，因而結構十分簡單，與普通的變壓器相同。由于電抗值的調節是通過調節晶閘管來實現的，該消弧線圈具有極快的響應速度，并可實現由零到額定電流的無級連續調節。
此外該消弧線圈的獨特優點是作為補償用的電感不是激磁阻抗而是利用變壓器的短路阻抗，因而可保證在全電壓范圍內都具有良好的伏安特性，實測結果如圖2所示。這一優點對可控消弧線圈非常重要，因為單相接地情況下中性點電壓隨接地阻抗變化，高阻接地時中性點電壓較低，而最高可升到1．1倍相電壓。若消弧線圈的伏安特性為非線性，則消弧線圈輸出的補償電流將成為中性點電壓的非線性函數，因此利用消弧線圈在額定電壓下對應的電流來外推或內推其它電壓下的電流將會導致殘流較大，再考慮到零序電容測量的不準確性，有可能使接地殘流仍舊超過規定的允許值；對于分級式消弧線圈（如調匝式、調容式等），還存在級差電流，情況有可能更糟。 2．2 新型控制器
控制器是系統的核心，擔負著實時跟蹤測量系統電容電流并及時向系統投入或退出補償電流、對接地故障線路實現跳閘等任務。
該控制器在測量過程中采用“試探法”，用兩次測量的方法來保證系統電容電流測量的準確性。測量時系統遠離諧振區，因此即使不采用阻尼電阻，中性點電壓也不會上升至危險區域；硬件、軟件采用多重濾波和自動量程跟蹤技術，可消除諧波干擾和保證全量程的測量精度；軟件設計中對系統中可能出現的多種現象（例如多次重復接地故障等）都有恰當的對策，尤其是在抗干擾方面采用了多重技術，除常規的“看門狗”外，還設計了超時檢測技術，即使在死機狀態下“看門狗”也能正常工作，保證整個系統在設定的時間內恢復正常，由于人為的誤操作而退出運行時，裝置能在設定的時間內自動轉入運行狀態。補償方式可為欠補、過補、全補，由于裝置響應很快，因此不需要預調諧，也就避免了因串聯諧振可能帶來的危險過電壓；同時還設置了跳閘接口，可對發生接地故障的線路實現跳閘；具有信息傳輸接口，可將相應的信息由無人值班的變電站傳送到遠方的調度站?？刂葡到y人機界面友好，采用液晶顯示，全漢化操作，正常測量時實時顯示系統接地次數，中性點電壓、電流，時間和系統的運行狀態。