串联在消弧线圈接地回路中的非线性阻尼电阻

串联在消弧线圈接地回路中的非线性阻尼电阻 ——DFD型大功率非线性电阻器 岳建民1,陈　伟2 (1.南京伏安电气有限公司，江苏 南京 210029 ; 2.南京供电局， 江苏 南京 210008) 摘要：消弧线圈串联非线性阻尼电阻，克服了自动跟踪消弧装置中线性阻尼电阻并联短路装置的固有缺点，改善了手动调谐消弧线圈的运行状况，从而提高了电网的安全性。从南京西华门变电站10kV 电网消弧线圈串联非线性电阻器的现场试验及近一年的运行经验证明，新产品 —— DFD型大功率非线性电阻器将会在消弧线圈接地系统中得到广泛应用。 关键词:消弧线圈；阻尼电阻；非线性电阻器；调谐 中图分类号:TM475;TM542 消弧线圈串联阻尼电阻的由来 交流中压电网接地电容电流Ic超过某阀值(>10A)，电网中性点需采用消弧线圈接地方式，其主要的目的是降低接地残流Id，以利电弧自灭，提高供电可靠性。当电网运行方式改变时，消弧线圈抽头作相应调节。调节消弧线圈电流IL须兼顾两方面因素：其一，使接地残流Id最小；其二，正常运行时不能使电网中性点位移电压UN过高，UN<15%相电压UX。但是，这两种因素是相互制约的。即：要Id最小，则要求消弧线圈调整在全补偿IL=Ic或接近全补偿状态，即失谐度υ=(IL-Ic)/Ic=0。此时，在不对称电压UPD作用下，消弧线圈电抗与电网对地电容呈串联谐振状态，仅依靠自然阻尼中的R，UN必然很高。按自然阻尼率d=3%, υ=0计算，UN=UPD/(d2+υ2)1/2=UPD/0.03=30UPD。若UPD>0.5%UX，则UN>30×0.5%UX=15%UX。除非电网中电缆占主要成分，其UPD≤0.5%UX，UN=30UPD≤30×0.5%UX=15%UX。但是UPD不是一成不变，电网发生断线，UPD超过0.5%UX， UN升到很高值，则电网三相对地电压严重不平衡，这是不允许的。要使中性点位移电压处在允许值内，若不加大d，消弧线圈必须调整在较大的失谐状态，υ越大，UN越低，而Id则大起来。因此消弧线圈的调整始终不能将Id和UN都处在较理想状态。 在消弧线圈回路串联一个阻尼电阻，可以使Id和UN的矛盾得到较好的协调。因此，目前我国生产的预调式自动调节消弧线圈装置，大都在消弧线圈接地回路中串联一个线性阻尼电阻(简称LR)。并在LR旁并联短接装置(开关或可控硅)。电网正常运行时，开关断开，投入LR，由于阻尼电阻的存在，谐振回路的阻尼率d增大很多，即使此时υ≈0，仍可以将UN控制在允许值的范围内；当电网接地时，开关闭合，短接LR，可以使消弧线圈电流IL充分补偿接地电容电流，使接地残流很小。基本上解决了Id与UN的矛盾。 消弧线圈串联线性电阻并联短接装置存在的问题 如果电网的不对称电压不高，接地故障为金属性接地，采用LR并联短接装置，只要短接装置及其控制器能够可靠工作，一般不会出现很大的问题，但是电网的不对称电压有高有低，电网出现的故障更是多样性，如间歇性接地，高阻接地，断线不接地等等，这些故障给短接装置及其控制系统带来很大困难，以致出现烧毁线性阻尼电阻和短接装置的事故。其原因可归纳为以下几个方面。 (1) 不对称电压比较高的电网发生接地后，LR被短接，当接地消失时，LR仍处在被短接状态，LR不起阻尼作用，如果此时消弧线圈调整在谐振状态(υ≈0)，仅靠自然阻尼，UX≥15%UX，短接装置的控制系统，无法分辨是处在接地还是不接地，短接装置不能自动断开。其结果是真的接地消失，出现另一种方式的虚幻接地。唯一的办法，就是将消弧线圈调整在较大的失谐状态。因此对于UPD稍大的电网，采用LR旁并联短接装置的自动调谐设备，是不能工作在全补偿或欠补偿状态的，与人工调节的消弧线圈一样，只能工作在较大失谐度的过补偿状态。接地的残流也必然较大，电弧有可能不会自灭。 (2) 电网发生故障的形式是多样的，除了单相接地外，还可能发生断线，同杆线路零序电压的电容耦合等非接地故障，使电网不对称电压升高。如果升高到一定程度，自动调节的控制器误认为电网发生接地，将LR短路，而此时消弧线圈又调谐在接近全补偿状态，其后果是产生很高的中性点位移电压，造成其中一相电压升高很多，以至损坏电网中其它设备，将一个小故障扩大为事故。 (3) 如果LR旁并联的是机械操作开关，当电网发生间隙性接地，例如风吹树枝碰线，跳线摆动碰板线，风吹的摆动是数秒或数十秒一次，几十次至几百次高阻接地，就要导致LR并联的机械开关频繁合分，开关尤其是开关中的操动机构很容易损坏，开关一旦损坏，其后果是LR被烧毁，LR内的电弧可能引发更大的事故。 (4) 即使机械开关能正常操作，其机械合或分的时间，与电气的接通或断开时间为毫秒级相比，是长时间的。因此，在接地发生时，LR并联开关尚未合闸前，消弧线圈与较大阻值LR处在串联状态，在相电压作用下，串联回路中的电流不是纯感性电流，而是含有相当比例的阻性电流，此时的感性电流比消弧线圈整定的值要小很多。例如，一台10kV 消弧线圈，运行在50A挡，其感抗为120Ω，若有100Ω的电阻与之串联，在并联开关尚未合闸前，通过该回路的感性电流为29.5A，阻性电流24.6A，若接地电容电流为48A，接地残流高达[948-29.5)2+24.62]1/2=31A。其结果是，接地电弧起始时，得不到应有的补偿。若接地发生在母线，数十安的接地电流所产生的电弧，其运动速度足以造成母线相间短路，虽然其后较短时间，LR被短接，接地电流减小，已毫无意义，此时已经造成永久性故障，失去了安装消弧线圈提高供电可靠性的作用。对于雷击造成的瞬间接地，同样因为不能及时灭弧，极有可能造成永久性故障。 非线性阻尼电阻的工作原理 图1 NLR在消弧线圈中位置 如果在自动调谐的消弧线圈回路中，LR改为依电压或电流可以自动改变阻值的非线性电阻NLR(见图1)，则可以充分发挥消弧线圈自动调谐的作用，消弧线圈完全可以调整在全补偿状态，因为无需短接装置，不用担心过高的不对称电压，发生非接地性故障，NLR仍保持一定的电阻值，电网不会出现过高的位移电压。不论发生何种间隙性接地，NLR阻值的变化是无时延的，不会发生因阻值滞后变化而影响灭弧或引发高幅值位移电压，因为消弧线圈处在全补偿状态，高阻接地时的过渡电阻对电弧熄灭也没有影响。没有短接装置操作，自动调谐中的控制器更加简化，按Il的幅值和相位，始终将消弧线圈调谐在全补偿或接近全补偿状态。控制回路越简单则可靠性越高。南京伏安电气公司研制并获专利(专利号：992293545)的DFD型大功率非线性电阻器，具备有上述的功能。 在电网正常运行时，中性点的开路电压为电网不对称电压UPD，其值一般为相电压UX的(0.1～3.5)%，当XL≈Xc时，UPD几乎全部作用在NLR上。在此电压作用下，通过NLR回路中电流Il较小，一般IL≤1A，此时NLR呈高阻值，等值电路见图2。高阻值的NLR可使电网的阻尼率d=(20%～80%)，消弧线圈调整在全补偿状态，中性点位移电压UN仍被限制在较低的水平,一般UN<10%UX。当电网发生单相接地，作用在消弧线圈(含接地变压器或主变压器零序阻抗)及NLR串联回路两端电压为接地相的相电压UX，通过消弧线圈及NLR电流IL=10～100，NLR阻值自动降低呈低阻状态，仅为消弧线圈感抗的数十分之一，不影响消弧线圈的补偿作用，其等值电路见图3。若为永久性金属接地，NLR允许通过与之相配消弧线圈最大电流，时间为2h及以上，一旦接地切除，电网恢复正常，NLR在热状态下的阻值仍呈高阻尼状态。简要地说， NLR依靠电阻体本身的非线性伏安特性，依外施电压或电流大小改变阻值高低，当电网正常运行时，消弧线圈回路需要阻尼，NLR呈现高阻值；当电网接地消弧线圈作补偿时，NLR呈低阻值，无需做任何操作。 图2 电网正常运行时，在UPD作用下NLR呈高阻值 图3 电网接地时，在IL作用下NLR呈低阻值 手动调节的消弧线圈串联NLR可明显改善其运行状况 对于老式人工调节的消弧线圈，若将NLR串联于该接地回路，人工调节的消弧线圈亦可以在过补偿、欠补偿、全补偿状态运行，就是说，已知正常运行方式下电网的接地电容电流Ic，则可以将消弧线圈的感性电流IL调整在与其相同的全补偿状态运行。具体操作方法是：按线路及电缆长度估算电网接地电容电流值，将消弧线圈调整在比估算值大20%的挡位上，并在消弧线圈的电流互感器二次侧接一只交流毫安表，从消弧线圈比较大的电流挡位，逐档调节，并在每档测量IL,得到IL最大值时的挡位，此挡位即为消弧线圈全补偿状态运行档位，如果已知电网最大运行方式下接地电容电流及最小运行方式下接地电容电流，也可以将Il调在最大和最小之间运行。因为消弧线圈串联了NLR，中性点位移电压很低，在电网增加或减少少量出线时，不必去更改消弧线圈的抽头。这样，在电网大部分正常运行方式的时间内发生接地，接地残流仅在一个小的范围内变化，电弧很容易熄灭，大大提高了供电可靠性，若电网运行方式有变化，只要在允许的范围内，即使处在欠补偿方式也不必改变消弧线圈抽头。大大减少了运行人员操作的工作量，减少了出现差错的可能性。只有在电网的运行方式发生大的变化，才需要更改消弧线圈的电抗值，或将消弧线圈退出运行。 消弧线圈串联非线性电阻的现场试验： 南京西华门变电站10kVⅡ段母线上人工调节的消弧线圈采用了上述方法，该母线上有一台Z型接线的接地变压器，通过接地变压器中性点接XDJ1-300/10型消弧线圈，消弧线圈电流调节范围为25～50A，共分9挡。 图4　NLR伏安及欧安曲线 系列1—冷状态U-I 系列2—R-I 系列3— 热状态U-I 表1 首台NLR伏安特性 I/A　 0.5 1.0　 5　 10　 25 50 U/V　 55.2　 74 130 161 211 253.4 R/Ω 110　 74　 26　 16　 8　 5 通过50A二小时后U/V　 44.7　 62 111 141 181 226.4               DFD型大功率非线性电阻器的实测伏安特性见表1，伏安曲线及计算电阻变化曲线如图4所示。 2000年1月7日，南京供电局委托江苏电力试验研究所在西华门变电站10kVⅡ段母线上作人工接地试验。试验结果如下: (1) 用直接接地法测量10kVⅡ段母线正常运行方式接地电容电流为30A。 (2) 通过接地变中性点测量电网不对称电压为8.5V。 (3)消弧线圈分别调在Ⅵ挡、Ⅳ挡、Ⅲ挡，每挡作了一次人工接地试验，测得数据列于表2。测量的消弧线圈电流即NLR中电流、NLR上电压及中性点对地电压UN的波形。图5为其中一次投入和切除人工接地时中性点位移电压和非线性电阻上的电压及流过电流的波形。 表2 人工接地试验及中性点位移电压数据 消弧线圈档号　 通过消弧线圈电流/A　 NLR上的电压/V　 接地点残流/A　 中性点位移电压/V 标称值 实测值 表读值　 示波图值　 接入NLR 短接NLR　 Ⅵ 38.5　 37.65　 292　 233　 9.3　 11　 24.3　 Ⅳ 32.4　 32.1　 278　 226　 4.02　 12　 60.5　 Ⅲ 29.7　 29.94　 273　 220　 2.5　 12.2　 152　                 由上述数据可以看出，Ⅱ段母线正常运行方式接地电容电流为30A，将消弧线圈调在Ⅲ挡位置铭牌IL值为29.7A，基本上可以实现全补偿，此时残流为2.5A(2.5A包含不可补偿的谐波电流及阻性电流)。接入NLR中性点位移电压仅为不对称电压的12.2/8.5=1.44倍，若没有NLR，中性点位移电压是不对称电压的152/8.5=17.9倍。实测时，短接NLR的引线很长，引线的电阻使d加大了一些，否则UN/UPD>17.9，可以看出NLR所起的作用。从图5波形可以发现,当通过NLR的电流波形为正弦波时，NLR上电压波形的峰值较平，从图5(b)的波形看到，当通过NLR的电流几乎为零时，NLR上仍有较高电压，从而看出NLR的非线性特性。 该系统在正常运行方式下的时间占绝大多数，在此时间段内，残流仅2.5A，中性点位移电压亦很低，若该系统有少量线路投入或切除，也不必改变消弧线圈挡位。当然，因为该系统不对称电压太低，中性点位移电压问题不突出。若按一般中性点不对称电压约为1%的相电压计算，不串联NLR时，全补偿位置运行，中性点位移电压将大于15%，而串联NLR，则可以安全地运行于全补偿位置。该实例可以为其他类似系统所借鉴。 图5 NLR中电流IL及电压UR和中性点位移电压UN的波形UPD作用下NLR呈高阻值 DFD型大功率非线性电阻器的可靠性  NLR装置本身的可靠性是至关重要的。NLR可靠性分为两个方面：①装置的有效寿命；②装置自身的保护。 6.1 长时间通过多大的电流，NLR具有20年以上的寿命。 要回答这个问题，我们用同类设备已有长时间运行经验的数据来推算。因为NLR的电阻片与FZ型避雷器的并联电阻，是采用相同的主要材料、相同的烧制工艺，而FZ型避雷器已有20年以上的运行经验，所以用并联电阻在运行电压下长期通过的电流密度，推算NLR长时间允许通过的电流值是合理的。 并联电阻的截面积S=7×15=105mm2，在额定相电压下通过交流电导电流的峰值不小于0.4mA，峰值电流密度约0.4mA/cm2，NLR系列产品中电阻片截面积最小的一种是配消弧线圈最大电流25A的电阻片群。该电阻片群由100片φ120mm电阻片并联组成，其截面积S=100×62×π≈11310cm2，允许长期通过交流电流的峰值为4.5A。NLR与消弧线圈串联，通过的电流波形接近正弦波，取电流的波形因素为1.5，则允许长期通过电流的有效值为4.5/1.5=3A，实际运行中，为满足自动补偿控制器的灵敏度，要求消弧线圈长时间通过的电流≤1.5A。因此，NLR电阻片群的最小截面，也能够满足长时间通过电流的要求，且有一定的裕度。在满足此要求的条件下，NLR的有效寿命可以推算为20年以上。 6.2 NLR除长时间通过小电流要求外，还存在接地时通过大电流的要求。 对于大电流的要求，是采用连续240h施加大电流的试验来推算NLR可以承受的接地累计的时间。 设电网平均每月单相接地的时间为1h，一年12h，20年240h。大电流试验是取若干电阻片，通过消弧线圈最大电流时的电流密度，连续10天(240h)通流，试验前后电阻片电压值变化率不大±10%。公司的企业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中规定，型式试验做240h试验。批量生产时，每批电阻片做抽查试验，抽取2%的电阻片做大电流24h试验，ΔU≤±5%，试验时通过的电流值为最大电流密度乘以大于1的系数(与环境温度有关)。 6.3 装置的自动保护 虽然电阻片通过层层筛选，在长时间运行时，仍有可能出现个别电阻片的质量劣化。因此，装置中每一个(组)并联元件都串有一根熔丝保护，如果某并联元件中的电阻片(组)劣化，通过该电阻片(组)的电流增大到熔丝熔断电流时，劣化电阻片(组)即退出运行，装置中电阻片的数量有10%的裕度，出厂试验要做去掉10%的熔丝，通过消弧线圈最大电流2h试验。也就是说，如果运行中有个别元件退出，也不会影响场装置运行。电力系统每隔一定年限作预防性试验时，检查每个熔丝是否完好，如果有10%以上的熔丝熔断，才需要通知生产厂进行更换。假使装置出现大量元器件损坏，也不会在接地时发生电弧燃烧。因为，NLR两端还并联了一个导线可通过大电流的电抗器，其作用之一是保护NLR最危险时不出现电弧，另一作用是补偿电阻片之间的电容。因此，NLR自身的保护是很完备的。 南京西门华变电站试运行的NLR，已经过一个完整的冬天和夏天，其中7月27日发生一起用户电缆两相熔丝熔断的非全相断线故障，由于消弧线圈中有NLR，中性点位移电压仅1.5kV，通过切除故障线路，很快恢复正常。 结论 (1) 自动跟踪补偿消弧成套设备中采用消弧线圈串联线性阻尼电阻，在LR旁并联短接装置(开关或可控硅)。由于其固有的缺陷，在不对称电压较高的电网中，需要在失谐度较大的位置工作，不利于电弧自灭；当线路非全相断线或间隙性接地，有可能将小故障扩大到设备损坏事故；由于开关延时动作不能及时提供足够的补偿电流，电弧不能及时熄灭，而扩大成相间短路，或瞬时接地变成永久性接地。 (2)将线性阻尼电阻改为非线性电阻，上述问题都可得到解决，且可以将消弧线圈调整在全补偿状态，残流中只有极少量的不可补偿的谐波分量及阻性分量，电弧很容易自灭。另一方面，NLR无需控制装置，自动补偿的控制器更为简化。 (3) 手动调节的消弧线圈串联NLR后，在正常运行方式下，可以调整在全补偿状态，运行方式改变不很大时，不用改变消弧线圈档位，接地残流仍可控制在较小的范围。增加一台NLR的费用远少于更改为自动跟踪补偿消弧成套设备的费用，是一种经济而实用的办法。 (4) DFD型大功率非线性电阻器中，电阻片的主要材料及烧制方法与普通阀避雷器中并联电阻相同，长时通过电流的电流密度比并联电阻小，又通过了大电流240h老化试验，可以认为其有效寿命在20年以上。 (5)NLR装置本身具有良好的保护系统，不会因为NLR的问题，影响电网的安全运行。 8 参考文献： 1 要焕年 曹梅月，电力系统谐振接地，北京：中国电力出版社 2000年 收稿日期：2000-10-20 作者简介：1.岳建民(1937- )，男，高级工程师(教授级)，长期从事电力系统过电压保护工作，现从事产品开发研制工作。 2.陈　伟(1956- )，男，工程师，从事高电压技术管理工作。