电容电流补偿分析论文

导语：电容电流补偿分析论文一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：针对化工企业自备热电站直配线电缆较多，单相接地电容电流较大的特点，采用偏磁式消弧线圈进行自动补偿。本文描述了该系统的整体方案及其性能。实际应用证明该系统安全、可靠，运行后不需要进行手动调整。

关键词：企业电站接地电容电流偏磁式消弧线圈动态自动跟踪全补偿

一、引言

化工企业蒸汽用量大，利用蒸汽余热发电，既经济、节能又能提高企业用电的可靠性。再加上目前电力紧张，进一步促进了各企业兴建热电联产式热电站的热情。现在正在设计或施工的此类工程很多，可以说遍地都是。化工企业电站的机压母线一般都采用10KV或6KV中性点不接地系统，而且一般都采用机压母线对负荷直配电缆。该方案运行维护简单,节省了全套升压站的投资，非常受企业的欢迎。但是，此方案会造成单相接地电容电流很大。在我公司承担的青海某90万吨/年纯碱工程中，第一期工程的单相接地电容电流就达到了31.5A，二期预计与一期工程的规模一样。在我公司承担的山东某100万吨/年纯碱工程中，其第一期工程的单相接地电容电流已达到了33.5A，而且企业已有规划，一期工程竣工就开始二期工程的设计，到2008年完成三期工程的建设。国家规范要求，单相接地电容电流4A以上就必须采取补偿措施。单相接地电容电流问题是工程设计必须解决的问题。

二、单相接地电容电流的危害

中性点不接地的高压电网中，单相接地电容电流的危害主要体现在四个方面：

1．弧光接地过电压危害

当电容电流过大，接地点电弧不能自行熄灭，出现间歇性电弧接地时，产生弧光接地过电压，这种过电压可达相电压的3-5倍或更高，它遍布于整个电网中，并且持续时间长，可达几小时，它不仅击穿电网中的绝缘薄弱环节，而且对整个电网绝缘都有很大的危害。

2．造成接地点热破坏及接地网电压升高

单相接地电容电流过大，使接地点热效应增大，对电缆等设备造成热破坏，该电流流入接地网后由于接地电阻的原因，使整个接地电网电压升高，危害人身安全。

3．交流杂散电流危害

电容电流流入大地后，在大地中形成杂散电流，该电流可能产生火花，引燃可燃气体、煤尘爆炸等，可能造成雷管先期放炮，并且腐蚀水管，气管等金属设施。

4．接地电弧还会直接引起火灾,甚至直接引起可燃气体、煤尘爆炸。

三、消弧线圈的作用

电网安装消弧线圈后，发生单相接地时消弧线圈产生电感电流，该电感电流补偿接地电容电流，使得接地电流减少；同时使得故障相恢复电压速度减少，治理电容电流过大所造成的危害。同时由于消弧线圈的嵌位作用，它可以有效地防止铁磁谐振过电压的产生。消弧线圈补偿效果越好，对电网的安全保护作用越大，所以需要跟踪电容电流变化自动调谐的消弧线圈。

四、消弧线圈作用原理及国内外现状

4.1补偿系统的原理

消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供一电感电流，补偿接地电容电流，使接地电流减少，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效地抑制过电压的幅值，同时也最大限度地减少故障点热破坏作用及接地网的电压等。所谓正确调谐，即电感电流接近或等于电容电流，工程上用脱谐度v描述调谐程度

当V=0时，称为全补偿，当V>0时为欠补偿，V<0时为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。如煤矿6KV电网，当消弧线圈处于全补偿时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10-25倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。除此之外，电网中各种操作（如大电机投入，断路器非同期合闸等）及电网发生其它故障时（如单相断线，断路器非全相合闸等）都可能产生危险的过电压，所以在电网正常运行时，或发生单相接地之外的其他故障时，小脱谐度的消弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害。综上所述，当电网发生单相接地故障时，希望消弧线圈的脱谐度越小越好，最好是全补偿。当电网正常运行时,希望消弧线圈的脱谐度越大越好，最好是退出运行。

4.2补偿系统的分类

早期采用人工调匝式固定补偿的消弧线圈，称为固定补偿系统。固定补偿系统的工作方式是：将消弧线圈整定在过补偿状态，其过补程度的大小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移电压超过相电压的15%，之所以采用过补偿是为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压。因为，如整定在欠补偿状态，切除线路将造成电容电流减少，可能出现全补偿或接近全补偿的情况。可见，固定补偿方式很难适应变动比较频繁的电网，这种系统已逐渐不再使用。取代它的是能跟踪电网电容电流自动调谐的装置，这类装置又分为两种，一种称之为随动式补偿系统。随动式补偿系统工作方式是：自动跟踪电网电容电流的变化，随时调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串联一电阻，增加电网阻尼率，将谐振过电压限制在允许范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高电压调整。另一种称之为动态补偿系统。动态补偿系统的工作方式是：在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点，彻底避免串联谐振过电压及各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，瞬间调整消弧线圈至最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性，通过适当的控制，系统是唯一可能使电网中原有的功率方向型单相接地选线装置（高漏）继续使用的系统。

4.3国内主要产品的比较

目前，自动补偿的消弧线圈国内主要有三种产品，分别是调气隙式，调匝式及偏磁式。

4.3.1调气隙式

调气隙式属于随动式补偿系统。其消弧线圈为动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。然而，其调整只能在低电压或无电压的情况下进行，其电感调节范围上下限之比为2.5倍。控制系统在电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约100Ω电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于15%的相电压）。当电网发生单相接地后，必须在0.2S秒内将电阻短接掉实施最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。该产品的主要缺点有四条：

1.工作噪音大，可靠性差

动芯式消弧线圈由于其结构上有运动部件，当高压施加其上后，振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内部越来越松动，噪音愈来愈大。串联电阻约3KW，100Ω。当补偿电流为50A时，需要250KW容量的电阻才能长期工作，所以在接地后，必须迅速切除电阻，否则有爆炸的危险。这就影响到整个装置的可靠性。

2.调节精度差

由于气隙的微小变化都造成电感较大的变化，电机通过机械部件调气隙的精度远远不够。用液压调节成本太高。

3.过电压水平高

在电网正常运行时，消弧线圈处于全补偿状态或接近全补偿状态，虽有串联电阻将稳态谐振过电压限制在允许范围内。但是电网中，各种扰动（大电机投切，非同期合闸，非全相合闸等），使得其瞬间过电压危害较为严重。

4.功率方向型单相接地选线装置不能继续使用

安装该产品后，电网中原有的功率方向型单相接地选线装置不能继续使用。

4.3.2调匝式

该装置属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是将动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的，有载调节开关每调节一档时间13秒。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈电感不能连续调节，只能离散地分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联电阻存在爆炸的危险等缺点，另外，该装置比较零乱，它由四件设备组成（接地变压器，消弧线圈，电阻箱，控制柜），安装施工比较复杂。总的来讲，该装置技术上比较落后。

由于经济上的原因，国产有载调匝式消弧线圈的有载调节开关采用低电压开关，它只能在低压下调节抽头，发生接地后不能调节。

4.3.3偏磁式

偏磁式消弧线圈成套装置具有以下特点：

1.利用自然零序电压原理在线实时测量电网对地电容。

2.运用磁放大器原理进行动态补偿，电网正常运行时少量投入补偿电抗，电网脱谐度大，可有效地防止串联谐振过电压的发生。发生单相接地后，瞬间实施最佳补偿。

3.现在广泛应用的功率方向原理的单相接地保护装置，仍能继续使用。

综上所述，偏磁式上述1、2、3点，在技术上属国内领先水平。

偏磁式消弧线圈成套装置属动态补偿系统，这种补偿系统要求消弧线圈的技术水平高，其消弧线圈内部为全静态结构，无任何运动部件，电感的调节通过辅助励磁的方法实现，可以在高电压下以电的速度调节电感，调节范围大，精度高，可靠性高。控制器在电网正常运行时实时检测电容电流数值，调节消弧线圈远离谐振点，通常处于其下限位置，从根本上避免了串联谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，在5ms内调整消弧线圈达到最佳补偿状态，使接地电弧自动熄灭。该装置可靠性高，采用适当的控制方式后，可以使电网中原有的方向型接地选线装置继续使用。

五、偏磁式消弧线圈补偿系统的功能特点及技术性能

1.消弧线圈结构的特点

电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁，改变铁芯的磁阻，从而达到改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以电的速度调节电感值。

2.控制方法的特点

（1）采用动态补偿方式，从根本上解决了补偿系统串联谐振过电压与最佳补偿之间相互矛盾的问题。众所周知，消弧线圈在高压电网正常运行时无任何好处，如果这时调谐到全补偿状态或接近全补偿状态，会出现串联谐振过电压，使中性点电压升高，电网中的各种正常操作及单相接地以外的各种故障的发生都可能产生危险的过电压。所以在电网正常运行时，调节消弧线圈使其跟踪电网电容电流的变化有害无利，这也就是电力部门有关规程规定“固定补偿式消弧线圈不能工作在全补偿及接近全补偿状态”的原因，一般都是工作在过补偿状态。国内其它类似的自动补偿装置均是随动系统，都是在电网尚未发生故障前即将消弧线圈调节到全补偿状态等待接地故障的发生，为了避免出现过高的串联谐振过电压而在消弧线圈上串联一个阻尼电阻，将稳态谐振过电压限制到容许的范围内，并不能解决暂态谐振过电压的问题。另外；由于电阻的功率限制，在出现接地故障后必须迅速切除，这无疑给电网增加了一个不安全的因素。

（2）不是采取限制串联谐振过电压的方法，而是采用避开谐振点的动态补偿方法，根本不让串联谐振出现，即在电网正常运行时，不施加励磁电流，将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态，但实时检测电网电容电流的大小，当电网发生单相接地后，瞬间（约5ms）调节消弧线圈实施最佳补偿。

3.实际应用情况

根据偏磁式消弧线圈补偿系统能在电网发生单相接地后，瞬间调节消弧线圈实施最佳补偿的特点，在选型时可以留出适当的余量。

在我公司承担的青海某90万吨/年纯碱工程中，第一期工程的单相接地电容电流31.5A，考虑到二期工程的规模，选用的是100A的消弧线圈。

在我公司承担的山东某100万吨/年纯碱工程中，其第一期工程的单相接地电容电流33.5A，根据企业现有规划，考虑到二期工程和三期工程的规模，选用的是120A的消弧线圈。

首期工程竣工后，偏磁式消弧线圈补偿系统即能投入运行，并能正常工作。当后续工程建成投运时，只要其预期单相接地电容电流在允许范围内（预留量够用），偏磁式消弧线圈补偿系统不需手动控制，即能自动调整且正常运行。为用户节省了增容后，需更换消弧线圈的投资。

我们设计回访的结果显示，各个用户均对其性能予以不同程度的肯定；发生单相接地故障时，偏磁式消弧线圈补偿系统起到了预期的效果，单相接地故障没有造成设备的损坏。