智能電抗器控制裝置可行性分析

摘 要：智能型電抗器控制綜合保護方式在國內及廣東電網已有成熟運行經驗，能夠根據單相控制故障的性質和類別采取不同的處理方法，對瞬時性故障在線消除，無須線路跳閘；對永久性故障可靠選線，可按照線路的特性選擇恰當的時序適時切除。該保護方式具有明顯的技術和經濟優勢，適用于供電線路為架空線路以及架空與電纜的混合線路的地區，能夠同時滿足供電安全性和供電連續可靠性需要，是改造國內地區控制方式的最佳選擇。
　　
關鍵詞：智能型電抗器；控制保護；消弧；可行性
　　
一、國內等地區10kV中性點經小電阻控制方式存在的問題
　　供電局管轄的變電站大多數采用10kV中性點經小電阻控制方式，該控制方式屬于大電流控制系統，發生單相控制時，能獲得較大的阻性電流，直接驅動出線的零序保護動作于跳閘。其優點是能快速切除故障，過電壓較低。其主要缺點是：1)不能區分瞬時性故障還是永久性故障，風吹草動都頻繁動作于跳閘。2)對高阻控制故障存在誤動和拒動。　
　
1、線路頻繁跳閘的危害
　　國內地區供電線路主要為架空和電纜混合線路，并且是鼠害嚴重地區，在這些地區發生的單相控制故障絕大部分是瞬時性故障。據某供電所的不完全統計，該變電所轄區內三個10kV中性點經小電阻控制的變電站2010年線路跳閘約70次：由于雷雨影響的跳閘有36次，老鼠等小動物觸碰有11次，草木及貨車等非施工碰撞有7次；總計：瞬時性單相控制故障造成的線路跳閘率/年大于70%。線路頻繁跳閘帶來了如下危害：
1）影響對用戶的供電可靠性
　　線路頻繁跳閘，對于工業用戶，造成了生產被迫停電的經濟損失；對于居民用戶，造成生活上的極大不便，引起廣大用戶的強烈不滿和投訴。
　　
2）耗費供電運行維護部門大量人力物力
　　每一次線路跳閘，供電所都要出動人員去查找故障，而許多瞬時性的閃絡控制故障根本無法查找，并且小電阻控制方式不判斷故障相，增加維護人員的查找范圍，浪費了大量人力物力，使運行維護部門疲于奔命。
　　
3）對永久性故障重合閘產生更大危害
　　由于小電阻控制方式無法區分瞬時性故障和永久性故障，無論何種原因的跳閘都在1秒鐘后重合閘，對于永久性故障重合閘必然是又一次的短路沖擊，造成更大的危害。
　　
2、對高阻控制故障的誤動和拒動的危害
　　樹枝及小動物觸碰、架空線路斷線、電纜線路老化等都屬于高阻控制故障，小電阻控制方式的另一個主要缺陷就是對高阻控制故障存在誤動和拒動。
　　
1）對高阻控制故障的誤動
　　對于濕樹枝或小動物觸碰10kV線路，由于此時控制過渡電阻值較小，產生的零序電流能夠啟動小電阻控制系統的保護動作，而引起線路的頻繁跳閘。如國內地區尤其在冬季，因老鼠觸碰造成的線路跳閘率達16%；在采用小電阻控制方式的一些南方大城市，夏季雷雨線路跳閘50%因樹木碰線引起。
　　
2）對高阻控制故障的拒動
　　對于架空線路斷線、絕緣子或電纜線路絕緣下降等高阻控制故障，由于此時控制過渡電阻值較大，產生的零序電流不能夠啟動小電阻控制系統的保護動作，而引起保護拒動。如，京津地區發生的架空線路斷線掉在道路上，保護拒動引起人身電亡；天津地區最近（2011.7.14.）發生的電線被大風吹落游泳池，保護拒動造成3人死亡，多人受傷。

二、10kV中性點經小電阻控制方式改造為智能化控制保護的必要性
　　以上問題反映了應用中性點經小電阻控制方式必須考慮使用環境。對于架空線路以及架空與電纜的混合線路，大部分單相控制故障是瞬時性的弧光控制和高阻控制，采用中性點經小電阻控制方式必然引起線路頻繁跳閘以及對高阻控制故障的誤動和拒動，影響了對用戶供電的可靠性，同時，也給供電運行維護部門帶來了巨大的工作量。因此，10kV中性點經小電阻控制方式不適用于類似于國內供電線路為架空線路以及架空與電纜的混合線路的地區，這些地區需要智能化的控制保護方式：即，能夠根據單相控制故障的性質和類別采取不同的處理方法，才能同時滿足供電安全性和供電連續可靠性。
　　
三.實施改造的可行性
　　　在國內地區目前有三種10kV中性點控制方式：
　　　1) 中性點控制經消弧線圈控制；
　　　2）中性點控制經小電阻控制；
　　　3）故障相經電抗器控制保護。其中，故障相經電抗器控制保護，指的是變電站中性點不控制，當發生單相控制故障時，故障相經電抗器控制保護。故障消除后，電抗器退出，母線恢復正常的運行方式。該方式是一種智能化的控制保護模式，它結合了消弧線圈和小電阻控制方式兩者的優點，彌補了這兩者的不足，具有明顯的技術和經濟優勢。
　　
1、智能電抗器控制綜合保護裝置主要技術優勢
　　1）能夠準確區分瞬時性和永久性單相控制故障，分別進行恰當的處理：對瞬時性弧光控制等故障，將故障相經電抗器控制，做到和消弧線圈一樣，在線消除故障并發信，無須線路跳閘，并且滅弧比消弧線圈更可靠；對永久性故障，又能和小電阻系統一樣，可靠選線，并具備小電阻系統所不具備的――根據線路和故障的性質，選擇合適的時序正確切除故障線路。
　　
2）能夠在線監測系統運行狀態，超越消弧線圈和小電阻控制的保護范圍，消除高阻控制故障保護盲區，及時預警絕緣老化等高阻控制故障，將故障消滅萌芽狀態中。
　　
3）選線準確率高，不但能保持小電阻控制系統對常見控制故障的選線準確率，而且能準確選出小電阻系統所不能選的高阻控制線路，還具有小電阻控制系統所不具備的100%準確判斷故障相，使故障排查范圍縮小，為快速消除永久性故障、恢復供電提供有力的保障。
　　4)比消弧線圈保護的優勢
　　a）無高阻控制的保護盲區，而消弧線圈存在高阻控制的保護盲區。例如，國內某變電站經消弧線圈控制，該站發生過吊車碰斷10kV線路落在地面上，該線路斷點與地面接觸產生電弧、使得斷線不斷彈跳、而保護卻拒動，就是因為該線路斷點與地面接觸的過渡電阻值較大，屬于高阻控制，零序電壓不滿足消弧線圈保護動作值所致。
　　
b）無須追蹤電容電流的變化，100%可靠熄滅電弧、并測控簡單。
　　c）保護容量適應范圍寬，包容系統各種運行方式和變電站發展的需要。
　　5)比小電阻保護的優勢
　　a）無高阻控制的保護盲區，而小電阻保護方式存在高阻控制的保護盲區，如本文1.2節所述。
　　b）保護消除瞬時和短時控制故障無須跳閘，供電可靠性高。
　　c）控制電流小、對人身設備威脅低、對系統的地網、線路耐火等級、自動化等指標要求較低，對通信干擾小。
　　
2、技術和經濟綜合對比
　　故障相經電抗器控制保護的方法通過智能電抗器控制綜合保護裝置來實現。該裝置主要部件有：微機控制器、電抗器、單極真空接觸器、電壓互感器、隔離開關、避雷器等；所有部件均安裝于一面高壓開關柜內，與其它高壓開關柜組屏，連接于系統母線，形成受控于微機控制器的測量和保護兩大回路。
　　與消弧線圈和小電阻控制方式相比，智能型電抗器控制綜合保護方式不需要控制變、電抗器室或電阻柜等附加設施、占地面積少、綜合造價低，并且容量包容性寬，滿足變電站發展需要，具有較大的經濟優勢。
　　
3、運行經驗及可靠性
　　智能電抗器控制綜合保護裝置即電抗器控制裝置在供電局110kV南莊變電站試掛網運行，至今已在南莊站、祿堂站、更樓站、季華站、吉利站、桂城站等6個110kV變電站運行13套，配套監控屏3臺。至2010年底，在廣東省電網公司各個地市供電局共掛網運行了約80多套智能型電抗器控制綜合保護裝置。國內局及其他局的典型運行狀況如下：
　　
2010年6月分別在110kV桂城站的10kV I母、II母、III母掛網運行裝置各一套，至2011年3月，這三套裝置對弧光控制保護動作11次，選線10次，準確率達98%以上；對高阻控制保護動作1次，選線1次，準確率達100%；對金屬控制保護動作2次，選線2次，準確率達100%。
　　
2010年5月在110kV吉利站10kV I母、II母、VI母掛網運行裝置各一套，其保護動作及選線統計如下：
　　 (1)I段、VI段弧光控制保護動作9次，選線準確率100%；
　　 (2)II段弧光控制保護動作12次，高阻控制保護動作7次，金屬控制保護動作5次，選線準確率96%；諧振保護動作3次。
　　
多年來，這些裝置運行情況總體良好，能夠及時在線消除瞬時性單相控制故障，不跳線路僅準確發信；對永久性故障能夠提供長時間保護，選線準確率高、使得運行維護人員排查故障快，即保障了線路安全性，又減少了停電時間，保障了供電連續可靠性。
　　
四、結論
　　智能電抗器控制綜合保護裝置，在國內及廣東其他地區電網已有成熟的運行經驗，具有明顯的技術經濟優勢，適用于供電線路為架空線路以及架空與電纜的混合線路的地區，能夠同時滿足供電安全性和供電連續可靠性需要，所以本報告推薦用智能化的控制保護方式――智能電抗器控制綜合保護裝置為最佳模式，改造國內地區小電阻控制方式。