郭自励 中山电力工业局,广东中山528400
10 kV配电网中性点的接地方式,是这几年同行们讨论的热门话题。根据各地各网的不同情况,通过技术经济的分析和比较,因地因网制宜,分别选择不同的接地方式,是比较合理的,也获得大多数专家的共识。 随着工农业、城市建设的迅速发展,大容量负荷中心的增多及城网建设电缆化,不但每个站的出线增多了,而且架空线路逐步为电缆所代替,单相接地电容电流相应增大,因弧光不能自动熄灭而产生相间短路或因间歇性弧光引起的过电压事故也增多。为提高供电可靠性,按有关规程规定,以架空线路为主的10 kV系统电容电流超过30 A(近年又提高要求为10 A)以上者,必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。
1 系统的特点 中性点经消弧线圈接地系统单相接地的电流分布如图1所示。
从图1可知,单相接地时,非故障线路电容电流的大小、方向与中性点不接地系统一样;但对故障线路而言,接地点增加了一个电感分量的电流iL。从接地点流回的总电流iD为
iD=iL+iCΣ,
式中 iL———消弧线圈的补偿电流;
iCΣ———全系统的对地电容电流。
由于iL 与iCΣ的相应位差为180°,iD将随消弧线圈的补偿程度而变,因此,故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。 1.1 全补偿时的分析 当全补偿时,即iL=iCΣ,接地点电流iD接近于零,故障线路零序电流等于线路本身的电容电流,方向由母线流向线路,零序功率方向与非故障线路完全相同。
况且,全补偿时,ωL=1/3ωCΣ(其中,ω为角频率,CΣ为线路电容的总和),这正是工频串联谐振的条件,如果由于系统三相对地电容不对称,或者断路器合闸三相触头不同而使闭合时出现零序电压,串接于L及3 CΣ之间,串联谐振将导致电源中性点对地电压升高及系统过电压,这是很危险的。
1.2 欠补偿时的分析 当欠初偿时,即iL<iCΣ,有两种不同情况: a)如果补偿以后的接地电流iD大于本身线路电容电流,故障线路零序电流将减少,且方向由线路流向母线。 b)如果补偿以后的接地电流iD小于本身线路电容电流,故障线路零序电流不但大小变化,且方向也变为由母线流向线路。 上述情况表明,在欠补偿方式下,故障线路零序电流(功率)的方向是不固定的。同时,考虑到运行方式变化使系统电容电流iCΣ减少时,可能又出现iL=iCΣ,ωL=1/3ωCΣ的串联谐振的危险。
1.3 过补偿时的分析 当过补偿时,iL>iCΣ,补偿以后的接地电流iD是感性的,故障线路零序电流增大了,且方向与非故障线路相同,由母线流向线路。 总之,在消弧圈接地系统中,用传统的检测零序电流的大小及方向来判别故障线路的办法已经行不通了。
2 消弧线圈接地系统单相接地选线方法 2.1 插入电阻法 20世纪70年代以前,曾经广泛采用过这种办法,即当发生永久性接地以后,短时间内在消弧线圈上接入一个适当的电阻,使在故障线路中有一定的有效电流,并以这个有效电流作为判别特征。这种办法,原理上是可行的,实际上也使用过多年,但是,由于电阻的容量和体积很大,投切还需高压断路器及控制设备,这部分的额外投资不少,同时,投入电阻使接地电流增加了,可能引起事故扩大,因此这种方法已逐步淘汰,很少使用了。 2.2 暂态零序功率法 对于中性点不接地和消弧线圈接地系统理论分析及实践经验表明,对暂态电容电流的分析,实际上就是一个电阻、电感、电容串联回路突然接通零序电压u(t)时过渡过程的分析,暂态电流中包括自由分量和强制分量两部分,它有几个特点: a)发生单相接地瞬间(除了u(t)=0之外),暂态电容电流很大,而经消弧线圈的暂态电感电流很小,可认为消弧线圈处于开路状态,所以在同一电网中,不论中性点绝缘或是经消弧线圈接地,在相电压接近于最大值时发生故障的瞬间,其过渡过程是近似相同的。 b)非故障线路暂态零序电流和电压首半波方向相同,即暂态零序功率由母线流向线路。 c)故障线路暂态零序电流和电压首半波方向相反,即暂态零序功率由线路流向母线。 d)暂态故障电流首半波主要是自由分量,其幅值与故障瞬间相电压的幅角有关,若故障瞬间电压值为最大,自由分量及首半波的幅值也最大,首半波最大电流值可能比稳态电容电流值大几倍到几十倍,虽然首半波宽度只有几十~几百微秒,通过瞬动以后自保持作用并锁相足以保证可靠动作且只判别首半波。这样,消弧线圈补偿以后残流反应到微机保护元件中的二次电流值,不必受不小于20 mA的限制,只要实际试验结果能可靠动作即可。过去ZD-3B、ZD-3C晶体管型装置,都使用了这种判别方法。 必须指出,如果故障瞬间u(t)≈0,自由分量很小,首半波电流较小,可能灵敏度不足而拒绝动作,这是本方法原理上的缺陷,虽然机遇不多,但总是有一点“死区”。 e)它既适用于中性点不接地系统,也适用于中性点经消弧线圈接地系统。 2.3 五次谐波零序功率法 水轮发电机其凸极式转子的特殊构造,电源感应电势本身所存在着的高次谐波分量,超高压直流输电的发展,整流、换流装置的增多,以及负荷的非线性等,都可使电流中出现高次谐波分量,其中数值最大的是五次谐波。从理论上分析,五次谐波属于负序性质。过去,一些水利发电比例较大的电力系统,反应负序分量的保护元件时有误动的现象,这从反面提示我们,可利用这五次谐波分量来解决单相接地选线的问题。它的理论根据是: a)在经消弧线圈接地的电网中,由于消弧线圈对五次谐波分量呈现的阻抗较基波分量时增大5倍(XL=5ωL,而线路容抗则减少5倍XCΣ=1/5ωCΣ,因此,消弧线圈已远远不能补偿五次谐波的电容电流。当单相接地时,故障线路上五次谐波的零序电流基本上等于非故障线路五次谐波电流之和,而非故障线路上五次谐波的零序电流就是本身的五次谐波电容电流,两者的相位相反,在出线较多情况下,数值也相差很大。总之五次谐波电容电流的分配规律,与基波电容电流在中性点不接地电网类似,消弧线圈可认为处于开路状态。 b)零序电流及电压,先通过五次谐波滤过器,然后再接入功率方向判别元件。 本方法既适用于中性点不接地系统,也适用于经消弧线圈接地系统,MLN-98型(微机型)单相接地选线继电器就是目前使用较多的一种,它本身就有两个档位,可根据不同情况切换选择。即接地方式改变后不必另外投资,只需换档后重新调试即可。因这种运行方式刚起步,经验还很少,从模拟人工接地试验情况来看,选线基本正常。 2.4 注入信号寻踪法 近年来,一种通过运行中的电压互感器向接地线注入信号,然后利用信号寻踪原理,实现故障探测的“S注入法”,已在国内出现,这是一种全新的方法。 该装置由主机和信号电流探测器两部分构成,主机发出的信号通过电压互感器副边二次端子接入,并由故障线路接地点流回。信号探测器插在主机内部或安装在各条出线绝缘距离以外探测选线。 由于寻踪探测的注入信号,它无需使用零序电流互感器,也与电流互感器的接线方式无关。装置还具有测距定位功能,寻踪选线以后,必要时可停电进行测距定位。 这是目前比较先进的方法,接线简单,使用方便,性能较稳定。 3 结束语 中性点经消弧线圈接地系统单相接地选线,是一个老问题,变电站无人值班以后,对选线的要求就更高了,随着消弧线圈接地系统的增多,经验的积累,新的选线方法将会得到进一步的充实和提高。
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