張曉東，周利柱，何 順，張希蔚，朱明偉(.海南電力設(shè)計研究院，海南 海口 5700；.中南大學(xué)，湖南 長沙 400)

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220 kV三亞東10 kV小電阻接地變?nèi)萘康倪x擇

張曉東1，周利柱1，何 順1，張希蔚2，朱明偉1
(1.海南電力設(shè)計研究院，海南 海口 571100；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410012)

摘要：本文以海南電網(wǎng)220 kV三亞東變電站10kV純電纜構(gòu)成的配電系統(tǒng)為例，對采用小電阻接地方式的有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了理論闡述，并按照規(guī)程規(guī)：對人身安全、供電可靠性，故障時舜態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對電氣設(shè)備以及對通信的影響和繼電保護技術(shù)有關(guān)要求進(jìn)行了校驗、分析和計算,因采用小電阻接地方式對配電變壓器保護引起的問題提出了具體的解決方法。

關(guān)鍵詞：跨步電壓；接觸電壓；暫態(tài)過電壓；通信線路危險影響；配電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：跨步電壓；接觸電壓；暫態(tài)過電壓；通信線路危險影響；配電系統(tǒng)。

1　概述

220kV三亞東變電站位于海南省三亞市城區(qū)，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，10 kV系統(tǒng)采用電纜出線30回，電纜截面3×300 mm2，一般的純電纜線路無論是不接地或經(jīng)消弧線圈接地都不能帶單相接地故障運行，這兩種接地方式產(chǎn)生的過高的接地弧光過電壓會擊穿電纜薄弱絕緣；同時也不能進(jìn)行重合閘操作，永久性故障的重合閘會引起事故擴大，為了限制弧光接地過電壓。6 ～35 kV主要由電纜線路構(gòu)成的送、配電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流大于150 A時，為了降低單相故障時健全相的弧光過電壓，可采用低電阻接地方式。

2　三亞東的電容電流

10 kV出線30回，根據(jù)要求A類負(fù)荷區(qū)兩110 kV變電站之間距離6 km左右，考慮10 kV電源相互備自投，深入對側(cè)300 m，電纜長度每回3.3 km，電纜截面3×300 mm2，查廠家資料6/10 kV該截面電容0.4706 μF/km，則每公里電容電流為：

單相故障電流：

接地故障：

總接地故障電流：

220kV三亞東變電站10 kV側(cè)采用小電阻接地系統(tǒng)。

3　問題分析

3.1人身安全

3.1.1滿足接觸電壓短路電流的最大值計算

式中：Ut為接觸電位差允許值(V)；t為零序電流保護動作時間(s)；ρf為人腳站內(nèi)處地表面的土壤電阻率(Ω·m)。

接地網(wǎng)最大接觸電勢，即網(wǎng)孔中心對接地網(wǎng)接地體的最大電勢按下式計算：

式中：Kj為接觸系數(shù)；Ejm為最大接觸電勢(V)。

式中：Ew為接地裝置的電位(V)；I為計算入地短路電流(A)；R為接地裝置的接地電阻(Ω)。

于是，Ejm≤Uj，KjEw≤Uj，KjIR≤Uj，

當(dāng)接地體的埋深h=0.6～0.8 m時，Kj可按式(7)計算。

式中：Kd，KL，Kn，Ks為與接觸電網(wǎng)相關(guān)系數(shù)，對于尺寸在30×30 m2～500×500 m2的

接地網(wǎng)，其計算公式為：

式中：D為均壓帶等效直徑(m)；L1，L2分別為接地網(wǎng)的長度與寬度(m)；N為均壓帶計算根數(shù)；S為接地網(wǎng)總面積(m2)；L為接地體總長度(m)；L0為接地往外緣邊線總長度(m)。

計算得：Kj=KdKLKnKs=0.183

當(dāng)R=0.5Ω，ρ=150(Ω·m)時，

容許電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際短路電流500 A，滿足設(shè)計要求。

3.1.2滿足跨步電壓短路電流的最大值計算

式中：UKY為跨步電壓允許值；t為零序電流保護動作時間(s)；ρf為人腳站內(nèi)處地表面的土壤電阻率(Ω·m)。

發(fā)生接地短路時，接地往外的地表的最大跨步電勢為：

式中：KK為跨步系數(shù)；EKm為最大跨步電勢。

于是，

按下式進(jìn)行計算：

容許電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際短路電流500 A，滿足設(shè)計要求。

3.2暫態(tài)電壓

當(dāng)中性點經(jīng)小電阻接地后非故障相的工頻電壓升高。中性點經(jīng)電阻接地，且忽略線路的和，則正、負(fù)和零序阻抗分別為，和，即零序阻抗為純電阻。根據(jù)圖1的等值回路，

圖1　中性點經(jīng)電阻接地的等值電路

可以求出單相接地電流：

也可以寫成：

圖2　電壓三角形圖

延長向量至F點，使得：

中性點經(jīng)過小電阻接地系統(tǒng)可以降低單相接地工頻過電壓而且能快速切除故障線路，這對于有積累效應(yīng)的電纜線路運行有利，也為無間隙氧化鋅避雷器的安全運行創(chuàng)造了有利條件。

單相故障電流的幅值大小與中性點接地電阻的大小成反比，單相故障時健全相的電弧過電壓與接地電阻的大小成正比，中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，在發(fā)生接地故障時，間歇性弧光接地過電壓應(yīng)不大于2.5p.u.。

3.3瞬態(tài)電流

小接地電阻電流的確定選取對于35 kV、20 kV、10 kV電壓等級的非有效接地系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電流達(dá)到150A以上的水平時，宜改為低電阻接地系統(tǒng)。對于35 kV、20 kV、10 kV電壓等級的中性點經(jīng)低壓電阻接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時，20 kV、10 kV接地電流宜控制在150 A～500 A范圍內(nèi)，35 kV接地電流為1000 A，應(yīng)考慮跳閘停運，并注意與重合閘的配合。

根據(jù)運行經(jīng)驗和分析證明，當(dāng)接地故障電流在150～600 A時，接地電弧能夠穩(wěn)定燃燒有利于繼電保護的動作。過高的故障電流會灼傷周圍電纜。一般取比較合適。

根據(jù)南網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《110 kV及以下的配電網(wǎng)裝備技術(shù)導(dǎo)則》，接地故障電流一般取電容電流的，電容電流最大值257.4 A，按2倍考慮，取500 A。

3.4對電信線路危險影響計算

取平行接近距離0.25 m電流A，可能的最長平行接近長度3300 m，極端情況大地導(dǎo)電率最小值時互感系數(shù)最大，σ =1×10- 3S/m。

電信電纜線路上磁感應(yīng)縱電動勢計算式為：

式中：ES為電信線路上磁感應(yīng)縱電動勢(V)；ω為輸電線路電流的角頻率(rad/s)，ω =2πf，f=50 Hz，Ipi為輸電線路第i段接近段長度(km)；Isi為輸電線路一相或兩相接地在不同地點同時接地的短路電流(A)；k50為50 Hz時接近段內(nèi)各種接地導(dǎo)體的電磁綜合屏蔽系數(shù)；Mi為50 Hz時輸電線路與電信線路間第i段的互感系數(shù)。

互感系數(shù)計算過程如下：

當(dāng)時，值可由下式近似計算，

式中，

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10- 7H/m；ω為影響電流角頻率(rad/s)；S為50 Hz大地電導(dǎo)率(S/m)；a為送電線路與通信線路的平行接近距離或等值接近距離(m)。

代入實際數(shù)據(jù)后，得到：

根據(jù)《四部協(xié)議》第44條，由于雙方均為電纜：

由規(guī)程要求，須有E≤650 V，求得最大短路電流最大值為575 A，即短路電流小于575 A，平行接近0.25 m，平行敷設(shè)距離長度小于3300 m則滿足電磁干擾。設(shè)計實際取值500 A小于575 A滿足設(shè)計要求。

4　變壓器容量選擇

4.1中性點低阻接地方式

中性點低阻接地方式時，接地電阻和消耗功率選擇如下：

電阻額定電壓

電阻值：

接地電阻消耗功率：

式中：RN為中心點接地電阻值(Ω)；UN系統(tǒng)線電壓(V)；Id選定單相短路電流(500 A)。

4.2接地變?nèi)萘窟x擇

10 kV接地變壓器中性點通過短路電流500 A，持續(xù)額定容量

求接地變壓器的短時容量。根據(jù)表1，接地變短時容量式中：10.5為過載倍數(shù)。

根據(jù)IEEE - C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)做出的過載系數(shù)的規(guī)定，換算變壓器的短時容量和持續(xù)額定容量，見表1。

表1　換算系數(shù)

如果站用變?nèi)萘颗c接地變?nèi)萘烤^小，可以考慮接地變兼站用變，容量為變壓器的短時容量+站用變之和，假設(shè)變電站站用負(fù)荷SN≥303 kVA，則

型號選擇：DKSC - 600/315kVA -35/0.4GY型三相變壓器。

5　可靠性

中線點經(jīng)小阻接地有較好的靈敏性，對小電阻接地環(huán)網(wǎng)電纜供電線路單相接地故障電流要遠(yuǎn)正常運行電容電流，以及運行時的負(fù)荷電流，表2各種截面電纜在運行情況下的最大長期容許電流，一般運行電流要比表2值小很多。450A電流滿足小電阻接地系統(tǒng)為獲得快速選擇性繼電保護所需足夠電流。

表2　各種截面電纜在運行情況下的最大長期容許電流

6　其他說明

(1)小電阻接地適合電纜線路網(wǎng)絡(luò)，降低弧光接地過電壓。

(2)小電阻接地系統(tǒng)適用在配電網(wǎng)絡(luò)完善地區(qū)，負(fù)荷雙電源供電電源互為備用的；因為10～35 kV電纜發(fā)單相接地基本上是永久故障，不能帶故障運行，不能重合閘。而小電阻接地系統(tǒng)零序瞬時動作跳閘不帶故障運行，對設(shè)備保護有利。

(3)消弧線圈接地與小電阻接地的電纜選型的區(qū)別。

電力電纜絕緣水平選擇電纜的額定電壓應(yīng)根據(jù)電纜導(dǎo)體與電纜屏蔽層或金屬護套之間的額定工頻電壓(U0)、任何兩相線之間的額定工頻電壓U、任何兩相之間的最高運行電壓Um進(jìn)行選擇：

小電阻接地系統(tǒng)皆為電纜線路U0/U：10 kV系統(tǒng)6 kV/10 kV，35 kV系統(tǒng)選擇21 kV/35 kV；

不接地或經(jīng)消弧線圈接地或架空線與電纜混合線路U0/U∶10kV系統(tǒng)選擇8.7 kV/10 kV，35 kV系統(tǒng)選擇26 kV/35 kV。

(4)對配電還有引起TN - C - S的問題。

一般配網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，配電變壓器防雷接地保護是針對消弧線圈或不接地系統(tǒng)的。采用小電阻接地系統(tǒng)后，應(yīng)將10 kV側(cè)的保護接地(即所有電氣設(shè)備外殼接地)和低壓側(cè)的系統(tǒng)接地(即低壓中性點的接地裝置)分開，這兩個接地系統(tǒng)電氣距離要保持大于10 m。。低壓側(cè)可以從配電盤的N線母排用絕緣電纜引出接地線另設(shè)接地裝置，也可以從低壓架空出線電桿上引下接地線，接地線不能太長，盡量減少接地線上的Ldi/dt的殘壓。

小電阻接地系統(tǒng)接地電阻一般符合下式。

式中：R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻(Ω)；I為計算時經(jīng)接地裝置的入地短路電流(A)。

獨立設(shè)置的低壓配電系統(tǒng)電源接地裝置接地電阻不應(yīng)大于4Ω。

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Selection of Low Resistance Grounding Transformer Capacity of 220 kV Substation Sanyadong

ZHANG Xiao-dong1, ZHOU Li-zhu1, HE Shun1, ZHANG Xi-wei2, ZHU Ming-wei1,
(1. Hainan Electric Power Design And Research Institute, Haikou 571100, China; 2. Central South University, Changsha 410012, China)

Abstract:In this paper, correlated issues in low resistance grounding mode are investigated with the example of all cable 10kV distribution network of Sanyadong 220kV Substation in Hainan power grid. Regarding to related standards(4): Check, analysis and calculation have been done in earch field of personal safety, reliability of power supply, the effect in electrical devices and communication caused by fault transient voltage(FTV) and fault transient current (FTC), relaying protection. The specific solutions of distribution transformer protection in low resistance grounding mode are proposed in this paper.

Key words:step voltage; touch voltage; transient overvoltage; communication line risk; power distribution system.

中圖分類號：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0055-05

* 收稿日期：2015-05-06

作者簡介：張曉東(1967- )，男，湖南沅陵人，碩士，注冊電氣工程師，從事線路設(shè)計工作。