曾 勇 楊永健

（1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

500kV變電站主變中性點(diǎn)接地方式及接地導(dǎo)體的選擇應(yīng)用

曾 勇1楊永健2

（1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

本文總結(jié)了500kV電力變壓器中性點(diǎn)的接地要求，分析了500kV主變中性點(diǎn)接地方式的選擇，闡述了500kV主變中性點(diǎn)在主變或電網(wǎng)發(fā)生交流短路情況下采用直接接地或經(jīng)小電抗接地的接地方式運(yùn)行特點(diǎn)，在發(fā)生主變直流偏磁時(shí)迅速切換至經(jīng)隔直裝置接地方式運(yùn)行特點(diǎn)，并基于上述中性點(diǎn)接地方式運(yùn)行的特點(diǎn)，提出關(guān)于中性點(diǎn)接地導(dǎo)體選擇的計(jì)算方法，最后結(jié)合工程對(duì)其選擇應(yīng)用的進(jìn)行說(shuō)明。

直接接地；小電抗接地；隔直裝置接地；主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體

我國(guó)能源分布不均衡，煤炭能源集中在華北，水能資源集中在西南，石油天然氣資源分散，均遠(yuǎn)離消費(fèi)中心，電能作為生產(chǎn)、使用方便的二次能源，正改善著人類的生存環(huán)境。電網(wǎng)是目前電能的最主要的承載體，電能的生產(chǎn)、輸送、分配、使用無(wú)一不是通過(guò)電網(wǎng)來(lái)完成的，不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)因在電力系統(tǒng)中的地位和作用而不同，目前500kV仍然是國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的主干網(wǎng)，500kV變電站作為電網(wǎng)的樞紐節(jié)點(diǎn)，對(duì)電能的二次輸送和分配起著不可替代的作用。500kV電力變壓器作為變電站最重要的設(shè)備之一，其接地方式的選擇對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行有著重要影響。

1 主變中性點(diǎn)接地方式的選擇

1）接地方式概況

高壓電氣裝置接地按用途可分為系統(tǒng)接地、保護(hù)接地、雷電保護(hù)接地和防靜電接地[1]。為滿足系統(tǒng)接地和保護(hù)接地要求，500kV電力變壓器設(shè)置中性點(diǎn)考慮有效的接地方式，目前500kV電力變壓器中性點(diǎn)采用直接接地或經(jīng)低阻抗接地[2]，這兩種接地方式在降低變壓器中性點(diǎn)絕緣水平的同時(shí)，可有效降低變壓器制造和運(yùn)輸成本。進(jìn)一步研究表明，500kV電力變壓器中性點(diǎn)采用不同接地方式時(shí)其絕緣水平不同，直接接地絕緣水平可按 35kV考慮，經(jīng)小電抗接地絕緣水平可按63kV考慮[3]。

2）當(dāng)前存在問題

上述相關(guān)規(guī)程規(guī)范明確了500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地方式，但沒有考慮新興直流輸電技術(shù)對(duì)中性點(diǎn)接地的影響。超高壓直流輸電由于具有遠(yuǎn)距離輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在“西電東送”和“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中。超高壓直流輸電系統(tǒng)在采用單極大地回線運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直流接地極附近中性點(diǎn)接地的電力變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，直流偏磁現(xiàn)象是變壓器非正常的工作狀態(tài)，主變?cè)诮涣麟娋W(wǎng)正常工作情況時(shí)，單極大地直流回路部分直流電流通過(guò)中性點(diǎn)進(jìn)入變壓器繞組，進(jìn)而主變勵(lì)磁電流中突顯直流分量，磁通伴隨變化，引發(fā)半波飽和，勵(lì)磁電流隨之產(chǎn)生大量諧波，這些諧波將導(dǎo)致銅損和鐵損紛紛增大、油溫升高、鐵心振動(dòng)增大和噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)甚至引起繼電保護(hù)誤動(dòng)，影響其他一次設(shè)備的正常運(yùn)行[4-6]。

3）建議采取的接地方式

基于上述存在的問題，在500kV電力變壓器的中性點(diǎn)除正常接地外，還應(yīng)加裝隔直裝置。同時(shí)，在國(guó)家實(shí)施“西電東送”的戰(zhàn)略中，以西部為起點(diǎn)，以東部為落點(diǎn)且變電站密集的長(zhǎng)三江、珠三角地區(qū)，接地極附近的換流變和中性點(diǎn)接地的主變不得不考慮加裝隔直裝置，以到達(dá)消除直流偏磁的不良影響。

本文結(jié)合圖1 500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地方式電氣接線圖對(duì)主變中性點(diǎn)接地方式的選擇應(yīng)用加以說(shuō)明。圖1中性點(diǎn)CT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電流分量，實(shí)現(xiàn)二次差動(dòng)保護(hù)和零序電流繼電保護(hù)，通過(guò)對(duì)刀閘 QF1的控制，中性點(diǎn)可靈活運(yùn)行在直接接地或小電抗接地方式下，與此同時(shí)，地刀 QF2處在閉合狀態(tài)，直流 CT監(jiān)測(cè)直流電流分量，當(dāng)超高壓直流輸電單極大地回線運(yùn)行而引起直流電流分量上升至動(dòng)作值時(shí)，地刀 QF2觸發(fā)斷開命令，直流 CT支路退出運(yùn)行，同時(shí)刀閘QF3觸發(fā)閉合命令，刀閘QF3閉合，隔直裝置投入運(yùn)行。

圖1 500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地方式電氣接線圖

超高壓輸電單極大地回線運(yùn)行會(huì)引起環(huán)境改變，并產(chǎn)生不良影響，目前超高壓直流輸電通常采用雙極雙導(dǎo)線運(yùn)行，單極大地回線運(yùn)行作為緊急備用。當(dāng)超高壓直流輸電由單極大地回線運(yùn)行調(diào)整為雙極雙導(dǎo)線運(yùn)行后，隔直裝置中監(jiān)測(cè)的直流電流分量將隨之下降，達(dá)到閥值時(shí)，刀閘 QF3觸發(fā)斷開，隔直裝置退出運(yùn)行，同時(shí)地刀 QF2觸發(fā)閉合，直流CT支路投入運(yùn)行，繼續(xù)監(jiān)測(cè)大地直流電流。

2 接地導(dǎo)體的選擇

在明確500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地方式后，需進(jìn)一步選擇其接地導(dǎo)體，有文獻(xiàn)對(duì)電壓等級(jí)較低變壓器的中性點(diǎn)接地導(dǎo)體的截面有過(guò)研究[7]，但尚未有文獻(xiàn)對(duì)500kV主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體的種類、絕緣安全及截面等做進(jìn)一步的研究。本文將結(jié)合500kV主變中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)，對(duì)接地導(dǎo)體的選擇應(yīng)用做全面的研究。

2.1 導(dǎo)體種類選用

500kV主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體根據(jù)500kV電站布置情況選擇架空裸導(dǎo)線或電纜，主變廠家一般將中性點(diǎn)通常設(shè)置在低壓側(cè)附近，考慮施工便利，宜采用強(qiáng)度較好的鋼芯鋁絞線。若采用電纜，則可優(yōu)先考慮固體絕緣介質(zhì)的電力電纜。

2.2 導(dǎo)體絕緣選用

500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地導(dǎo)體采用架空裸導(dǎo)線，屋外配電裝置的安全凈距C按63kV電壓等級(jí)考慮[8]，最小安全凈距取值為3.1m。若采用電纜，根據(jù)圖 1中接地導(dǎo)體 L1和 L2可分段絕緣，L1段按63kV電壓等級(jí)以上考慮，L2段僅在發(fā)生直流偏磁時(shí)接入閉合回路，此時(shí)電壓較小，可按 10kV電壓等級(jí)考慮。

2.3 導(dǎo)體截面選用

在主變正常工作情況下，500kV主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體僅流過(guò)數(shù)值較小的中性點(diǎn)不平衡電流。當(dāng)主變或電網(wǎng)發(fā)生接地故障，500kV主變中性點(diǎn)接地將成為短路電流入地的重要通道，釋放能量，接地故障時(shí)屬突發(fā)情況，可不考慮導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)電流密度校驗(yàn)，此時(shí)中性點(diǎn)接地電壓等級(jí)小于 110kV，可不進(jìn)行電暈和無(wú)線電干擾的校驗(yàn)，此外，中性點(diǎn)接地導(dǎo)體入地距離較近，可不校驗(yàn)其電壓損失。綜上，中性點(diǎn)接地導(dǎo)體不論采用架空裸導(dǎo)線還是電纜，均僅需從工作電流和短路熱穩(wěn)定兩個(gè)方面進(jìn)行選擇[9]。

1）工作電流選擇

導(dǎo)體的工作電流Ip應(yīng)滿足：

式中，Ig為接地導(dǎo)體回路持續(xù)工作電流，應(yīng)按大于變壓器允許的不平衡電流選擇，一般情況下，可按變壓器高壓側(cè)額定電流的1/3考慮。

2）短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

若采用架空裸導(dǎo)線，則架空線導(dǎo)體的載流截面積S1（mm2）應(yīng)滿足：

式中，Q為短路電流的熱效應(yīng)（A2?s）；C1為熱穩(wěn)定系數(shù)，即

式中，I為系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值（A）；t為短路持續(xù)時(shí)間（s）。

C1與短路前導(dǎo)體溫度存在如下關(guān)系：

式中，K、τ為常數(shù)；1t為導(dǎo)體短路前的發(fā)熱溫度（℃）；2t為短路時(shí)導(dǎo)體最高允許溫度（℃）。

短路前的導(dǎo)體發(fā)熱溫度 70℃時(shí)，鋁導(dǎo)體 C1取值為87，銅導(dǎo)體C1取值為171。

若采用固體絕緣電纜，則電纜導(dǎo)體的載流截面積 S2（mm2）應(yīng)滿足[9-10]：

式中，C2為熱穩(wěn)定系數(shù)，即

式中，J為熱功當(dāng)量系數(shù)，取1.0；q為電纜導(dǎo)體的單位體積熱容量（J/cm2?℃）；θm為短路作用時(shí)間內(nèi)電纜導(dǎo)體允許的最高溫度（℃）；θp為短路發(fā)生前的電纜導(dǎo)體最高工作溫度（℃）；θH為電纜額定負(fù)荷的電纜導(dǎo)體允許最高工作溫度（℃）；θ0為電纜所處的環(huán)境溫度最高值（℃）；IH為電纜的額定負(fù)荷電流（A）；Ip為電纜實(shí)際最大工作電流（A）；α為20℃時(shí)電纜導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)（1/℃）；ρ為20℃時(shí)電纜導(dǎo)體的電阻系數(shù)（Ω?cm2/cm）；η為取1.0；K為20℃時(shí)電纜芯線的集膚效應(yīng)系數(shù)。

3 應(yīng)用舉例

本文以南方某500kV變電站主變中性點(diǎn)接地方式及其接地導(dǎo)體的選擇應(yīng)用為實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。本站位于珠三角地區(qū)，且在直流接地極影響范圍內(nèi)，主變中性點(diǎn)采用直接接地或小電抗接地后串聯(lián)隔直裝置的接地方式，根據(jù)站內(nèi)的布置情況，為節(jié)省成本，中性點(diǎn)接地導(dǎo)體采用架空裸導(dǎo)線和電纜相結(jié)合，其中電纜分段絕緣，圖2為主變中性點(diǎn)接地電氣平面布置圖。

圖2 主變中性點(diǎn)接地電氣平面布置圖

圖3中，L3和L5采用電纜導(dǎo)體，并通過(guò)電纜溝敷設(shè)，這樣可減少外界的干擾，L4采用架空裸導(dǎo)線，這樣施工接線方便和材料成本降低。L3采用了63kV電壓等級(jí)的交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋁套防水層聚氯乙烯護(hù)套電力電纜，按工作電流 Ip≥367.4A，載流截面積 S2≥220mm2，選用電力電纜型號(hào)為YJLW02-Z-64/110kV-1x300。L5采用了10kV電壓等級(jí)的交聯(lián)聚乙烯絕緣雙鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套電力電纜，由于L5所在回路僅在直流CT監(jiān)測(cè)到直流電流超限（一般取 10A）才形成閉合回路，所以其工作電流較小，可按Ip≥10A，載流截面積S2≥55mm2，L5選用電力電纜型號(hào)為 ZB-YJV62-8.7/15-1x70。L4采用了強(qiáng)度較好的鋼芯鋁絞線，其工作電流也較小，可按Ip≥10A，載流截面積S2≥222mm2，選用鋼芯鋁絞線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-240/30。對(duì)應(yīng)的主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體電氣接線示意圖如圖3所示。

圖3 主變中性點(diǎn)接地導(dǎo)體電氣接線示意圖

4 結(jié)論

本文總結(jié)了500kV電力變壓器中性點(diǎn)的接地要求，在主變或電網(wǎng)發(fā)生交流短路情況下，分析了采用直接接地或經(jīng)低阻抗接地的接地方式運(yùn)行的特點(diǎn)，同時(shí)，也分析了在發(fā)生主變直流偏磁時(shí)，中性點(diǎn)迅速切換至經(jīng)隔直裝置接地方式的運(yùn)行特點(diǎn)，并依據(jù)這些運(yùn)行特點(diǎn)，提出了關(guān)于中性點(diǎn)接地導(dǎo)體選擇的計(jì)算方法，最后，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式的選擇及其接地導(dǎo)體的選擇應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。

[1] GB 50065—2011. 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50064—2014. 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 1094.3—2003. 電力變壓器 第3部分：絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙[S].

[4] 余建國(guó), 晁劍, 錢海. 天廣直流輸電工程極1單極運(yùn)行強(qiáng)迫停運(yùn)故障原因分析和改進(jìn)措施[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2002, 26(5): 80-83.

[5] 鐘連宏, 陸培均, 仇志成, 等. 直流接地極電流對(duì)中性點(diǎn)直接接地變壓器影響[J]. 高電壓技術(shù), 2003,29(8): 12-13, 28.

[6] 朱藝穎, 蔣衛(wèi)平, 曾昭華, 等. 抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流側(cè)措施研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005,25(13): 1-7.

[7] 錢中陽(yáng), 馮志文. 李建云變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地導(dǎo)體截面的選擇[J]. 建筑電氣, 2009, 28(12): 38-42.

[8] DL/T 5352—2006. 高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[9] 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院. 電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè): 電氣一次部分[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,1989.

[10] GB 50217—2007. 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Application of Grounding Mode and Grounding Conductor for Power Transformer Neutral Point in 500kV Hub Substation

Zeng Yong1Yang Yongjian2
(1. Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd, China Energy Engineering Group,Guangzhou 510663;2. Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company, Zhongshan, Guangdong 528400)

The grounding requirements of neutral point of 500kV power transformer are summarized in the paper. According to different characteristics of grounding mode and grounding conductor for power transformer neutral point in 500kV power transformer, the grounding mode works by solidly grounding or low-reactance grounding in AC short circuit conditions of main transformer or the gird, and quickly switch to DC-blocking device grounding in main transformer DC bias. Based on the characteristics of the neutral grounding operation mode, calculate grounding conductor for neutral point of power transformer, finally illustrate the selection and application in a project.

solidly grounding; low-reactance grounding; DC-blocking device grounding; grounding conductor for neutral point of power transformer

曾 勇（1984-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事輸變電工程的電氣設(shè)計(jì)工作。