袁超，徐近龍，張勁松，王建剛，周陽(yáng)

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)的規(guī)模也越來(lái)越大。部分城市的配電網(wǎng)用電纜替代了原有的架空線路，使得系統(tǒng)對(duì)地電容增加，若系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障，其危害性也在增大。因而許多配網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式，以減小故障點(diǎn)電流，避免非故障相電壓升高，有效地提升了系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。

相控式消弧線圈能隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)接地故障，并能自動(dòng)投入運(yùn)行，故障消失后退出。江蘇某變電站在安裝了相控式消弧線圈后，其10kV母線PT(電壓互感器)因故障沖擊電流累積效應(yīng)，一年內(nèi)連續(xù)燒毀三次，造成區(qū)域性停電，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決該問(wèn)題，本文研究、設(shè)計(jì)了一種能抑制PT沖擊電流的裝置[1-3]。

1 裝置原理及結(jié)構(gòu)

1.1 裝置原理

PT沖擊電流抑制裝置主要是應(yīng)用在中性點(diǎn)經(jīng)相控式消弧線圈接地的系統(tǒng)中，其原理如圖1所示。

圖1 PT沖擊電流抑制裝置原理圖

相控式消弧線圈一次繞組接入電網(wǎng)中性點(diǎn)和地之間，二次繞組用雙向晶閘管短路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)電感補(bǔ)償量的連續(xù)可控。三次繞組為濾波電路，用來(lái)抑制晶閘管導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的諧波電流[4-5]。

正常情況下相控式消弧線圈是不投入運(yùn)行的，但會(huì)隨時(shí)檢測(cè)對(duì)地電流和中性點(diǎn)電壓，當(dāng)發(fā)生接地故障后，消弧線圈的晶閘管導(dǎo)通，起到電感補(bǔ)償作用。有時(shí)由于晶閘管的問(wèn)題，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障，相控式消弧線圈不能可靠投入，相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，因而系統(tǒng)對(duì)地電容電荷只能通過(guò)PT泄放，產(chǎn)生沖擊電流造成PT損壞。

本裝置主要原理是在相控式消弧線圈兩端并聯(lián)接地電阻，其結(jié)合了消弧線圈接地和高電阻接地的優(yōu)點(diǎn)，除了使得接地點(diǎn)殘流很小之外，還有效地控制了過(guò)電壓的水平，同時(shí)還可以破壞消弧線圈諧振條件，阻止串聯(lián)諧振發(fā)生[6-8]。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

PT沖擊電流的裝置主要由接地變壓器(TM)、單極隔離開(kāi)關(guān)(QS)、接地電阻(R)、零序電流互感器(TA)、套管、風(fēng)機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

裝置各部分主要作用如下：

1) 隔離開(kāi)關(guān)：安裝在接地電阻(R)和接地變壓器(TM)中性點(diǎn)之間，起到對(duì)接地電阻器的隔離作用，便于停電檢修設(shè)備。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，電阻器可以退出或檢修；當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，電阻器并入相控式消弧線圈兩端運(yùn)行。

2) 接地電阻器：電阻器接在接地變壓器的中性點(diǎn)上，與消弧線圈呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要作用是當(dāng)發(fā)生接地故障且消弧線圈無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，可以提供電荷泄放通道，避免PT中出現(xiàn)沖擊電流，并降低非故障相過(guò)電壓的倍數(shù)。

3) 電流互感器：用以測(cè)量中性點(diǎn)的零序電流，提供給監(jiān)控裝置，記錄流過(guò)中性點(diǎn)的零序電流。

4) 套管：用于電阻器和隔離開(kāi)關(guān)間隔連接，起到銅排的支撐和絕緣作用。

5) 風(fēng)機(jī)：當(dāng)電阻器運(yùn)行時(shí)工作，起到輔助散熱的作用。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 電阻器選材設(shè)計(jì)

本裝置的核心元件是接地電阻器。電阻器使用的電阻片采用優(yōu)質(zhì)的不銹鋼材料，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，既保證了保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，同時(shí)在保護(hù)拒動(dòng)的情況下可以使故障電流得到一定的限制。電阻器各電阻片間及電阻片與固定件間的絕緣件選用瓷質(zhì)絕緣子，使得電阻具有很高的絕緣水平。

2.2 電阻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上接地電阻器主要有S型和W型兩種。S型接地電阻器的電阻片之間首尾連接采用焊接的方式，其焊接處存在易氧化生銹，且當(dāng)接地電阻器局部損壞時(shí)，拆卸更換不便；另外還有一種W型的電阻片，其通流截面小，導(dǎo)致同等功率下的電阻器溫升較高，容易燒壞電阻器，影響電阻器的正常工作。

本裝置的電阻器采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。單個(gè)電阻片的截面是一體成型的帶翻邊的U型電阻片，解決了現(xiàn)有技術(shù)中通流截面積小易燒壞的問(wèn)題；且電阻片的兩端均有連接通孔。相鄰的單個(gè)電阻片通過(guò)連接螺釘首尾連接，并相互平行排列，解決了現(xiàn)有的單個(gè)電阻片之間連接采用焊接方式造成易氧化和生銹的問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使電阻每個(gè)部位都有很高的強(qiáng)度，可以承受住擺動(dòng)、振動(dòng)、溫度變化而不會(huì)變形。

圖3 U型接地電阻片

同時(shí)，優(yōu)化了電阻片的剪裁方式，利用柵格設(shè)計(jì)，使整個(gè)電阻具有寬闊的散熱面積，所有一次、二次元件全部隔離，二次元件布置在底部，沿地面走線，安全可靠。裝置具有良好的冷卻氣流通路，散熱效果良好，消除了局部高溫點(diǎn)和易灼燒點(diǎn)?？寡趸詮?qiáng)，熔點(diǎn)>1 450℃，該電阻還可以使用在熱帶及比較污穢的環(huán)境中。

2.3 電阻值設(shè)計(jì)

本文以某變電站發(fā)生過(guò)PT故障的10 kV配電系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真分析，模擬中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)PT中沖擊電流的幅值，中性點(diǎn)接地電阻R分別取值為∞、1 000 Ω、800 Ω和600 Ω。

當(dāng)R=∞時(shí)，即中性點(diǎn)不接時(shí)，PT中沖擊電流波形如圖4所示。電流幅值為1.85A，且經(jīng)3.2s后才衰減至PT極限承受電流以內(nèi)。

圖4 R=∞時(shí)PT電流波形

當(dāng)R=1 000Ω時(shí)，PT中沖擊電流波形如圖5所示。電流幅值為0.66A，經(jīng)0.4s即衰減至PT極限承受電流以內(nèi)。

圖5 R=1 000 Ω時(shí)PT電流波形

從圖4和圖5對(duì)比可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地后對(duì)PT中沖擊電流的抑制效果非常明顯。仿真得到了R取值為∞、1 000Ω、800Ω和600Ω下，PT沖擊電流與中性點(diǎn)接地電阻值的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 PT沖擊電流與接地電阻值關(guān)系曲線

根據(jù)規(guī)程要求，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)可不必立即停電，允許繼續(xù)運(yùn)行2h，且建議加裝電阻器的長(zhǎng)期運(yùn)行額定電流不超過(guò)10A[9-10]。當(dāng)電阻值變小時(shí)，流過(guò)電阻的電流增大，電阻的發(fā)熱會(huì)大大增加，因此需要綜合考慮選擇合適的接地電阻值，對(duì)于該仿真系統(tǒng)，選擇了800Ω的接地電阻值。

3 保護(hù)控制設(shè)計(jì)

為了提高本裝置的安全性，設(shè)計(jì)了接地電阻的保護(hù)控制回路，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控接地電阻的運(yùn)行狀態(tài)以及配網(wǎng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓和接地電阻的運(yùn)行溫度；自動(dòng)保護(hù)控制回路的主要器件包括電壓繼電器、溫度控制器、時(shí)間繼電器、中間繼電器、交流接觸器、軸流風(fēng)機(jī)等。保護(hù)控制回路如圖7所示。

圖7 保護(hù)控制邏輯

電壓互感器的二次信號(hào)接入的電壓繼電器，用于驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路動(dòng)作。溫度控制器為兩組，具備兩組保護(hù)定值，一組用于驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路動(dòng)作，一組用于輸出跳閘節(jié)點(diǎn)，作為接地電阻的后備保護(hù)。

KV為電壓繼電器，KC1、KC2為溫度控制器，K1為中間繼電器，KT1、KT2為時(shí)間繼電器，KM為交流接觸器，F(xiàn)J為軸流風(fēng)機(jī)。

設(shè)定電壓繼電器KV在15 V時(shí)啟動(dòng)，溫度控制器KC1在50 ℃啟動(dòng)；當(dāng)KV的電壓超過(guò)15 V，或者KC1的溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，KV、KC1的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合；此時(shí)，中間繼電器K1為失電狀態(tài)，常閉觸點(diǎn)閉合，KV或KC1常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合后，交流接觸器KM得電，與KM的常開(kāi)觸點(diǎn)形成自保持回路，并驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。

保護(hù)電路啟動(dòng)后，KM閉合，當(dāng)電壓繼電器的電壓低于15 V，同時(shí)保護(hù)溫控器的溫度<50 ℃時(shí)，即KV、KC1的常閉觸點(diǎn)閉合，時(shí)間繼電器KT1得電。設(shè)定KT1的啟動(dòng)時(shí)間為1 min，則1 min后，KT1閉合，中間繼電器K1得電，交流接觸器KM失電，關(guān)閉軸流散熱風(fēng)機(jī)。

設(shè)定溫度控制器KC2為700 ℃時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)KC2的溫度超過(guò)700 ℃時(shí)，KC2的常開(kāi)接點(diǎn)閉合，時(shí)間繼電器KT2得電。設(shè)定KT2的啟動(dòng)時(shí)間為10 s，則10 s后，KT2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，保護(hù)系統(tǒng)跳閘，切除接地電阻設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)相控式消弧線圈接地的配網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種能抑制PT中沖擊電流的裝置，總結(jié)如下：

1) 經(jīng)仿真分析，加裝該裝置后能有效抑制PT中沖擊電流的幅值，并且使沖擊電流能在短時(shí)間內(nèi)衰減至PT極限電流值以內(nèi)。

2) 設(shè)計(jì)了一種不銹鋼U型接地電阻，具有較好的力學(xué)性能、絕緣性能和散熱效果，避免了焊接處易氧化生銹和局部發(fā)熱的問(wèn)題。

3) 設(shè)計(jì)了接地電阻的保護(hù)控制回路，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控接地電阻的運(yùn)行狀態(tài)，可有效提高裝置運(yùn)行的可靠性。

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