袁超，徐近龍，張勁松，王建剛，周陽

(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)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式，以減小故障點電流，避免非故障相電壓升高，有效地提升了系統(tǒng)安全運行的可靠性。

相控式消弧線圈能隨時檢測系統(tǒng)接地故障，并能自動投入運行，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，嚴重影響了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。為了解決該問題，本文研究、設(shè)計了一種能抑制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)中性點和地之間，二次繞組用雙向晶閘管短路，可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來控制，實現(xiàn)一次側(cè)電感補償量的連續(xù)可控。三次繞組為濾波電路，用來抑制晶閘管導(dǎo)通時產(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行的，但會隨時檢測對地電流和中性點電壓，當發(fā)生接地故障后，消弧線圈的晶閘管導(dǎo)通，起到電感補償作用。有時由于晶閘管的問題，當線路發(fā)生單相接地故障，相控式消弧線圈不能可靠投入，相當于中性點不接地的運行方式，因而系統(tǒng)對地電容電荷只能通過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，除了使得接地點殘流很小之外，還有效地控制了過電壓的水平，同時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)、單極隔離開關(guān)(QS)、接地電阻(R)、零序電流互感器(TA)、套管、風(fēng)機等組成，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) 隔離開關(guān)：安裝在接地電阻(R)和接地變壓器(TM)中性點之間，起到對接地電阻器的隔離作用，便于停電檢修設(shè)備。當隔離開關(guān)分閘時，電阻器可以退出或檢修；當隔離開關(guān)合閘時，電阻器并入相控式消弧線圈兩端運行。

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

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

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

5) 風(fēng)機：當電阻器運行時工作，起到輔助散熱的作用。

2 裝置設(shè)計

2.1 電阻器選材設(shè)計

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、低溫強度和機械特性，既保證了保護動作的靈敏性，同時在保護拒動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

目前市場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，且當接地電阻器局部損壞時，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，如圖3所示。單個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題；且電阻片的兩端均有連接通孔。相鄰的單個電阻片通過連接螺釘首尾連接，并相互平行排列，解決了現(xiàn)有的單個電阻片之間連接采用焊接方式造成易氧化和生銹的問題。該結(jié)構(gòu)設(shè)計使電阻每個部位都有很高的強度，可以承受住擺動、振動、溫度變化而不會變形。

圖3 U型接地電阻片

同時，優(yōu)化了電阻片的剪裁方式，利用柵格設(shè)計，使整個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，消除了局部高溫點和易灼燒點?？寡趸詮?，熔點>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

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

當R=∞時，即中性點不接時，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PT電流波形

當R=1 000Ω時，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PT電流波形

從圖4和圖5對比可以看出，中性點經(jīng)電阻接地后對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，當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時可不必立即停電，允許繼續(xù)運行2h，且建議加裝電阻器的長期運行額定電流不超過10A[9-10]。當電阻值變小時，流過電阻的電流增大，電阻的發(fā)熱會大大增加，因此需要綜合考慮選擇合適的接地電阻值，對于該仿真系統(tǒng)，選擇了800Ω的接地電阻值。

3 保護控制設(shè)計

為了提高本裝置的安全性，設(shè)計了接地電阻的保護控制回路，用于實時監(jiān)控接地電阻的運行狀態(tài)以及配網(wǎng)系統(tǒng)的中性點電壓和接地電阻的運行溫度；自動保護控制回路的主要器件包括電壓繼電器、溫度控制器、時間繼電器、中間繼電器、交流接觸器、軸流風(fēng)機等。保護控制回路如圖7所示。

圖7 保護控制邏輯

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

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

設(shè)定電壓繼電器KV在15 V時啟動，溫度控制器KC1在50 ℃啟動；當KV的電壓超過15 V，或者KC1的溫度超過50 ℃時，KV、KC1的常開節(jié)點閉合；此時，中間繼電器K1為失電狀態(tài)，常閉觸點閉合，KV或KC1常開節(jié)點閉合后，交流接觸器KM得電，與KM的常開觸點形成自保持回路，并驅(qū)動軸流風(fēng)機進行散熱。

保護電路啟動后，KM閉合，當電壓繼電器的電壓低于15 V，同時保護溫控器的溫度<50 ℃時，即KV、KC1的常閉觸點閉合，時間繼電器KT1得電。設(shè)定KT1的啟動時間為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。

設(shè)定溫度控制器KC2為700 ℃時啟動，當KC2的溫度超過700 ℃時，KC2的常開接點閉合，時間繼電器KT2得電。設(shè)定KT2的啟動時間為10 s，則10 s后，KT2常開觸點閉合，保護系統(tǒng)跳閘，切除接地電阻設(shè)備。

4 結(jié)語

本文針對中性點經(jīng)相控式消弧線圈接地的配網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計了一種能抑制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間內(nèi)衰減至PT極限電流值以內(nèi)。

2) 設(shè)計了一種不銹鋼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)熱的問題。

3) 設(shè)計了接地電阻的保護控制回路，用于實時監(jiān)控接地電阻的運行狀態(tài)，可有效提高裝置運行的可靠性。

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