李建鴻,夏金亮,蔣 偉
(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211100)
中壓配電網(wǎng)絡(luò)直接與廣大電力用戶相連,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分布廣泛,配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式的選擇與供電可靠性、人身及設(shè)備安全、絕緣水平等密切相關(guān)[1-3]。國內(nèi)3~66 kV中壓配電網(wǎng)采用的中性點(diǎn)接地方式大都為中性點(diǎn)非直接接地方式,主要分為中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地及中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地3種[4-5],由于發(fā)生瞬時接地故障時接地點(diǎn)電流較小,不至于引起開關(guān)跳閘,因此保證了供電的可靠性,但若發(fā)生永久接地故障,為了避免進(jìn)一步發(fā)展為多相短路故障及由于非故障相電壓升高導(dǎo)致絕緣損壞等故障擴(kuò)大現(xiàn)象,根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)范文件Q/GDW 10370《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》要求在此期間必須就近快速隔離故障,以免擴(kuò)大事故,必要時進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供。上述3種配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式中,中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式因其可有效解決弧光接地過電壓問題,同時能快速切除故障[6-7],因此,在采用全電纜電路或以電纜電路為主及環(huán)網(wǎng)供電方式的城市配網(wǎng)系統(tǒng)中逐漸得到應(yīng)用。而中性點(diǎn)不接地與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式,雖然存在弧光接地過電壓問題,但仍是目前配電網(wǎng)中性點(diǎn)主要運(yùn)行方式[8-10],故針對中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式開展相關(guān)工作并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。
在中壓配電網(wǎng)故障中,受自然因素、人為破壞、配電設(shè)備自身因素及配網(wǎng)管理疏忽等方面原因造成的單相接地故障占所有故障80%左右[11],因此需重點(diǎn)對配電網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行分析并制定預(yù)防措施,提高配電網(wǎng)供電連續(xù)性。某城市配網(wǎng)10 kV線路大多以架空線路為主,對中性點(diǎn)不接地及經(jīng)消弧線圈接地時的配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障理論分析,并借助仿真平臺對采用中性點(diǎn)不接地方式的某35 kV變電站1號主變壓器及4條10 kV出線構(gòu)成的配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障分析,根據(jù)各出線架空線路、電纜線路參數(shù)得到10 kV出線發(fā)生單相金屬性接地及經(jīng)不同過渡電阻接地時的故障點(diǎn)電流、三相電壓及電流、零序電壓及電流大小變化情況,在深入分析單相接地故障的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
在對10 kV線路的分析中,將其負(fù)荷在配電網(wǎng)變壓器高壓側(cè)進(jìn)行等效,因此等效負(fù)荷為中性點(diǎn)不接地方式,所以雖然配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障,但上級變電站10 kV電源側(cè)三相線電壓保持對稱,系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行,配電網(wǎng)變壓器高壓側(cè)不接地使得負(fù)荷對10 kV線路單相接地故障點(diǎn)電流無影響,接地故障電流只受線路參數(shù)及變電站主變壓器接地方式影響,因此,以下分析中將負(fù)荷忽略并以一回線路為例。
當(dāng)10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時三相線路對地電容相等,三相線路對地電容電流和為0,三相線路對地電壓為正常相電壓U,當(dāng)A相發(fā)生單相金屬性接地故障時,系統(tǒng)潮流分布如圖1所示。
圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地
圖中,uA,uB,uC分別為主變壓器 10 kV 側(cè)電源A,B,C 三相相電壓;iA,iB,iC分別為主變壓器 10 kV側(cè)電源三相電流;CA,CB,CC分別為三相線路對地電容,正常運(yùn)行方式下三相線路對地電容大小均為C。
當(dāng)A相發(fā)生金屬性單相接地時,A相對地電壓變?yōu)?,非故障相B,C相對地電壓升高為線電壓,由于非故障相電壓升高,其對地電容電流iCB,iCC增大,而A相對地電容被短接,由圖1電流流向可得:iA=-ik=iCB+iCC,其有效值變?yōu)?倍正常情況下單相對地電容電流,即Ik=3ωCU,ω為50 Hz交流系統(tǒng)對應(yīng)的角頻率,其大小為314 rad/s。
可見,對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時,若對應(yīng)接地電容較大,則接地電流較大,當(dāng)10 kV單相接地故障電流超過30 A時,將會在接地點(diǎn)產(chǎn)生斷續(xù)電弧,并引發(fā)過電壓。為有效減小單相接地故障電弧電流,對此類供電系統(tǒng)考慮采用系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地故障電路如圖2所示。
當(dāng)站內(nèi)主變壓器采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式時,在正常情況下中性點(diǎn)對地電壓近似為0,消弧線圈無電流流過。在線路發(fā)生單相接地故障時,故障點(diǎn)接地電流中增加了感性電流iL,其方向與對地容性電流相反,因此兩者相互抵消,使總的接地電流減小甚至接近于0,為避免出現(xiàn)容抗與感抗相等從而引發(fā)電磁諧振,實(shí)際運(yùn)行中采用過補(bǔ)償?shù)姆绞?,使單相接地時流過消弧線圈的電流大于總的對地電容電流。
圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地
為達(dá)到過補(bǔ)償效果,用ν表示過補(bǔ)償度,消弧線圈電感計算公式為
得到消弧線圈電感大小為
為更進(jìn)一步說明中性點(diǎn)小電流接地方式配電系統(tǒng)線路單相金屬性接地及經(jīng)過渡電阻接地故障前后線路三相對地電容電流、線路三相對地電壓、接地故障點(diǎn)電流變化情況,以某配電網(wǎng)中35 kV變電站1號主變壓器及其4條10 kV配電線路為例借助仿真平臺建立配電系統(tǒng)模型,并進(jìn)行單相接地故障的詳細(xì)分析。為便于分析線路故障前后對地電容電流的變化情況,以及考慮到單相接地故障時負(fù)荷不影響對地電容及故障電流且不影響負(fù)荷正常工作,因此在仿真平臺中不考慮負(fù)荷的影響。該主變壓器的型號為 SZ9-10000/35, 電壓等級為 35 kV/10 kV,4 條10 kV出線的架空及電纜長度如表1所示。
表1 各出線線路長度 km
將架空線路部分用π型等值電路模擬,其單位長度正序及零序參數(shù)如表2所示。
表2 架空線路單位長度正序及零序參數(shù)
電纜線路部分用集中電容表示,由于電纜長度較短,主要考慮其對地電容,大小為0.27 μF/km。
對于主變壓器中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng),當(dāng)10 kV出線4的A相在0.1 s時刻發(fā)生金屬性單相接地故障時,母線三相對地電壓及三相電流波形如圖3所示,可見A相線路對地電壓近似為0,中性點(diǎn)電壓上升為相電壓,B,C相對地電壓升高到線電壓。由于忽略負(fù)荷影響,iB,iC即表示4回出線總的B,C相對地電容電流,可見由于故障后對地電壓升高,對地電容電流增大,故障后A相電流有效值為故障點(diǎn)接地電流有效值。
圖3 系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地時三相電壓電流波形
故障點(diǎn)接地電流波形如圖4所示,其幅值為6.12 A,由于接地點(diǎn)電流未達(dá)到能引起接地點(diǎn)處燃弧所需的電流值,因此主變壓器采用中性點(diǎn)不接地的方式適用于該配電網(wǎng)系統(tǒng)。
圖4 單相接地故障點(diǎn)電流波形
將各10 kV出線線路首端三相對地電壓相加除以3即可得到各出線零序電壓uo,在正常運(yùn)行時三相線路對地電壓對稱,零序電壓為0,而發(fā)生單相接地短路時,故障相對地電壓為0,非故障相對地電壓變?yōu)榫€電壓,因此零序電壓不再為0,對于接在同一母線的不同回路,任一線路發(fā)生單相接地故障時各回路零序電壓相同。不同回路首端三相電流之和再除以3可得到各回路零序電流io。10 kV出線3和10 kV出線4的零序電壓電流波形如圖5所示。
圖5 非故障回路零序電壓電流
可見,對于非故障回路,其零序電壓波形滯后零序電流波形90°,而對于故障回路,其零序電壓超前零序電流90°,且故障回路零序電流更大,這是因?yàn)榉枪收匣芈返牧阈螂娏髦饕獮榉枪收舷郆相、C相的容性電流之和的1/3,而故障回路零序電流為4回線路所有B,C相電容電流之和取負(fù)數(shù)的1/3,由于包括了所有故障相對地電容電流,因此零序電流更大,兩者之間的差別構(gòu)成了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)配電線路二次保護(hù)中單相接地故障回路基波零序電流比幅比相選線法的基本原理。
為模擬實(shí)際中常出現(xiàn)的如樹枝接觸線路等單相經(jīng)過渡電阻接地的故障情況,通過改變故障點(diǎn)過渡電阻Re大小得到相應(yīng)的電壓電流有效值如表3所示。
表3 單相接地故障點(diǎn)不同過渡電阻時電壓電流值
由表3可見,當(dāng)接地點(diǎn)過渡電阻較小時,接地電流較大,故障相對地電壓接近0,非故障相對地電壓接近線電壓,對設(shè)備的絕緣造成危害,也使得電能大量損失。當(dāng)過渡電阻變化范圍較小時,接地電流值變化不大,隨著過渡電阻變大,接地點(diǎn)電流變小,故障相對地電壓逐漸變大,非故障相對地電壓逐漸減小,使得非故障相對地電容電流減小,極限情況就是過渡電阻為無窮大及不發(fā)生單相接地故障,因此在發(fā)生金屬性單相接地故障時,為避免事故擴(kuò)大,應(yīng)在短時間內(nèi)找到并切除故障。
由于10 kV配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的頻率較高,因此有必要制定專門的預(yù)防措施來盡量減少此類故障的發(fā)生,從而提高供電可靠性。
1)加強(qiáng)對配電網(wǎng)絡(luò)的巡視管理,采用定期或不定期的方式對配電線路、設(shè)備展開巡視工作,主要檢查導(dǎo)線在絕緣子上的綁扎是否牢固,導(dǎo)線與建筑物、樹木的距離是否在安全范圍,金具固定螺絲有無松動,拉線、裸導(dǎo)線有無斷股,導(dǎo)線弧垂是否過小或過大等。
2)電力公司應(yīng)積極進(jìn)行用電安全宣傳知識,提高廣大電力用戶保護(hù)電力設(shè)施的意識,避免發(fā)生人為破壞、偷盜電力設(shè)施的情況。
3)應(yīng)定期對配電線路上分支斷路器、避雷器、絕緣子等設(shè)備進(jìn)行絕緣測試,及時發(fā)現(xiàn)并更換不合格試品。
4)應(yīng)定期對配電變壓器進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)存在的問題并及時維修或更換。
5)在各個分支線路加裝斷路器,以縮小停電面積和停電時間,并有助于快速隔離、發(fā)現(xiàn)故障。
6)在重要10 kV配電線路區(qū)域加強(qiáng)避雷設(shè)施的安裝,以及采用其他避免自然環(huán)境造成配電線路單相接地故障的措施。
對某配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不接地與經(jīng)消弧線圈接地2種方式下的單相接地故障進(jìn)行理論分析,并進(jìn)行系統(tǒng)仿真,仿真結(jié)果表明在發(fā)生金屬性單相接地故障時,有引起事故擴(kuò)大的風(fēng)險,應(yīng)在短時間內(nèi)找到并切除故障。針對小電流系統(tǒng)運(yùn)行方式,發(fā)生單相接地故障頻率較高的情況下給出明確的預(yù)防措施,對于現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)工作具有一定的指導(dǎo)意義,下一步將繼續(xù)針對小電流接地選線方面開展研究工作。