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        城市軌道交通供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響及控制

        2020-03-27 02:40:48
        建材技術(shù)與應(yīng)用 2020年1期
        關(guān)鍵詞:變壓器故障

        (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

        引言

        地鐵已逐步成為城市交通的重要方式,而地鐵的直流牽引系統(tǒng)、高壓直流輸電線路和電廠主變壓器將出現(xiàn)交叉、并行和距離過近的現(xiàn)象,在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中,主變壓器可能會(huì)產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。抑制變壓器中性點(diǎn)直流偏磁的措施是在該點(diǎn)安裝直流偏磁抑制裝置,一般有三種:一是利用極性相反的直流電流抵消或削減地中直流電流;二是利用串入電容的隔直特性;三是串入阻值較小的電阻,限制直流的流入。由于電容隔直性能優(yōu)良,常被應(yīng)用于變壓器中性點(diǎn)抑制直流偏磁。國(guó)內(nèi)外對(duì)直流偏磁的研究主要集中于交流變壓器的理論仿真和計(jì)算上,缺乏真實(shí)數(shù)據(jù)的采集,尤其是在換流變壓器中直流偏磁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析較少。本文以電網(wǎng)運(yùn)行48 h的主變壓器直流偏磁數(shù)據(jù),建立主變中性點(diǎn)增加電容隔直裝置的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用仿真計(jì)算深入分析電容隔直裝置的接入對(duì)交流電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響因素和影響程度。

        1 原因分析

        某電廠主變壓器附近有地鐵通過,對(duì)其進(jìn)行48 h的直流偏磁測(cè)試。在測(cè)試期間,主變壓器中性點(diǎn)直流電流最大值為18.61 A,最小值為-19.09 A。在0∶10~5∶20時(shí)間段,主變壓器中性點(diǎn)直流電流基本為0;5∶20直流電流開始出現(xiàn),至次日0∶10直流電流消失,直流電流方向呈不規(guī)則的周期變化,這與城市地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間相吻合。主變壓器中性點(diǎn)直流時(shí)間/幅值分布如圖1所示。

        圖1 24 h主變壓器中性點(diǎn)直流時(shí)間/幅值分布圖

        主變壓器附近無高壓直流輸電工程接地極,產(chǎn)生的直流偏磁電流與接地極位置、入(出)地電流大小、交流電網(wǎng)架構(gòu)及土壤電阻率有關(guān)。測(cè)試結(jié)果中,主變壓器偏磁電流非定值,而且電流正負(fù)、幅值變化均極快,可排除是由直流單極大地或雙極不平衡方式運(yùn)行引起的。地鐵供電系統(tǒng)采用直流供電,一般為DC750 V或1 500 V。分為單邊供電系統(tǒng)和雙邊供電系統(tǒng),由于機(jī)車下的行軌與地是不完全絕緣,部分直流分量將流入大地,形成雜散電流,從而在牽引站附近產(chǎn)生地電位分布,與直流輸電接地極類似。若此時(shí),將具有交流連接的兩臺(tái)接地主變壓器置于不同地電位上,將產(chǎn)生一定的偏磁電流。產(chǎn)生過程如圖2所示。

        偏磁電流在地鐵供電系統(tǒng)中變化極快。在地鐵運(yùn)行時(shí),有多臺(tái)機(jī)車同時(shí)在同一線路上雙向通行。雜散電流由機(jī)車的運(yùn)行位置入地,其產(chǎn)生位置隨機(jī)車位置而改變,因此,多種雜散電流共同影響主變壓器中性點(diǎn)的直流分量。由于地鐵機(jī)車本身數(shù)量多、速度快,造成了圖1中主變壓器直流電流正負(fù)在十幾秒內(nèi)變化的現(xiàn)象。

        圖2 偏磁電流產(chǎn)生示意圖

        2 直流偏磁抑制方法

        電容隔直裝置主要是以電容器隔直,在工頻系統(tǒng)中電容器容抗為0.1 Ω。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)電容器接地,等效于變壓器中性點(diǎn)阻抗加入了0.1 Ω的容抗。主變壓器隔直電容原理如圖3所示。

        圖3 隔直裝置原理

        主變壓器中性點(diǎn)接入電容,系統(tǒng)的零序參數(shù)將發(fā)生變化,在出現(xiàn)三相不對(duì)稱接地故障時(shí),主變壓器和相鄰線路的保護(hù)可能被誤動(dòng),則需通過定性與定量分析,對(duì)主變壓器和相鄰線路的保護(hù)做出校核。

        在系統(tǒng)大小不同、運(yùn)行方式不同及各種接地故障條件下,保護(hù)的測(cè)量如零序啟動(dòng)元件、零序電流大小、零序電壓大小、零序功率方向、阻抗的大小與方向等均受到電容隔直裝置的影響。電廠內(nèi)各主變壓器接地保護(hù)、引出線路及其相鄰線路接地保護(hù)可能出現(xiàn)靈敏性與選擇性的問題。只有1臺(tái)主變壓器要求接地運(yùn)行,高壓備用變壓器不需接地運(yùn)行,3臺(tái)主變壓器可以共用1套電容隔直裝置,主變壓器電容隔直原理如圖4所示。

        圖4 主變壓器電容隔直原理

        3 電容隔直裝置對(duì)線路保護(hù)的影響分析

        3.1 主變壓器故障計(jì)算條件

        由于電廠3臺(tái)主變壓器電氣參數(shù)相差不大,可近似認(rèn)為相同,則3臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接入電容性偏磁抑制裝置對(duì)系統(tǒng)的影響相同,且當(dāng)前的運(yùn)行方式為1臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接地,在該主變壓器中性點(diǎn)接入-j0.1 Ω的容性偏磁抑制裝置后,對(duì)變壓器和相鄰線路保護(hù)的影響進(jìn)行分析計(jì)算。故障類型為:?jiǎn)蜗嘟拥毓收?A相)與兩相短路接地故障(B、C相)。1條線路的相對(duì)首端、中間、末端作為故障的選擇位置。

        計(jì)算選取當(dāng)?shù)?20 kV及以上電網(wǎng)正常、最小運(yùn)行方式。其中,主變壓器為正序、零序的電氣參數(shù)見表1。

        表1 電氣參數(shù)(Sj=1 000 MVA,Uj=230 kV)

        3.2 對(duì)線路保護(hù)的影響分析

        3.2.1 對(duì)零序電壓元件的影響

        根據(jù)模擬故障線路短路計(jì)算結(jié)果,在正常、最小運(yùn)行方式下,主變壓器中性點(diǎn)接入電容后母線零序電壓U0影響最嚴(yán)重的情況見表2。

        表2 故障位置在220 kV出線主變壓器首端

        3.2.2 對(duì)線路零序電流元件的影響

        根據(jù)模擬故障線路短路計(jì)算結(jié)果,在正常、最小運(yùn)行方式下,電廠主變壓器中性點(diǎn)接入電容后線路零序電流I0影響最嚴(yán)重的情況,故障位置在220 kV出線主變壓器首端,其故障線路數(shù)據(jù)見表3。

        表3 故障位置在220 kV出線主變壓器首端

        3.2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

        接入偏磁抑制電容后,減小了由電廠到接地故障線路通路流過的零序電流,其零序過流元件靈敏系數(shù)基本不變;而線路對(duì)側(cè)零序電流也變化甚微,其零序過流元件靈敏系數(shù)受到影響很小。結(jié)果表明:在當(dāng)?shù)卣?、最小方式運(yùn)行過程中,發(fā)生接地故障時(shí),零序電壓最大變化為0.22%,零序電流最大變化為0.87%,角度最大變化為0.05°,接入主變壓器中性點(diǎn)電容對(duì)其沒有產(chǎn)生影響。線路零序方向過流保護(hù)的動(dòng)作性能正常。

        線路距離保護(hù)的測(cè)量阻抗Zm=ZMK1+ΔZM中,將出現(xiàn)故障點(diǎn)過渡電阻產(chǎn)生的附加測(cè)量阻抗ΔZM,因此,對(duì)接地距離保護(hù)的動(dòng)作范圍受到影響。主變壓器中性點(diǎn)接入電容將使引出線的附加測(cè)量阻抗ΔZM幅值減小。通過計(jì)算,在正常、最小方式運(yùn)行過程中,故障出現(xiàn)在電廠出線首端、中端、末端時(shí),接地阻抗值的變化幅度計(jì)算結(jié)果最大為0.64%,角度幾乎沒有變化,對(duì)線路接地距離保護(hù)基本沒有影響。

        4 結(jié)語

        本文基于電廠主變壓器中性點(diǎn)增加電容隔直裝置后的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境,結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的正常、最小運(yùn)行方式和偏磁抑制裝置的應(yīng)用情況,針對(duì)電廠3臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)增加電容隔直裝置后,應(yīng)用解析方法分析繼電保護(hù)受直流偏磁抑制裝置影響的機(jī)理、因素和邊界,得出影響因素對(duì)交流電網(wǎng)故障特征及其繼電保護(hù)影響的規(guī)律,為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

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