王海濤

(新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心)

前言

某鋼鐵企業(yè)110kV動(dòng)力變電站中性點(diǎn)接地方式根據(jù)電壓等級(jí)不同而采用了不同的形式，110kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，較大的零序電流要求接地保護(hù)快速切除接地故障,以保障電氣設(shè)備的安全。

由于現(xiàn)場(chǎng)10kV系統(tǒng)大部分為電纜供電，設(shè)計(jì)接地電容電流超過(guò)10A，按照我國(guó)規(guī)范要求，必須采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地運(yùn)行方式。由于在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)將流過(guò)全系統(tǒng)對(duì)地電容電流，當(dāng)電容電流較大時(shí)，將會(huì)在接地點(diǎn)形成間歇性電弧，引起弧光性過(guò)電壓，數(shù)值高達(dá)系統(tǒng)正常電壓3.5倍，對(duì)正常運(yùn)行的設(shè)備絕緣造成較大的影響；同時(shí)由于電弧作用，使得接地點(diǎn)絕緣快速燒損，造成短路故障致使事故影響范圍擴(kuò)大。因此根據(jù)規(guī)范要求10kV系統(tǒng)當(dāng)接地電容電流超過(guò)10A時(shí)，必須在中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線(xiàn)圈，通過(guò)消弧線(xiàn)圈的電感電流補(bǔ)償接地電容電流，使接地點(diǎn)的弧光電壓快速降低，達(dá)到熄滅電弧的目的。

1 動(dòng)力變電站10kV系統(tǒng)接地方式簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某公司主要用電單元為焦化廠(chǎng)、動(dòng)力鼓風(fēng)機(jī)站等設(shè)備，大概負(fù)荷約為12000kW，由110kV動(dòng)力變電站供電，其余三座110kV變電站主變處于停用狀態(tài)。由于廠(chǎng)區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)、物流司磅稱(chēng)點(diǎn)、門(mén)崗安保、廠(chǎng)內(nèi)照明需要供電，區(qū)域內(nèi)的4座110kV變電站內(nèi)部10kV高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備仍處在運(yùn)行狀態(tài)。

動(dòng)力變電站運(yùn)行方式為110kV某動(dòng)二線(xiàn)、2#主變運(yùn)行，10kV四段母線(xiàn)并列運(yùn)行，110kV某動(dòng)一線(xiàn)、1#主變熱備用；站內(nèi)2#接地變運(yùn)行，1#、3#接地變熱備用。3臺(tái)接地變?yōu)镈KSC-800/10.5-300/0.4干式變壓器，配套消弧線(xiàn)圈為XHDC-TZ-500/10空氣調(diào)檔的干式電抗器；800kVA接地變壓器除帶500kVA消弧線(xiàn)圈外，同時(shí)也帶站內(nèi)低壓二次負(fù)載代替站用變；消弧線(xiàn)圈最大調(diào)節(jié)電流為80A，在發(fā)生接地故障后，通過(guò)預(yù)先設(shè)定調(diào)節(jié)補(bǔ)償檔位，限制故障點(diǎn)的電容電流在規(guī)定范圍之內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)接地方式及其作用

動(dòng)力變10kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)，由接地變壓器、調(diào)匝式消弧線(xiàn)圈、檔位調(diào)節(jié)有載開(kāi)關(guān)、微機(jī)控制器、阻尼電阻箱等構(gòu)成，總體構(gòu)成如圖1所示。

CT-電流互感器；U0-零序開(kāi)口電壓；UAB-系統(tǒng)線(xiàn)電壓；I0-零序電流；ZC-直流切換開(kāi)關(guān)；JC-交流切換開(kāi)關(guān)

1.2.1 接地變壓器的作用

接地變壓器的作用就是在系統(tǒng)中性點(diǎn)未引出時(shí)，通過(guò)接地變壓器形成系統(tǒng)中性點(diǎn)。動(dòng)力變10kV配套1#、2#接地變壓器采用Z型接線(xiàn)的干式變壓器，總?cè)萘繛?00kVA，其中站用低壓側(cè)容量300kVA。變壓器高壓側(cè)采用Z型接線(xiàn)，每相由兩段分別位于不同相鐵心柱上的繞組組成，兩段線(xiàn)圈反極性連接，零序磁通相互抵消，零序阻抗與空載損耗非常小，變壓器容量可以充分被利用。普通變壓器帶消弧線(xiàn)圈容量不超過(guò)變壓器容量的20%，而Z型變壓器則可帶90%～100%容量的消弧線(xiàn)圈；動(dòng)力變接地變壓器除帶消弧線(xiàn)圈外，也配有0.4kV二次繞組，代替站用變，因此接地變壓器的一次容量800kVA為500kVA消弧線(xiàn)圈與300kVA二次站用負(fù)載容量之和。

1.2.2 調(diào)匝式消弧線(xiàn)圈的作用

接地變壓器配套調(diào)匝式消弧線(xiàn)圈采用樹(shù)脂絕緣消弧線(xiàn)圈，額定電流80A，通過(guò)MFK120/10J型空氣有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)消弧線(xiàn)圈的抽頭以改變電感值。調(diào)匝式消弧線(xiàn)圈與空氣有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電流范圍10～80A，消弧線(xiàn)圈設(shè)有17檔抽頭，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，微機(jī)控制器通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量流過(guò)消弧線(xiàn)圈電流的幅值和相位變化，計(jì)算出電網(wǎng)當(dāng)前方式下的對(duì)地電容電流，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的最小殘流值或失諧度，由控制器調(diào)節(jié)有載調(diào)壓分接頭檔位，使之調(diào)節(jié)到所需要的補(bǔ)償位置。在發(fā)生接地故障后，消弧線(xiàn)圈提供的感性電流與系統(tǒng)的容性電流相反。流過(guò)連接點(diǎn)的剩余電流是感性電流和容性電流之間的差值，通過(guò)調(diào)節(jié)電感電流，最小化剩余接地電流，以消除接地過(guò)電壓達(dá)到自然熄弧，避免故障的影響擴(kuò)大。

1.2.3 微機(jī)控制器工作原理及功能

ACHC-TZ型微機(jī)控制器由多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離、I/O口、PC104主板、顯示液晶等構(gòu)成，原理構(gòu)成如圖2所示。

圖2 微機(jī)控制器原理框圖

該控制器采用工業(yè)控制(PC104)為主機(jī)，其主要功能：自動(dòng)測(cè)量電容電流，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)電壓、位移電壓、消弧線(xiàn)圈電流、頻率、殘流、脫諧度、時(shí)間等參數(shù)，對(duì)接地次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及完成對(duì)應(yīng)接地時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)記錄功能，通過(guò)控制器進(jìn)行手動(dòng)操作調(diào)節(jié)控制，打印系統(tǒng)故障信息或查詢(xún)，通過(guò)RS-232、RS-485口實(shí)現(xiàn)與變電站監(jiān)控機(jī)的通訊。動(dòng)力站1#、2#兩組消弧線(xiàn)圈通過(guò)一臺(tái)微機(jī)控制器來(lái)完成調(diào)節(jié)功能，同時(shí)該控制器采用殘流增量法和有功功率法等算法，具有對(duì)接地線(xiàn)路選線(xiàn)功能。

1.2.4 阻尼電阻箱作用

消弧線(xiàn)圈自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)中接近諧振點(diǎn)運(yùn)行，為防止產(chǎn)生串聯(lián)諧振過(guò)電壓，在消弧線(xiàn)圈接地回路采用串聯(lián)阻尼電阻的方法確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。阻尼電阻選用性能優(yōu)良的不銹鋼電阻，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，控制器將阻尼電阻短接防止燒毀；當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，控制器斷開(kāi)阻尼電阻短接觸點(diǎn)，使阻尼電阻正常串接消弧線(xiàn)圈回路中，防止出現(xiàn)諧振過(guò)電壓。電阻短接回路采用真空接觸器動(dòng)作保護(hù)：接觸器動(dòng)作電源選用兩套獨(dú)立的回路，一套選用交流220V，一套選用直流220V，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 動(dòng)力變電站10kV系統(tǒng)接地電容電流分析

2.1 接地電容電流計(jì)算依據(jù)

變電站的電容電流包含在該站連接的所有架空線(xiàn)路、電纜線(xiàn)路、發(fā)電機(jī)、變壓器以及母線(xiàn)和電器設(shè)備的電容電流。根據(jù)對(duì)接地電容電流計(jì)算說(shuō)明，高壓廠(chǎng)用電主要采用電纜供電方式，系統(tǒng)電容以電纜電容為主，將電纜總電容值乘以1.25，即為全系統(tǒng)的電容近似值。

10kV電纜線(xiàn)路的單相電容電流Ic[1]，按照公式求近似值：

(1)

式中:S—電纜截面積,mm2；Us—系統(tǒng)額定電壓,kV

公式(1)主要適用于油浸紙絕緣電力電纜，目前采用的交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜每公里對(duì)地的電容電流比油浸紙絕緣要大，根據(jù)部分電纜廠(chǎng)家提供的參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，較上述計(jì)算值增加約20%。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為簡(jiǎn)便計(jì)算交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜接地電容值，一般采用表1的數(shù)值來(lái)計(jì)算電纜的電容電流值。

表1 6～10kV交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜線(xiàn)路的電容電流

2.2 動(dòng)力變電站10kV系統(tǒng)接地電容電流計(jì)算

動(dòng)力變電站現(xiàn)運(yùn)行方式為1臺(tái)主變帶站內(nèi)4段10kV母線(xiàn)，并且其余變電站部分出線(xiàn)也由動(dòng)力變分擔(dān)，下級(jí)鼓風(fēng)機(jī)站高配室、焦化高配室系統(tǒng)內(nèi)10kV所有電纜都接在動(dòng)力變母線(xiàn)上，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的電纜截面與長(zhǎng)度對(duì)10kV系統(tǒng)電容電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算匯總見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力站電纜線(xiàn)路的電容電流匯總表

動(dòng)力變電站所帶電纜總長(zhǎng)度約為64km，計(jì)算合計(jì)電容電流為85.78A；系統(tǒng)電容以電纜電容為主，將求得的電纜總電容值乘以1.25，即為全系統(tǒng)的電容近似值。計(jì)算得出動(dòng)力變電站全站10kV系統(tǒng)電容電流為107.23A。

2.3 動(dòng)力變10kV接地變壓器配套消弧線(xiàn)圈容量

參考消弧線(xiàn)圈的補(bǔ)償容量的說(shuō)明[1]，消弧線(xiàn)圈容量計(jì)算：

(2)

式中：Q—消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償容量,kVA；

K—系數(shù)，過(guò)補(bǔ)償取1.35；

Ue—電網(wǎng)額定線(xiàn)電壓,kV；

Ic—電網(wǎng)電容電流,A。

動(dòng)力變10kV系統(tǒng)補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈容量：

通過(guò)計(jì)算，依照標(biāo)準(zhǔn)系列容量選取，同時(shí)考慮補(bǔ)償脫諧度小于5%的要求，動(dòng)力變電站10kV系統(tǒng)補(bǔ)償容量宜選擇1000kVA的消弧線(xiàn)圈，才能滿(mǎn)足現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備的電容電流的補(bǔ)償。

3 動(dòng)力變10kV系統(tǒng)接地故障影響及建議

由于現(xiàn)動(dòng)力變電站系統(tǒng)運(yùn)行方式與原設(shè)計(jì)有較大的不同，通過(guò)計(jì)算變電站所帶10kV設(shè)備電容電流已超出站內(nèi)接地變壓器中性點(diǎn)消弧線(xiàn)圈的補(bǔ)償能力?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配置的消弧線(xiàn)圈容量為500kVA(額定電流80A)，當(dāng)變電站所帶線(xiàn)路發(fā)生接地時(shí)，接地電容電流超出了消弧線(xiàn)圈的最大補(bǔ)償量，達(dá)到額定電流的1.3倍，造成消弧線(xiàn)圈過(guò)載運(yùn)行；同時(shí)由于干式接地變壓器兼做站用變，還帶站內(nèi)低壓負(fù)荷，接地變的過(guò)載系數(shù)將大于1.3倍。

為保證供電的可靠性，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)允許短時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行(最長(zhǎng)2小時(shí))，實(shí)際情況中由于接地線(xiàn)路查找困難，往往接地故障持續(xù)時(shí)間大于2小時(shí)；根據(jù)GB/T 17211《干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中的規(guī)定，干式變壓器允許短時(shí)過(guò)負(fù)荷，過(guò)負(fù)荷能力與環(huán)境溫度和起始負(fù)載條件有關(guān)，以某生產(chǎn)廠(chǎng)家F級(jí)干式變壓器的負(fù)荷(P/Pv)曲線(xiàn)(圖3)為例，當(dāng)干式變壓器過(guò)負(fù)荷1.3倍時(shí)，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)超過(guò)30min。

Pn為額定容量；Pv為起始負(fù)載；P為過(guò)載容量。

由圖3可以看出，干式變壓器的抗過(guò)載能力較油浸式變壓器弱，當(dāng)動(dòng)力變電站10kV單相接地故障不能快速處理，將會(huì)導(dǎo)致接地變壓器、消弧線(xiàn)圈發(fā)熱燒毀，故障影響范圍擴(kuò)大。同時(shí)由于接地變壓器、消弧線(xiàn)圈損壞，接地電容電流無(wú)法補(bǔ)償，接地故障點(diǎn)的電弧無(wú)法自息，導(dǎo)致接地故障快速發(fā)展成為相間短路故障，造成電網(wǎng)波動(dòng)。

為保障動(dòng)力變電站10kV系統(tǒng)的運(yùn)行安全，現(xiàn)有接地變壓器系統(tǒng)可采用以下方式進(jìn)行改進(jìn)：

(1)現(xiàn)有設(shè)備計(jì)算電容電流為107A，計(jì)算補(bǔ)償容量為880kVA，考慮5%的脫諧度與20%的后期增容負(fù)荷預(yù)留空間，補(bǔ)償容量需按照不小于1100kVA來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。將動(dòng)力變電站內(nèi)一臺(tái)接地變壓器與配套調(diào)匝式消弧線(xiàn)圈、檔位調(diào)節(jié)有載開(kāi)關(guān)、阻尼電阻箱等設(shè)備容量增加至1100kVA，以實(shí)現(xiàn)接地電流可調(diào)節(jié)10～140A的調(diào)節(jié)能力，正常運(yùn)行和故障狀況時(shí)改造后的接地變壓器及消弧線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地電容電流的補(bǔ)償功能，站內(nèi)低壓負(fù)荷由其余原有兩臺(tái)接地變壓器承擔(dān)。

(2)利用該企業(yè)冶煉變電站停運(yùn)的兩臺(tái)DKSC-1000/10.5-360/0.4接地變壓器及配套的XHDC-630/10.5消弧線(xiàn)圈，替換動(dòng)力變電站兩臺(tái)800kVA接地變壓器與消弧線(xiàn)圈。將原消弧線(xiàn)圈由500kVA增容至630kVA，達(dá)到2套總?cè)萘?260kVA，滿(mǎn)足母線(xiàn)并列運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償容量。同時(shí)更換配套的微機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行和和故障狀況時(shí)，通過(guò)一套微機(jī)控制器對(duì)兩套消弧線(xiàn)圈同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)電容電流的補(bǔ)償要求。

(3)現(xiàn)有站內(nèi)的配置的小電流選線(xiàn)裝置，采用“有功功率法+殘流增量法”選線(xiàn)準(zhǔn)確率低，對(duì)接地故障不能及時(shí)準(zhǔn)確判斷，給系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)。

建議對(duì)變電站內(nèi)現(xiàn)有的小電流選線(xiàn)裝置進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)在干熄焦高配室、煤氣凈化高配室也加裝小電流選線(xiàn)裝置；通過(guò)采用穩(wěn)態(tài)量、 暫態(tài)量、特征量等選線(xiàn)原理多算法的新型小電流選線(xiàn)裝置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選線(xiàn)?？焖俨檎页鼋拥氐墓收暇€(xiàn)路或設(shè)備，對(duì)于重要線(xiàn)路接地可選擇報(bào)警方式，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行；對(duì)一般線(xiàn)路可選擇跳閘方式，減少接地故障對(duì)系統(tǒng)造成的不良影響，增加供電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

4 關(guān)于10kV系統(tǒng)接地方式的思考

在10～35kV中壓電力系統(tǒng)中,由于選擇中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式時(shí),發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)電壓仍然保持平衡,可故障運(yùn)行1～2小時(shí),提高了用戶(hù)的供電可靠性,因此這種接地方式在供電系統(tǒng)中被大量采用。

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，尤其是全部由電纜線(xiàn)路組成的配電網(wǎng)，這種經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式存在的不足尤為突出：

(1)消弧線(xiàn)圈調(diào)節(jié)的范圍有限，往往滿(mǎn)足設(shè)計(jì)初期的調(diào)整范圍，隨著產(chǎn)線(xiàn)快速擴(kuò)容后，負(fù)荷增加幅度超出消弧線(xiàn)圈的最大調(diào)節(jié)能力，補(bǔ)償效果達(dá)不到要求。

(2)計(jì)算電容電流由于種種因素限制，與實(shí)際的電容電流值存在較大誤差，通過(guò)計(jì)算值配置的消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償量，很難保證與實(shí)際的補(bǔ)償量匹配。

(3)制造廠(chǎng)家消弧線(xiàn)圈各分接頭標(biāo)稱(chēng)電流與實(shí)際電流存在偏差，部分系統(tǒng)接地電流中存在部分五次諧波電流，造成補(bǔ)償誤差。

由于上述原因在采用大量電纜線(xiàn)路的系統(tǒng)中，以消弧線(xiàn)圈接地運(yùn)行方式很難實(shí)現(xiàn)電容電流過(guò)補(bǔ)償?shù)臈l件，造成由于補(bǔ)償量不足導(dǎo)致的諧振，同時(shí)也因?yàn)檩^大的接地電流產(chǎn)生的熱量，使絕緣迅速燒損引起相間短路故障而跳閘，造成事故影響范圍擴(kuò)大。因此在此類(lèi)接地電容電流較大的系統(tǒng)中，推行中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式，可限制單相接地故障時(shí)非故障相的電壓升高，配合繼電保護(hù)裝置可有選擇地迅速切除單相接地故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

冶金企業(yè)對(duì)10kV中性點(diǎn)接地方式主要采用經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地和經(jīng)小電阻接地的方式，采用經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地時(shí)，系統(tǒng)可故障運(yùn)行2小時(shí)來(lái)查找事故線(xiàn)路，保障供電可靠性。采用經(jīng)小電阻接地的方式時(shí)，對(duì)切除單相接地故障的可靠性方面優(yōu)勢(shì)較為突出。因此在選擇10kV中性點(diǎn)接地方式時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況來(lái)因地制宜選擇合理的中性點(diǎn)接地方式，對(duì)于包含架空線(xiàn)與電纜線(xiàn)路的混合配電網(wǎng)，由于架空線(xiàn)路接地故障多為瞬間故障，為保障供電的穩(wěn)定性，宜采用中性點(diǎn)經(jīng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈裝置接地。對(duì)于采用全電纜配電網(wǎng)，由于電纜接地多屬于永久性故障，為防止接地故障發(fā)展為短路故障，必須快速切除故障線(xiàn)路，因此可以選擇中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。