變電所設(shè)計中接地變、消弧線圈及自動補償裝置的原理和選擇

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1　問題提出

　　隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要和供電負荷的增加，許多地方正在城區(qū)建設(shè)110/10kV終端變電所，一次側(cè)采用電壓110kV進線，隨著城網(wǎng)改造中桿線下地，城區(qū)10kV出線絕大多數(shù)為架空電纜出線，10kV配電網(wǎng)絡(luò)中單相接地電容電流將急劇增加，根據(jù)國家原電力工業(yè)部《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定，3-66KV系統(tǒng)的單相接地故障電容電流超過10A時，應(yīng)采用消弧線圈接地方式。一般的110/10kV變電所，其變壓器低壓側(cè)為△接線，系統(tǒng)低壓側(cè)無中性點引出，因此，在變電所設(shè)計中要考慮10kV接地變、消弧線圈和自動補償裝置的設(shè)置。

　　2　10kV中性點不接地系統(tǒng)的特點

　　選擇電網(wǎng)中性點接地方式是一個要考慮許多因素的問題，它與電壓等級、單相接地短路電流數(shù)值、過電壓水平、保護配置等有關(guān)。并直接影響電網(wǎng)的絕緣水平、系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性、主變壓器和發(fā)電機的安全運行以及對通信線路的干擾。10kV中性點不接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)）具有如下特點：當(dāng)一相發(fā)生金屬性接地故障時，接地相對地電位為零，其它兩相對地電位比接地前升高√3倍，一般情況下，當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時，流過故障點的短路電流僅為全部線路接地電容電流之和其值并不大，發(fā)出接地信號，值班人員一般在2小時內(nèi)選擇和排除接地故障，保證連續(xù)不間斷供電。

　　3　系統(tǒng)對地電容電流超標(biāo)的危害

　　實踐表明中性點不接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)）也存在許多問題，隨著電纜出線增多，10kV配電網(wǎng)絡(luò)中單相接地電容電流將急劇增加，當(dāng)系統(tǒng)電容電流大于10A后，將帶來一系列危害，具體表現(xiàn)如下：

　　3.1當(dāng)發(fā)生間歇弧光接地時，可能引起高達3.5倍相電壓（見參考文獻1）的弧光過電壓，引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設(shè)備瞬間損壞，使小電流供電系統(tǒng)的可靠性這一優(yōu)點大受影響。

　　3.2配電網(wǎng)的鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象比較普遍，時常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴重威脅著配電網(wǎng)的安全可靠性。

　　3.3當(dāng)有人誤觸帶電部位時，由于受到大電流的燒灼，加重了對觸電人員的傷害，甚至傷亡。

　　3.4當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，電弧不能自滅，很可能破壞周圍的絕緣，發(fā)展成相間短路，造成停電或損壞設(shè)備的事故；因小動物造成單相接地而引起相間故障致使停電的事故也時有發(fā)生。

　　3.5配電網(wǎng)對地電容電流增大后，對架空線路來說，樹線矛盾比較突出，尤其是雷雨季節(jié)，因單相接地引起的短路跳閘事故占很大比例。

　　4　單相接地電容電流的計算

　　4.1空載電纜電容電流的計算方法有以下兩種：

　　（1）根據(jù)單相對地電容，計算電容電流（見參考文獻2）。

　　Ic=√3×UP×ω×C×10³（4-1）

　　式中：UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　C━單相對地電容（F）

　　一般電纜單位電容為200-400pF/m左右（可查電纜廠家樣本）。

　　（2）根據(jù)經(jīng)驗公式，計算電容電流（見參考文獻3）。

　　Ic=0.1×UP×L（4-2）

　　式中：UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　L━電纜長度（km）

　　4.2架空線電容電流的計算有以下兩種：

　?。?）根據(jù)單相對地電容，計算電容電流（見參考文獻2）。

　　Ic=√3×UP×ω×C×10³（4-3）

　　式中：

　　UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　C━單相對地電容（F）

　　一般架空線單位電容為5-6pF/m。

　?。?）根據(jù)經(jīng)驗公式，計算電容電流（見參考文獻3）。

　　Ic=（2.7～3.3）×UP×L×10^-3（4-4）

　　式中：

　　UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　L━架空線長度（km）

　　2.7━系數(shù)，適用于無架空地線的線路

　　3.3━系數(shù)，適用于有架空地線的線路

　　同桿雙回架空線電容電流（見參考文獻3）：Ic2=（1.3~1.6）Ic（1.3-對應(yīng)10KV線路，1.6-對應(yīng)35KV線路，Ic-單回線路電容電流）

　　4.3變電所增加電容電流的計算（見參考文獻3）

額定電壓（KV）　 6　 10　 35　 增大率（%）　 18　 16　 13　

　　通過4-2和4-4比較得出電纜線路的接地電容電流是同等長度架空線路的37倍左右，所以在城區(qū)變電站中，由于電纜線路的日益增多，配電系統(tǒng)的單相接地電容電流值是相當(dāng)可觀的，又由于接地電流和正常時的相電壓相差90°，在接地電流過零時加在弧隙兩端的電壓為最大值，造成故障點的電弧不易熄滅，常常形成熄滅和重燃交替的間隙性和穩(wěn)定性電弧，間隙性弧光接地能導(dǎo)致危險的過電壓，而穩(wěn)定性弧光接地會發(fā)展成相間短路，危及電網(wǎng)的安全運行。

　　5　傳統(tǒng)消弧線圈存在的問題

　　當(dāng)3—66KV系統(tǒng)的單相接地故障電容電流超過10A時，應(yīng)采用消弧線圈接地方式，通過計算電網(wǎng)當(dāng)前脫諧度（ε=（IL-IC）/IC·100%）與設(shè)定值的比較，決定是否調(diào)節(jié)消弧圈的分接頭，過去選用的傳統(tǒng)消弧線圈必須停電調(diào)節(jié)檔位，在運行中暴露出許多問題和隱患，具體表現(xiàn)如下：

　　5.1由于傳統(tǒng)消弧線圈沒有自動測量系統(tǒng)，不能實時測量電網(wǎng)對地電容電流和位移電壓，當(dāng)電網(wǎng)運行方式或電網(wǎng)參數(shù)變化后靠人工估算電容電流，誤差很大，不能及時有效地控制殘流和抑制弧光過電壓，不易達到最佳補償。

　　5.2傳統(tǒng)消弧線圈按電壓等級的不同、電網(wǎng)對地電容電流大小的不同，采用的調(diào)節(jié)級數(shù)也不同，一般分五級或九級，級數(shù)少、級差電流大，補償精度很低。

　　5.3調(diào)諧需要停電、退出消弧線圈，失去了消弧補償?shù)倪B續(xù)性，響應(yīng)速度太慢，隱患較大，只能適應(yīng)正常線路的投切。如果遇到系統(tǒng)異?；蚴鹿是闆r下，如系統(tǒng)故障低周低壓減載切除線路等，來不及進行調(diào)整，易造成失控。若此時正碰上電網(wǎng)單相接地，殘流大，正需要補償而跟不上，容易產(chǎn)生過電壓而損壞電力系統(tǒng)絕緣薄弱的電器設(shè)備，引起事故擴大、雪上加霜。

　　5.4由于消弧線圈抑制過電壓的效果與脫諧度大小相關(guān)，實踐表明：只有脫諧度不超過±5%時，才能把過電壓的水平限制在2.6倍的相電壓以下（見參考文獻1），傳統(tǒng)消弧線圈則很難做到這一點。

　　5.5運行中的消弧線圈不少容量不足，只能長期在欠補償下運行。傳統(tǒng)消弧線圈大多數(shù)沒有阻尼電阻，其與電網(wǎng)對地電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，欠補償時遇電網(wǎng)斷線故障易進入全補償狀態(tài)（即電壓諧振狀態(tài)），這種過電壓對電力系統(tǒng)絕緣所表現(xiàn)的危害性比由電弧接地過電壓所產(chǎn)生的危害更大。既要控制殘流量小，易于熄??；又要控制脫諧度保證位移電壓（U0=0.8U/√d2+ε2（見參考文獻3）不超標(biāo)，這對矛盾很難解決。鑒于上述因素，只好采用過補償方式運行，補償方式不靈活，脫諧度一般達到15%-25%，甚至更大，這樣消弧線圈抑制弧光過電壓效果很差，幾乎與不裝消弧線圈一樣。

　　5.6單相接地時，由于補償方式、殘流大小不明確，用于選擇接地回路的微機選線裝置更加難以工作。此時不能根據(jù)殘流大小和方向或采用及時改變補償方式或調(diào)檔變更殘流的方法來準(zhǔn)確選線。該裝置只能依靠含量極低的高次諧波（小于5%）的大小和方向來判別，準(zhǔn)確率很低，這也是過去小電流選線裝置存在的問題之一。

　　5.7為了提高我國電網(wǎng)技術(shù)和裝備水平，國家正在大力推行電網(wǎng)通訊自動化和變電站綜合自動化的科技方針，實現(xiàn)四遙（遙信、遙測、遙調(diào)、遙控），進而實現(xiàn)無人值班，傳統(tǒng)消弧線圈根本不具備這個條件。

　　6　自動跟蹤消弧線圈補償技術(shù)

　　根據(jù)供配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)對地電容電流超標(biāo)所產(chǎn)生的影響和投運傳統(tǒng)消弧線圈存在問題的分析，應(yīng)采用自動跟蹤消弧線圈補償技術(shù)和配套的單相接地微機選線技術(shù)。泰興供電局采用的接地變?yōu)樯虾?a href="http://52tianma.cn/crm/siyuan/" target="_blank">思源電氣有限公司生產(chǎn)的DKSC系列的，消弧線圈為該廠生產(chǎn)的XHDC系列的，自動調(diào)諧和選線裝置為該廠生產(chǎn)的XHK系列，全套裝置包括：中性點隔離開關(guān)G、Z型接地變壓器B（系統(tǒng)有中性點可不用）、有載調(diào)節(jié)消弧線圈L、中性點氧化鋅避雷器MOA、中性點電壓互感器PT、中性點電流互感器CT、阻尼限壓電阻箱R和自動調(diào)諧和選線裝置XHK-II?！　?/p>

　　6.1接地變壓器

　　接地變壓器的作用是在系統(tǒng)為△型接線或Y型接線中性點無法引出時，引出中性點用于加接消弧線圈，該變壓器采用Z型接線（或稱曲折型接線），與普通變壓器的區(qū)別是每相線圈分別繞在兩個磁柱上，這樣連接的好處是零序磁通可沿磁柱流通，而普通變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以Z型接地變壓器的零序阻抗很?。?0Ω左右），而普通變壓器要大得多。因此規(guī)程規(guī)定，用普通變壓器帶消弧線圈時，其容量不得超過變壓器容量的20%，而Z型變壓器則可帶90%～100%容量的消弧線圈，接地變除可帶消弧圈外，也可帶二次負載，可代替所用變，從而節(jié)省投資費用。

　　6.2有載調(diào)節(jié)消弧線圈

　?。?）消弧線圈的調(diào)流方式：一般分為3種，即：調(diào)鐵芯氣隙方式、調(diào)鐵芯勵磁方式和調(diào)匝式消弧線圈。目前在系統(tǒng)中投運的消弧線圈多為調(diào)匝式，它是將繞組按不同的匝數(shù)，抽出若干個分接頭，將原來的無勵磁分接開關(guān)改為有載分接開關(guān)進行切換，改變接入的匝數(shù)，從而改變電感量，消弧線圈的調(diào)流范圍為額定電流的30～100%，相鄰分頭間的電流數(shù)按等差級數(shù)排列，分頭數(shù)按相鄰分頭間電流差小于5A來確定。為了減少殘流，增加了分頭數(shù)，根據(jù)容量不同，目前有9檔—14檔，因而工作可靠，可保證安全運行。消弧線圈還外附一個電壓互感器和一個電流互感器。

　?。?）消弧線圈的補償方式：一般分為過補、欠補、最小殘流3種方式可供選擇。

　　a.欠補：指運行中線圈電感電流IL小于系統(tǒng)電容電流IC的運行方式。當(dāng)0＜IC-IL≤Id，（Id為消弧線圈相鄰檔位間的級差電流），即當(dāng)殘流為容性且殘流值≤級差電流時，消弧線圈不進行調(diào)檔。若對地電容發(fā)生變化不滿足上述條件時，則消弧線圈將向上或向下調(diào)節(jié)分頭，直至重新滿足上述條件為止。

　　b.過補：指運行中電容電流IC小于電感電流IL的運行方式。當(dāng)IC-IL＜0，且│IC-IL│≤Id，即在殘流為感性且殘流值≤級差電流時，消弧線圈不進行調(diào)檔。若對地電容發(fā)生變化不滿足上述條件時，則消弧線圈的分接頭將進行調(diào)節(jié)，直至重新滿足上述條件為止。

　　c.最小殘流：在│IC-IL│≤1/2Id時，消弧線圈不進行調(diào)節(jié)；當(dāng)對地電容變化，上述條件不滿足時進行調(diào)節(jié)，直至滿足上述條件。在這種運行方式下，接地殘流可能為容性，也可能為感性，有時甚至為零（即全補），但由于加裝了阻尼電阻，中性點電壓不會超過15%相電壓。

　　6.3限壓阻尼電阻箱

　　在自動跟蹤消弧線圈中，因調(diào)節(jié)精度高，殘流較小，接近諧振（全補）點運行。為防止產(chǎn)生諧振過電壓及適應(yīng)各種運行方式，在消弧線圈接地回路應(yīng)串接阻尼電阻箱。這樣在運行中，即使處于全補狀態(tài)，因電阻的阻尼作用，避免產(chǎn)生諧振，而且中性點電壓不會超過15%相電壓，滿足規(guī)程要求，使消弧線圈可以運行于過補、全補或欠補任一種方式。阻尼電阻可選用片狀電阻，根據(jù)容量選用不同的阻值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點流過很大的電流，這時必須將阻尼電阻采用電壓、電流雙重保護短接。

　　6.4調(diào)諧和選線裝置

　　自動調(diào)諧和選線裝置是整套技術(shù)的關(guān)鍵部分，所有的計算和控制由它來實現(xiàn)，控制器實時測量出系統(tǒng)對地的電容電流，由此計算出電網(wǎng)當(dāng)前的脫諧度ε，當(dāng)脫諧度偏差超出預(yù)定范圍時，通過控制電路接口驅(qū)動有載開關(guān)調(diào)整消弧線圈分接頭，直至脫諧度和殘流在預(yù)定范圍內(nèi)為止。系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，將系統(tǒng)PT二次開口三角處的零序電壓及各回路零序電流采集下來進行分析處理，通過視在功率、零序阻抗變化、諧波變化、五次諧波等選線算法來進行選線。

　　6.5隔離開關(guān)、電壓互感器

　　隔離開關(guān)安裝消弧線圈前，用于投切消弧線圈，由于消弧線圈內(nèi)的電壓互感器不滿足測量精度，需另設(shè)中性點電壓互感器測量中性點電壓。

　　7　自動跟蹤消弧線圈補償技術(shù)的性能和特點

　　7.1該裝置在正常運行中每隔3S（秒）對系統(tǒng)電容電流、殘流進行測量計算，根據(jù)測量結(jié)果控制消弧線圈升降檔，使殘流（脫諧度）保持在最小，測量時不需進行調(diào)檔試探，具有響應(yīng)速度快、有載開關(guān)壽命長、跟蹤準(zhǔn)確的優(yōu)點。

　　7.2過補、欠補、最小殘流3種運行方式任選，可在現(xiàn)場根據(jù)需要隨時設(shè)定變更。

　　7.3在最小殘流方式下運行，可使補償后的接地殘流≤3%額定電流（即消弧線圈最大電流）。

　　7.4消弧線圈串聯(lián)電阻方式，可限制全補時中性點位移電壓＜15%相電壓，避免諧振，滿足了運行規(guī)程要求。

　　7.5根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)的電壓和容量等級，依照測出的系統(tǒng)電容電流等具體參數(shù)，可選用合適型號規(guī)格的成套裝置，該技術(shù)適應(yīng)面大。

　　7.6該技術(shù)包括的微機選線保護裝置采用特殊的多種算法，可快速準(zhǔn)確顯示單相接地線路。

　　8　.接地變壓器、消弧線圈容量和額定電流的確定

　　8.1根據(jù)架空線或電纜參數(shù)計算公式計算電容電流Ic

　　8.2消弧線圈容量的確定（見參考文獻3）

　　Q=K×Ic×UP/√3（8-1）

　　式中：K—系數(shù)，過補償取1.35

　　Q—消弧線圈容量，kVA

　　8.3消弧線圈容量及額定電流的選擇

　　根據(jù)最大電容電流Ic，確定相應(yīng)的消弧線圈容量及額定電流，使最大補償電感電流滿足要求。

　　8.4接地變壓器容量選擇

　　接地變除可帶消弧圈外，兼作所用變。

　　式中：

　　Q—消弧線圈容量，kVA

　　S—所變?nèi)萘浚琸VA

　　Ф—功率因素角，°

　　SJ—接地變?nèi)萘?，kVA

　　例如某110kV變電所，二臺主變，10kV單母線分段，共24回電纜出線，兩套裝置補償，一回電纜平均長度按2kM計算，所變?nèi)萘?00kVA，COSФ=0.8.根據(jù)式（4-1）或式（4-2）有：

　　Ic=0.1×UP×L

　　=0.1×10.5×2×12=25.2（A）

　　變電所增加電容電流為16%故Ic=25.2×1.16=29.23（A）

　　根據(jù)式（8-1）：

　　Q=K×Ic×UP/√3

　　=1.35×29.23×10.5/√3

　　=239（kVA）

　　根據(jù)消弧線圈容量系列性及最大電容電流Ic，確定相應(yīng)的Q=300KVA，補償電流調(diào)節(jié)范圍為25—50A

　　根據(jù)式（8-2）：

　　因此整套裝置，可調(diào)電抗器選用了型號為XHDCZ-300/10/25-50A（九檔），容量為300kVA，系統(tǒng)電壓10kV，額定電壓6.062kV，補償電流調(diào)節(jié)范圍為25-50A.接地變壓器選用了型號為DKSC-400/100/10.5，10.5±5%、容量為400kVA，二次容量為100kVA，系統(tǒng)電壓10.5kV。