變電所設(shè)計(jì)中接地變、消弧線圈及自動(dòng)補(bǔ)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(fù)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(jìn)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(hù)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(shí)，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(diǎn)引出，因此，在變電所設(shè)計(jì)中要考慮10kV接地變、消弧線圈和自動(dòng)補(bǔ)償裝置的設(shè)置。

　　2　10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　選擇電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)要考慮許多因素的問題，它與電壓等級(jí)、單相接地短路電流數(shù)值、過電壓水平、保護(hù)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(jī)的安全運(yùn)行以及對(duì)通信線路的干擾。10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)）具有如下特點(diǎn)：當(dāng)一相發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，接地相對(duì)地電位為零，其它兩相對(duì)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(shí)，流過故障點(diǎn)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(hào)，值班人員一般在2小時(shí)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(duì)地電容電流超標(biāo)的危害

　　實(shí)踐表明中性點(diǎn)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(shí)，可能引起高達(dá)3.5倍相電壓（見參考文獻(xiàn)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(diǎn)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(shí)常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴(yán)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(shí)，由于受到大電流的燒灼，加重了對(duì)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(shí)，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(dòng)物造成單相接地而引起相間故障致使停電的事故也時(shí)有發(fā)生。

　　3.5配電網(wǎng)對(duì)地電容電流增大后，對(duì)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(jì)算

　　4.1空載電纜電容電流的計(jì)算方法有以下兩種：

　?。?）根據(jù)單相對(duì)地電容，計(jì)算電容電流（見參考文獻(xiàn)2）。

　　Ic=√3×UP×ω×C×10³（4-1）

　　式中：UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　C━單相對(duì)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(yàn)公式，計(jì)算電容電流（見參考文獻(xiàn)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(jì)算有以下兩種：

　?。?）根據(jù)單相對(duì)地電容，計(jì)算電容電流（見參考文獻(xiàn)2）。

　　Ic=√3×UP×ω×C×10³（4-3）

　　式中：

　　UP━電網(wǎng)線電壓（kV）

　　C━單相對(duì)地電容（F）

　　一般架空線單位電容為5-6pF/m。

　?。?）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算電容電流（見參考文獻(xiàn)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(xiàn)3）：Ic2=（1.3~1.6）Ic（1.3-對(duì)應(yīng)10KV線路，1.6-對(duì)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(jì)算（見參考文獻(xiàn)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(shí)的相電壓相差90°，在接地電流過零時(shí)加在弧隙兩端的電壓為最大值，造成故障點(diǎn)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(xiǎn)的過電壓，而穩(wěn)定性弧光接地會(huì)發(fā)展成相間短路，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)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(shí)，應(yīng)采用消弧線圈接地方式，通過計(jì)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(yùn)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，不能實(shí)時(shí)測(cè)量電網(wǎng)對(duì)地電容電流和位移電壓，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)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(shí)有效地控制殘流和抑制弧光過電壓，不易達(dá)到最佳補(bǔ)償。

　　5.2傳統(tǒng)消弧線圈按電壓等級(jí)的不同、電網(wǎng)對(duì)地電容電流大小的不同，采用的調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)也不同，一般分五級(jí)或九級(jí)，級(jí)數(shù)少、級(jí)差電流大，補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行調(diào)整，易造成失控。若此時(shí)正碰上電網(wǎng)單相接地，殘流大，正需要補(bǔ)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(kuò)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(shí)踐表明：只有脫諧度不超過±5%時(shí)，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(xiàn)1），傳統(tǒng)消弧線圈則很難做到這一點(diǎn)。

　　5.5運(yùn)行中的消弧線圈不少容量不足，只能長期在欠補(bǔ)償下運(yùn)行。傳統(tǒng)消弧線圈大多數(shù)沒有阻尼電阻，其與電網(wǎng)對(duì)地電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，欠補(bǔ)償時(shí)遇電網(wǎng)斷線故障易進(jìn)入全補(bǔ)償狀態(tài)（即電壓諧振狀態(tài)），這種過電壓對(duì)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?。挥忠刂泼撝C度保證位移電壓（U0=0.8U/√d2+ε2（見參考文獻(xiàn)3）不超標(biāo)，這對(duì)矛盾很難解決。鑒于上述因素，只好采用過補(bǔ)償方式運(yùn)行，補(bǔ)償方式不靈活，脫諧度一般達(dá)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(shí)，由于補(bǔ)償方式、殘流大小不明確，用于選擇接地回路的微機(jī)選線裝置更加難以工作。此時(shí)不能根據(jù)殘流大小和方向或采用及時(shí)改變補(bǔ)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(dòng)化和變電站綜合自動(dòng)化的科技方針，實(shí)現(xiàn)四遙（遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、遙控），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人值班，傳統(tǒng)消弧線圈根本不具備這個(gè)條件。

　　6　自動(dòng)跟蹤消弧線圈補(bǔ)償技術(shù)

　　根據(jù)供配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流超標(biāo)所產(chǎn)生的影響和投運(yùn)傳統(tǒng)消弧線圈存在問題的分析，應(yīng)采用自動(dòng)跟蹤消弧線圈補(bǔ)償技術(shù)和配套的單相接地微機(jī)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(dòng)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(diǎn)隔離開關(guān)G、Z型接地變壓器B（系統(tǒng)有中性點(diǎn)可不用）、有載調(diào)節(jié)消弧線圈L、中性點(diǎn)氧化鋅避雷器MOA、中性點(diǎn)電壓互感器PT、中性點(diǎn)電流互感器CT、阻尼限壓電阻箱R和自動(dòng)調(diào)諧和選線裝置XHK-II。　　

　　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(diǎn)無法引出時(shí)，引出中性點(diǎn)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(gè)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(shí)，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(fù)載，可代替所用變，從而節(jié)省投資費(fèi)用。

　　6.2有載調(diào)節(jié)消弧線圈

　　（1）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(lì)磁方式和調(diào)匝式消弧線圈。目前在系統(tǒng)中投運(yùn)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(gè)分接頭，將原來的無勵(lì)磁分接開關(guān)改為有載分接開關(guān)進(jìn)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(jí)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(yùn)行。消弧線圈還外附一個(gè)電壓互感器和一個(gè)電流互感器。

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

　　a.欠補(bǔ)：指運(yùn)行中線圈電感電流IL小于系統(tǒng)電容電流IC的運(yùn)行方式。當(dāng)0＜IC-IL≤Id，（Id為消弧線圈相鄰檔位間的級(jí)差電流），即當(dāng)殘流為容性且殘流值≤級(jí)差電流時(shí)，消弧線圈不進(jìn)行調(diào)檔。若對(duì)地電容發(fā)生變化不滿足上述條件時(shí)，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(bǔ)：指運(yùn)行中電容電流IC小于電感電流IL的運(yùn)行方式。當(dāng)IC-IL＜0，且│IC-IL│≤Id，即在殘流為感性且殘流值≤級(jí)差電流時(shí)，消弧線圈不進(jìn)行調(diào)檔。若對(duì)地電容發(fā)生變化不滿足上述條件時(shí)，則消弧線圈的分接頭將進(jìn)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(shí)，消弧線圈不進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)對(duì)地電容變化，上述條件不滿足時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至滿足上述條件。在這種運(yùn)行方式下，接地殘流可能為容性，也可能為感性，有時(shí)甚至為零（即全補(bǔ)），但由于加裝了阻尼電阻，中性點(diǎn)電壓不會(huì)超過15%相電壓。

　　6.3限壓阻尼電阻箱

　　在自動(dòng)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(bǔ)）點(diǎn)運(yùn)行。為防止產(chǎn)生諧振過電壓及適應(yīng)各種運(yùn)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(yùn)行中，即使處于全補(bǔ)狀態(tài)，因電阻的阻尼作用，避免產(chǎn)生諧振，而且中性點(diǎn)電壓不會(huì)超過15%相電壓，滿足規(guī)程要求，使消弧線圈可以運(yùn)行于過補(bǔ)、全補(bǔ)或欠補(bǔ)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(shí)，中性點(diǎn)流過很大的電流，這時(shí)必須將阻尼電阻采用電壓、電流雙重保護(hù)短接。

　　6.4調(diào)諧和選線裝置

　　自動(dòng)調(diào)諧和選線裝置是整套技術(shù)的關(guān)鍵部分，所有的計(jì)算和控制由它來實(shí)現(xiàn)，控制器實(shí)時(shí)測(cè)量出系統(tǒng)對(duì)地的電容電流，由此計(jì)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(shí)，通過控制電路接口驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(cè)量精度，需另設(shè)中性點(diǎn)電壓互感器測(cè)量中性點(diǎn)電壓。

　　7　自動(dòng)跟蹤消弧線圈補(bǔ)償技術(shù)的性能和特點(diǎn)

　　7.1該裝置在正常運(yùn)行中每隔3S（秒）對(duì)系統(tǒng)電容電流、殘流進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，根據(jù)測(cè)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(cè)量時(shí)不需進(jìn)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(diǎn)。

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

　　7.3在最小殘流方式下運(yùn)行，可使補(bǔ)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(bǔ)時(shí)中性點(diǎn)位移電壓＜15%相電壓，避免諧振，滿足了運(yùn)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(jí)，依照測(cè)出的系統(tǒng)電容電流等具體參數(shù)，可選用合適型號(hào)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(jī)選線保護(hù)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(jì)算公式計(jì)算電容電流Ic

　　8.2消弧線圈容量的確定（見參考文獻(xiàn)3）

　　Q=K×Ic×UP/√3（8-1）

　　式中：K—系數(shù)，過補(bǔ)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(bǔ)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?，kVA

　　Ф—功率因素角，°

　　SJ—接地變?nèi)萘浚琸VA

　　例如某110kV變電所，二臺(tái)主變，10kV單母線分段，共24回電纜出線，兩套裝置補(bǔ)償，一回電纜平均長度按2kM計(jì)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(bǔ)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(hào)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(bǔ)償電流調(diào)節(jié)范圍為25-50A.接地變壓器選用了型號(hào)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。