高成友 崔浩 李根
【摘要】 大興新城經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,10kV配電電纜網(wǎng)供電容量的提高和供電范圍的擴(kuò)大是其必然趨勢(shì)。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地是10kV配電網(wǎng)常見(jiàn)的兩種接地方式,在實(shí)際運(yùn)行中各有利弊。通過(guò)對(duì)大興新城10kV配電網(wǎng)規(guī)劃方向和目標(biāo)的研究,以及對(duì)現(xiàn)狀10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)的各類問(wèn)題進(jìn)行分析,本文認(rèn)為在大興新城地區(qū)采用10kV配電網(wǎng)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯,符合電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展方向。中性點(diǎn)接地方式改造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,本文給出了大興新城中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地改造設(shè)備安裝及保護(hù)配置的建議,同時(shí)對(duì)改造過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類問(wèn)題進(jìn)行了初步的分析。
【關(guān)鍵詞】 10kV配電網(wǎng) 接地方式 小電阻接地
引言:隨著大興新城城市建設(shè)和供電服務(wù)水平的快速提升,新城地區(qū)新建10 kV配電網(wǎng)主要采用電纜敷設(shè)方式供電;同時(shí)新城地區(qū)部分原有架空線路也隨道路建設(shè)實(shí)施入地工程。電纜線路的大量出現(xiàn),在提高線路輸送容量及供電可靠性的同時(shí),也導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)地電容電流迅速增加。大興新城地區(qū)現(xiàn)有110kV變電站10kV側(cè)均采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式,需要較大的消弧線圈補(bǔ)償容量以滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行需要。由于10kV配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中存在負(fù)荷變化大,故障停電次數(shù)多,操作頻繁等問(wèn)題,消弧線圈分接頭及時(shí)調(diào)整有困難,容易出現(xiàn)諧振過(guò)電壓等現(xiàn)象,從而影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行。為滿足地區(qū)電網(wǎng)快速發(fā)展需求,考慮到電力規(guī)劃建設(shè)的超前性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)大興新城地區(qū)開展10kV中性點(diǎn)接地方式研究,選擇符合實(shí)際需要的接地方式并推進(jìn)電網(wǎng)改造,具有重要的理論與實(shí)用意義。
一、配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式及其特點(diǎn)
目前10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式主要有兩種:經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地[3]。關(guān)于這兩種中性點(diǎn)接地方式的運(yùn)行特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[4-8]:
1.1中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地
消弧線圈是一個(gè)裝設(shè)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)的可調(diào)電感線圈,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),可以提供感性電流,用來(lái)補(bǔ)償單相接地的容性電流。采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式,在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí),利用消弧線圈的電感電流對(duì)接地電容電流進(jìn)行補(bǔ)償,使流過(guò)接地點(diǎn)的電流減?。?0A以下)到能自行熄弧范圍,因接地電流電容電流得到補(bǔ)償,單相接地故障并不發(fā)展為相間故障。按規(guī)程規(guī)定中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)可帶單相接地故障運(yùn)行2h,因此可有效提高配電網(wǎng)供電可靠性,但消弧線圈接地系統(tǒng)有如下缺點(diǎn):
(1)電網(wǎng)電容和消弧線圈電感電流在高頻下的特性是完全不同的,難以互相補(bǔ)償;系統(tǒng)諧波電流難以補(bǔ)償;經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)所有電氣設(shè)備的絕緣均按線電壓考慮,從設(shè)備制造方面來(lái)考慮,它的投資相對(duì)較大。
(2)接地線路和非接地線路流過(guò)的零序電流方向相同,故零序過(guò)流、零序方向保護(hù)無(wú)法檢測(cè)出已接地的故障線路,從而造成故障點(diǎn)查找時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)人口密集的供電區(qū)而言,結(jié)果會(huì)非常嚴(yán)重。
(3)一般來(lái)說(shuō),消弧線圈補(bǔ)償起始電流較大,不能滿足變電站初期投入消弧線圈的要求,當(dāng)變電站帶滿負(fù)荷后,系統(tǒng)電容電流較大,消弧線圈的補(bǔ)償電流又不夠,難以同時(shí)兼顧工程初期和工程終期的需要。
1.2中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地
中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地即是在中性點(diǎn)與大地之間接入較小的電阻,該電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路,可有效防止諧振過(guò)電壓和間歇性電弧接地過(guò)電壓。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),零序電流保護(hù)裝置可迅速、可靠地切斷故障線路,限制了單相故障向二、三相發(fā)展的可能。另外,小電阻接地裝置還具有運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于城市中心變電站采用小電阻接地方式,它的優(yōu)越性還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)經(jīng)小電阻接地這種接地方式可以降低弧光接地過(guò)電壓倍數(shù),破壞諧振過(guò)電壓發(fā)生的條件。發(fā)生單相接地故障時(shí),可以準(zhǔn)確迅速地判斷出故障線路,并在很短的時(shí)間內(nèi)切除,使設(shè)備耐受過(guò)電壓的時(shí)間大幅度縮短,為系統(tǒng)設(shè)備降低絕緣水平創(chuàng)造有利條件,使系統(tǒng)運(yùn)行可靠性增加。
(2)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地配網(wǎng)系統(tǒng),當(dāng)中性點(diǎn)電阻阻值不是很大時(shí),接地電弧熄弧后,零序殘荷將通過(guò)中性點(diǎn)電阻提供的通路泄放,當(dāng)發(fā)生下一次燃弧時(shí),其過(guò)電壓幅值和從正常運(yùn)行情況發(fā)生單相接地故障時(shí)的情況相同,并不會(huì)象中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),由于多次燃弧、熄弧而使過(guò)電壓幅值升高,從而造成10kV系統(tǒng)瓦解。
(3)對(duì)于消弧線圈接地方式,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),目前是采用選線裝置來(lái)尋找故障線路,這種方式很不準(zhǔn)確,而且易引發(fā)其它故障(如相間故障);采用人工巡檢手動(dòng)點(diǎn)掉再重合,逐路拉試,影響供電可靠性。采用小電阻接地后,可以自動(dòng)巡檢通過(guò)繼電保護(hù)及時(shí)將故障線路跳開,切除故障,保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。
二、大興新城基本情況及電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃
2.1大興新城的發(fā)展定位
大興新城位于大興中北部地區(qū),規(guī)劃用地規(guī)模約163平方千米,其中規(guī)劃建設(shè)用地面積約為6500公頃。大興新城基本包含了地區(qū)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的行政中心、居住集散地、產(chǎn)業(yè)用地以及備用發(fā)展地。根據(jù)大興新城規(guī)劃,未來(lái)將在大興新城范圍內(nèi)構(gòu)建“一心六片三組團(tuán)”的城市空間結(jié)構(gòu),是地區(qū)政治經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展核心地區(qū),也是首都南部發(fā)展極點(diǎn)地區(qū)。
2.2大興新城電網(wǎng)規(guī)劃
大興新城現(xiàn)有110kV變電站10kV出線主要有電纜和架空兩種,10kV中性點(diǎn)均采用經(jīng)消弧線圈接地方式。10kV電纜網(wǎng)主要采用雙射式結(jié)構(gòu),還有少數(shù)單射式結(jié)構(gòu);架空網(wǎng)主要是多分段部分聯(lián)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)規(guī)劃,大興新城地區(qū)新建110kV變電站終期均安裝3臺(tái)主變壓器,每臺(tái)變壓器容量均為50MVA,110kV主接線采用3電源進(jìn)線擴(kuò)大橋接線,可滿足一路電源進(jìn)線或一臺(tái)主變故障時(shí)的N-1要求,即使在N-2情況下也可滿足部分重要用戶供電[1],10kV采用6分段環(huán)形接線,每段母線有7回出線。
根據(jù)區(qū)域重要性和電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn),大興新城被定為B類供電區(qū)域[2]。為保證新城地區(qū)供電可靠性,地區(qū)新建10kV中壓配電網(wǎng)推薦使用電纜線路,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)接線方式[2]。
三、大興新城地區(qū)10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇3.1 現(xiàn)狀10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)
目前,大興新城內(nèi)110kV變電站10kV側(cè)均采用消弧線圈接地方式,均為自動(dòng)調(diào)諧型。消弧線圈接地系統(tǒng)在運(yùn)行中暴露出來(lái)的問(wèn)題主要如下:
(1)隨著新城10kV電纜線路長(zhǎng)度的增加,系統(tǒng)的容性電流迅速增加,部分變電站存在著消弧線圈補(bǔ)償容量不足、甚至欠補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。
從表1中可以看出,新城內(nèi)的變電站10kV母線容性電流已經(jīng)接近、達(dá)到甚至超過(guò)了消弧線圈所能補(bǔ)償?shù)淖畲蟾行噪娏鳌槭瓜【€圈能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)補(bǔ)償并具有一定的調(diào)節(jié)裕度,需要繼續(xù)增大接地變壓器和消弧線圈的容量,然而,繼續(xù)增加消弧線圈的容量已經(jīng)十分困難。
(2)由于控制系統(tǒng)故障造成調(diào)檔失敗,有的裝置在發(fā)生故障后不能在短時(shí)間內(nèi)排除,只好運(yùn)行在手動(dòng)模式,失去了自動(dòng)調(diào)諧的優(yōu)勢(shì)。
(3)在發(fā)生單相接地故障后,由于控制系統(tǒng)未及時(shí)將串接阻尼電阻短接,造成熔斷器熔斷;待系統(tǒng)恢復(fù)正常后,又因?yàn)樽枘犭娮锜o(wú)法自動(dòng)投入運(yùn)行,引起中性點(diǎn)位移電壓偏移嚴(yán)重,系統(tǒng)誤發(fā)接地信號(hào)。
3.2地區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇
(1)采用消弧線圈接地方式??紤]到大興新城地區(qū)未來(lái)10kV線路將全部采用電纜敷設(shè)方式,且目標(biāo)網(wǎng)架為雙環(huán)網(wǎng)或單環(huán)網(wǎng)[A2],電網(wǎng)發(fā)展后期每段10kV母線容性電流均達(dá)到200A以上,需要配置1200kVA以上容量的消弧線圈,這將極大提高變電站建設(shè)成本,也為站內(nèi)設(shè)備布置帶來(lái)麻煩;同時(shí),消弧線圈在電纜網(wǎng)系統(tǒng)中的使用,更為設(shè)備及人身安全帶來(lái)隱患。
(2)采用小電阻接地方式。對(duì)于中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),當(dāng)單相接地故障電流達(dá)到100A時(shí),宜采用經(jīng)低電阻接地方式[9]。鑒于大興地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃定為,綜合考慮北京城區(qū)變電站已經(jīng)采用小電阻接地方式運(yùn)行多年,積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),本文建議在大興新城地區(qū)逐步實(shí)施110kV變電站10kV中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)改造工作。
四、系統(tǒng)改造設(shè)備安裝及保護(hù)配置
4.1小電阻接地設(shè)備安裝及其位置
由于大興新城地區(qū)110kV變電站均采用變壓器Yn,d11接法,10kV側(cè)沒(méi)有中性點(diǎn)引出,因此必須配備接地變壓器。接地變壓器的功能是為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)引出一個(gè)中性點(diǎn)。通常接地變壓器為曲折形繞組聯(lián)結(jié)法的Z型變壓器,在中性點(diǎn)處引出中性點(diǎn)套管,加裝接地電阻或消弧線圈,其聯(lián)結(jié)圖如下所示:
在采用小電阻接地方式的電網(wǎng)中,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),通過(guò)接地電阻器的故障電流一般在 100A~2000A 之間,接地電阻器的阻值由電網(wǎng)電壓等級(jí)和設(shè)定的故障電流決定,阻值一般小于 20接,由特定形狀的電阻片單元通過(guò)串、并聯(lián)方式組合而成,以滿足電網(wǎng)的要求。
4.2 變電站內(nèi)一次設(shè)備及保護(hù)配置
原有站內(nèi)消弧線圈控制柜掛所內(nèi)變共用一個(gè)開關(guān)柜,在進(jìn)行小電阻接地系統(tǒng)改造時(shí),需要將小電阻接地系統(tǒng)控制柜與所內(nèi)變控制柜進(jìn)行分離(根據(jù)站內(nèi)實(shí)際情況采取增加開關(guān)柜或者將10kV饋線柜改造的形式),同時(shí)安裝方式需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地后,保護(hù)配置原則如下:4.2.1接地變安裝于10kV分支處
接地變安裝于10kV分支處,且必須滿足以下條件:
(1)主變高壓側(cè)為單母線分段或線路變壓器組接線形式,具有高壓側(cè)主開關(guān);(2)主變?yōu)槎碜儔浩鳎唬?)接地變無(wú)二次線圈,或二次引出線短路時(shí)不會(huì)引起主變差動(dòng)誤動(dòng);(4)10kV系統(tǒng)發(fā)生主變差動(dòng)范圍之外的接地故障時(shí),差動(dòng)保護(hù)中的不平衡電流不足以使差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)掉閘。
在滿足以上條件時(shí),保護(hù)配置可按以下原則配置:
(1)接地變CT不接入主變差動(dòng)回路;(2)配置三相兩段式定時(shí)限相間過(guò)電流保護(hù),接地變保護(hù)動(dòng)作于變壓器總出口;(3)配置三段式定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù),采用專用零序CT。一段跳本變壓器相鄰分段;二段跳變壓器10kV主斷路器,并閉鎖相鄰分段自投(不考慮主變差動(dòng)范圍內(nèi)接地故障造成二段動(dòng)作后閉鎖自投引起的母線停電);三段跳變壓器總出口。
4.2.2接地變安裝于10kV母線處
接地變安裝于10kV母線處,對(duì)于110kV側(cè)為橋形接線時(shí),為不擴(kuò)大故障范圍,適用接地變安裝在10kV母線處,其它接線形接地變亦可安裝于10kV母線處,但對(duì)于單母線分段而言,安裝于10kV母線處則不夠經(jīng)濟(jì)。保護(hù)配置原則如下:(1)配置三相兩段式定時(shí)限相間過(guò)電流保護(hù)(2)接地變接于10kV母線時(shí),接地變?nèi)鄡啥问蕉〞r(shí)限相間過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作于對(duì)應(yīng)母線的變壓器總出口;(3)接地變接于10kV母線時(shí),應(yīng)配置兩段式零序電流保護(hù):一段跳相鄰分段;二段跳變壓器10kV主斷路器,并閉鎖相鄰分段自投。
4.3 10kV饋線設(shè)備及保護(hù)配置
對(duì)10kV饋線柜,每臺(tái)需要增加一只零序CT,10kV電容柜分別增加兩只零序CT,10kV所內(nèi)變柜各增加一只零序CT,同時(shí)將其零序電流接入該站原有保護(hù)裝置。
10kV饋線全部采用外附零序電流互感器。
10kV饋線配置零序時(shí)限速斷和零序過(guò)流保護(hù)裝置,采用微機(jī)型保護(hù)裝置的變電站,加裝外附零序回路,投入微機(jī)零序時(shí)限速斷和零序過(guò)流保護(hù)。
新建和改造變電站的10kV系統(tǒng),應(yīng)配置二相CT和外附零序CT,并采用零序?qū)崿F(xiàn)速斷和零序過(guò)流保護(hù)的微機(jī)型保護(hù)裝置。
4.4開閉站、配電室設(shè)備及保護(hù)配置
對(duì)每臺(tái)進(jìn)線柜、饋線柜需增加一只零序CT,若柜內(nèi)原來(lái)已有零序CT,但CT廠家不屬于電力公司框架內(nèi)廠家,或者CT沒(méi)有通過(guò)測(cè)試,則酌情增加所需更換零序CT數(shù)量。
如果開閉站(配電室)現(xiàn)狀保護(hù)裝置為微機(jī)型保護(hù),則原10kV進(jìn)線保護(hù)裝置繼續(xù)使用,10kV進(jìn)線小電流接地選線功能改為零序電流保護(hù)并閉鎖10kV分段自投;原10kV出線保護(hù)裝置繼續(xù)使用,10kV出線小電流接地選線功能改為零序電流保護(hù),保護(hù)動(dòng)作于跳開本柜斷路器;同時(shí)原來(lái)保護(hù)裝置軟件版本隨本工程升級(jí)為最新版本。如果開閉站(配電室)現(xiàn)狀保護(hù)為電磁型保護(hù),則將其更改為微機(jī)型保護(hù)裝置,進(jìn)線及饋線設(shè)置零序保護(hù)即可。
五、改造過(guò)程中需要注意的問(wèn)題
由于中性點(diǎn)接地方式的改變涉及的問(wèn)題較多,需要從電網(wǎng)規(guī)劃階段全面考慮各種因素,科學(xué)規(guī)劃,循序漸進(jìn),為大興地區(qū)10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)改造及電網(wǎng)可靠運(yùn)行創(chuàng)造有利條件[10-14]。(1)明確供電區(qū)域。在新城地區(qū)采用小電阻接地系統(tǒng)后,大興電網(wǎng)將面臨消弧線圈接地和小電阻接地系統(tǒng)并存的情況,需要對(duì)采用小電阻接地系統(tǒng)的變電站及其供電區(qū)域進(jìn)行研究,明確兩種系統(tǒng)的分界面和交叉點(diǎn)。(2)配電設(shè)備提前規(guī)劃。由于負(fù)荷需求的快速增長(zhǎng)及變電站建設(shè)的滯后,地區(qū)內(nèi)存在許多跨供電區(qū)域供電的情況,在明確小電阻接地的供電區(qū)域后,應(yīng)對(duì)在此區(qū)域內(nèi)的配電設(shè)施提前進(jìn)行規(guī)劃,配置相應(yīng)零序保護(hù)裝置或者預(yù)留將未來(lái)進(jìn)行保護(hù)改造的空間,在變電站建成后迅速完成負(fù)荷導(dǎo)入和供電分區(qū)重新劃分工作。(3)負(fù)荷接入控制。變電站建成后負(fù)荷接入通常包括兩種情況:一種是將其他變電站供電負(fù)荷切改至新建站,另一種是為用戶新出線路。為保證經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,應(yīng)對(duì)負(fù)荷接入進(jìn)行一定的控制。對(duì)于切改至新建站的負(fù)荷,不可采用架空線路供電;新建配電線路均需采用電纜線路。(4)配電網(wǎng)互聯(lián)。為提高10kV配網(wǎng)供電可靠性,通常在110kV變電站間有一條或者多條10kV聯(lián)絡(luò)線路,在必要的時(shí)候一座變電站的負(fù)荷可通過(guò)相鄰另一座或者多座變電站帶出。由于大興地區(qū)目前10kV配網(wǎng)中性點(diǎn)均采用經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),因此在出現(xiàn)小電阻接地方式后,應(yīng)考慮配電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來(lái)的問(wèn)題。
六、結(jié)論
隨著電纜網(wǎng)供電容量及供電范圍的擴(kuò)大,大興新城地區(qū)現(xiàn)有中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足運(yùn)行需要。通過(guò)對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)的比較,本文建議在大興新城地區(qū)選擇小電阻接地方式,并逐步開展系統(tǒng)改造工程,以滿足負(fù)荷增長(zhǎng)及電網(wǎng)發(fā)展需要。為確保中性點(diǎn)接地系統(tǒng)改造工程的順利實(shí)施,在改造過(guò)程中對(duì)設(shè)備安裝及保護(hù)配置需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)需要對(duì)改造過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行必要的研究和準(zhǔn)備。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 大興地區(qū)網(wǎng)格化配電網(wǎng)規(guī)劃.大興供電公司 2013.8.
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