小电阻接地系统的方案设计及应用

2012-09-22 04:05许加柱车红卫罗隆福张志文
电力科学与技术学报 2012年2期
关键词:跨步电压罗家过电压

杨 俊,许加柱,车红卫,罗隆福,张志文

(1.湖南省电力公司 长沙电业局,湖南 长沙 410015;2.湖南大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082)

20世纪80年代以前,中国的城市配电网是以架空线路为主的放射型结构电网,10kV城市配电网多采用中性点不接地系统的运行方式[1-3].但随着城市配电网的不断扩大和发展,传统不接地系统已无法满足发展需求,中国大部分城市配电网广泛采用了中性点经消弧线圈的接地系统[4-5].近年来,随着城市化进程的加速,受城区美化、环保和场地等的约束,城市配电网大量采用以电力电缆为主、架空线路为辅的电网结构,当系统发生单相接地故障、容性电流超过10A时,无法熄灭接地电弧,给配电网及人身安全带来严重威胁.因此,在北京、上海、广州、深圳等经济发达地区已广泛采用小电阻接地系统,以取代消弧线圈接地系统[6-7].目前,长沙市10 kV配电网中大部分采用消弧线圈接地系统,由于部分变电站的电力电缆出线增多,接地变压器及消弧线圈的容量面临不足,迫切需要进行改造[8].

针对上述现状,对小电阻接地系统与消弧线圈接地系统进行比较,笔者以长沙市罗家嘴变电站为研究对象,对该站10kV系统的小电阻接地系统总体方案设计进行研究,对小电阻的阻值选取和接地变压器容量的计算进行分析,对该站现有的消弧线圈接地系统进行改造,并重点对小电阻接地系统单相接地故障情况下故障点的跨步电压进行实测和计算分析,为小电阻接地系统在长沙市10kV配电网中的推广应用奠定基础.

1 2种接地系统的对比

小电阻接地系统与消弧线圈接地系统的优、缺点对比如表1所示.小电阻接地系统更适用于大量采用电力电缆的变电站,且同时可有效降低单相接地故障的过电压水平.

表1 电阻接地方式与传统消弧线圈接方式优、缺点对比Table 1 Disadvantages and advantages of low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system

2 罗家嘴变电站小电阻接地系统的总体方案设计

2.1 罗家嘴变电站的概况

新建的罗家嘴110kV变电站的10kV系统采用单母线分段接线,10kV母线共24回出线,目前只有4回出线带负荷运行,其余备用.现阶段每段母线容性电流不大,若24回电力电缆出线均投入运行,则系统的容性电流将十分可观.根据现有4回容性电流估算,24回电力电缆出线均投运后,系统总容性电流IC≈100A.接地系统改造前,接地变压器的容量为630kV·A.

2.2 小电阻的阻值选取

采用中性点经小电阻接地时,电阻值的选取必须根据电网的实际运行情况,综合考虑限制弧光过电压倍数、保护灵敏度及人身安全等因素.

1)限制弧光过电压倍数.

中性点经小电阻接地可以有效降低配电系统弧光接地的过电压水平,从而保证配电系统电力设备的安全运行.根据过电压模拟试验及实际运行经验表明[9],弧光过电压水平与电阻的额定通流IR及系统容性电流IC的关系为

①当IR≈IC时,过电压水平降到2.5p.u.;

②当IR≈2IC时,过电压水平降到2.2p.u.;

③当IR≈4IC时,过电压水平降到2.0p.u.;

④当IR>4IC时,降低过电压水平的效果不明显.

综合限制弧光过电压水平和设备的经济性,罗家嘴变电站的接地电阻通流水平选择:IR=4IC=400A,接地电阻终选取15Ω,额定通流时间按10s考虑,可将单相接地故障的弧光过电压水平限制在2.0p.u.范围内,满足系统对过电压水平的要求.

2)保护灵敏度.

当10kV配电网某一相发生单相接地故障时,求得接地故障电流:

式中 I0为故障相电缆的容性电流.由于I0相比总的容性电流IC可忽略不计,因此,式(1)可简化为

结合上述接地电阻的选择和式(2),接地故障可高达400多安培,完全满足保护灵敏度的要求.目前,城市配电网变电站的微机保护都有零序保护功能,且启动电流值比较小,单相接地故障电流远大于每条线路对地容性电流,一般都能满足零序保护的灵敏度要求.

3)人身安全.

从人身安全角度考虑,中性点接地电阻的通流越小越安全.当采用小电阻接地系统后,发生单相接地故障时,必然使得故障点的接地短路电流很大,故障点电位升高,极有可能造成跨步电压超过允许值,对人身安全构成威胁.因此,采用小电阻接地系统时,对跨步电压的分析计算还待进一步开展研究.目前,中国现有采用小电阻接地系统的城市中,还未出现因跨步电压和接触电势过高引起人身伤亡报告.

2.3 接地变压器的容量计算

对于城市110kV变电站的主变压器多采用110kV/10.5kV,Yd1或Yd11联接组,10kV侧采用三角形接线,没有中性点,必须人为构造一个中性点,一般多采用Z型接线的接地变压器,其接线方案如图1所示,小电阻RN接入接地变压器的中性点.Z型接地变压器对正、负序电流呈现高阻抗特性,相当于激磁阻抗,而对零序电流,由于同一心柱上2个绕组的零序磁通相互抵消,相当于漏抗,呈现低阻抗特性,因此,通过接地电阻的电流即为零序电流分量.

图1 接地变压器接线示意Figure 1 Grounding transformer connecting diagram

依据IEEE-C62.92.3标准[10],接地变压器的10s允许过载系数为额定容量的10.5倍,因此,首先需要计算出10s情况下接地变压器的额定容量.结合罗家嘴变电站的现状及上述有关小电阻技术参数的选取,求得接地变压器额定容量:

式中 接地变压器的额定相电压U2φN=6.06kV,IR=400A.可计算求得10s短时运行的额定容量为2 424kV·A,再将其折算至连续运行时的额定容量SN=S10.5/10.5=231kV·A.因此,罗家嘴变电站10kV系统选取额定容量为231kV·A的接地变压器即可满足系统的要求,改造前630kV·A的接地变压器容量无需更换.

2.4 运行现状

目前,罗家嘴变电站的小电阻接地系统已运行6个多月,运行状态良好,改造后的接地电阻和接地变压器示意分别如图2,3所示.

图2 接地小电阻Figure 2 Low grounding resistance

图3 接地变压器Figure 3 Grounding transformer

3 罗家嘴变电站小电阻接地系统应用研究

3.1 小电阻接地系统单相接地故障试验方案

为了解小电阻接地系统中单相接地故障发生时的跨步电压情况,考虑在罗家嘴变电站10kV出线上人为设置单相接地故障,采用HIOKI多功能质量分析仪及时采集以故障点为圆心的电势分布情况,从而计算接地故障点的跨步电位差.

单相故障点分别设置在罗家嘴变电站10kV靳江线(架空线为主)的负荷首端009#杆、负荷末端037#杆,每处模拟单相对横担和单相对地短路2种故障类型,短路点测试示意如图4,5所示.测试主要仪器设备为HIOKI多功能质量分析仪.

3.2 小电阻接地系统单相接地故障跨步电压数据分析

由HIOKI3196电能测量分析仪对短路二次侧电压进行录波,对波形数据进行处理,得到跨步电压的实测值,如表2所示.

对比表2中数据可知,发生单相接地故障时故障点周围跨步电压较大,而且对地直接短路的跨步电压远大于单相对横担短路的跨步电压.这是由于单相对地直接短路的故障相电压较大造成的.而故障相电压的大小为过渡电阻与接地电流的乘积,其值与诸多因素有关.对于罗家嘴变电站小电阻接地系统,单相接地故障点4m以外的跨步电压已经处于人身安全电压范围之内,4m以内还需要采取防范措施,防止单相接地故障跨步电压过大造成人身伤害.可考虑在塔杆装设接地极或在塔杆周围土壤中添加增阻剂,使跨步电压快速下降,或设置一定的安全距离,以防出现人身安全问题.

图4 单相对横担短路点测试示意Figure 4 Single-phase grounding fault test diagram

图5 单相对地短路点测试示意Figure 5 Single-phase grounding fault test diagram

表2 单相短路故障时的跨步电位差实测数据Table 2 Step potential testing data of single phase fault V

4 结语

随着中国城市化进程的加速,城市配电网中广泛采用电力电缆,使得系统中的容性电流急剧增加,传统采用消弧线圈接地系统的补偿容量已无法满足系统要求.笔者通过对比小电阻接地系统和消弧线圈接地系统各自的优、缺点,结合罗家嘴变电站的实际状况,对现有的消弧线圈接地系统进行改造,采用小电阻接地系统;对小电阻接地系统的总体方案进行了设计分析,并在变电站改造完成后进行了分析.

1)接地小电阻的选型,须从限制弧光过电压、继电保护的灵敏度及人身安全多个角度进行综合考虑,随着系统容性电流的不断增大,小电阻的阻值将会不断下降,通流能力要求越高,必然会对小电阻的材质提出更高的要求.

2)采用小电阻接地系统后,相比传统的消弧线圈接地系统,接地变压器连续运行的额定容量将大大降低,有利于节约成本,对于改造项目无需另外增加接地变压器.

3)采用小电阻接地系统后,母线单相接地保护的整定值及动作时间需与各馈线零序保护相配合.

4)采用小电阻接地系统后,发生单相接地故障时故障点周围跨步电压较大,而且对地直接短路的跨步电压远大于单相对横担短路的跨步电压.对于罗家嘴变电站小电阻接地系统,4m以外的跨步电压已经处于人身安全电压范围之内.

5)采用小电阻接地系统后,可考虑在塔杆装设接地极或在塔杆周围土壤中添加增阻剂,使跨步电压快速下降,或设置一定的安全距离,以防出现人身安全问题.

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