中国水利水电第三工程局有限公司 张富斌 赵培豪
国内10kV 电力系统最早采用的接地方式即为中性点不接地方式。自法拉第发现电磁感应原理以来,电力系统已经有了百余年的发展,10kV 配电网络为了提高其系统稳定性,分别采用中性点经消弧线圈以及中性点经小电阻接地。在单相接地故障发生时,剩余电流大于10A 的情况下,采取中性点经消弧线圈作为接地方式[1]。不过,这种接地方式存在明显的优缺点。
优点1:当发生单相接地时,三相导线间线电压仍然平衡,电源的可靠性将得到提高;通常故障时间可以持续2h,给倒切线路和检修提供了充足的时间。
优点2:若发生单相接地故障,则无故障相线路相电压基本不会升高,因此对设备的绝缘要求没有前者高,可以一定程度上减少系统的投资成本;小电阻接地系统发生单相接地故障时,零序过流保护装置可以迅速动作,对故障进行隔离。
缺点2:不论单相接地故障是永久或暂时的,均能引起零序保护动作,大幅提高系统的跳闸次数,降低了系统的稳定性,使其用户端用电可靠性大幅下降;若零序保护装置发生故障导致保护拒动,较大的接地电流会使得接地点附近的绝缘受到更大的损害,引发相间短路或其他更严重的事故,导致事故范围扩大。
缺点1:当发生单相接地故障时,无故障相电压将上升到线电压,对设备的绝缘有一定的要求,提高了投资成本;选线设备和精度不高,需要手动操作。
如果采用小电阻接地,则根据系统参数匹配适合的小电阻作为接地过渡,零序电流保护可迅速解决在20Ω 以下的单相接地问题。
当配电网正常工作时,该系统可以动态实时监测中性点的运行状态。其工作原理是通过测量中性点的电压和通过消弧线圈的电流来实现的。当测量数据改变时,设定消弧线圈的电感值,再由电路式求出配电网络的容量。
当发生瞬时性单相接地故障时,零序电压小于保护装置整定值,控制器可对消弧线圈进行调节,使其电感能电流够与系统故障点的电容电流相匹配,电弧熄灭,系统恢复正常运行状态[2]。
当发生永久性单相接地故障时,如果调节电感后故障电流仍然存在,不需要立即连接并联电阻器,这样可以控制故障的恢复速度,并保证瞬时故障的自动恢复。经过一段时间的观察,一般为10s,如果零序电压保持不变,则判定故障为永久性接地故障,则可以连接并联电阻器,产生的大电流使得零序过流保护瞬间切除故障,有效避免谐振引起的虚拟接地故障。
用消弧线圈对地短路产生的电感电流可以达到消弧的目的。当消弧线圈完全补偿时,所产生的电感电流与电容电流幅值相同,方向相反。这样既能消除接地短路电流,又可以通过灭弧规避相间短路的风险,又能防止突然断电。采用消弧线圈,能有效地消除因接地故障而产生的弧光过电压,并能有效地解决配电网络中的谐振问题。消弧线圈是6kV至66kV 配电网中解决单相接地故障的一种有效方法。消弧线圈接地电路图如图1所示。
图1 消弧线圈接地电路
由于消弧线圈的接地补偿会使得接地支路和非接地支路的工频零序电流特征没有差别,从而使得经消弧线圈接地的系统选线极为困难。
中性点采用小电阻并联消弧线圈接地,这是一个“改进”的接地方法。中性点经消弧线圈接地方式下的故障选线精度因常规选线机的限制而不能满足要求。新的接地系统包括变压器、消弧线圈、小电阻、高压接触器、控制面板等。
在单相瞬时性接地故障时,采用测量电流的方法,对消弧线圈进行补偿。消弧线圈产生的电感电流用于补偿瞬时接地,从而熄灭电弧,自动消除接地故障,使其恢复正常工作状态。这种现象与消弧线圈接地时的中性点动作逻辑基本一致。
采用并联可控低阻输入,选线更快更准确。该方法解决了中性点通过消弧线圈接地时选线困难的缺陷,根据测量值准确快速地切除故障回路,避免非故障相断电,提高了系统的稳定性。
经论证可以看出,通过中性点经消弧线圈瞬时并联低电阻接地有很多优势。与简单的小电阻接地相比,此方法可以减少单相接地引起的跳闸。与经消弧线圈接地方式相比,可以快速准确地选择接地故障线路,达到跳闸的目的。
这种接地方法的缺点是接地电阻很小。如果零序保护不能正常工作,则会导致零序备用保护越级动作,从而增加故障范围。如果发生高电阻接地,保护将失效。过大的接地电流会对接触点和相邻绝缘造成极大的危险,从而导致相间故障。过大的故障电流也会导致高压接触器和受控的低电阻烧毁。
为了限制单相接地电流,两个接地变压器不得并联运行,即如果两段母线并联安装,则只允许一组接地变压器保持运行,另一组接变压器应停止工作。两段母线共用一套接地变压器。在主副接地变系统中,1号接地变压器转为备用,断开1号接地变压器的中性点开关即可,使1号接地变压器不具备接地作用,但仍可用作副变压器。如1号主变压器在大修时,10kV 1M、2M 并联,仅2号主变压器仍能正常工作。10kV 1M、2M 母线共用两台接地变压器。在这种情况下,如果出现单相接地故障,则正确的操作逻辑是2号接地变压器的并联可控小电阻进入工作状态,而1号接地变压器的并联可控小电阻不能正常工作[3]。
为避免母线并联时,两台并联的可控小电阻因两台接地变压器的并联工作而同时投入使用。只有一台接地变压器的小型并联可控电阻器能够打开或关闭,而禁止投入另一台接地变压器的小型并联可控电阻。
结果表明,零序PT 与接地变压器侧相连。在单相接地故障时,零序PT 会产生零序电压,造成两组ECU 对并联工作方式的误判,仅1号接地变压器并联可控小电阻开始工作。造成此现象的主要原因是由于零序PT 接线位置不当,使控制设备在并联状态下的计算错误。现在有两个办法。一是将零序PT 从中性点切换到消弧线圈,并将其与接地变压器相结合,从而基本解决了故障。二是对于未完成上述方案的接地变压器,如果需要断开接地变压器的中性开关,必须断开接地网变压器的中性零序电压二次电路。如果安装了零序电压二次空气开关,当接地变压器的中性开关打开时,空气开关必须同步断开。
变电所10kV 线路高电阻接地,小电阻可控并联控制设备正确投入运行。然而,零序电流不能满足零序保护的要求,导致保护无法正常实现。根据预设的控制逻辑,控制设备会频繁投送并联可控小电阻,但故障仍然存在[4]。由于并联可控小电阻在一段时间内连续投退多次,通过大量故障电流,产生大量热量和烟雾,引发火灾。主要的解决方法包括:联系制造商,进一步完善高电阻接地过程中的操作逻辑,避免高电阻连接过程中频繁操作和产生热量和烟雾;在二次零序保护中,零序一级为跳闸,零序二级为报警。当高电阻接地的零序电流不能到达跳闸位置时,零序二级报警信号可以通知调度员手动断开接地线并将其绝缘,操作人员应立即赶到现场,帮助调度员手动断开接地线并修复并联可控小电阻。当出现发热、冒烟等异常情况时,暂停投入并联小电阻。
在此基础上,提出了一种基于Floyd 的故障定位方法。通过对接地故障后电流的矩阵计算,实现了对短路电流的准确描述,实现了线路故障的选线。
当输电线路发生接地故障时,电流通过最短的线路传输到地线,从而使地线上的电流快速增加。线路发出的电力启动时间与故障点之间的时间关系为:
式中,ti——电路电流变化的时间点;t0——接地故障的初始时间;tfi——故障期间电能通过的线路长度;v——电流的速度。
式(1)显示,在不同的故障位置,传输线的长度是不同的。在接地电流经过多个接点时,故障点的定位比较困难。从两个故障点经过的电流的时间计算出接地故障的时间,在时间上不会有很大的偏差。在不考虑故障点的情况下,其时间会有很大的波动。利用式(2),可以求出两个误点的线长。
式(2)中,LAf——从接地故障点到下一个故障测量点A 的距离;LBf——从其他线路到故障测量点B 的线路距离。
根据式(1),tA和tB表示为式(2)中的初始扭矩:
接地故障的准确时间如(2)和(3)所示:
通过分析,获得了AB 和AC 之间正确的接地故障点。
当配电网的两个节点处没有电流变化时,两个测量点处的电流流动时间为
基于此方法,可以将未计算出的公线作为可能的失效点,并对各节点进行计算,从而得出线路的失效位置。如式(4)到(6)所示,必须决定两种可能的错误位置,而这两种错误的位置可以由两种错误的计算而决定。多条输电线路在两个时间点传输电力所需的时间:
测点线长:
式(8)中,tAi——当在测量节点A 发生故障时电流通过第i 条传输线的时间;tBi——当测量节点B发生故障时,电流通过第h 条传输线时的时间。
采用矩阵法处理多条线路的接地故障,从多个可能的接地点获得测量点之间的间距矩阵:
式中,dij——相邻失效节点的导线长度;∞——两个相邻接地故障节点之间没有电阻干扰。
在接地故障的情况下,tmin是故障发生的最短时间,而其他线路的是通过导线后获得的。区别在于:
通过计算时间,可以快速确定线路的接地故障点,为以后的维护提供了方便。
本文介绍了一种新型的恒流源控制系统。方案以消弧线圈为基础,利用小并联电阻进行完整的控制,可有效地弥补传统的接地方法无法对剩余电流进行适当的补偿;利用Floyd 方法中的精确定位功能可以有效地解决传输线路上的接地故障点位置不准确的问题。实践证明,此方法较比传统方法更为有效。
将有源消弧技术和低电阻技术相结合,实现短路电流的过补偿,从而提高输电线路的稳定性。基于接地模式,采用Floyd 故障定位算法进行故障定位,实现网络运行状态的实时调试和后期维护。在测试过程中,由于该装置经常更换消弧线圈,电阻小,成本高,无法实现单线接地误差的电流补偿,因此需要进一步研究。