长电缆对地分布电容对控制回路的影响分析及解决方案

林祥辉,王 皓,邵安海

(国网福建超高压公司,福州 350011)

0 引 言

福建电力公司管辖一座常规直流站,占地面积较大。该站采用集中控制方式,站内控制保护集中布置于主控楼及其周围小室。现场设备均采用长电缆与控制保护设备进行连接通信,控制电缆屏蔽层仅在控制端接地,有效预防因屏蔽层和内部信号线间形成的线电容耦合,减少信号误判的可能。

目前,多地变电站对长电缆对地分布电容产生的影响做了一定的研究。吕军蓉等[1]针对梧州变电站冷却器全停试验动作不正确现象,分析了长电缆引起的容升效应导致控制继电器无法返回的问题,并提出更换继电器安装位置的有效方法;乔中伟等[2]借助二次电缆对地分布电容的测试数据及定量分析计算,发现了二次电缆对地分布电容会引起开关量的延迟变位,提出了减缓电缆对地分布电容对强电开入回路影响的有效措施;白皓[3]分析了主变发生直流失地后,长电缆容升效应引起的断路器误动作现象,并对此类跳闸事件的防范提出了建议。因此,长电缆对地分布电容导致控制功能失效的情况尤为突出[4]。本工作分析了对地分布电容对户外隔离开关及接地刀闸的电气闭锁回路的影响,试验分/合闸接触器的工作状态,测量实际对地电压;计算该回路可允许的最长电缆长度;以此探究电气闭锁回路中刀闸启停按钮失灵的问题。

根据现场实际情况,本工作提出了一种有效措施,将电气闭锁回路接点进行调换,从原电气闭锁接线的控制电源N 端整组调换至L 端,使急停按钮处于电源端与接触器之间,在按下急停按钮时,可将接触器与电源端有效隔离,防止其继续励磁。结果表明,该方法可直接解决因电缆过长导致对地分布电容过大,而使得分合闸接触器无法失电的问题,对电网安全稳定运行有着重要意义。

1 现象分析

1.1 站内接线方式

常规直流站可分为交流场和直流场。其中,滤波器场属于直流场,共有六大组滤波器组。以一侧#64M、#65M 和#66M 三大组滤波器组为例,每个大组包含3 个小组滤波器,如#64M 滤波器组包含5641、5642 和5643 这3 个小组,常规直流站滤波器组地理接线图见图1。

图1 常规直流站滤波器组地理接线示意图

图1 中虚线框分别为交流场和滤波器场。各个开关间隔控制回路由滤波器室内相对应的接口屏引出,通过长电缆接至各间隔对应控制端子箱。由图1 可知,5642、5641 和5663 这3 个滤波器小组间隔距离滤波器室较远,相应的控制电缆较长。

每个大组滤波器均采用单母线接线方式,以#66M 滤波器组为例,电气接线图见图2。

图2 #66M 滤波器组电气接线图

由图2 可知,该站500 kV 交流侧为3/2 接线方式。#66M 滤波器组由交流场GIS 室第5 串引出,并由3 个小组滤波器组成,分别为5661、5662 和5663 开关间隔。每个间隔设备主要包括1 对主/地一体化刀闸、1 个断路器和1 个接地刀闸等,如5661开关间隔包括1 对主/地一体化刀闸56611 刀闸和566117 接地刀闸、1 个断路器5661 开关和1 个接地刀闸566127 接地刀闸等。

1.2 异常情况分析

1.2.1 试验动作不正确现象

对滤波器场各滤波器组隔离开关、接地刀闸及母线地刀进行分/合闸急停试验,动作分/合即表示刀分闸/合闸。#64M、#65M 和#66M 滤波器组急停实测对地电压见表1～表3。

表1 #64M、#65M 和#66M 滤波器组动作分/合成功试验结果

表2 #64M、#65M 和#66M 滤波器组动作分/合失败试验结果

表3 #64M、#65M 和#66M 滤波器组母线地刀动作分/合失败试验结果

结合图1 和表1～表3 可知,滤波器场隔离开关56411、56421、56621 和56631 及母线地刀56417、56427、56517 和56617 急停控制操作失败。结果表明,距离滤波器室越远,各间隔隔离开关急停对地电压越高,当超过限制约为361 V 后,急停操作失败;随着距离增大,各间隔接地刀闸的急停对地电压也呈上升趋势,但急停动作依然可以成功;母线地刀动作全部失败,表明急停对地电压变化不大,基本一致。

1.2.2 异常情况判断

以#66M 滤波器组5663 开关间隔为例,隔离开关56631 的电气闭锁回路见图3。其中,X1 为二次屏柜端子排号,A1、B1 为接口屏编号。

图3 56631 隔离开关电气闭锁回路

由图3 可知,隔离开关56631、5663 开关间隔、566317 和566327 接地开关、#66M 滤波器组母线地刀及交流出线地刀构成电气闭锁回路。隔离开关56631 的二次电气闭锁回路见图4。

图4 隔离开关56631 二次电气闭锁回路

结合图1、图3 和图4 可知,控制电源L 端接回路正极。该电气闭锁回路由滤波器小室内两面接口屏引出控制允许接点;经过滤波器场开关端子箱的3 对闭锁节点;再经过母线PT 端子箱1 对地刀闭锁节点后,绕回交流场,取得出线地刀闭锁节点;最后,经过滤波场开关端子箱急停按钮,接至刀闸机构箱,回到控制电源N 端形成闭环。

整段闭锁回路中,急停按钮工作于长电缆最尾端,串联端子接口X1-3:6 至该间隔N 端。为了准确判断是否由于站内长电缆导致急停操作失败,将#66M 滤波器组所有隔离开关二次回路接线端X1-3:5 与X1-3:6 对调,对调后,急停按钮工作于该闭锁回路电缆首端,线路尾端为滤波器室引出的控制允许信号,重新进行试验,急停操作均成功,试验结果见表4。

表4 #66M 滤波器组试验结果

结合表1 及表4 可知,改接电气闭锁回路后,电压依然随着距离的增加而增加,但电压减小约140 V,#66M 滤波器组间隔急停操作全部动作成功。

结果表明,隔离开关的电气闭锁回路由滤波器室经过滤波器场,并绕回交流场后,再回到滤波器场。使用的电缆过长,导致回路对地分布电容增大;在回路被急停按钮切断时,回路对长电缆的对地分布电容进行充电。由于长电缆的对地分布电容较大,其充电电流也相应增大,电流在对地分布电容上产生电压降。实际测量发现,长电缆的对地电压在360～380 V 之间,接触器仍处于被励磁的状态,隔离开关继续执行操作,无法急停。

母线接地刀闸电气闭锁回路不仅经过滤波器场每个大组中3 个小组滤波器的开关端子箱,还绕回交流场后执行闭环,电缆长度较隔离开关更长。各开关间隔接地刀闸电气闭锁回路并不经过交流场,且急停动作均能成功,因此,不再对母线地刀及接地刀闸进行分析。

2 等效回路分析

长电缆对地分布电容抬高电压导致急停按钮失灵。针对回路全长可控变量的接触器,应测量其前后电压,再根据实测电容进行具体分析。

在三相回路中,长电缆对地分布电容示意图见图5[5],其中,ia、ib、ic为三相电容电流;XC为对地容抗。

由图5 可知,在三相回路中,每一相都存在1 组对地分布电容。

已知接触器线圈电阻为350 Ω,线圈电感为120.85 H。电缆对地分布电容与接触器线圈阻抗等效为一个RLC 串联电路,等效电路见图6[6]。

图6 RLC 等效电路图

根据等效电路的电流电压关系可得

式中:UC端电压为对地分布电容C的电压,V;U为电路两端电压,V;Z为等效阻抗,Ω;ω为角频率,等于2πf,f为频率;R为接触器电阻,Ω;XL为接触器感抗,Ω;XC为对地容抗,Ω。

在UC点测量回路对地分布电容,控制回路对地分布电容测量结果见表5。

表5 控制回路对地分布电容测量结果

由表5 计算的各间隔对地分布电容电压见表6。

表6 电压计算结果

结合表1、表2 和表6 的试验结果,可得实测电压与计算电压的变化曲线,见图7。

图7 实测电压与计算电压变化曲线

结合图1 与图7 可知,距离越远,电缆越长,电压的测量结果与计算结果均呈上升趋势。测量结果与计算结果的变化趋势相同,对应两者电压大小接近。结果表明,接触器的高电压是由于电缆存在较大的对地分布电容,其与接触器的阻抗串联形成RLC 回路,回路电压在等效电容上产生高电压。

3 工程最大电缆长度计算

为确定现场工程电缆的实际允许范围,施工前通常会在一定误差范围内进行理论计算。

对地分布电容参数工程上通常取λ=0.3 μF·km-1[7]。图6 等效电路关系为

式中:ZC为线圈阻抗,取R+XL,Ω;Ua为接触器线圈两端电压差,V;L为电缆长度,m;C为对地分布电容,μF。

电缆长度L与接触器阻抗及线圈两端电压的关系为[8]

式中:k为接触器最低返回电压与工作电压的比值,即k=Ua/U。

在工程实际应用中保留一定安全裕度的情况下,式(8)可简化为

采用保护测试仪对急停交流接触器进行测量。计算平均最低动作电压Uop,min、最小返回电压Ur,min。测得动作电压平均值为193.6 V,返回电压平均值为136.4 V,接触器最低返回电压Ur,min为136.4 V,即k=0.64,且线圈阻抗ZC为8.74 kΩ,则理论计算得到电缆敷设距离L最长为683.8 m。

试验隔离开关及接地刀闸电缆敷设长度见表7。

表7 各间隔电缆敷设长度

由表7 可知,在电缆长度不小于683.8 m 时,隔离开关56411、56421、56621、56631 的对地分布电容分别为135.22,135.23,136.4,134.72 nF,均不大于返回电压平均值,动作不返回,对控制回路产生明显影响,使得刀闸无法进行指令动作;而电缆长度小于683.8 m 时,不会对控制回路产生影响。

4 采取措施

基于上述异常分析,该直流站滤波器场的隔离开关和母线地刀控制回路异常是由于控制电缆长度过长,对地分布电容较大。开断控制回路后,电缆对地分布电容与控制继电器阻抗形成RLC 串联电路,在电源激励下对地分布电容抬升接触器N 端电压,导致接触器不能返回,从而导致急停按钮失灵。

针对长电缆对地分布电容对控制回路的影响,可采取以下措施。

1)将电气闭锁回路进行调换,从原接线的电源N 端整组调换至电源L 端,使急停按钮处于电源端与接触器之间,本案例即采用此种方式,解决急停按钮失灵的缺陷,改进后的56631 二次回路见图8。在按下急停按钮时,可将接触器与电源端有效隔离,接触器失去正电源,即RLC 回路失去激励源,接触器电源端不会产生电压,接触器得以返回。

图8 改进后的56631 二次回路图

2)更换返回电压更高的接触器,避开直流站内会产生的最大电容电压,使急停动作返回。

3)控制电缆用双芯并联,可利用备用芯并联以改善控制回路电缆分布电容参数,减小对地分布电容。

5 结束语

本工作对福建省常规直流站滤波器场隔离开关及母线接地刀闸急停失灵进行了分析。结果表明,长电缆对地电容与回路控制继电器形成串联RLC电路,在特定情况下控制接触器不返回,从而影响控制回路的正常控制;通过计算,研究了电力系统控制回路电缆长度对控制效果的影响,提出修改电气闭锁回路、选用动作电压较高的接触器、控制电缆双芯并联等措施,以改善控制回路参数,并执行第一种方案,从而提高控制回路可靠性,保证电力系统安全可靠运行。