变电站单相接地故障消除设备的研究

杨 莉

（江苏科能电力工程咨询有限公司）

0 引言

在电力系统中，单相接地故障在小电流接地系统中最为常见，是指三相电力系统中，仅在一相导体与地之间出现的绝缘破坏；而且发生单相接地故障时，大部分都是瞬时且可以恢复的。根据GB-T50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中3.1.3节规定“35kV、66kV系统和不直接连接发电机，当单相接地故障电容电流大于10A又需在接地故障条件下运行时，应采用中性点谐振接地方式；不直接连接发电机、由电缆线路构成的6～20kV系统中，当单相接地故障电容电流大于10A又需在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式。”可知，我国35kV及以下电网系统，中性点大部分采用谐振接地。当系统发生永久性的单相接地故障，如电缆内部出线单相对地绝缘击穿时，消弧线圈补偿系统电容电流流经故障点，当电弧熄灭故障相电压恢复时被破坏的电缆内部相对地绝缘不能恢复，会被再次击穿。这样重复击穿不断向故障点注入能量，逐步破坏故障点附近相间绝缘，最后可能导致电缆相间短路，造成事故扩大［1］。

另外节约用地是我国的基本国策，变电站的选址规模需满足国土空间规划用地指标。因此优化设备选择，即可以压缩变电站占地面积，减少土建投资，节约宝贵国土资源，又可以有效缩短设备间连线、站内管道、道路等长度，提高全寿命周期经济效益，符合国网提倡的绿色低碳建造精神。而常规接线变消弧线圈成套装置占地面积大，需通过电缆与接地变开关柜连接。

本文对两种消除单相接地故障设备各方面分析，对站址狭小或改造工程中，分析并探讨两种设备的改造措施。

1 接地变消弧线圈原理

某35kV接地变消弧线圈系统原理图如图1所示。

图1 某35kV接地变消弧线圈系统原理图

2 接地变消弧线圈成套装置布置型式

接地变消弧线圈成套装置通常为组合柜式，分户外和户内两种型式。目前江苏通用设计均采用户内布置，根据通用设备要求，户内35kV接地变消弧线圈成套装置外形尺寸为6100×3100左右，10kV户内接地变消弧线圈成套装置外形尺寸为1700～2100（深）×3000（长），常见的接地变消弧线圈成套装置如图2～图5所示。

图2 某10kV户内接地变消弧线圈成套装置俯视图

图3 某10kV户内接地变消弧线圈成套装置正视图

图4 某35kV户内接地变消弧线圈成套装置俯视图

图5 某35kV户内接地变消弧线圈成套装置正视图

接地变消弧线圈装置无法直接与低压母线直接连接，需在低压母线上配置接地变开关柜，通过电缆与接地变开关柜连接。

3 接地变消弧线圈优缺点

（1）降低瞬时性单相接地故障发展成永久性单相接地故障的概率。

（2）允许系统带故障运行2h，保障了系统供电可靠性。

（3）发生永久性接地时，可以运行一段时间，使用于不能停电的用户。虽然接地，非故障相电压升高，但是三相之间仍然平衡，在一些应急系统仍然使用。

（4）消弧线圈可以限制大部分的接地现象。由于其接地电弧偏小，电磁兼容性好，对通讯设备影响较小。

在《战争宣言》中，括号里齐唱的部分要表达的实际是“一旦下达作战命令就能马上提振士气、奔赴战场”的含义；几家西方媒体将其译为指称意义对等的“kill,kill,kill”看似是忠实于原文的翻译，但并未正确传达其情感意义，事实上是对文本进行了干涉，并不“客观公正”。

（5）缺点是系统绝缘水平要求要高。设备复杂，控制复杂，成本较高。

（6）与系统连接采用电力电缆，增加故障机率，安全可靠性不高。

4 单相接地故障管理系统原理

在中性点非有效接地系统中，需通过接地变压器引出一个中性点，该中性点串联高压可控硅后接地。电网正常运行时，高压可控硅将维持在不导通情况下工作。当电网发生单相接地故障时，随着接地变压器的中性点电位升高，装置中的主控制器检测到接地信号后触发高压可控硅导通，此时故障回路会流过一个短路零序电流，而在故障回路中的采集单元检测到所选择线路的数据后发送给主控制器，以便判断故障回路、故障类型及故障的时间等。然后根据单相接地故障的特点，再采用不同的处理故障方式，让脉冲式消弧线圈和触点消弧互辅工作，避免弧型事故，从而保证了系统的平稳运行。

检测到故障若为临时性接地故障，完成选线后立即启动脉冲式消弧线圈和触点消弧，用触点消弧来旁路接地电容电流和消弧线圈的暂态电感电流，触点消弧在当脉冲式消弧线圈实现补偿并稳定工作后立即退出，待故障消除后脉冲式消弧线圈再退出。由于触点消弧的真空接触器在开断时会产生操作过电压，而脉冲式消弧恰好可以限制其操作过电压，所以对于瞬时性接地故障或弧光接地故障，这种组合式的工作方式克服了传统的消弧线圈或触点消弧单一装置使用的弊端，更加有利于故障的快速解决，使装置的工作稳定性明显增强。

检测到故障若为永久性的单相接地故障，在选线后应立即启动触点消弧，将已经故障相直接接地，转换成单相接地，以满足国标规定的继续安全运行2h的要求，保障电网的安全运行。

某10kV单相接地故障管理系统原理图如图6所示。

图6 某10k V单相接地故障管理系统原理图

5 单相接地故障管理系统布置型式

单相接地故障管理系统包括真空断路器、电流互感器、干式接地变压器、干式消弧线圈、高压可控硅组、高能限流电阻、真空接触器、开关状态显控装置、主控制器和脉选信号采集单元；所述开关状态显控装置包括1号开关状态显控装置和2号开关状态显控装置；所述真空接触器包括1号真空接触器和2号真空接触器；真空断路器、电流互感器、干式接地变压器、高压可控硅组以及1号开关状态显控装置通过母排连接组成选线柜；干式消弧线圈、高能限流电阻、1号真空接触器、2号真空接触器以及2号开关状态显控装置通过母排连接组成选线柜处理柜；主控制器和脉选信号采集单元组成控制柜；选线柜和处理柜通过母排与相应电压等级开关柜连接；控制柜单独布置在变电站控制室内。

根据不同电压等级，柜子尺寸略微不同，与同等级开关柜尺寸相匹配。具体柜子尺寸如图7～图8所示。

图7 选线柜外形尺寸图

单相接地故障管理系统不需要设置开关柜，可直接与低压母线连接，通过母排与低压开关柜拼柜。

6 单相接地故障管理系统优缺点

单相接地故障管理系统综合了非有效接地系统和有效接地系统各自的优点，既有中性点非有效接地系统的高供电可靠性，又解决了弧光接地产生的较高过电压给设备绝缘造成的安全隐患问题。概括起来，该装置有如下技术特点：

（1）选线精准快速

主控制器采用高速DSP控制器，速度快稳定性强；当系统发生单相接地故障后，此时CPU将收集的零序电压、电流数据进行滤波、排序、判别、再进行多次的综合分析后，再将所有接地故障信息比如故障的时间、故障回路信号等送至显示屏显示。

（2）有效的故障处理

快速正确判别单相接地故障类型，并通过特殊的设计方法，使脉冲消弧线圈和触点消弧互相配合，互为保证，从而有效消除短路故障。

（3）电压全过程监测

可对系统持续运行电压、谐振过电压、操作过电压、雷电过电压等稳态、暂态冲击值进行及时监测和记录，接地报警功能也可设置延时报警，为用户分析电网的运行情况和确定故障因素时提供参考依据。

（4）不可兼做站用变

单相接地故障管理系统是通过母排与低压侧母线直接连接，仅能作为单相接地故障处理设备，不可兼做站用变使用，因此变电站需单独配置站用变。

（5）布置场地受限

单相接地故障管理系统是组合柜式结构，因与低压侧母线直接连接，仅能布置于户内。

7 案例分析

某220kV变电站主变增容改造，由原120MVA主变压器增容为180MVA主变压器。根据GB50229-2019《火力发电厂与变电站设计防火标准》11.5.4条文中规定“单台容量为125MVA及以上的油浸变压器、200Mvar及以上的油浸电抗器应设置水喷雾灭火系统或其他固定式磨灭或装置”［3］。国家电网有限公司设备部先后出台《变电站（换流站）消防设备设施完善化改造原则（试行）》、《变压器固定自动灭火系统完善化改造原则（试行）》等文件，125MVA规模以上新建或改扩建变电站采用水喷雾灭火系统。以致原站用变容量不满足主变增容后需求。本站前期10kV采用接地变消弧线圈接地，其消弧线圈容量为300，站用变容量为150kVA。主变增容后，站用变容量需500kVA，根据国网通用设备选型，改造后本站接地变消弧线圈需选择接地变1500kVA的接地变消弧线圈成套装置。根据通用设备尺寸，此设备外形尺寸为2200×3000mm。则接地变消弧线圈成套装置与对面开关柜之间的通道需压缩到1700mm。而根据DL／T5352-2018《高压配电装置设计规范》5.4.4条文中要求“设备单列布置时，最小操作通道需满足单车长＋1200mm”，通常10kV开关柜断路器手车长650mm，即650＋1200＝1850mm［4］。因此不满足规范要求。且设备基础，一次二次电缆进线位置均需改造，改造工程量较多。改造前开关室布置图如图9所示，改造后仍采用接地变消弧线圈布置图如图10所示。

图9 改造前10k V开关室平面布置图

图10 改造后10kV开关室平面布置图（采用接地变消弧线圈）

若采用单相接地管理系统，柜子深度可与前期开关柜保持一致，处理柜柜宽1000mm，选线柜柜宽1200mm，整体布置与前期匹配，不压缩开关柜的操作通道的距离。且基础基本不需要改造，因设备直接与开关柜母排连接，不需要改造一次进线孔。二次进线仅需增加2个小的开孔即可。增加的站用变，根据通用设备，10kV户内干式站用变尺寸为1800×1300mm，均可布置于前期接地变消弧线圈的场地内，仅需把前期接地变开关柜名称改为站用变开关柜即可，无需其他改造。改造后开关室平面布置图如图11所示。

图11 改造后10kV开关室平面布置图（采用单相接地故障管理系统）

8 结束语

单相接地故障管理系统结合了消弧线圈补偿法和触点消弧法的优点，能够快速准确的选出故障线路，并灵活有效解决故障。既保持了不接地系统的供电可靠性高的优点，同时也解决了单相接地引起电压升高导致设备绝缘性能的安全问题。且为了进一步提高供电设备的可靠运行，老旧变电站进行升级改造日益增多，单相接地故障管理系统因占地面积小，在改造工程中优势更突出，更适合狭小的空间布置，改造方案应根据变电站自身特点，权衡站用电系统改造风险综合比选，选择更安全、更合理的改造方案。本文探讨了两种非有效接地系统的装置的特点，为一些创优、创新及改造工程提供参考。