接地電容電流

1、摘要：隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展，變電站10kV出線中電纜所占比重越來越高，導(dǎo)致10kV系統(tǒng)的電容電流越來越大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)程規(guī)定的10A（10kV為架空線和電纜線混合的系統(tǒng)）。因此需要在10kV中壓電網(wǎng)中采用中性點(diǎn)諧振接地（經(jīng)消弧線圈接地）方式。理想 的消弧線圈能實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)電容電流的大小，在正常運(yùn)行時電抗值很大，相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時能在極短時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)電抗值完全補(bǔ)償電容電流，使接地點(diǎn)殘流的基波無功分量為零。自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置基本能實(shí)現(xiàn)上述功能，技術(shù)現(xiàn)已相當(dāng)成熟，能將接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行及人身和設(shè)備的安全。關(guān)鍵詞:中壓電網(wǎng)中性點(diǎn)諧振接地方式一、

2、引言對10kV中壓電網(wǎng)而言，設(shè)備的絕緣裕度受經(jīng)濟(jì)因素的制約作用較小，工頻電壓升高 的不良影響較低，相反限制單相接地故障電流及其一系列危害顯得尤為重要，加之接地繼電保護(hù)選擇性難題的攻克（之前為了檢出和清除故障線路曾采用低電阻接地方式），現(xiàn)國內(nèi)10kV中壓電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)非有效接地方式。其包括如下幾種方式：1、中性點(diǎn)不接地方式；2、中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式；3、中性點(diǎn)諧振接地（經(jīng)消弧線圈接地）方式。所謂中性點(diǎn)不接地方式，實(shí)際系統(tǒng)是經(jīng)過一定數(shù)值容抗接地的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時，保護(hù)不跳閘，僅發(fā)出接地信號，可帶故障運(yùn)行1-2小時（前提是系統(tǒng)接地故障電流不大比1于10A）。因接地系數(shù)（零序阻抗與正序阻抗比

3、值）k小于0,1U相可能高于相電壓，非故障相的工頻電壓升高將會略高于線電壓，約為1.05U線。另外，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)還具有中性點(diǎn)不穩(wěn)定的特點(diǎn)， 當(dāng)單相接地電弧自行熄滅后， 容易導(dǎo)致電壓互感器的鐵芯飽 和激發(fā)中性點(diǎn)不穩(wěn)定過電壓，弓I起電壓互感器燒毀與高壓熔絲熔斷等事故。如采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式：可限制電弧接地過電壓；限制單相接地電弧熄滅后 激起的中性點(diǎn)不穩(wěn)定過電壓。但如系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的故障電流超過10A,接地電弧不能自行熄滅，將引起電弧接地過電壓，所以中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式有一定局限性，只適合用于規(guī)模較小的10kV電網(wǎng)中。隨著城市的發(fā)展，對環(huán)境要求的提高，蜘蛛網(wǎng)式滿天橫飛的架空線路影

4、響了城市的美 觀，城市的各大街道紛紛將架空線路改為電纜入地。而每公里電纜的電容電流遠(yuǎn)大于同等長度的架空線路。以10kV線路為例：架空線路的電容電流計算（按水泥桿、有避雷線計算）33Ic=3.7U線IX10-=3.7X10X1X10-=0.037A（1）式電纜線路的電容電流計算Ic（u）=（95+1.44S）/2200+0.23SU線（2）式2其中S為電纜心線截面積（mm）以截面積為300的10kV電纜為例，每公里電容電流為2.32A。10kV線路每公里電纜的電容電流約為架空線路的63倍，10kV出線中電纜比重的增大勢必引起電容電流的增大，從而導(dǎo)致接地電弧無法熄滅，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性，影響人身

5、及設(shè)備的安全。我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT6201997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合中明確規(guī)定：310kV不直接連接發(fā)電機(jī)且由架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障 電容電流超過10A又需在接地故障條件下運(yùn)行時，應(yīng)采用消弧線圈接地方式。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式與前兩種小電流接地方式相比，單相接地故障電流明顯減小，非故障相的工頻電壓升高降低，且不存在中性點(diǎn)不穩(wěn)定過電壓的情況，基本運(yùn)行特性明顯優(yōu)越。二、自動跟蹤補(bǔ)償裝置理想的消弧線圈能實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)電容電流的大小，在正常運(yùn)行時電抗值很大，相當(dāng)于 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時能在極短時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)電抗值完全補(bǔ)償電容電 流，使接地點(diǎn)殘流的基波無功分

6、量為零。當(dāng)然這只是一種理想狀態(tài)，但實(shí)際上現(xiàn)已研制出多種自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置， 基本實(shí)現(xiàn)了上述功能。 現(xiàn)即對自動跟蹤補(bǔ)償裝置的構(gòu)成及各部件 的結(jié)構(gòu)原理作一簡要介紹。自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置主要由三大核心部件構(gòu)成：接地變壓器、可調(diào)節(jié)的消弧線圈及帶小電流接地選線功能的自動調(diào)諧控制器。針對消弧線圈的不同調(diào)節(jié)方式又配置了不同的部件，如調(diào)匝式等配置阻尼電阻箱，可控硅調(diào)節(jié)式配置可控硅控制箱等。1、接地變壓器因?yàn)?0kV系統(tǒng)為三角形結(jié)線，無中性點(diǎn)引出，這就需要先通過接地變壓器來形成一 個中性點(diǎn)。接地變壓器采用Z型結(jié)線(或稱曲折型結(jié)線)，與普通變壓器的區(qū)別是每相線圈 分別繞在兩個磁柱上， 這樣零序磁通能沿磁柱流通，

7、 而普通變壓器的零序磁通是沿漏磁磁路 流通，所以Z型接地變壓器的零序阻抗很小，可帶90滄100%容量的消弧線圈，相比普通變壓器可帶消弧線圈容量不得超過變壓器容量的20%可節(jié)省投資。一般當(dāng)系統(tǒng)不平衡電壓較大時，Z型變?nèi)嗬@組做成平衡式，當(dāng)系統(tǒng)不平衡電壓較小時(如全電纜網(wǎng)絡(luò))，Z型變中性點(diǎn)要做出50-100V的不平衡電壓以滿足測量需要。接地變壓器除可帶消弧線圈外，也可帶二次負(fù)載，兼作站用變。2、自動跟蹤補(bǔ)償?shù)目刂圃砣绾螌?shí)現(xiàn)消弧線圈的自動跟蹤補(bǔ)償，使發(fā)生接地故障后的殘流丨II-Ic|5A(I!消弧線圈上電感電流；Ic-電網(wǎng)的電容電流)。就需要實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的電容電流。算法有 很多，如利用系統(tǒng)電容電流

8、參數(shù)變化引起中性點(diǎn)電壓、電流之間的相位變化量來計算電容電流；從消弧線圈內(nèi)附PT二次側(cè)加一電源，使位移電壓發(fā)生變化，從而計算出電容電流；從 消弧線圈內(nèi)附PT二次側(cè)注入不同頻率的電流信號，找出諧振頻率，根據(jù)諧振頻率計算脫諧 度和電容電流等等。目前在自動跟蹤補(bǔ)償裝置中用得較好的是電容電流在線實(shí)時測量法，其原理如下：首先畫出系統(tǒng)正常運(yùn)行時的零序等效電路：Ub為系統(tǒng)的不對稱電壓，在裝置投入運(yùn)行時應(yīng)先測量出來；C為系統(tǒng)對地的等效電容；R為回路電阻；L為有載調(diào)節(jié)消弧線圈。 首先將消弧線圈調(diào)至Li檔，測量零序回路電流為li,再將消弧線圈調(diào)至L2檔，測量零序回路電流為12。U)=IiR+j( XLI-XC)U)

9、=I2R+j( XL2-XC)由上兩式即可求出R和 XC,IC=U相/Xc。5微機(jī)控制器是根據(jù)電網(wǎng)的脫諧度和殘流的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的，在投運(yùn)前先將脫諧度&=（11IC）/I1設(shè)定在一個范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)的脫諧度超出此范圍，控制器發(fā)出指令，調(diào)整 消弧線圈使脫諧度及殘流滿足要求。控制器同時還有小電流接地選線功能。在電力系統(tǒng)中，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接 地故障時會導(dǎo)致：a、系統(tǒng)零序電壓升高；b、非故障線路零序電流為本身電容電流值，相 位超前零序電壓近90度；c、故障線路零序電流最大，為所有非故障線路零序電流之和， 相位滯后零序電壓近90度。以上三點(diǎn)當(dāng)無消弧線圈時對于基波、5次諧波均成立；而在有消弧線圈過補(bǔ)

10、償時對于基波不成立，只對5次諧波成立；另一方面，流過消弧線圈串接電阻的有功功率會流過故障點(diǎn)。綜上所述，采用零序基波電流、5次諧波電流相對算法，并結(jié)合零序有功分量等多種算法進(jìn)行比較、表決，可大大提高接地選線的準(zhǔn)確性。另外還有一種稱為殘流增量法的算法，即在系統(tǒng)發(fā)生單相接地后把各線路的零序電 流采集下來，然后調(diào)一檔，再把各線路的零序電流采集一遍，求出各線路調(diào)檔前后零序電流的變化量，其中最大者為接地線路， 因?yàn)樗扔谙【€圈調(diào)檔前后電感電流的改變值，而其它線路基本不變。3、消弧線圈的調(diào)節(jié)方式消弧線圈的調(diào)節(jié)方式主要有：調(diào)匝式；調(diào)容式；可控硅調(diào)節(jié)式；調(diào)直流偏磁 式；調(diào)氣隙式1調(diào)匝式調(diào)匝式消弧線圈是將繞組按

11、不同的匝數(shù)抽出若干個分接頭，用有載分接開關(guān)進(jìn)行切 換，改變接入的匝數(shù)，從而改變電感量。調(diào)匝式因調(diào)節(jié)速度慢，只能工作在預(yù)調(diào)諧方式（即在系統(tǒng)正常運(yùn)行無接地發(fā)生時，消 弧線圈跟蹤到最佳補(bǔ)償位置，接地后不再調(diào)節(jié)），為保證較小的殘流，必須在諧振點(diǎn)附近運(yùn) 行。這將導(dǎo)致中性點(diǎn)位移電壓升高，因此需加裝阻尼電阻進(jìn)行限壓，保證中性點(diǎn)的位移電壓不超過15%相電壓。為避免阻尼電阻上的有功電流使接地殘流增大，在發(fā)生單相接地時，必 須將阻尼電阻延時0.5秒后短接（為與選線裝置配合），其原理如下：觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點(diǎn)電壓升高，電流增大，同時母線PT開口三角輸出電壓。如其值超過設(shè)定值時會啟動JC或JJ將阻

12、尼電阻短接。延時由時間繼電器控制。2調(diào)容式通過調(diào)節(jié)消弧線圈二次側(cè)電容量大小來調(diào)節(jié)消弧線圈的電感電流。其采用二次調(diào)節(jié)消 弧線圈，其結(jié)構(gòu)如圖所示:JJ為交流接觸器的觸點(diǎn);JC為直流接灘變申崔點(diǎn)二次繞組連接電容調(diào)節(jié)柜，當(dāng)二次電容全部斷開時， 主繞組感抗最小，電感電流最大。二次繞組有電容接入后， 根據(jù)阻抗折算原理， 相當(dāng)于主繞組兩端并接了相同功率、阻抗為k2倍的電容，使主繞組感抗增大，電感電流減小。因此通過調(diào)節(jié)二次電容的容量即可控制主 繞組的感抗及電感電流的大小。電容器的內(nèi)部或外部裝有限流線圈，以限制合閘涌流。電容器內(nèi)部還裝有放電電阻。因調(diào)容式調(diào)節(jié)速度快，可實(shí)現(xiàn)接地后調(diào)節(jié)（即系統(tǒng)正常運(yùn)行時，消弧線圈工

13、作在遠(yuǎn)離 諧振點(diǎn)的位置，滿足中性點(diǎn)位移電壓不大于15%相電壓的要求。當(dāng)發(fā)生接地故障后，再將消弧線圈調(diào)至滿足殘流要求的合適位置），可不加阻尼電阻。3可控硅調(diào)節(jié)式采用高短路阻抗變壓器式可控消弧線圈（短路阻抗可達(dá)100%，其結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路圖如下：一次繞組（GR作為工作繞組接在接地變中性點(diǎn)與地之間，二次繞組（KR作為控 制繞組由兩個反向并接的可控硅（KKG短路，可控硅的導(dǎo)通角由觸發(fā)控制器控制。調(diào)節(jié)可 控硅的導(dǎo)通角由0至180度之間變化，使可控硅的等效阻抗ZKKG在無窮大至零之間變化，輸出的補(bǔ)償電流就可在零至額定值之間得到連續(xù)無極調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中專門設(shè)計了有效濾波設(shè)施抑制可控硅導(dǎo)通時產(chǎn)生的諧波，使輸出

14、的電流保持為工頻電流。由于可控硅工作于與電感串聯(lián)的無電容電路中，其工況既無反峰電壓的威脅又無電流突變的沖擊，可靠性得到了保障。可控硅調(diào)節(jié)式調(diào)節(jié)速度極快，正常時消弧線圈工作在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的位置，不加阻尼電阻。其一大優(yōu)點(diǎn)是因采用短路阻抗而不是勵磁阻抗作為工作阻抗，所以伏安特性可保證在0110%額定電壓范圍內(nèi)保持極佳的線性度。4調(diào)直流偏磁式交流工作線圈內(nèi)布置一個鐵芯磁化段，通過改變鐵芯磁化段磁路上的直流勵磁磁通大小來調(diào)節(jié)交流等值磁導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)電感連續(xù)可調(diào)。其基本結(jié)構(gòu)如圖所示：-=I零敕電塔因直流勵磁繞組采取反串連接方式，使整個繞組上感應(yīng)的工頻電壓相互抵消。通過對三相全控整流電路輸出電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)消弧

15、線圈勵磁電流的控制，利用微機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，對這類消弧線圈伏安特性上固有的不大的非線性實(shí)施動態(tài)校正。消弧線圈還有另外一些調(diào)節(jié)方式，如調(diào)氣隙式等就不一一介紹了。三、工程中的具體應(yīng)用成都地區(qū)過去10kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)不接地方式，但由于10kV出線電纜所占比重的 增加，導(dǎo)致電容電流升高超過了規(guī)程的要求，現(xiàn)在新建變電站已廣泛采用10kV自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置。以新建青白江110kV大灣變電站為例：變電站10kV采用單母線分段結(jié)線方式，共分兩段。按照規(guī)劃的10kV建設(shè)規(guī)模，每段母線上各連接15km的架空線路（按水泥桿、有避雷線計算）和15km的電纜（按電纜芯線截 面積300口吊計算）。根據(jù)（1）、（2）式計算電容電流為31.275A，再算上變電站增加16%的電容電流，lc=（1 + 16%X31.275=36.279A。根據(jù)Q消=kICX，過補(bǔ)償取k=1.35,計算需消弧線圈容量297kVA,選擇315kVA的消弧線圈。接地變帶二次繞組兼做站用變。因 所需站用變?nèi)萘繛?60kVA,所以接地變?nèi)萘窟x擇為500kVA。（接地變?nèi)萘繛橄【€圈與站用變?nèi)萘恐停灰部筛?jīng)濟(jì)地根據(jù)公式S接= i*計算）。自動跟蹤補(bǔ)償裝置原理如圖所示（消弧線圈采用調(diào)匝式）消弧線圈在系統(tǒng)正常運(yùn)行時工作在最佳補(bǔ)償狀態(tài)，即在諧振點(diǎn)附近運(yùn)行