10 kV系統(tǒng)工頻弧光接地過電壓的研究

夏國武，崔 紅

(1.通遼電業(yè)局，內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.遼寧省撫順供電公司，遼寧 撫順 113000)

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是人們防止系統(tǒng)事故的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)，具有理論研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)密切結(jié)合的特點(diǎn)。中壓電網(wǎng)量大面廣，擔(dān)負(fù)著直接為廣大用戶供電的任務(wù)，其中性點(diǎn)接地方式歷來就是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，它與整個(gè)電力系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、繼電保護(hù)以及通信干擾(電磁環(huán)境)和接地裝置等技術(shù)問題有著密切的關(guān)系。

我國6～35 kV的電網(wǎng)中，中性點(diǎn)主要有不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地等方式。目前中壓電網(wǎng)仍以不接地方式為主，其主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電容電流在其規(guī)定值以下，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，只發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)，引起運(yùn)行人員注意，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，不致中斷供電，從而極大地提高了供電的可靠性。但近十幾年來，我國10 kV電網(wǎng)發(fā)展十分迅速，負(fù)荷不斷增加，特別是城市電網(wǎng)，電纜線路急劇增加，使得系統(tǒng)電容電流大幅度增加，而以電纜為主的電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，往往不能自動(dòng)滅弧，從而引起弧光接地過電壓。由于該過電壓持續(xù)時(shí)間一般比較長，故障不易消除，易造成事故擴(kuò)大，引起電纜絕緣擊穿、MOA爆炸、斷路器燒毀等，而電纜絕緣故障多為永久性故障，一旦損壞只有更換新的電纜，這對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行帶來很大影響，因而引起了廣泛關(guān)注[1－4]。

弧光接地過電壓的產(chǎn)生即燃弧條件可用高頻熄弧理論和工頻熄弧理論來分析。兩種理論的區(qū)別在于，前者是以高頻振蕩電流第一次過零時(shí)電弧熄滅來解釋間歇電弧接地過電壓的發(fā)展過程;后者是以工頻電流過零時(shí)電弧熄滅來解釋間歇電弧接地過電壓的發(fā)展過程。高頻熄弧與工頻熄弧兩種理論的分析方法和考慮的影響因素是相同的，但與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值相比較，高頻理論分析所得過電壓值偏高，工頻理論分析所得過電壓值則比較接近實(shí)際情況[5，6]，因此本論文中只討論用工頻熄弧理論解釋弧光接地過電壓的產(chǎn)生過程。

本論文對(duì)弧光接地過電壓的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究，建立了工頻弧光接地過電壓仿真模型，以北京某變電站10 kV電網(wǎng)為例，利用EMTP對(duì)中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地兩種情況下的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了探討。

1 弧光接地過電壓的產(chǎn)生機(jī)理

在中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)非有效接地的中壓配電網(wǎng)中發(fā)生單相故障時(shí)，由于線電壓保持不變，電網(wǎng)可以帶故障繼續(xù)向用戶供電。然而，隨著線路的增長和工作電壓的升高，故障點(diǎn)短路電流亦隨之增加，使得許多瞬時(shí)的單相接地故障不能自動(dòng)滅弧，在故障點(diǎn)處產(chǎn)生了時(shí)燃時(shí)滅的不穩(wěn)定電弧，稱為間歇性電弧。這種間歇性電弧引起了系統(tǒng)中電磁能量的強(qiáng)烈振蕩和積聚，從而引起健全相和故障相出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓，即弧光接地過電壓。

2 仿真計(jì)算模型

2.1 工頻弧光接地過電壓的仿真模型

工頻熄弧理論認(rèn)為，發(fā)生單相接地故障時(shí)，每隔一個(gè)工頻周期電弧就會(huì)熄滅和重燃一次，并且假定電弧在工頻電流過零時(shí)熄滅，達(dá)到最大恢復(fù)電壓時(shí)重燃。

在仿真算例中，工頻弧光接地過電壓數(shù)值仿真的全過程如圖1所示。

利用EMTP工具箱里面的模塊搭建的電弧仿真模型如圖2所示。利用多個(gè)Switch模塊仿真接地電弧模型，其開合表征電弧的燃熄，利用Switch模塊的內(nèi)置參數(shù)T-close和T-open來控制Switch模塊的開合時(shí)間用以模擬電弧的熄燃，電阻則模擬燃弧的電阻。

圖1 工頻弧光接地過電壓計(jì)算流程圖

圖2 電弧仿真模型

2.2 接地變壓器的仿真模型

中性點(diǎn)采用小電阻接地方式時(shí)，若主變或發(fā)電機(jī)為Y0接線，其中性點(diǎn)可直接接入電阻;若主變或發(fā)電機(jī)為Δ接線，則需要外加接地變壓器造成一個(gè)中性點(diǎn)。外加接地變壓器的特性要求是在電網(wǎng)正常供電情況下阻抗值很高，繞組中只流過很小的激磁電流;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，該繞組對(duì)正序、負(fù)序呈高阻抗，而對(duì)零序呈低阻抗。該種類型的變壓器接線為Y0/Δ或Z，接地電阻可以直接接在Y0/Δ接線或Z接線的高壓側(cè)中性點(diǎn)，也可以接在Y0/Δ接線低壓側(cè)開口三角上[7]。本論文采用了Z形接線，其原理接線如圖3所示。

圖3 Z形接線的原理接線圖

3 EMTP仿真及結(jié)果

本論文以某10 kV、出線均為電纜的變電站為例，用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)程序(EMTP)對(duì)中性點(diǎn)不接地和經(jīng)小電阻接地兩種情況下的工頻弧光過電壓進(jìn)行了仿真和比較，所采用的系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)圖

故障相為A相，表中數(shù)值均為標(biāo)幺值P.U，基準(zhǔn)值為kV。根據(jù)工頻熄弧理論，設(shè)A相電源電壓達(dá)到負(fù)的最大值時(shí)，A相發(fā)生單相接地故障;接地短路電流在半個(gè)工頻周波附近，高頻分量已經(jīng)衰減得很小，此時(shí)的電流過零近似認(rèn)為是工頻電流過零;熄弧之后半個(gè)工頻周波，A相電壓達(dá)負(fù)的最大值，電弧重燃。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，由于小電阻能有效釋放殘余電荷，即使發(fā)生重燃，過電壓的幅值也不會(huì)因多次重燃而明顯增加。因而研究中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的工頻弧光接地過電壓，考慮兩次燃弧足夠滿足要求，本論文中考慮三次燃?。ɑ∵^程。

3.1 工頻弧光接地過電壓仿真結(jié)果

對(duì)接地電阻為10 Ω、過渡電阻為1 Ω時(shí)中性點(diǎn)不接地和經(jīng)小電阻接地方式下工頻弧光接地過電壓的情況進(jìn)行了仿真。

(1)中性點(diǎn)不接地方式

電弧的點(diǎn)燃、熄滅、再點(diǎn)燃的過程，使中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中積累了多余的電荷，系統(tǒng)中的能量積聚是產(chǎn)生弧光接地過電壓的重要原因。與此同時(shí)，電壓越高，則每次燃、熄弧時(shí)系統(tǒng)所失去的儲(chǔ)能越大，當(dāng)系統(tǒng)由于振蕩引入的儲(chǔ)能與失去的能量相等時(shí)，電壓則趨于極限值[8]。圖5為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，工頻弧光接地過電壓的波形圖，如圖所示，此時(shí)工頻弧光接地過電壓值最高達(dá)3.793 P.U。

(2)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生電弧接地時(shí)，在電弧點(diǎn)燃、熄滅過程中系統(tǒng)積累的多余的電荷，從電弧熄滅到重燃前的一段時(shí)間內(nèi)可以通過中性點(diǎn)電阻泄漏掉，因此可以降低工頻弧光接地過電壓，甚至可以避免工頻弧光接地過電壓的產(chǎn)生。

圖6為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)工頻弧光接地過電壓的波形圖，如圖所示，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時(shí)，可將工頻弧光接地過電壓顯著降低，此時(shí)工頻弧光接地過電壓值最高為2.485 P.U。

圖5 工頻弧光接地過電壓的波形

圖6 工頻弧光接地過電壓波形

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下工頻弧光過電壓的主要影響因素

3.2.1 接地電阻對(duì)工頻弧光接地過電壓的影響

為了研究接地電阻的大小對(duì)工頻弧光過電壓的影響，改變接地電阻的數(shù)值，對(duì)發(fā)生故障時(shí)的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真分析。由表1中數(shù)據(jù)可知，接地電阻越大，中性點(diǎn)電壓越高，工頻熄弧時(shí)出現(xiàn)的過電壓倍數(shù)越大，即抑制弧光過電壓的能力越弱;反之，接地電阻越小，中性點(diǎn)電壓越低，工頻熄弧時(shí)出現(xiàn)的過電壓倍數(shù)越小，即抑制弧光過電壓的能力越強(qiáng)。

表1 工頻弧光接地過電壓的計(jì)算結(jié)果

3.2.2 過渡電阻對(duì)工頻弧光接地過電壓的影響

為了研究過渡電阻的大小對(duì)工頻弧光過電壓的影響，改變過渡電阻的數(shù)值，對(duì)發(fā)生故障時(shí)的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真分析。由表2中數(shù)據(jù)可知，過渡電阻越大，中性點(diǎn)電壓越低，工頻熄弧時(shí)出現(xiàn)的過電壓倍數(shù)越小;反之，過渡電阻越小，中性點(diǎn)電壓越高，工頻熄弧時(shí)出現(xiàn)的過電壓倍數(shù)越大。

表2 工頻弧光接地過電壓的計(jì)算結(jié)果

3.2.3 接地變零序電抗對(duì)工頻弧光接地過電壓的影響

為了研究接地變壓器零序電抗的大小對(duì)工頻弧光過電壓的影響，改變零序電抗的數(shù)值，對(duì)發(fā)生故障時(shí)的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真分析。由表3中數(shù)據(jù)可知，零序電抗為0 Ω～4 Ω時(shí)，零序電抗越大，工頻熄弧時(shí)可能出現(xiàn)的最大過電壓倍數(shù)越大，即抑制弧光過電壓的能力越弱;零序電抗一旦超過4 Ω，隨著零序電抗的增大，工頻熄弧時(shí)可能出現(xiàn)的最大過電壓倍數(shù)反而變小，即抑制弧光過電壓的能力增強(qiáng)。

表3 工頻弧光接地過電壓的計(jì)算結(jié)果

3.2.4 接地變電抗百分?jǐn)?shù)對(duì)工頻弧光接地過電壓的影響

為了研究接地變壓器電抗百分?jǐn)?shù)的大小對(duì)工頻弧光過電壓的影響，改變電抗百分?jǐn)?shù)的數(shù)值，對(duì)發(fā)生故障時(shí)的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真分析。由表4中數(shù)據(jù)可知，電抗百分?jǐn)?shù)在2%～6%之間取值時(shí)，電抗百分?jǐn)?shù)越大，工頻熄弧時(shí)可能出現(xiàn)的最大過電壓倍數(shù)越小，即抑制弧光過電壓的能力越強(qiáng);反之，電抗百分?jǐn)?shù)越小，中性點(diǎn)電壓越高，工頻熄弧時(shí)出現(xiàn)的過電壓倍數(shù)越大，即抑制弧光過電壓的能力越弱。

表4 工頻弧光接地過電壓的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本論文對(duì)弧光接地過電壓的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，以某變電站10 kV電網(wǎng)為例，對(duì)中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地兩種方式下的工頻弧光接地過電壓進(jìn)行了仿真，并研究了中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下工頻弧光接地過電壓的主要影響因素。仿真結(jié)果表明，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于小電阻可以為系統(tǒng)中積累的電荷提供泄漏回路，因此可以很好地降低工頻弧光接地過電壓;而接地電阻、過渡電阻和接地變零序電抗等的大小對(duì)工頻弧光接地過電壓的影響較大，合理地選擇參數(shù)的數(shù)值，將可以更有效地限制工頻弧光接地過電壓，甚至可以避免工頻弧光接地過電壓的出現(xiàn)。

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