10kV小電阻接地系統(tǒng)站用變配置方案研究

王 楠，梁 偉

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津 300171；2. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384)

1 10kV中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)

我國電力系統(tǒng)中的10kV電網(wǎng)一般都采用中性點不接地的運行方式。電網(wǎng)中主變壓器配電電壓側(cè)一般為三角形接線，沒有可供接地的中性點。當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線電壓三角形仍然保持對稱，對用戶繼續(xù)工作影響不大。并且電容電流較小(小于10A)時，一些瞬時性接地故障能夠自行消失，采用中性點不接地系統(tǒng)對提高供電可靠性、減少停電事故是非常有效的。

改革開放以來，城市建設(shè)迅速發(fā)展，相應(yīng)的城市電網(wǎng)改造任務(wù)也隨之加大，其變化的最大特點是城網(wǎng)電纜線路劇增，電網(wǎng)的對地電容電流也迅速上升，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，接地相的接地電流是非故障相對地電容電流之和。當(dāng)接地電流超過10A時，每次電流過零點都會產(chǎn)生的一個暫時性熄弧過程和伴隨其后的再度擊穿絕緣都會引起電網(wǎng)中的電磁能量的劇烈震蕩，使非故障相、系統(tǒng)中性點乃至故障相產(chǎn)生電弧接地過電壓，這種過電壓將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)設(shè)備的絕緣，危及電網(wǎng)的安全運行。

為了抑制這種弧光接地過電壓，就必須改變配網(wǎng)中性點絕緣系統(tǒng)，即在中性點不接地系統(tǒng)中人為地制造出一個中性點，因此需配置接地變壓器。在配電網(wǎng)內(nèi)主要以架空線路為主，電纜線路很少的情況下，電容電流比較小，一般采用經(jīng)消弧線圈接地的方式；當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)中電纜的長度較大時，電容電流較大，此時一般采用經(jīng)小電阻接地方式。

2 接地變壓器

2.1 接地變壓器的特點

主變壓器配電電壓側(cè)為三角形接線時，中性點無法直接引出，必須采用接地變壓器人為地制造一個中性點，中性點接地電阻接入接地變的中性點。接地變壓器有兩種：Z型接地變壓器(ZN、ZN，yn)和星形/三角形接地變壓器(YN，d)。現(xiàn)在，多用Z型接地變壓器，其中性點可接入消弧線圈。

圖1 三相Z型接地變壓器接線原理圖

如圖1所示，Z型接地變壓器將三相鐵芯的每個芯柱上的繞組平均分成兩段，兩段繞組極性相反，三相繞組按Z形連接法接成星形接線。Z形接地變壓器對正序、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗(相當(dāng)于激磁阻抗)，繞組中只流過很小的激磁電流；對零序電流呈現(xiàn)低阻抗(相當(dāng)于漏抗)，零序電流在繞組上的壓降很小。接地變壓器還可裝低壓繞組，接成星形中性點接地(yn)等方式，作為站用變壓器使用。

2.2 接地變壓器的應(yīng)用

Z形接線的接地變壓器按照有無二次繞組可以分為兩類：一類是只有初級線圈，專作接地變壓器用；另一類是帶有400V的二次線圈，可以兼做站用變壓器使用。

110kV變電站10kV經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)接地變主要有以下幾種應(yīng)用：

(1)接地變與站用變分別配置。

(2)選用帶二次線圈的接地變，用接地變兼做站用變。

目前，國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(2011版)中采用了接地變與站用變分別配置的方案。但是，在實際工程應(yīng)用中，某些地區(qū)根據(jù)自身電網(wǎng)運行的特點，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟條件，選擇了帶二次線圈的接地變，用接地變兼做站用變，以節(jié)省工程投資。

2.3 接地變?nèi)萘康倪x擇

根據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T5222－2005)，“三相接地變壓器，其額定容量應(yīng)與消弧線圈或接地電阻容量相匹配。若帶有二次繞組還應(yīng)考慮二次負(fù)荷容量?！?/p>

國外進口的、用于中性點經(jīng)小電阻接地方式的接地變壓器是根據(jù)短時允許電流設(shè)計制造的，銘牌上直接標(biāo)識接地變壓器的額定電壓，短時允許電流，短時允許通流時間和零序阻抗等，可以根據(jù)中性點小電阻的短時允許電流方便的選擇對應(yīng)的接地變壓器。而國產(chǎn)接地變壓器的銘牌上都只標(biāo)識連續(xù)運行的額定容量。在進行接地變壓器選型時，需要將小電阻接地系統(tǒng)中接地變壓器的額定電壓、短時允許電流、短時通流時間換算為國產(chǎn)接地變壓器習(xí)慣標(biāo)識的持續(xù)運行額定容量。

2.3.1 接地變與站用變分別配置

如果接地變壓器與站用變壓器分別配置，那么接地變壓器10s短時運行容量應(yīng)該不小于小電阻的額定容量。根據(jù)IEEE－C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變壓器10s短時運行容量為持續(xù)運行額定容量的10.5倍，因此接地變壓器的容量不小于小電阻額定容量的1/10.5。值得注意的是，此方法是根據(jù)變壓器的允許過載倍數(shù)進行選擇的，已考慮了變壓器的可靠系數(shù)，無需再重復(fù)考慮可靠系數(shù)。

2.3.2 地變壓器兼做站用變

當(dāng)接地變帶二次線圈時，接地變的容量除了要與小電阻額定容量相匹配外，還應(yīng)考慮二次繞組負(fù)荷的容量。

3 10kV小電阻接地系統(tǒng)中接地變與站用變配置方案

3.1 接地變、站用變的兩種配置方案

某110kV變電站，最終規(guī)模主變?nèi)萘?×50MVA，電壓等級采用110/10kV；110kV進出線6回，采用三段獨立單母線接線；10kV出線36回，采用三組單母線分段環(huán)形接線，每段母線6回出線。10kV II、III段母線，IV、V段母線和VI、I段母線分別設(shè)置分段，各段母線設(shè)置母線設(shè)備。110kV主變中性點按直接接地或經(jīng)間隙接地方式考慮，10kV側(cè)大都采用電纜出線，接地電容電流較大，因此10kV系統(tǒng)中性點采用小電阻接地方式。

本期規(guī)模主變?nèi)萘?×50MVA(#1、2主變)，110kV進出線4回，采用兩段獨立單母線接線；10kV出線24回，采用兩組單母線分段環(huán)形接線。

按照上述規(guī)模，本站10kV接地變與站用變有兩種配置方案。

3.1.1 案一：接地變與站用變分別配置

采用接地變與站用變分別配置方案，每臺主變配置一臺不帶二次繞組的接地變壓器，接地變直接接于主變低壓側(cè)，全站配置兩臺站用變壓器，#1、#2站用變壓器分別接于10k I、IV段母線上。將#1和#2變站用變二次側(cè)引出線分別作為兩路站用電電源，兩路電源經(jīng)雙向開關(guān)后接站用電低壓母線。

當(dāng)選擇的小電阻R=10Ω，I=600A，額定時間10s時，小電阻的額定電壓為：

小電阻的額定功率為：

變壓器10s短時運行容量為持續(xù)運行額定容量的10.5倍，接地變壓器持續(xù)運行額定容量為3637/10.5=346kVA，可選擇比346kVA 大的最近一擋的標(biāo)準(zhǔn)容量400kVA。

站用變?nèi)萘堪凑諠M足全站二次負(fù)荷需求計算，選擇容量為100kVA的站用變壓器。

3.1.2 案二：接地變兼做站用變

采用接地變兼做站用變設(shè)計方案，每臺主變配置一臺帶二次繞組的接地變壓器，接地變壓器直接接于主變低壓側(cè)，不單獨配置站用變壓器。利用接地變二次繞組的容量作為站用電來源，本期將#1和#2變接地變二次側(cè)引出線分別作為兩路站用電電源，遠(yuǎn)期將#1變接地變二次側(cè)引出線作為一路站用電源，#2和#3接地變二次側(cè)引出線作為另一路站用電源，兩路電源經(jīng)雙向開關(guān)后接站用電低壓母線。

當(dāng)選擇的小電阻R=10Ω，I=600A，額定時間10s時，如果改成接地變壓器需兼作站用變壓器，站用變?nèi)萘?00kVA，站用變功率因數(shù)按0.8考慮，則接地變壓器的容量按下式選擇：

可選擇比414kVA 大的最近一擋的標(biāo)準(zhǔn)容量500kVA。

3.2 方案可靠性對比

采用方案一時，#1、#2站用變分別接于10kV I、IV段母線上，其低壓引出線分別作為兩路站用電電源，兩路電源經(jīng)雙向開關(guān)后接站用電低壓母線。任意一臺主變退出運行時，10kV自投裝置動作，保證10kV母線連續(xù)供電，因而能夠保證站用低壓母線始終由兩路電源供電。

采用方案二時，本期將#1和#2變接地變二次側(cè)引出線分別作為兩路站用電電源，遠(yuǎn)期將#1變接地變二次側(cè)引出線作為一路站用電源，#2和#3接地變二次側(cè)引出線作為另一路站用電源，兩路電源經(jīng)雙向開關(guān)后接站用電低壓母線。當(dāng)一臺主變失電退出運行時，其相應(yīng)的接地變也將失電退出運行。這可能導(dǎo)致由該接地變供電的低壓母線失電，使得系統(tǒng)運行可靠性降低。值得注意的是，由于遠(yuǎn)期#2、#3主變接地變二次側(cè)引出線作為一路站用電源接于II段低壓母線上，因而當(dāng)#2、#3主變中任何一臺失電時，低壓II段母線仍能夠正常運行。加之低壓I、II段母線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，當(dāng)?shù)蛪篒段母線由于#1主變失電而失電時，只要保證每臺接地變二次繞組的容量滿足全站低壓負(fù)荷的需要，就可以通過合上低壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)的方式給兩段低壓母線供電。

綜上所述，采用方案一可以通過在10kV分段開關(guān)裝設(shè)備用自投裝置保證在一臺主變停電時兩路站用電源繼續(xù)供電。采用方案二時，由于低壓母聯(lián)開關(guān)往往不配置自投裝置(或者即使配置自投裝置，在現(xiàn)場實際應(yīng)用時一般也不投入運行)，因而在一臺主變停電時，需要運行人員到現(xiàn)場手動合上低壓母聯(lián)開關(guān)，才能保證為低壓兩段母線供電。采用方案二的供電可靠性略低于方案一。

3.3 方案靈活性對比

無論采用方案一還是方案二，均能夠滿足正常運行方式下或者一臺變壓器檢修時站用電連續(xù)供電的要求。所不同的是，采用方案一接線形式，本期、遠(yuǎn)期站用變接線方式相同，遠(yuǎn)期擴建時無需進行站用電接線改造。而采用方案二的接線形式時，遠(yuǎn)期擴建#3變時，由于#2和#3接地變二次側(cè)引出線作為第二路站用電源，因而需要進行相應(yīng)的改造，這增加了改造工程量和安全風(fēng)險。

3.4 方案經(jīng)濟性對比

表1給出了兩方案的建設(shè)投資費用情況。對于電氣設(shè)備投資，方案二總投資約為48萬元，方案一總投資為71萬元。方案一工程總投資比方案二多23萬元。其中，本期投資費用方案一比方案二多26萬元，遠(yuǎn)期擴建費用兩者相差不大。從建設(shè)投資方面比較，方案二比方案一節(jié)省兩間站用變室和兩個站用變開關(guān)柜位置的建筑面積，約20m2，從而減少建筑投資約4萬元。

表1 方案一、二建設(shè)投資費用對比

接地變和站用變在運行過程中均會產(chǎn)生空載損耗和負(fù)載損耗，按照上述兩種方案的接地變和站用變的型號及參數(shù)進行比較，接地變與站用變分開時，接地變選用DKSC－400/10.5型，空載損耗Po=1080W，負(fù)載損耗Pk=5470W，站用變選用SCB－100/10.5型，空載損耗Po=370W，負(fù)載損耗Pk=1270W；接地變兼站用變選用DKSC－500/100/10.5型，其空載損耗Po=1280W，負(fù)載損耗Pk=1330W。對電能損失比較，如果按照空載損失利用小時8760h，負(fù)載損失的最大負(fù)荷利用小時1500h計算，采用方案一全年總計電能損失為22812kWh，采用方案二全年空載電能損失全年共計電能損失為13207.8kWh。按照現(xiàn)行的電價計算(0.49元/ kWh)，采用接地變兼站用變方案每年可節(jié)省電能損耗費用4706.1元。方案一、二的年電能損失對比見表2。

表2 方案一、二年電能損失對比

綜上所述，在電氣設(shè)備投資方面，接地變兼站用變方案比接地變和站用變分開方案節(jié)省投資約23萬元；在建筑投資方面，接地變兼做站用變方案節(jié)省近20m2的建筑投資，約4萬元；在電能損失方面，接地變兼站用變方案比接地變和站用變分開方案的全年電能損失少4706.1元。

4 結(jié)論與建議

本文通過對10kV小電阻接地系統(tǒng)中接地變、站用變的運行特點進行研究，給出110kV變電站接地變、站用變分別配置和接地變兼做站用變的兩種設(shè)計方案。通過對兩方案的對比分析，得出如下結(jié)論：

(1)從系統(tǒng)可靠性分析，兩方案均能夠滿足系統(tǒng)可靠性的要求，采用接地變、站用變分別配置方案可靠性高；

(2)從系統(tǒng)靈活性分析，兩個方案均能滿足正常運行方式和檢修情況下的要求，而采用接地變、站用變分別配置方案遠(yuǎn)期擴建時二次無工作量，靈活性優(yōu)于接地變兼做站用變方案；

(3)從經(jīng)濟性分析，采用接地變兼做站用變方案比接地變、站用變分別配置方案建設(shè)投資少，年運行電能損耗低，經(jīng)濟性明顯優(yōu)于接地變、站用變分別配置方案。

綜上所述，采用接地變兼做站用變的接線方式與接地變、站用變分別配置方式相比，犧牲了部分可靠性和靈活性，達到了經(jīng)濟上的優(yōu)化配置。在工程實際中，可以根據(jù)具體工程的實際情況，選擇接地變兼做站用變的接線方式以降低工程投資。

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