小電阻接地系統(tǒng)單相接地分析和繼電保護(hù)整定

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于架空線的局限性，化工企業(yè)電網(wǎng)越來越多地采用電纜供電。隨著化工企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，用電量也隨之加大，供電電纜越來越長，過大的電容電流使得原有的中性點(diǎn)非有效接地的方式越來越不能滿足電網(wǎng)需求，使得中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地廣泛應(yīng)用在化工企業(yè)配電網(wǎng)。低電阻接地方式，單相接地故障電流為100～1 000 A。繼電保護(hù)裝置根據(jù)檢測(cè)的故障電流，有選擇性地快速切除故障線路。低電阻接地的優(yōu)點(diǎn)是快速切除故障，過電壓水平低，可采用絕緣水平低的設(shè)備和電纜。

以往國內(nèi)企業(yè)小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)用較少，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生單相接地的繼電保護(hù)整定還不是很明確，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整定。小電阻接地系統(tǒng)在我公司的涉外項(xiàng)目中，應(yīng)用較廣泛，本文著重對(duì)小電阻接地系統(tǒng)單相接地短路電流和繼電保護(hù)整定做一些探討。

1 系統(tǒng)概況

首先，簡單介紹一下系統(tǒng)概況。此供電系統(tǒng)(見圖1)包括兩路電源，一路電源由外電網(wǎng)引入，主變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，系統(tǒng)要求單相接地時(shí)流過中性點(diǎn)接地電阻的電流為100A；另一路電源為廠內(nèi)自備發(fā)電機(jī)組，此發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)也為電阻接地，要求單相接地時(shí)流過中性點(diǎn)的電流也為100A。

圖1 供電系統(tǒng)

2 小電阻接地系統(tǒng)模型

首先，利用對(duì)稱分量法計(jì)算電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)的短路電流。小電阻接地系統(tǒng)的等效圖見圖2。

圖2 小電阻接地系統(tǒng)的等效圖

現(xiàn)用對(duì)稱分量法計(jì)算單相接地時(shí)故障點(diǎn)的短路電流和電壓。單相接地時(shí)的序網(wǎng)圖見圖3。

圖3 單相接地時(shí)各序網(wǎng)絡(luò)圖

正常運(yùn)行時(shí)三序電壓條件為：

(1)

單相接地時(shí)系統(tǒng)的邊界條件為：

(2)

聯(lián)立(1)和(2)解得：

(3)

故a相故障時(shí)，故障電流為：

(4)

a相故障時(shí)，b、c相故障電流為0。

根據(jù)以上結(jié)論，可得故障處三相電壓為：

(5)

如果忽略各阻抗的電阻值，可得b、c兩相的電壓為：

(6)

(7)

當(dāng)k<1，即X∑(0)

當(dāng)k=1，即X∑(0)=X∑(1)時(shí)，非故障相電壓與正常時(shí)電壓相等。

當(dāng)k>1，即X∑(0)>X∑(1)時(shí)，非故障相電壓較正常時(shí)升高。

中性點(diǎn)不接地時(shí)，可以認(rèn)為X∑(0)=∞，得到故障處b、c相電壓為：

Ufb=Ub-Ua=Uba

(8)

Ufc=Uc-Ua=Uca

(9)

中性點(diǎn)電壓為：

(10)

通過以上分析，我們還可以知道：當(dāng)k值越小，即零序阻抗越小，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障處承受的過電壓越低，比如直接接地系統(tǒng)，零序阻抗很小，零序電流很大，零序電流保護(hù)作為線路單相接地故障的主保護(hù)。

當(dāng)k值適中時(shí)，比如小電阻接地系統(tǒng)，零序電流也有幾百安培，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)能快速切除故障，電纜和設(shè)備不需要承受較高的過電壓，可采用絕緣水平較低的電纜和設(shè)備。比如6 kV電纜可選用3.6/6 kV電纜，不必選用6/6 kV電纜，節(jié)約了成本。

k值越大，即零序阻抗越大，系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，非故障處承受的過電壓越高，零序阻抗越大，單相接地時(shí)，流過故障點(diǎn)的電流為系統(tǒng)對(duì)地電容電流，此電流比較小，零序電流保護(hù)已經(jīng)不能滿足繼電保護(hù)整定靈敏性的要求。故障點(diǎn)三相線電壓依然三相對(duì)稱，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行1～2h，操作人員可以通過分合各斷路器或者小電流選線裝置找出接地故障線路。只是對(duì)電纜和設(shè)備的絕緣要求比較高，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)可以提高供電的連續(xù)性和可靠性。

3 中性點(diǎn)接地電阻值的確定

我們知道，將圖3中3個(gè)序網(wǎng)圖串聯(lián)起來，可以得到單相接地時(shí)系統(tǒng)的復(fù)合序網(wǎng)。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)中，單相接地時(shí)的零序電路圖見圖4，接地點(diǎn)零序電壓最高，相當(dāng)于零序電源提供整個(gè)網(wǎng)路的零序電流。利用上述結(jié)論，可以將系統(tǒng)簡化為單電源系統(tǒng)單相接地等效圖(見圖5)。

圖4 單相接地時(shí)的零序電路圖

圖5 單電源系統(tǒng)單相接地時(shí)等效圖

從圖5中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過電阻的電流與電網(wǎng)電容電流相位相差90°(接地變壓器感抗足夠小，不然相位差<90°)，流過故障點(diǎn)接地電流就等于電容電流和有功電流的向量和，可以得到單相接地電流和中性點(diǎn)接地電阻為：

(10)

電阻接地網(wǎng)路中，令3I0=INe，INe為用戶所要求的系統(tǒng)單相接地電流，R為中性點(diǎn)接地電阻。

通過以上分析可得，系統(tǒng)給出INe、IN0、IC∑三者中的兩個(gè)就可以求出其他值。

電網(wǎng)中的單相接地電容電流由電路線路和電力設(shè)備(同步發(fā)電機(jī)、大量同步電動(dòng)機(jī)及變壓器等)兩部分組成。電纜線路的單相接地電容電流可以近似估算為：

(11)

Ur為線路額定線電壓， kV；l為線路長度，km；S為電纜截面積，mm2。

電力設(shè)備的電容電流可以根據(jù)電壓等級(jí)增加一個(gè)附加值。6 kV系統(tǒng)的附加值為0.18。

這樣整個(gè)系統(tǒng)的單相接地電容電流為

IC∑=IC(1+0.18)

(12)

下面通過ETAP模型論證上述結(jié)論的正確性。

首先，通過以上公式計(jì)算出系統(tǒng)的對(duì)地電容電流。

系統(tǒng)運(yùn)行在最小運(yùn)行方式，計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地電容電流為Ic=30A。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，測(cè)得系統(tǒng)單相接地電流為105A，電流分量為35A，即IL11=IL12=I0=35A。

通過ETAP模型，將系統(tǒng)運(yùn)行在最大運(yùn)行方式，如果主變壓器和發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻、變壓器中性點(diǎn)接地電阻、電纜對(duì)地阻抗三者并聯(lián)(見圖6)。此時(shí)系統(tǒng)對(duì)地電容電流最大測(cè)得系統(tǒng)單相接地電流為215A，電流分量為72A，即IL11=IL12=I0=72A。

圖6 系統(tǒng)有兩個(gè)接地點(diǎn)的等效電路圖

依此類推，可以得出多個(gè)接地點(diǎn)的系統(tǒng)等效電路圖(見圖7)。

圖7 系統(tǒng)在多個(gè)接地點(diǎn)的等效電路圖

當(dāng)有N個(gè)接地點(diǎn)時(shí)，零序電流近似為：

N為接地點(diǎn)的數(shù)量，UN為中性點(diǎn)電壓，R為接地電阻值。

零序電流的分布和大小與系統(tǒng)接地點(diǎn)的數(shù)量和接地電阻的大小有關(guān)系，與其他基本無關(guān)。

這樣簡化了繼電保護(hù)整定的計(jì)算和配置。

4 繼電保護(hù)整定方法

小電阻接地系統(tǒng)單相接地電流大小主要取決于中性點(diǎn)接地電阻的大小，并且單相故障時(shí)短路電流的數(shù)值比較大，約為100～1 000A。

零序電流保護(hù)是基于其他線路發(fā)生單相接地時(shí)和本線路單相接地時(shí)測(cè)得的零序電流不同，且本線路接地時(shí)測(cè)得的零序電流遠(yuǎn)大于線路的電容電流，這樣使零序電流保護(hù)有充分的余地，具有選擇性。

4.1 零序過流1段的整定

小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障電流比較大，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備尤其是中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成很大的威脅，這就需要零序過流I段能夠迅速動(dòng)作，及時(shí)斷開故障線路，防止事故擴(kuò)大。

零序過流I段按以下公式整定：

(13)

其中，I0為單相接地故障電流；Km為靈敏系數(shù)，規(guī)程要求不小于2。故本工程一次動(dòng)作電流取50A。

為了保證系統(tǒng)單相接地故障時(shí)保護(hù)能迅速斷開故障線路，零序電流I段的動(dòng)作時(shí)限為0s，即要求瞬時(shí)動(dòng)作。

4.2 零序過流Ⅱ段的整定

零序過流I段保護(hù)能夠快速斷開發(fā)生單相金屬性接地故障的線路，但線路的接地故障并非只有金屬性接地，有可能經(jīng)過過渡電阻接地的，如果故障電流介于整定值和中性點(diǎn)設(shè)備額定值之間，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，就會(huì)造成系統(tǒng)長期帶故障運(yùn)行，燒壞中性點(diǎn)設(shè)備。

故僅裝設(shè)零序電流I段保護(hù)并不能完全保證線路安全，因此需要裝設(shè)后備保護(hù)，即零序電流Ⅱ段保護(hù)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路流過本身的對(duì)地電容電流，零序過流Ⅱ段保護(hù)的定值只需躲過此電容電流。這樣保證保護(hù)的靈敏性，并且不會(huì)誤動(dòng)。

零序過流Ⅱ段按以下公式整定：

(14)

零序過流Ⅱ段保護(hù)作為零序過流I段保護(hù)的后備保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限比零序過流I段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限要大一個(gè)級(jí)差，本系統(tǒng)最末一級(jí)取動(dòng)作時(shí)間為0.3s。

4.3 零序電流保護(hù)上下級(jí)之間的配合問題

變電所出線零序過流I段保護(hù)，與上級(jí)變電所10 kV(6 kV)出線零序I段保護(hù)，均為保證低電阻接地系統(tǒng)中，高壓對(duì)配電變壓器外殼短路時(shí)，人身及設(shè)備的安全需要而配置與整定，兩者之間無定值配合關(guān)系。

為了保證上下級(jí)之間具有選擇性，按階梯原則整定，時(shí)限級(jí)差取0.3～0.5s。即從中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地配電網(wǎng)的最末一級(jí)開始，每一級(jí)的動(dòng)作時(shí)限都要比下一級(jí)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)限大至少一個(gè)時(shí)限級(jí)差。因此，變電所接地變壓器的零序過流保護(hù)可以作為零序保護(hù)總后備，可以設(shè)置兩段定時(shí)限零序保護(hù)。

根據(jù)此原則，得出圖1中繼電保護(hù)的時(shí)間配合關(guān)系?？傋儔浩骰虬l(fā)電機(jī)作為零序保護(hù)的總后備，配置兩端定時(shí)限零序保護(hù)，一段時(shí)限取0.6 s，動(dòng)作跳本段母線相鄰母聯(lián)斷路器CB5；二段時(shí)限取0.9 s，動(dòng)作跳本段母線主斷路器CB4。

5 結(jié)語

通過分析，得出小電阻接地系統(tǒng)的適用范圍，利用工程實(shí)例，證明了中性點(diǎn)接地電阻和接地電流計(jì)算方法的正確性，最后給出了零序電流保護(hù)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地中的應(yīng)用和整定方法。

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