管型母線感應(yīng)電壓計(jì)算及接地開關(guān)的布置

唐忠達(dá)

（南瑞集團(tuán)有限公司，南京 211000）

0 前言

管型導(dǎo)體主要有鋁鎂合金管母、鋁錳合金管母兩大類，因其具有肌膚效應(yīng)小、電暈起始電壓高、占地面積小、布置清晰等優(yōu)點(diǎn)，在變電站中的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，且主要作主母線載流導(dǎo)體用。

具有雙母線的配電裝置，在應(yīng)用管型導(dǎo)體作主母線時(shí)，如一段母線運(yùn)行，另一段檢修，由于電磁耦合效應(yīng)，所檢修的母線會(huì)存在電磁感應(yīng)電壓。為保證檢修安全，需在母線上裝設(shè)一定數(shù)量的接地開關(guān)。母線電磁感應(yīng)電壓與長(zhǎng)期工作電流、故障電流、母線長(zhǎng)度及母線間距等因素有關(guān)，而感應(yīng)電壓決定著接地開關(guān)的設(shè)置部位及數(shù)量[1]，若設(shè)置不當(dāng)，則會(huì)對(duì)人身安全造成很大的威脅。

1 管型母線感應(yīng)電壓計(jì)算

在雙母線的配電裝置中，當(dāng)一段母線仍在運(yùn)行，而另一段母線停電時(shí)，由于電磁耦合，停電檢修母線上會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓。施加于停電母線上的感應(yīng)電壓大致可以分成兩種：長(zhǎng)期工作電磁感應(yīng)電壓、瞬時(shí)電磁感應(yīng)電壓[2]。

1）長(zhǎng)期工作電磁感應(yīng)電壓，是由工作中的母線通過(guò)正常工作電流產(chǎn)生的，作用是長(zhǎng)期的。

2）瞬時(shí)電磁感應(yīng)電壓，是當(dāng)工作母線發(fā)生三相或單相短路故障造成的，作用是瞬時(shí)的。

雙母線布置如下圖所示，假設(shè)1 M（Ⅰ母）運(yùn)行，2 M（Ⅱ母）停電檢修，由于電磁耦合效應(yīng)，在2 M 上將出現(xiàn)電磁感應(yīng)電壓。

圖1 雙母線布置圖

當(dāng)1 M 流過(guò)正常工作電流或三相短路電流時(shí)，在2 M 的 A2 相上產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓最大。在直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)1 M 中C1 相發(fā)生單相短路時(shí)，在2 M 的A2 相上產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓最大。因此，母線電磁感應(yīng)電壓計(jì)算可采用2 M 中的A2 相為準(zhǔn)，并以此作為接地開關(guān)選擇的條件。

1.1 長(zhǎng)期工作電磁感應(yīng)電壓

式中：

UA2—A2相母線單位長(zhǎng)度的電磁感應(yīng)電壓（V/m）；

Ig—母線長(zhǎng)期工作電流（A）；

XA2C1—2 M 中A2 相對(duì)1 M 中C1 相單位長(zhǎng)度的平均互感抗（Ω/m）；

XA2B1—2 M 中A2 相對(duì)1 M 中B1 相單位長(zhǎng)度的平均互感抗（Ω/m）；

XA2A1—2 M 中A2 相對(duì)1 M 中A1 相單位長(zhǎng)度的平均互感抗（Ω/m）；

L—單組母線總長(zhǎng)度（m）；

D—母線相間距離（m）；D1 為兩組母線相鄰邊相的間距（m）。

1.2 瞬時(shí)電磁感應(yīng)電壓

1.2.1 三相短路時(shí)電磁感應(yīng)電壓

式中，Id為母線三相短路電流（A）。

1.2.2 單相短路時(shí)電磁感應(yīng)電壓

式中，I1為單相短路電流（A）。

2 接地開關(guān)安裝數(shù)量及間距計(jì)算

母線上接地開關(guān)的裝設(shè)數(shù)量以及相互間的間距以母線感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，裝設(shè)接地開關(guān)需考慮其相互之間的間距及與母線端部的距離，以保證人身安全。

2.1 按長(zhǎng)期工作電磁感應(yīng)電壓計(jì)算

在一段母線長(zhǎng)期工作的情況下，為保證另一段停電母線的檢修安全，所裝設(shè)的接地開關(guān)應(yīng)能將感應(yīng)電壓限制在安全電壓范圍以內(nèi)。

按我國(guó)相關(guān)安全規(guī)定，對(duì)于干燥而觸電危險(xiǎn)性較小的環(huán)境，交流安全電壓規(guī)定為36 V；對(duì)于潮濕而觸電危險(xiǎn)性較大的環(huán)境，交流安全電壓規(guī)定為12 V。在安全電壓以內(nèi)，觸電時(shí)通過(guò)人體的電流可被限制在較小范圍內(nèi)，在一定的程度上保障了人身安全。故，為保證停電母線的檢修安全，須限制其感應(yīng)電壓不得大于12 V[3]。由此可得出在長(zhǎng)期工作條件下接地開關(guān)的安裝間距及與母線端部的距離。

1）接地開關(guān)至母線端部的距離（m）

2）接地開關(guān)之間的間距（m）

2.2 按瞬時(shí)電磁感應(yīng)電壓計(jì)算

人體觸電導(dǎo)致死亡的主要原因是電擊時(shí)引起的心室纖顫，其主要決定于通過(guò)的電流大小及電擊時(shí)間。按照IEEE 標(biāo)準(zhǔn)[4]，99.5%的體重大約為50 kg 的人在0.03 ～3 s 的電擊時(shí)間內(nèi)，可承受電擊而不致發(fā)生心室纖顫導(dǎo)致死亡的電流與電擊時(shí)間的關(guān)系式如下：

I2t=0.0135

按國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)現(xiàn)狀，故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作切除故障時(shí)間可滿足上式要求。由此可知，在母線發(fā)生短路故障的情況下，為保證人身安全，允許的感應(yīng)電壓限制為：

式中，R為人體電阻，一般為1000 ～2000 Ω。人體受到的電擊危害在故障發(fā)生之后，變電站保護(hù)動(dòng)作，在極短的時(shí)間之內(nèi)，故障即切除，電擊時(shí)間應(yīng)為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與斷路器全分閘時(shí)間之和。

人體電阻按1250 Ω 計(jì)，則感應(yīng)電壓允許值為：

由此，可得出在短路的條件下接地開關(guān)的安裝間距及與母線端部的距離。

1）接地開關(guān)至母線端部的距離（m）

（2）接地開關(guān)之間的間距（m）

3 應(yīng)用實(shí)例

某一220 kV 變電站220 kV 配電裝置采用戶外支撐管母中型，間隔寬度13 m，母線相間距離3.5 m，兩組母線相鄰邊相的間距6 m，單組母線總長(zhǎng)度176 m。母線長(zhǎng)期工作電流3936 A，三相短路電流37.92 kA，單相短路電流35.14 kA，短路故障切除時(shí)間0.15 s。擬在各組母線上均裝設(shè)兩組接地開關(guān)。

圖2 220 kV配電裝置主母線布置圖

若1 M 運(yùn)行，2 M 停電檢修，按照式（1）～（3），2 M 中A2 相對(duì)1 M 中的C1、B1、A1 相單位長(zhǎng)度的平均互感抗為：

按照式（4）～式（10），各種型式下感應(yīng)電壓、接地開關(guān)的裝設(shè)距離計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1 可知，在發(fā)生單相短路的情況下，檢修母線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最大，要求接地開關(guān)的間距及接地開關(guān)至母線端部距離為最小。

表1 感應(yīng)電壓、接地開關(guān)的裝設(shè)距離計(jì)算結(jié)果表

比較三種工況下的計(jì)算結(jié)果取最小值，同時(shí)結(jié)合管母線安裝要求，該220 kV 配電裝置主母線兩接地開關(guān)間的距離取104 m，接地開關(guān)至母線端部的距離取40.5 m，可保證在1 M 運(yùn)行，2 M 停電檢修的情況下的檢修安全。

圖3 220 kV配電裝置主母線接地開關(guān)布置圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用管型導(dǎo)體作主母線的雙母線配電裝置，由于電磁耦合作用，為保證電氣設(shè)備及母線的檢修安全，需在母線上裝設(shè)接地開關(guān)。通過(guò)計(jì)算一段母線運(yùn)行，另一段母線停電的工況下，停電檢修母線的感應(yīng)電壓，以此可確定接地開關(guān)的設(shè)置位置及數(shù)量。