非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器容量預(yù)測(cè)方法

薛雨辰

【關(guān)鍵詞】非線性接地電阻;變壓器;容量

目前我國(guó)在6kV～35kV系統(tǒng)中越來(lái)越多采用非線性接地電阻接地系統(tǒng)，此種方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在高阻和低阻之間轉(zhuǎn)換，兼顧了供電連續(xù)性和單相接地時(shí)的保護(hù)選線問(wèn)題。以往35kV變壓器通常采用Yd11接線方式，盡管此種接地方式可以滿足變壓器的運(yùn)行需求，但沒(méi)有一個(gè)可供電阻連接的中性點(diǎn)。為了解決此種問(wèn)題，采用設(shè)置一臺(tái)接地變壓器作為一個(gè)人工接地連線點(diǎn)的方式，為了節(jié)省投資，此接地變壓器兼做低壓配電變壓器[1]。變壓器不僅需要在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)滿足非線性電阻所需容量，并需要滿足低壓負(fù)載的容量。由于電網(wǎng)低壓用戶負(fù)載變化大，為了提高變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性，并對(duì)變壓器負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，掌握變壓器在運(yùn)行中的實(shí)際需求，本文將在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線性接地電阻的接線方式，對(duì)接地變壓器容量預(yù)測(cè)方法展開(kāi)設(shè)計(jì)研究，以期通過(guò)此種方式，選擇合適容量的接地變壓器。

一、非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器容量預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

（一）描述非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器運(yùn)行特點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接地變壓器容量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，本章將在非線性接地電阻運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)電網(wǎng)接地變壓器運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行描述[2]62。通常情況下，非線性電阻接地下，當(dāng)接地故障時(shí)，中性位移電壓計(jì)算如下。

公式（1）中：UN表示變壓器的中性位移電壓;Uф表示電網(wǎng)在常規(guī)運(yùn)行條件下的不對(duì)稱性;d表示中性位移距離;表示相位電壓值。上述計(jì)算公式中，p可以用如下公式表示。

公式（2）中：CA、CB和CC分別表示相對(duì)接地電阻的總電容數(shù)值。根據(jù)上述公式（2）計(jì)算得出電網(wǎng)在常規(guī)運(yùn)行條件下的不對(duì)稱性參數(shù)，并將其帶入公式（1）中，實(shí)現(xiàn)對(duì)中性位移電壓的數(shù)值計(jì)算。

通常情況下，在供電企業(yè)電網(wǎng)環(huán)境中，不對(duì)稱度是十分小的。因此，本文在對(duì)上述公式計(jì)算時(shí)，結(jié)合架空線路的特點(diǎn)得出其不對(duì)稱度通常在1.5%～2.5%范圍以內(nèi)，而電纜線路當(dāng)中的不對(duì)稱度會(huì)與之相比更小。通過(guò)上述公式分析可以得出，變壓器的中性位移電壓與電網(wǎng)的不對(duì)稱性以及電網(wǎng)阻尼率都存在一定聯(lián)系，因此通過(guò)對(duì)上述兩種參數(shù)的變化表現(xiàn)，為非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器運(yùn)行特點(diǎn)。

非線性電阻接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，則接地變的中性點(diǎn)電壓高于非線性電阻的起始動(dòng)作電壓，則非線性電阻工作可以在可變電阻區(qū)限制暫態(tài)過(guò)程和過(guò)電壓的發(fā)展。當(dāng)中性點(diǎn)電壓低于非線性電阻的起始動(dòng)作電壓值時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常工作運(yùn)行狀態(tài)。如中性點(diǎn)電壓高于非線性電阻的起始動(dòng)作電壓，此時(shí)電阻由高阻轉(zhuǎn)為低阻，保護(hù)動(dòng)作。

（二）預(yù)測(cè)電網(wǎng)接地變壓器容量負(fù)載

對(duì)非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器容量負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文采用應(yīng)用單位指標(biāo)法確定計(jì)算負(fù)載，其計(jì)算公式為：

公式（3）中，Pei表示區(qū)域范圍內(nèi)單位用電指標(biāo)，由于不同區(qū)域的用電水平差異較大，因此在實(shí)際預(yù)測(cè)過(guò)程中需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況Pei對(duì)數(shù)值進(jìn)行選擇;Ni表示單位區(qū)域內(nèi)用電用戶數(shù)量。利用上述公式（3）計(jì)算得出變壓器容量負(fù)載結(jié)果，將其與同時(shí)系數(shù)相乘，得到實(shí)際最大負(fù)載。再按照單位面積法對(duì)負(fù)載進(jìn)行計(jì)算，并在規(guī)定的面積區(qū)域范圍內(nèi)得出，隨著面積的增加，其負(fù)載密度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，通過(guò)如下公式對(duì)其進(jìn)行描述：

公式（4）中，PM表示最大負(fù)載;Ped表示單位面積內(nèi)變壓器容量負(fù)載;s表示預(yù)測(cè)電網(wǎng)接地變壓器容量負(fù)載的實(shí)際范圍;y表示同時(shí)系數(shù)，以此根據(jù)上述公式，在明確預(yù)測(cè)區(qū)域面積以及單位面積內(nèi)變壓器容量負(fù)載容量。

如果接地變壓器用于常規(guī)的低阻，考慮到低阻接地系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)將在小于1s～2s的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作跳閘[2]63。IEEE-C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變壓器10s的允許過(guò)載系數(shù)為額定容量的10.5倍，接地變壓器的容量只需選擇電阻工作容量的1/10.5即可。當(dāng)采用非線性電阻時(shí)，接地電阻由高阻向低阻轉(zhuǎn)換，此時(shí)需考慮非線性電阻電流的載荷率以及高阻情況下的變壓器過(guò)載倍數(shù)。

如某變電站3 5 k V 系統(tǒng)采用非線性電阻接地系統(tǒng)， 中性點(diǎn)電壓高于非線性電阻的起始動(dòng)作電壓，當(dāng)發(fā)生金屬性接地時(shí)，通過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)的瞬時(shí)電流如為40 0A，則該接地變壓器的短時(shí)容量應(yīng)為：S=√3×37×400/3=8544kVA，根據(jù)變壓器2h的允許過(guò)載系數(shù)為額定容量的1.4倍，非線性電阻電流的載荷率12.5%，此時(shí)接地變壓器容量為12.5%*8544/1.4=762kVA，選擇大的最近一擋的800kVA標(biāo)準(zhǔn)容量。

如果接地變壓器兼作配電變壓器，則變壓器容量應(yīng)為接地電阻容量與配電容量之和，容量按下式選擇：

K1過(guò)載系數(shù)，K2 為非線性電阻電流的載荷率

二、實(shí)驗(yàn)論證分析

為研究本文提出的預(yù)測(cè)方法是否能夠得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，將該方法與現(xiàn)行單位指標(biāo)法預(yù)測(cè)方法同時(shí)應(yīng)用到相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，完成如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選擇以某區(qū)域站范圍內(nèi)覆蓋的電網(wǎng)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將其區(qū)域范圍內(nèi)的接地變壓器作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用非線性接地電阻接地的方式，分別按照上述公式完成預(yù)測(cè)，并按單位指標(biāo)法完成傳統(tǒng)預(yù)測(cè)，將兩種方法得出的結(jié)果進(jìn)行比較，為更直觀對(duì)比兩種預(yù)測(cè)結(jié)果，將其繪制成如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表[3]。

由表1中的結(jié)果可以看出，本文方法得出的結(jié)果與實(shí)際接地變的負(fù)載容量相差較小，而當(dāng)前電力企業(yè)常用的單位指標(biāo)法預(yù)測(cè)得出的結(jié)果與實(shí)際負(fù)載容量相差較大。其主要原因在于以往單位指標(biāo)法在對(duì)變壓器負(fù)載容量預(yù)測(cè)過(guò)程中融入了大量非客觀因素，僅能夠憑借預(yù)測(cè)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此得出的結(jié)果可靠性較低。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)非線性接地電阻下電網(wǎng)接地變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究，并提出非線性電阻接地方式下接地變壓器容量進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。實(shí)驗(yàn)證明將該方法應(yīng)用于實(shí)際能夠有效估算接地變壓器的容量，可以在其發(fā)生故障之前對(duì)其進(jìn)行控制，以使其穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，本文提出的預(yù)測(cè)方法僅需要通過(guò)獲取電網(wǎng)綜合自動(dòng)化記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)十分精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，因此實(shí)際實(shí)施過(guò)程中更加方便，應(yīng)用性更強(qiáng)，有著更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。