變電站單相接地故障消除設(shè)備的研究

楊 莉

（江蘇科能電力工程咨詢有限公司）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，單相接地故障在小電流接地系統(tǒng)中最為常見，是指三相電力系統(tǒng)中，僅在一相導(dǎo)體與地之間出現(xiàn)的絕緣破壞；而且發(fā)生單相接地故障時，大部分都是瞬時且可以恢復(fù)的。根據(jù)GB-T50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》中3.1.3節(jié)規(guī)定“35kV、66kV系統(tǒng)和不直接連接發(fā)電機，當單相接地故障電容電流大于10A又需在接地故障條件下運行時，應(yīng)采用中性點諧振接地方式；不直接連接發(fā)電機、由電纜線路構(gòu)成的6～20kV系統(tǒng)中，當單相接地故障電容電流大于10A又需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。”可知，我國35kV及以下電網(wǎng)系統(tǒng)，中性點大部分采用諧振接地。當系統(tǒng)發(fā)生永久性的單相接地故障，如電纜內(nèi)部出線單相對地絕緣擊穿時，消弧線圈補償系統(tǒng)電容電流流經(jīng)故障點，當電弧熄滅故障相電壓恢復(fù)時被破壞的電纜內(nèi)部相對地絕緣不能恢復(fù)，會被再次擊穿。這樣重復(fù)擊穿不斷向故障點注入能量，逐步破壞故障點附近相間絕緣，最后可能導(dǎo)致電纜相間短路，造成事故擴大［1］。

另外節(jié)約用地是我國的基本國策，變電站的選址規(guī)模需滿足國土空間規(guī)劃用地指標。因此優(yōu)化設(shè)備選擇，即可以壓縮變電站占地面積，減少土建投資，節(jié)約寶貴國土資源，又可以有效縮短設(shè)備間連線、站內(nèi)管道、道路等長度，提高全壽命周期經(jīng)濟效益，符合國網(wǎng)提倡的綠色低碳建造精神。而常規(guī)接線變消弧線圈成套裝置占地面積大，需通過電纜與接地變開關(guān)柜連接。

本文對兩種消除單相接地故障設(shè)備各方面分析，對站址狹小或改造工程中，分析并探討兩種設(shè)備的改造措施。

1 接地變消弧線圈原理

某35kV接地變消弧線圈系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 某35kV接地變消弧線圈系統(tǒng)原理圖

2 接地變消弧線圈成套裝置布置型式

接地變消弧線圈成套裝置通常為組合柜式，分戶外和戶內(nèi)兩種型式。目前江蘇通用設(shè)計均采用戶內(nèi)布置，根據(jù)通用設(shè)備要求，戶內(nèi)35kV接地變消弧線圈成套裝置外形尺寸為6100×3100左右，10kV戶內(nèi)接地變消弧線圈成套裝置外形尺寸為1700～2100（深）×3000（長），常見的接地變消弧線圈成套裝置如圖2～圖5所示。

圖2 某10kV戶內(nèi)接地變消弧線圈成套裝置俯視圖

圖3 某10kV戶內(nèi)接地變消弧線圈成套裝置正視圖

圖4 某35kV戶內(nèi)接地變消弧線圈成套裝置俯視圖

圖5 某35kV戶內(nèi)接地變消弧線圈成套裝置正視圖

接地變消弧線圈裝置無法直接與低壓母線直接連接，需在低壓母線上配置接地變開關(guān)柜，通過電纜與接地變開關(guān)柜連接。

3 接地變消弧線圈優(yōu)缺點

（1）降低瞬時性單相接地故障發(fā)展成永久性單相接地故障的概率。

（2）允許系統(tǒng)帶故障運行2h，保障了系統(tǒng)供電可靠性。

（3）發(fā)生永久性接地時，可以運行一段時間，使用于不能停電的用戶。雖然接地，非故障相電壓升高，但是三相之間仍然平衡，在一些應(yīng)急系統(tǒng)仍然使用。

（4）消弧線圈可以限制大部分的接地現(xiàn)象。由于其接地電弧偏小，電磁兼容性好，對通訊設(shè)備影響較小。

在《戰(zhàn)爭宣言》中，括號里齊唱的部分要表達的實際是“一旦下達作戰(zhàn)命令就能馬上提振士氣、奔赴戰(zhàn)場”的含義；幾家西方媒體將其譯為指稱意義對等的“kill,kill,kill”看似是忠實于原文的翻譯，但并未正確傳達其情感意義，事實上是對文本進行了干涉，并不“客觀公正”。

（5）缺點是系統(tǒng)絕緣水平要求要高。設(shè)備復(fù)雜，控制復(fù)雜，成本較高。

（6）與系統(tǒng)連接采用電力電纜，增加故障機率，安全可靠性不高。

4 單相接地故障管理系統(tǒng)原理

在中性點非有效接地系統(tǒng)中，需通過接地變壓器引出一個中性點，該中性點串聯(lián)高壓可控硅后接地。電網(wǎng)正常運行時，高壓可控硅將維持在不導(dǎo)通情況下工作。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，隨著接地變壓器的中性點電位升高，裝置中的主控制器檢測到接地信號后觸發(fā)高壓可控硅導(dǎo)通，此時故障回路會流過一個短路零序電流，而在故障回路中的采集單元檢測到所選擇線路的數(shù)據(jù)后發(fā)送給主控制器，以便判斷故障回路、故障類型及故障的時間等。然后根據(jù)單相接地故障的特點，再采用不同的處理故障方式，讓脈沖式消弧線圈和觸點消弧互輔工作，避免弧型事故，從而保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

檢測到故障若為臨時性接地故障，完成選線后立即啟動脈沖式消弧線圈和觸點消弧，用觸點消弧來旁路接地電容電流和消弧線圈的暫態(tài)電感電流，觸點消弧在當脈沖式消弧線圈實現(xiàn)補償并穩(wěn)定工作后立即退出，待故障消除后脈沖式消弧線圈再退出。由于觸點消弧的真空接觸器在開斷時會產(chǎn)生操作過電壓，而脈沖式消弧恰好可以限制其操作過電壓，所以對于瞬時性接地故障或弧光接地故障，這種組合式的工作方式克服了傳統(tǒng)的消弧線圈或觸點消弧單一裝置使用的弊端，更加有利于故障的快速解決，使裝置的工作穩(wěn)定性明顯增強。

檢測到故障若為永久性的單相接地故障，在選線后應(yīng)立即啟動觸點消弧，將已經(jīng)故障相直接接地，轉(zhuǎn)換成單相接地，以滿足國標規(guī)定的繼續(xù)安全運行2h的要求，保障電網(wǎng)的安全運行。

某10kV單相接地故障管理系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 某10k V單相接地故障管理系統(tǒng)原理圖

5 單相接地故障管理系統(tǒng)布置型式

單相接地故障管理系統(tǒng)包括真空斷路器、電流互感器、干式接地變壓器、干式消弧線圈、高壓可控硅組、高能限流電阻、真空接觸器、開關(guān)狀態(tài)顯控裝置、主控制器和脈選信號采集單元；所述開關(guān)狀態(tài)顯控裝置包括1號開關(guān)狀態(tài)顯控裝置和2號開關(guān)狀態(tài)顯控裝置；所述真空接觸器包括1號真空接觸器和2號真空接觸器；真空斷路器、電流互感器、干式接地變壓器、高壓可控硅組以及1號開關(guān)狀態(tài)顯控裝置通過母排連接組成選線柜；干式消弧線圈、高能限流電阻、1號真空接觸器、2號真空接觸器以及2號開關(guān)狀態(tài)顯控裝置通過母排連接組成選線柜處理柜；主控制器和脈選信號采集單元組成控制柜；選線柜和處理柜通過母排與相應(yīng)電壓等級開關(guān)柜連接；控制柜單獨布置在變電站控制室內(nèi)。

根據(jù)不同電壓等級，柜子尺寸略微不同，與同等級開關(guān)柜尺寸相匹配。具體柜子尺寸如圖7～圖8所示。

圖7 選線柜外形尺寸圖

單相接地故障管理系統(tǒng)不需要設(shè)置開關(guān)柜，可直接與低壓母線連接，通過母排與低壓開關(guān)柜拼柜。

6 單相接地故障管理系統(tǒng)優(yōu)缺點

單相接地故障管理系統(tǒng)綜合了非有效接地系統(tǒng)和有效接地系統(tǒng)各自的優(yōu)點，既有中性點非有效接地系統(tǒng)的高供電可靠性，又解決了弧光接地產(chǎn)生的較高過電壓給設(shè)備絕緣造成的安全隱患問題。概括起來，該裝置有如下技術(shù)特點：

（1）選線精準快速

主控制器采用高速DSP控制器，速度快穩(wěn)定性強；當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，此時CPU將收集的零序電壓、電流數(shù)據(jù)進行濾波、排序、判別、再進行多次的綜合分析后，再將所有接地故障信息比如故障的時間、故障回路信號等送至顯示屏顯示。

（2）有效的故障處理

快速正確判別單相接地故障類型，并通過特殊的設(shè)計方法，使脈沖消弧線圈和觸點消弧互相配合，互為保證，從而有效消除短路故障。

（3）電壓全過程監(jiān)測

可對系統(tǒng)持續(xù)運行電壓、諧振過電壓、操作過電壓、雷電過電壓等穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)沖擊值進行及時監(jiān)測和記錄，接地報警功能也可設(shè)置延時報警，為用戶分析電網(wǎng)的運行情況和確定故障因素時提供參考依據(jù)。

（4）不可兼做站用變

單相接地故障管理系統(tǒng)是通過母排與低壓側(cè)母線直接連接，僅能作為單相接地故障處理設(shè)備，不可兼做站用變使用，因此變電站需單獨配置站用變。

（5）布置場地受限

單相接地故障管理系統(tǒng)是組合柜式結(jié)構(gòu)，因與低壓側(cè)母線直接連接，僅能布置于戶內(nèi)。

7 案例分析

某220kV變電站主變增容改造，由原120MVA主變壓器增容為180MVA主變壓器。根據(jù)GB50229-2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標準》11.5.4條文中規(guī)定“單臺容量為125MVA及以上的油浸變壓器、200Mvar及以上的油浸電抗器應(yīng)設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)或其他固定式磨滅或裝置”［3］。國家電網(wǎng)有限公司設(shè)備部先后出臺《變電站（換流站）消防設(shè)備設(shè)施完善化改造原則（試行）》、《變壓器固定自動滅火系統(tǒng)完善化改造原則（試行）》等文件，125MVA規(guī)模以上新建或改擴建變電站采用水噴霧滅火系統(tǒng)。以致原站用變?nèi)萘坎粷M足主變增容后需求。本站前期10kV采用接地變消弧線圈接地，其消弧線圈容量為300，站用變?nèi)萘繛?50kVA。主變增容后，站用變?nèi)萘啃?00kVA，根據(jù)國網(wǎng)通用設(shè)備選型，改造后本站接地變消弧線圈需選擇接地變1500kVA的接地變消弧線圈成套裝置。根據(jù)通用設(shè)備尺寸，此設(shè)備外形尺寸為2200×3000mm。則接地變消弧線圈成套裝置與對面開關(guān)柜之間的通道需壓縮到1700mm。而根據(jù)DL／T5352-2018《高壓配電裝置設(shè)計規(guī)范》5.4.4條文中要求“設(shè)備單列布置時，最小操作通道需滿足單車長＋1200mm”，通常10kV開關(guān)柜斷路器手車長650mm，即650＋1200＝1850mm［4］。因此不滿足規(guī)范要求。且設(shè)備基礎(chǔ)，一次二次電纜進線位置均需改造，改造工程量較多。改造前開關(guān)室布置圖如圖9所示，改造后仍采用接地變消弧線圈布置圖如圖10所示。

圖9 改造前10k V開關(guān)室平面布置圖

圖10 改造后10kV開關(guān)室平面布置圖（采用接地變消弧線圈）

若采用單相接地管理系統(tǒng)，柜子深度可與前期開關(guān)柜保持一致，處理柜柜寬1000mm，選線柜柜寬1200mm，整體布置與前期匹配，不壓縮開關(guān)柜的操作通道的距離。且基礎(chǔ)基本不需要改造，因設(shè)備直接與開關(guān)柜母排連接，不需要改造一次進線孔。二次進線僅需增加2個小的開孔即可。增加的站用變，根據(jù)通用設(shè)備，10kV戶內(nèi)干式站用變尺寸為1800×1300mm，均可布置于前期接地變消弧線圈的場地內(nèi)，僅需把前期接地變開關(guān)柜名稱改為站用變開關(guān)柜即可，無需其他改造。改造后開關(guān)室平面布置圖如圖11所示。

圖11 改造后10kV開關(guān)室平面布置圖（采用單相接地故障管理系統(tǒng)）

8 結(jié)束語

單相接地故障管理系統(tǒng)結(jié)合了消弧線圈補償法和觸點消弧法的優(yōu)點，能夠快速準確的選出故障線路，并靈活有效解決故障。既保持了不接地系統(tǒng)的供電可靠性高的優(yōu)點，同時也解決了單相接地引起電壓升高導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能的安全問題。且為了進一步提高供電設(shè)備的可靠運行，老舊變電站進行升級改造日益增多，單相接地故障管理系統(tǒng)因占地面積小，在改造工程中優(yōu)勢更突出，更適合狹小的空間布置，改造方案應(yīng)根據(jù)變電站自身特點，權(quán)衡站用電系統(tǒng)改造風險綜合比選，選擇更安全、更合理的改造方案。本文探討了兩種非有效接地系統(tǒng)的裝置的特點，為一些創(chuàng)優(yōu)、創(chuàng)新及改造工程提供參考。