接地电容电流

摘要：随着城市电网的发展，变电站10ｋV出线中电缆所占比重越来越高，导致10ｋV系统的电容电流越来越大，远远超过了规程规定的10A（10kV为架空线和电缆线混合的系统）。因此需要在10ｋV中压电网中采用中性点谐振接地（经消弧线圈接地）方式。理想的消弧线圈能实时监测电网电容电流的大小，在正常运行时电抗值很大，相当于中性点不接地系统，在发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值完全补偿电容电流，使接地点残流的基波无功分量为零。自动跟踪补偿消弧装置基本能实现上述功能，技术现已相当成熟，能将接地故障电流限制在允许范围内，保证系统的可靠运行及人身和设备的安全。［关键词］：中压电网中性点谐振接地方式一、引言对10kV中压电网而言，设备的绝缘裕度受经济因素的制约作用较小，工频电压升高的不良影响较低，相反限制单相接地故障电流及其一系列危害显得尤为重要，加之接地继电保护选择性难题的攻克（之前为了检出和清除故障线路曾采用低电阻接地方式），现国内10kV中压电网多采用中性点非有效接地方式。其包括如下几种方式：1、中性点不接地方式；2、中性点经高电阻接地方式；3、中性点谐振接地(经消弧线圈接地)方式。所谓中性点不接地方式，实际系统是经过一定数值容抗接地的。当系统发生一点接地时，保护不跳闸，仅发出接地信号，可带故障运行1-2小时（前提是系统接地故障电流不大于10A）。因接地系数（零序阻抗与正序阻抗比值）ｋ小于0，△U=－U相可能高于相电压，非故障相的工频电压升高将会略高于线电压，约为1.05U线。另外，中性点不接地系统还具有中性点不稳定的特点，当单相接地电弧自行熄灭后，容易导致电压互感器的铁芯饱和激发中性点不稳定过电压，引起电压互感器烧毁与高压熔丝熔断等事故。如采用中性点经高电阻接地方式：可限制电弧接地过电压；限制单相接地电弧熄灭后激起的中性点不稳定过电压。但如系统发生单相接地故障时的故障电流超过10A，接地电弧不能自行熄灭，将引起电弧接地过电压，所以中性点经高电阻接地方式有一定局限性，只适合用于规模较小的10ｋV电网中。随着城市的发展，对环境要求的提高，蜘蛛网式满天横飞的架空线路影响了城市的美观，城市的各大街道纷纷将架空线路改为电缆入地。而每公里电缆的电容电流远大于同等长度的架空线路。以10ｋV线路为例：架空线路的电容电流计算（按水泥杆、有避雷线计算）Iｃ＝3.7U线ｌ×10-3=3.7×10×1×10-3=0.037A（1）式电缆线路的电容电流计算Iｃ(u)＝[(95+1.44S)/2200+0.23S]U线（2）式其中S为电缆心线截面积(ｍm2)以截面积为300的10kV电缆为例，每公里电容电流为2.32A。10ｋV线路每公里电缆的电容电流约为架空线路的63倍，10ｋV出线中电缆比重的增大势必引起电容电流的增大，从而导致接地电弧无法熄灭，严重影响系统的可靠性，影响人身及设备的安全。我国电力行业标准DL\T620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中明确规定：3－10ｋV不直接连接发电机且由架空线路构成的系统，当单相接地故障电容电流超过10A又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。中性点经消弧线圈接地方式与前两种小电流接地方式相比，单相接地故障电流明显减小，非故障相的工频电压升高降低，且不存在中性点不稳定过电压的情况，基本运行特性明显优越。二、自动跟踪补偿装置理想的消弧线圈能实时监测电网电容电流的大小，在正常运行时电抗值很大，相当于中性点不接地系统，在发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值完全补偿电容电流，使接地点残流的基波无功分量为零。当然这只是一种理想状态，但实际上现已研制出多种自动跟踪补偿消弧装置，基本实现了上述功能。现即对自动跟踪补偿装置的构成及各部件的结构原理作一简要介绍。自动跟踪补偿消弧装置主要由三大核心部件构成：接地变压器、可调节的消弧线圈及带小电流接地选线功能的自动调谐控制器。针对消弧线圈的不同调节方式又配置了不同的部件，如调匝式等配置阻尼电阻箱，可控硅调节式配置可控硅控制箱等。1、接地变压器因为10ｋV系统为三角形结线，无中性点引出，这就需要先通过接地变压器来形成一个中性点。接地变压器采用Z型结线（或称曲折型结线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上，这样零序磁通能沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿漏磁磁路流通，所以Z型接地变压器的零序阻抗很小，可带90%－100%容量的消弧线圈，相比普通变压器可带消弧线圈容量不得超过变压器容量的20%，可节省投资。一般当系统不平衡电压较大时，Z型变三相绕组做成平衡式，当系统不平衡电压较小时（如全电缆网络），Z型变中性点要做出50－100V的不平衡电压以满足测量需要。接地变压器除可带消弧线圈外，也可带二次负载，兼作站用变。2、自动跟踪补偿的控制原理如何实现消弧线圈的自动跟踪补偿，使发生接地故障后的残流｜Iｌ－Iｃ｜＜5A。（Iｌ－消弧线圈上电感电流；Iｃ－电网的电容电流）。就需要实时监测系统的电容电流。算法有很多，如利用系统电容电流参数变化引起中性点电压、电流之间的相位变化量来计算电容电流；从消弧线圈内附PT二次侧加一电源，使位移电压发生变化，从而计算出电容电流；从消弧线圈内附PT二次侧注入不同频率的电流信号，找出谐振频率，根据谐振频率计算脱谐度和电容电流等等。目前在自动跟踪补偿装置中用得较好的是电容电流在线实时测量法，其原理如下：首先画出系统正常运行时的零序等效电路:U0为系统的不对称电压，在装置投入运行时应先测量出来；C为系统对地的等效电容；R为回路电阻；L为有载调节消弧线圈。首先将消弧线圈调至L1档，测量零序回路电流为I1，再将消弧线圈调至L2档，测量零序回路电流为I2。U0＝I1[R+j（XL1-XC）]U0＝I2[R+j（XL2-XC）]由上两式即可求出R和XC，IC＝U相/XC。微机控制器是根据电网的脱谐度和残流的要求进行调节的，在投运前先将脱谐度ε=（Iｌ－Iｃ）/Iｌ设定在一个范围内，当系统的脱谐度超出此范围，控制器发出指令，调整消弧线圈使脱谐度及残流满足要求。控制器同时还有小电流接地选线功能。在电力系统中，当小电流接地系统发生单相接地故障时会导致：ａ、系统零序电压升高；ｂ、非故障线路零序电流为本身电容电流值，相位超前零序电压近90度；ｃ、故障线路零序电流最大，为所有非故障线路零序电流之和，相位滞后零序电压近90度。以上三点当无消弧线圈时对于基波、5次谐波均成立；而在有消弧线圈过补偿时对于基波不成立，只对5次谐波成立；另一方面，流过消弧线圈串接电阻的有功功率会流过故障点。综上所述，采用零序基波电流、5次谐波电流相对算法，并结合零序有功分量等多种算法进行比较、表决，可大大提高接地选线的准确性。另外还有一种称为残流增量法的算法，即在系统发生单相接地后把各线路的零序电流采集下来，然后调一档，再把各线路的零序电流采集一遍，求出各线路调档前后零序电流的变化量，其中最大者为接地线路，因为它等于消弧线圈调档前后电感电流的改变值，而其它线路基本不变。3、消弧线圈的调节方式消弧线圈的调节方式主要有：①调匝式；②调容式；③可控硅调节式；④调直流偏磁式；⑤调气隙式…①调匝式调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出若干个分接头，用有载分接开关进行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。调匝式因调节速度慢，只能工作在预调谐方式（即在系统正常运行无接地发生时，消弧线圈跟踪到最佳补偿位置，接地后不再调节），为保证较小的残流，必须在谐振点附近运行。这将导致中性点位移电压升高，因此需加装阻尼电阻进行限压，保证中性点的位移电压不超过15%相电压。为避免阻尼电阻上的有功电流使接地残流增大，在发生单相接地时，必须将阻尼电阻延时0.5秒后短接（为与选线装置配合），其原理如下：JJ为交流接触器的触点；JC为直流接触器的触点，当系统发生单相接地时，中性点电压升高，电流增大，同时母线PT开口三角输出电压。如其值超过设定值时会启动JC或JJ将阻尼电阻短接。延时由时间继电器控制。②调容式通过调节消弧线圈二次侧电容量大小来调节消弧线圈的电感电流。其采用二次调节消弧线圈，其结构如图所示：二次绕组连接电容调节柜，当二次电容全部断开时，主绕组感抗最小，电感电流最大。二次绕组有电容接入后，根据阻抗折算原理，相当于主绕组两端并接了相同功率、阻抗为ｋ2倍的电容，使主绕组感抗增大，电感电流减小。因此通过调节二次电容的容量即可控制主绕组的感抗及电感电流的大小。电容器的内部或外部装有限流线圈，以限制合闸涌流。电容器内部还装有放电电阻。因调容式调节速度快，可实现接地后调节（即系统正常运行时，消弧线圈工作在远离谐振点的位置，满足中性点位移电压不大于15%相电压的要求。当发生接地故障后，再将消弧线圈调至满足残流要求的合适位置），可不加阻尼电阻。③可控硅调节式采用高短路阻抗变压器式可控消弧线圈（短路阻抗可达100%），其结构原理图及等效电路图如下：一次绕组（GR）作为工作绕组接在接地变中性点与地之间，二次绕组（KR）作为控制绕组由两个反向并接的可控硅（KKG）短路，可控硅的导通角由触发控制器控制。调节可控硅的导通角由0至180度之间变化，使可控硅的等效阻抗ZKKG在无穷大至零之间变化，输出的补偿电流就可在零至额定值之间得到连续无极调节。系统中专门设计了有效滤波设施抑制可控硅导通时产生的谐波，使输出的电流保持为工频电流。由于可控硅工作于与电感串联的无电容电路中，其工况既无反峰电压的威胁又无电流突变的冲击，可靠性得到了保障。可控硅调节式调节速度极快，正常时消弧线圈工作在远离谐振点的位置，不加阻尼电阻。其一大优点是因采用短路阻抗而不是励磁阻抗作为工作阻抗，所以伏安特性可保证在0－110%额定电压范围内保持极佳的线性度。④调直流偏磁式交流工作线圈内布置一个铁芯磁化段，通过改变铁芯磁化段磁路上的直流励磁磁通大小来调节交流等值磁导，实现电感连续可调。其基本结构如图所示：直流励磁绕组采取反串连接方式，使整个绕组上感应的工频电压相互抵消。通过对三相全控整流电路输出电流的闭环调节，实现消弧线圈励磁电流的控制，利用微机的数据处理能力，对这类消弧线圈伏安特性上固有的不大的非线性实施动态校正。消弧线圈还有另外一些调节方式，如调气隙式等就不一一介绍了。三、工程中的具体应用成都地区过去10kV系统均采用中性点不接地方式，但由于10kV出线电缆所占比重的增加，导致电容电流升高超过了规程的要求，现在新建变电站已广泛采用10ｋV自动跟踪补偿消弧装置。以新建青白江110kV大湾变电站为例：变电站10kV采用单母线分段结线方式，共分两段。按照规划的10kV建设规模，每段母线上各连接15km的架空线路（按水泥杆、有避雷线计算）和15km的电缆（按电缆芯线截面积300mm2计算）。根据（1）、（2）式计算电容电流为31.275A，再算上变电站增加16%的电容电流，IC=（1+16%）×31.275=36.279A。根据Q消=kIC×Ue/，过补偿取k=1.35，计算需消弧线圈容量297kVA，选择315kVA的消弧线圈。接地变带二次绕组兼做站用变。因所需站用变容量为160kVA，所以接地变容量选择为500kVA。（接地变容量为消弧线圈与站用变容量之和；也可更经济地根据公式S接=计算）。自动跟踪补偿装置原理如图所示（消弧线圈采用调匝式）消弧线圈在系统正常运行时工作在最佳补偿状态，即在谐振点附近运行，残流和调谐度都控制在允许范围内，此时需投入阻尼电阻将中性点位移电压限制在15%U相内。系统发生单相接地故障时，自动调谐控制器感知母线PT开口三角电压、中性点电压升高及中性点电流增大，延时0.5秒（供自动选线装置找出故障线路）后启动阻尼电阻控制器将阻尼电阻短接，投入消弧线圈补偿电容电流。四、小结随着电网的发展，加之接地继电保护选择性难题的攻克，中压电网中性点采用谐振接地（经消弧线圈接地）的优越性已逐渐显示出来。而自动跟踪补偿消弧装置技术的成熟，必将使其成为中压电网中性点接地方式的发展方向。