浅析10KV配电系统中性点接地方式的选择和应用

前期管理 2018-07-11 09:46:54
  0.引言 
  在供电系统发展初期,电力系统的容量较小,由于电力系统设计人员对接地电容电流的一系列危害作用估计不足,同时对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高,中压供配电系统初期电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运行。随着我国国民经济的持续发展,电网规模越来越大,特别是电缆在配电网中大量使用,系统电容电流值已超出直接接地系统的适用范围,接地电弧电流增加并且不容易自行熄灭。非故障相电压会产生3.5倍以上形成弧光接地过电压,此种过电压持续时间长将会严重影响供电系统的安全。 
  根据电力行业标准《交流电气装置的过电压和绝缘配合》规定: 3~10KV电缆线路构成的系统,单相接地点接地电流大于30A时中性点应装设消弧线圈。而装设消弧线圈的主要作用是:(1)补偿电容电流,减少故障点的接地电流值;(2)减缓电弧熄灭时故障点恢复电压的上升速度。但是实际在工厂中压配电系统设计使用消弧线圈接地方式时也出现了一些问题:(1)由于电网弧光接地的随机性,消弧线圈对电容电流进行有效补偿的响应时间较长、补偿定值难度较大。(2)企业电网不断扩容,消弧线圈补偿容量不能满足系统的过补偿要求,需要对补偿线圈进行扩容改造,增加了建设投资(3)易产生串联谐振过电压和虚幻接地现象,消弧线圈的设备投资较高,对维护和配电值班人员要求较高。因此,消弧线圈在厂级配电系统中的设计应用时,应根据配电系统的适用条件选用。 
  1.消弧线圈接地方式在昆钢供配电系统中的应用 
  根据昆钢在玉钢和红钢及昆钢禄丰土官钛产业工业园区等项目10KV中压供配电电网设计选型时,当地电网公司要求对车间级中压开关站接地方式选型要相关要求:由于地区总降在110KV(220KV)站内已设置接地变压器和消弧消谐柜,各厂级(或车间)中压开关站内可不再设置消弧消谐接地。原因主要是:(1)无论总降和分配电站内只要出现弧光接地总降内主母线上消弧柜都会动作,故障母线会将弧光接地直接转化为金属接地,以消除系统中弧光过电压。如果总降和分开关站不分供配电条件都设置消弧消谐系统接地,就有可能造成站内外一个局部闪络故障就可能引起总降和分开关站配电系统的消弧消谐柜保护动作,并将保护置为金属性接地方式,危及到系统供电安全。(2)因消弧柜保护原理是采集系统变化作为判断依据,消弧柜本身不能判断是开关站内还是站外发生故障。若消弧柜保护动作后,若系统存在架空线路就极易引发相间短路,进而出现继电保护跳闸动作、高压熔断器频繁熔断等停电事故,危及到系统的供电安全。 
  近年来,随着人们对中性点的各种不同接地方式有了更好的掌握,并进行了创造性的应用。中性点接地方式作为理论与实践相结合的一项应用技术,在昆钢的改扩建项目中,中压供配电项目实际中做出相应的设计完善,达到了项目选型和使用要求。 
  2.系统经消弧线圈接地方式的原理及适用范围的分析 
  消弧线圈(消弧电抗器)就是一种有铁芯的电感线圈,也叫消弧电抗器。在中性点非直接接地电力系统中,变压器中性点通常经过消弧线圈接地。单三相线路的某一相发生弧光接地故障时,流过消弧线圈的感性电流可抵消线路对地电容产生的容性电流,从而使故障点的入地电流大为减少,使电弧不能持续而自动熄灭,避免了事故范围的扩大、避免了发生弧光接地过电压,提高了供电的可靠性。 
  图1中C相单相接地故障时,中性点对地电压造词,未接地相电压升高倍,线电压不变。此时,消弧线圈处于C相相电压作用下,有电感电流通过,消弧线圈的电感电流,此时接地故障电流超前相对地电压Uc相位90°,消弧线圈的电感电流相位滞后电压Uc相位90°, 在接地处和相位差角为180°。即二者方向相反,相互作用抵消。弧线圈能自动跟踪补偿电网对地电容电流的变化。消弧线圈补偿电网对地电容电流的三种工作状态,即过补偿、欠补偿、全补偿。 
  2.1完全补偿方式: 
  此时,当时,感应电流与感应电压同相位消弧线圈处于全补偿工作状态。 此时补偿度K=1,脱谐度。补偿度:;脱谐度:。 由于感抗和容抗相等,消弧线圈通过大地与三相电容构成串联谐振电路。当三相对地电容大小不等时,中性点会出现电压降,将串联谐振回路产生很大电流。消弧线圈上也会产生很大压降,从而中性点对地电位升高,将威胁到设备的绝缘。因此一般中压配电系统不采用消弧线圈完全补偿方式。 
  2.2欠补偿方式: 
  当时,此时补偿度K<1,脱谐度。单相接地故障时,接地处有电容性欠补偿电流,此时由于系统切除部分故障电路使相对地电容减小,或由于频率下降等原因使得系统容抗增大,电容电流下降,此时有可能产生谐振过电压。因此,在电网的变压器中性点和具有直配线的发电机中性点消弧线圈都不采用欠补偿方式。 
  2.3过补偿方式: 
  当时,此时补偿度K>1,脱谐度。单相接地故障时,接地处有电感性过补偿电流,此种补偿方式供电系统不会产生串联谐振,即使电网内单电容电流减小,则消弧线圈电感过补偿电流更大,因此不会产生谐振过电压。 
  由于电网容量是变化的,消弧线圈的容量1.35取值也应随负荷的变化而变化消弧线圈的投切容量,近年来,消弧消谐装置厂家相继研制出多种自动跟踪补偿的消弧线圈。这样配电系统的消弧线圈投切容量可根据供电负荷情况自动调节。 
  2.4系统经消弧线圈接地方式的特点和适用范围 
  (1)采用谐振接地方式的电网的运行可靠性最高,调节范围宽,具有线性调节特性,无谐波污染,可靠性高损耗及噪声小;   (2)单相弧光接地时,装置可瞬时动作使故障点能自动快速熄弧。同时也有效抑制了弧光接地过电压。 
  (4)单相接地的异常过电压抑制在2.5 倍相电压以下。 
  (5)自动跟踪补偿消弧系统的运行经验证明,装置可以运行在欠补、全补和过补状态,而不会发生过去人们担心的串联谐振过电压。 
  (6)消弧线圈接地系统配合小电流接地选线保护装置,具有灵敏、可靠、不需整定等优点,它是迅速确定接地故障位置的重要设备。 
  由上述分析看出:配电系统经消弧线圈接地方式一般在总降一级开关站和大功率发电机等设备的中性点使用较为合理,而在厂级使用时需要有综合分析有一定的使用限制。 
  3.系统经低电阻接地方式的原理及适用范围的分析 
  根据电网的运行经验,当电网中性点不接地时,即使单相接地电容电流不大,也会由于对地电弧燃烧与熄灭的重复过程,使系统相电压升高到破坏设备的绝缘水平,甚至形成相间短路故障。在中性点串联接入低阻抗电阻器以后,泄放熄弧后半波的能量,则中性点电位降低,故障相的恢复电压上升速度也减慢,从而减少电弧重燃的可能性,抑制电网过电压的幅值。 
  由于10/0.4KV车间一级中压配电系统主要采用电缆作为输配电介质,接地电容电流一般限制在20A以下。此种系统使用消弧线圈接地系统不仅系统的造价成本增加,而且由于厂级配电系统负荷波动较大,消弧线圈投切系统响应速度有限。最主要是在投切过程中有可能发生串联谐振过电压问题,根据配电网的运行经验表明,单相接地短路故障转为相间短路故障时有发生,尤其在电缆网络中,若采用电阻接地方式并配合小电流接地选线装置,系统可保证在发生单相接地故障时,短时间内切除接地短路故障线路。 
  3.1系统经低电阻接地方式的优点和适用范围 
  (1)系统经低电阻接地方式接地的适用条件是供电系统的电容电流较小,通常在5~10A范围内,综合保护装置与小电流选线装置配合,保证系统接地故障时故障线路的快速切断。 
  (2)增大接地短路电流,使保护迅速动作,切除故障线路。电阻值的大小,必须使系统具有足够的最小接地故障电流(大约400A以上),保证接地继电器准确动作。 
  (3)此种系统工作接地方式较为经济,对工厂配电系统的适用性强、较为简单可靠。 
  因此在系统容量较小、供电范围在1~2.5km范围内的配电系统(如厂级中压配电系统)设计时一般考虑中性点接低电阻方式并配合小电流选线接地装置可满足配电系统的安全、可靠和经济性要求。3~10KV电力变压器的低压侧中性点可直接接地或经低电阻接地。 
  4.结语 
  根据昆钢现有电力系统的使用经验看,电力系统中性点接地方式的选择,要综合考虑电力系统的过电压与绝缘配合、供电的可靠性要求、电力系统的中长期规划和系统的运行稳定性和经济性等多方面的因素,是一个综合性的技术问题。 
  根据现有技术发展,电力系统非直接接地方式中智能型消弧线圈接地装置和小电阻接地保护方式各有优缺点,供配电系统的设计使用应根据项目的使用条件选择系统的接地方式,不能一概而论。 
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