動力變電站10kV系統接地現狀分析

王海濤

(新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心)

前言

某鋼鐵企業110kV動力變電站中性點接地方式根據電壓等級不同而采用了不同的形式，110kV系統采用中性點直接接地的運行方式，當系統出現單相接地時，較大的零序電流要求接地保護快速切除接地故障,以保障電氣設備的安全。

由于現場10kV系統大部分為電纜供電，設計接地電容電流超過10A，按照我國規范要求，必須采用中性點經消弧線圈接地運行方式。由于在中性點不接地系統發生單相接地故障時，接地點將流過全系統對地電容電流，當電容電流較大時，將會在接地點形成間歇性電弧，引起弧光性過電壓，數值高達系統正常電壓3.5倍，對正常運行的設備絕緣造成較大的影響；同時由于電弧作用，使得接地點絕緣快速燒損，造成短路故障致使事故影響范圍擴大。因此根據規范要求10kV系統當接地電容電流超過10A時，必須在中性點裝設消弧線圈，通過消弧線圈的電感電流補償接地電容電流，使接地點的弧光電壓快速降低，達到熄滅電弧的目的。

1 動力變電站10kV系統接地方式簡介

1.1 系統簡介

某公司主要用電單元為焦化廠、動力鼓風機站等設備，大概負荷約為12000kW，由110kV動力變電站供電，其余三座110kV變電站主變處于停用狀態。由于廠區內部數據信息網絡、物流司磅稱點、門崗安保、廠內照明需要供電，區域內的4座110kV變電站內部10kV高壓開關柜設備仍處在運行狀態。

動力變電站運行方式為110kV某動二線、2#主變運行，10kV四段母線并列運行，110kV某動一線、1#主變熱備用；站內2#接地變運行，1#、3#接地變熱備用。3臺接地變為DKSC-800/10.5-300/0.4干式變壓器，配套消弧線圈為XHDC-TZ-500/10空氣調檔的干式電抗器；800kVA接地變壓器除帶500kVA消弧線圈外，同時也帶站內低壓二次負載代替站用變；消弧線圈最大調節電流為80A，在發生接地故障后，通過預先設定調節補償檔位，限制故障點的電容電流在規定范圍之內。

1.2 系統接地方式及其作用

動力變10kV中性點經消弧線圈接地系統，由接地變壓器、調匝式消弧線圈、檔位調節有載開關、微機控制器、阻尼電阻箱等構成，總體構成如圖1所示。

CT-電流互感器；U0-零序開口電壓；UAB-系統線電壓；I0-零序電流；ZC-直流切換開關；JC-交流切換開關

1.2.1 接地變壓器的作用

接地變壓器的作用就是在系統中性點未引出時，通過接地變壓器形成系統中性點。動力變10kV配套1#、2#接地變壓器采用Z型接線的干式變壓器，總容量為800kVA，其中站用低壓側容量300kVA。變壓器高壓側采用Z型接線，每相由兩段分別位于不同相鐵心柱上的繞組組成，兩段線圈反極性連接，零序磁通相互抵消，零序阻抗與空載損耗非常小，變壓器容量可以充分被利用。普通變壓器帶消弧線圈容量不超過變壓器容量的20%，而Z型變壓器則可帶90%～100%容量的消弧線圈；動力變接地變壓器除帶消弧線圈外，也配有0.4kV二次繞組，代替站用變，因此接地變壓器的一次容量800kVA為500kVA消弧線圈與300kVA二次站用負載容量之和。

1.2.2 調匝式消弧線圈的作用

接地變壓器配套調匝式消弧線圈采用樹脂絕緣消弧線圈，額定電流80A，通過MFK120/10J型空氣有載分接開關調節消弧線圈的抽頭以改變電感值。調匝式消弧線圈與空氣有載分接開關調節電流范圍10～80A，消弧線圈設有17檔抽頭，在電網正常運行時，微機控制器通過實時測量流過消弧線圈電流的幅值和相位變化，計算出電網當前方式下的對地電容電流，根據預先設定的最小殘流值或失諧度，由控制器調節有載調壓分接頭檔位，使之調節到所需要的補償位置。在發生接地故障后，消弧線圈提供的感性電流與系統的容性電流相反。流過連接點的剩余電流是感性電流和容性電流之間的差值，通過調節電感電流，最小化剩余接地電流，以消除接地過電壓達到自然熄弧，避免故障的影響擴大。

1.2.3 微機控制器工作原理及功能

ACHC-TZ型微機控制器由多路開關、信號放大器、A/D轉換、光電隔離、I/O口、PC104主板、顯示液晶等構成，原理構成如圖2所示。

圖2 微機控制器原理框圖

該控制器采用工業控制(PC104)為主機，其主要功能：自動測量電容電流，自動進行調節控制；實時顯示系統電壓、位移電壓、消弧線圈電流、頻率、殘流、脫諧度、時間等參數，對接地次數進行統計及完成對應接地時的系統參數記錄功能，通過控制器進行手動操作調節控制，打印系統故障信息或查詢，通過RS-232、RS-485口實現與變電站監控機的通訊。動力站1#、2#兩組消弧線圈通過一臺微機控制器來完成調節功能，同時該控制器采用殘流增量法和有功功率法等算法，具有對接地線路選線功能。

1.2.4 阻尼電阻箱作用

消弧線圈自動跟蹤調節中接近諧振點運行，為防止產生串聯諧振過電壓，在消弧線圈接地回路采用串聯阻尼電阻的方法確保系統正常運行。阻尼電阻選用性能優良的不銹鋼電阻，當系統發生單相接地故障時，控制器將阻尼電阻短接防止燒毀；當系統恢復正常時，控制器斷開阻尼電阻短接觸點，使阻尼電阻正常串接消弧線圈回路中，防止出現諧振過電壓。電阻短接回路采用真空接觸器動作保護：接觸器動作電源選用兩套獨立的回路，一套選用交流220V，一套選用直流220V，增加了系統運行的可靠性。

2 動力變電站10kV系統接地電容電流分析

2.1 接地電容電流計算依據

變電站的電容電流包含在該站連接的所有架空線路、電纜線路、發電機、變壓器以及母線和電器設備的電容電流。根據對接地電容電流計算說明，高壓廠用電主要采用電纜供電方式，系統電容以電纜電容為主，將電纜總電容值乘以1.25，即為全系統的電容近似值。

10kV電纜線路的單相電容電流Ic[1]，按照公式求近似值：

(1)

式中:S—電纜截面積,mm2；Us—系統額定電壓,kV

公式(1)主要適用于油浸紙絕緣電力電纜，目前采用的交聯聚氯乙烯絕緣電纜每公里對地的電容電流比油浸紙絕緣要大，根據部分電纜廠家提供的參數和現場實測，較上述計算值增加約20%。

在實際工程應用中，為簡便計算交聯聚氯乙烯絕緣電纜接地電容值，一般采用表1的數值來計算電纜的電容電流值。

表1 6～10kV交聯聚氯乙烯絕緣電纜線路的電容電流

2.2 動力變電站10kV系統接地電容電流計算

動力變電站現運行方式為1臺主變帶站內4段10kV母線，并且其余變電站部分出線也由動力變分擔，下級鼓風機站高配室、焦化高配室系統內10kV所有電纜都接在動力變母線上，依據現場運行設備的電纜截面與長度對10kV系統電容電流進行計算，計算匯總見表2。

表2 動力站電纜線路的電容電流匯總表

動力變電站所帶電纜總長度約為64km，計算合計電容電流為85.78A；系統電容以電纜電容為主，將求得的電纜總電容值乘以1.25，即為全系統的電容近似值。計算得出動力變電站全站10kV系統電容電流為107.23A。

2.3 動力變10kV接地變壓器配套消弧線圈容量

參考消弧線圈的補償容量的說明[1]，消弧線圈容量計算：

(2)

式中：Q—消弧線圈補償容量,kVA；

K—系數，過補償取1.35；

Ue—電網額定線電壓,kV；

Ic—電網電容電流,A。

動力變10kV系統補償消弧線圈容量：

通過計算，依照標準系列容量選取，同時考慮補償脫諧度小于5%的要求，動力變電站10kV系統補償容量宜選擇1000kVA的消弧線圈，才能滿足現有運行設備的電容電流的補償。

3 動力變10kV系統接地故障影響及建議

由于現動力變電站系統運行方式與原設計有較大的不同，通過計算變電站所帶10kV設備電容電流已超出站內接地變壓器中性點消弧線圈的補償能力。現場實際配置的消弧線圈容量為500kVA(額定電流80A)，當變電站所帶線路發生接地時，接地電容電流超出了消弧線圈的最大補償量，達到額定電流的1.3倍，造成消弧線圈過載運行；同時由于干式接地變壓器兼做站用變，還帶站內低壓負荷，接地變的過載系數將大于1.3倍。

為保證供電的可靠性，中性點不接地系統在電網發生單相接地時允許短時間內帶故障運行(最長2小時)，實際情況中由于接地線路查找困難，往往接地故障持續時間大于2小時；根據GB/T 17211《干式電力變壓器負載導則》中的規定，干式變壓器允許短時過負荷，過負荷能力與環境溫度和起始負載條件有關，以某生產廠家F級干式變壓器的負荷(P/Pv)曲線(圖3)為例，當干式變壓器過負荷1.3倍時，最長運行時間不應超過30min。

Pn為額定容量；Pv為起始負載；P為過載容量。

由圖3可以看出，干式變壓器的抗過載能力較油浸式變壓器弱，當動力變電站10kV單相接地故障不能快速處理，將會導致接地變壓器、消弧線圈發熱燒毀，故障影響范圍擴大。同時由于接地變壓器、消弧線圈損壞，接地電容電流無法補償，接地故障點的電弧無法自息，導致接地故障快速發展成為相間短路故障，造成電網波動。

為保障動力變電站10kV系統的運行安全，現有接地變壓器系統可采用以下方式進行改進：

(1)現有設備計算電容電流為107A，計算補償容量為880kVA，考慮5%的脫諧度與20%的后期增容負荷預留空間，補償容量需按照不小于1100kVA來進行補償。將動力變電站內一臺接地變壓器與配套調匝式消弧線圈、檔位調節有載開關、阻尼電阻箱等設備容量增加至1100kVA，以實現接地電流可調節10～140A的調節能力，正常運行和故障狀況時改造后的接地變壓器及消弧線圈實現系統接地電容電流的補償功能，站內低壓負荷由其余原有兩臺接地變壓器承擔。

(2)利用該企業冶煉變電站停運的兩臺DKSC-1000/10.5-360/0.4接地變壓器及配套的XHDC-630/10.5消弧線圈，替換動力變電站兩臺800kVA接地變壓器與消弧線圈。將原消弧線圈由500kVA增容至630kVA，達到2套總容量1260kVA，滿足母線并列運行時的補償容量。同時更換配套的微機控制器，實現正常運行和和故障狀況時，通過一套微機控制器對兩套消弧線圈同時進行調整，以滿足對系統電容電流的補償要求。

(3)現有站內的配置的小電流選線裝置，采用“有功功率法+殘流增量法”選線準確率低，對接地故障不能及時準確判斷，給系統的安全、穩定運行帶來較高的風險。

建議對變電站內現有的小電流選線裝置進行升級改造，同時在干熄焦高配室、煤氣凈化高配室也加裝小電流選線裝置；通過采用穩態量、 暫態量、特征量等選線原理多算法的新型小電流選線裝置，實現準確選線?？焖俨檎页鼋拥氐墓收暇€路或設備，對于重要線路接地可選擇報警方式，保證生產的正常運行；對一般線路可選擇跳閘方式，減少接地故障對系統造成的不良影響，增加供電系統的整體穩定性。

4 關于10kV系統接地方式的思考

在10～35kV中壓電力系統中,由于選擇中性點不接地或經消弧線圈接地方式時,發生單相接地故障后系統電壓仍然保持平衡,可故障運行1～2小時,提高了用戶的供電可靠性,因此這種接地方式在供電系統中被大量采用。

隨著電網結構的變化，尤其是全部由電纜線路組成的配電網，這種經消弧線圈接地方式存在的不足尤為突出：

(1)消弧線圈調節的范圍有限，往往滿足設計初期的調整范圍，隨著產線快速擴容后，負荷增加幅度超出消弧線圈的最大調節能力，補償效果達不到要求。

(2)計算電容電流由于種種因素限制，與實際的電容電流值存在較大誤差，通過計算值配置的消弧線圈補償量，很難保證與實際的補償量匹配。

(3)制造廠家消弧線圈各分接頭標稱電流與實際電流存在偏差，部分系統接地電流中存在部分五次諧波電流，造成補償誤差。

由于上述原因在采用大量電纜線路的系統中，以消弧線圈接地運行方式很難實現電容電流過補償的條件，造成由于補償量不足導致的諧振，同時也因為較大的接地電流產生的熱量，使絕緣迅速燒損引起相間短路故障而跳閘，造成事故影響范圍擴大。因此在此類接地電容電流較大的系統中，推行中性點經電阻接地的運行方式，可限制單相接地故障時非故障相的電壓升高，配合繼電保護裝置可有選擇地迅速切除單相接地故障。

5 結束語

冶金企業對10kV中性點接地方式主要采用經消弧線圈接地和經小電阻接地的方式，采用經消弧線圈接地時，系統可故障運行2小時來查找事故線路，保障供電可靠性。采用經小電阻接地的方式時，對切除單相接地故障的可靠性方面優勢較為突出。因此在選擇10kV中性點接地方式時，要根據系統的具體情況來因地制宜選擇合理的中性點接地方式，對于包含架空線與電纜線路的混合配電網，由于架空線路接地故障多為瞬間故障，為保障供電的穩定性，宜采用中性點經自動跟蹤補償消弧線圈裝置接地。對于采用全電纜配電網，由于電纜接地多屬于永久性故障，為防止接地故障發展為短路故障，必須快速切除故障線路，因此可以選擇中性點經小電阻接地方式。