TY系列小電流接地選線裝置注入電流分析

劉文波 高佩忠 王學衛 聶萬慶

勝利石油管理局有限公司 電力分公司 山東東營 257000

油田6 kV～35 kV配電網大多采用小電流接地運行方式,為了保證供電的可靠性,發生單相接地故障時,應及時準確判別出接地線路。目前,勝利油田所轄變電站主要采用TY系列小電流接地選線裝置,筆者對TY系列小電流接地選線裝置的注入電流進行分析。

1 TY系列小電流接地選線裝置原理

TY系列小電流接地選線裝置引入“S注入”法選線,提高了高阻接地的選線正確率[1]。在TY系列小電流接地選線裝置中,信號注入選線和接地暫態量自動選線是兩個完全獨立的系統[2],兩者的工作回路沒有關聯。由此,可以認為TY系列小電流接地選線裝置是兩套系統的組合。筆者主要分析信號注入選線系統的注入電流值。

信號注入選線系統采用一個內阻為定值,頻率為196 Hz或220 Hz,電流大小為3～5 A的電流源。當系統發生接地時,電流源向電壓互感器二次側注入電流,電壓互感器二次側耦合至一次側,通過線路的接地點與大地形成回路,在線路接地相產生持續的定值高頻電流。通過專用的信號電流探測器對注入電流進行尋蹤,最終可以確定接地線路和故障點[3]。

2 電壓互感器短路阻抗

TY系列小電流接地選線裝置的標稱注入電流為3～5 A,電流注入電壓互感器二次側,在二次側回路中流過的實際注入電流需要通過分析計算獲得。要想得到實際注入電流,首先要獲得電壓互感器的短路阻抗[4]。為此,進行了電壓互感器短路阻抗試驗。電壓互感器短路阻抗試驗結果見表1。

表1 電壓互感器短路阻抗試驗結果

對10 kV電壓互感器進行短路阻抗試驗,10 kV電壓互感器一次、二次繞組的變比為100(10 kV/100 V),電壓互感器原邊、副邊阻抗折合因數為10 000,測得50 VA繞組的短路阻抗為32 000 Ω,折算至二次側短路阻抗為3.2 Ω。

對6kV電壓互感器進行短路阻抗試驗,6 kV電壓互感器一次、二次繞組的變比為60(6 kV/100 V),電壓互感器原邊、副邊阻抗折合因數為3 600,測得50 VA繞組的短路阻抗為14 000 Ω,折算至二次側短路阻抗為3.89 Ω。

3 不同電壓互感器接線方式下注入電流

勝利油田變電站6 kV～10 kV系列電壓互感器(PT)主要采用三種接線方式,分別為3PT接線、帶零序電壓互感器的4PT接線、中性點帶一次消諧裝置的PT接線[5]。分析計算不同接線方式下TY系列小電流接地選線裝置向電壓互感器二次側注入電流為3 A時,流過電壓互感器的實際注入電流。

3.1 3PT接線方式

當10 kV系列電壓互感器采用3PT接線方式時,若系統發生接地,則TY系列小電流接地選線裝置的發訊機向電壓互感器二次側注入3 A、220 Hz高頻電流。發訊機相當于一個電流源,其內阻阻抗為8 Ω,電流源的電壓為24 V。

3PT接線方式下電流注入如圖1所示,折算至二次側等效電路如圖2所示。

10 kV系統C相接地時,TY系列小電流接地選線裝置實際注入電流IZ10為:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4ZXL+Zjd)=1.15 A

圖1 3PT接線方式下電流注入

圖2 3PT接線方式電流注入折算至二次側等效電路

式中:US為電流源電壓,US=24 V;ZS為電流源內阻,ZS=8 Ω;ZT10為10 kV電壓互感器短路阻抗,ZT10=3.2 Ω;ZXL為線路阻抗;Zjd為接地點阻抗。

10 kV線路單位長度阻抗為0.4 Ω/km,線路長度為20 km,則線路阻抗為8 Ω。接地阻抗一般為1 kΩ。將線路阻抗、接地阻抗折算至二次側,折合因數為10 000,折合后ZXL為0.000 8 Ω,Zjd為0.1 Ω,阻抗值很小,計算時可忽略不計。

同樣可以計算出6 kV系統C相接地時,實際注入電流IZ6為:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4ZXL+Zjd)=1.02 A

式中:ZT6為6 kV電壓互感器短路阻抗,ZT6=3.89 Ω。

經過計算,3PT接線方式下,10 kV系統單相接地時,實際注入電流為1.15 A,6 kV系統單相接地時,實際注入電流為1.02 A。

3.2 4PT接線方式

當6 kV～10 kV系統電壓互感器采用帶零序電壓互感器的4PT接線方式時,由于增加了一個電壓互感器,使阻抗增大,因此接地時電流源內阻阻抗為8 Ω靈敏度不夠。將電流源內阻阻抗增大至12 Ω,電流源的電壓為36 V。

4PT接線方式下電流注入如圖3所示,折算至二次側等效電路如圖4所示。

圖3 4PT接線方式下電流注入

圖4 4PT接線方式電流注入折算至二次側等效電路

10 kV系統C相接地時,TY系列小電流接地選線裝置實際注入電流IZ10為:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4Z010+4ZXL+Zjd)

=0.96 A

式中:Z010為零序電壓互感器短路阻抗,Z010=3.2 Ω。

同樣可以計算出6 kV系統C相接地時,實際注入電流IZ6為:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4Z06+4ZXL+Zjd)

=0.83 A

式中:Z06為零序電壓互感器短路阻抗,Z06=3.89 Ω。

經過計算,帶零序電壓互感器的4PT接線方式下,10 kV系統單相接地時,實際注入電流為0.96 A,6 kV系統單相接地時,實際注入電流為0.83 A。

3.3 帶一次消諧裝置PT接線方式

當6 kV～10 kV系統電壓互感器采用中性點帶一次消諧裝置的PT接線方式時,電流注入如圖5所示,折算至二次側等效電路如圖6所示。

圖5 帶一次消諧裝置PT接線方式下電流注入

圖6 帶一次消諧裝置PT接線方式電流注入折算至二次側等效電路

10 kV系統C相接地時,TY系列小電流接地選線裝置實際注入電流IZ10為:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4ZXL+Zjd+ZY)

=0.9 A

式中:ZY為一次消諧裝置短路阻抗。

一次消諧裝置的阻抗接近阻性,為了定性說明問題,方便計算,作為感抗處理,ZY取估算值15 Ω。

同樣可以計算出6 kV系統C相接地時,實際注入電流IZ6為:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4ZXL+Zjd+ZY)

=0.85 A

經過計算,中性點帶一次消諧裝置的PT接線方式下,10 kV系統單相接地時,實際注入電流為0.9 A,6 kV系統單相接地時,實際注入電流為0.85 A。

由于采用定性計算,沒有考慮感性和阻性的相位,因此如果考慮實際相位關系,三種電壓互感器接線方式下實際注入電流會比上述計算值大一些。

4 實際注入電流限值

目前勝利油田變電站內6 kV～10 kV電壓互感器一般采用干式電壓互感器,按照干式電壓互感器的運行規定,當負荷電流高于1.1倍額定電流時,運行時間不得長于2 h[6-7]。6 kV～10 kV電壓互感器注入電流的測量繞組容量一般為50 VA,二次側額定電流為0.866 A,1.1倍二次側額定電流為0.952 6 A。因此,當發生系統單相接地時,TY系列小電流接地選線裝置向電壓互感器二次側的實際注入電流不宜高于0.952 6 A。

5 增大注入電流的影響

6 kV～10 kV系統發生接地,TY系列小電流接地選線裝置向電壓互感器二次側注入5 A、220 Hz高頻電流,計算不同電壓互感器接線方式下的實際注入電流,由此分析增大注入電流的影響。

3PT接線方式下,10 kV系統單相接地,實際注入電流為1.92 A,6 kV系統單相接地,實際注入電流為1.7 A。帶零序電壓互感器的4PT接線方式下,10 kV系統單相接地,實際注入電流為1.6 A,6 kV系統單相接地,實際注入電流為1.39 A。中性點帶一次消諧裝置的PT接線方式下,10 kV系統單相接地,實際注入電流為1.5 A,6 kV系統單相接地,實際注入電流為1.4 A。

不同電壓互感器接線方式下,系統單相接地時TY系列小電流接地選線裝置注入電流匯總見表2。

表2 單相接地時注入電流匯總

通過以上數據可以看出,將TY系列小電流接地選線裝置向電壓互感器二次側的注入電流由3 A增大為5 A時,實際注入電流最小值為1.39 A,最大值達到1.92 A,均高于1.1倍電壓互感器二次側額定電流。若系統接地時間長,容易引起電壓互感器發熱,使電壓互感器絕緣劣化,嚴重時甚至燒毀電壓互感器。

6 結束語

通過TY系列小電流接地選線裝置注入電流分析可見,無論采用何種電壓互感器接線方式,發生系統單相接地時,TY系列接地選線裝置向電壓互感器二次側注入的電流不宜高于3 A,這樣基本不影響電壓互感器的正常運行,否則若系統接地時間長,容易引起電壓互感器發熱、絕緣劣化,嚴重時可能燒毀電壓互感器。