基于云管控的接地故障防控措施與其它解決方案的比較

吳剛

摘要：為了保證企業(yè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在項(xiàng)目初設(shè)階段，對(duì)于系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選取特別重要。系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式的選取，涉及電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，與系統(tǒng)的絕緣水平息息相關(guān);對(duì)主變、斷路器、電力電纜等電氣設(shè)備的選型影響很大。一般情況下，我國電網(wǎng)-特別是3～35kV的企業(yè)電網(wǎng)，系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用不直接接地的方式;采用該方式后，在系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時(shí)，弧光接地過電壓的危害及選線準(zhǔn)確率問題較為突出，為解決上述問題，出現(xiàn)了多種消弧措施及組合方案，本文對(duì)此進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)接地方式;弧光接地過電壓;消弧線圈;電阻柜;消弧柜;云管控

1.中性點(diǎn)接地方式

依據(jù)美國電機(jī)工程師學(xué)會(huì)第32號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，“當(dāng)在電力系統(tǒng)或電力系統(tǒng)的指定部分所有各點(diǎn)上，不論運(yùn)行情況如何以及連接的發(fā)電機(jī)容量多大，零序電抗對(duì)正序電抗之比都不大于3，而且零序電阻對(duì)正序電抗之比不大于1時(shí)，該電力系統(tǒng)或電力系統(tǒng)的這部分可被認(rèn)為是中性點(diǎn)有效接地的。當(dāng)電力系統(tǒng)不是全部有效接地，而在電力系統(tǒng)的一個(gè)指定部分所有各點(diǎn)上，上述要求滿足時(shí)，可認(rèn)為該部分是有效接地的。”因此，當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，只要指定部分各點(diǎn)滿足零序電抗X0與正序電抗X1之比小于或等于3、且零序電阻R0與正序電抗X1之比小于或等于1，該電力系統(tǒng)即屬于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)。對(duì)于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)外的系統(tǒng)，均為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

按照單相接地時(shí)的電流來說，中性點(diǎn)接地方式又可分為“大電流接地方式”與“小電流接地方式”兩種;大電流接地方式發(fā)生單相接地故障時(shí)，需要通過故障線路的斷路器來切除故障;小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時(shí)，接地電弧大多可以自動(dòng)熄滅。我國的中壓電網(wǎng)，大多采用小電流接地方式。

2.單相弧光接地過電壓的危害

小電流接地系統(tǒng)中，單相弧光接地是威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素，中性點(diǎn)接地方式的選取，直接影響到單相接地時(shí)過電壓的水平和危害程度，對(duì)于企業(yè)電網(wǎng)來說，3～35kV的中壓電網(wǎng)基本上都采用中性點(diǎn)不直接接地的方式。因此，穩(wěn)定的金屬性接地對(duì)系統(tǒng)的危害不大，金屬性接地時(shí)，系統(tǒng)線電壓的幅值、相位都沒有變化。

3.消弧線圈抑制弧光過電壓的技術(shù)

消弧線圈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的電感線圈，其原理是：利用感性電流補(bǔ)償接地故障產(chǎn)生的電容電流，減小乃至完全消除殘余電流，降低產(chǎn)生接地電弧的可能性;同時(shí)，減慢電弧過零熄弧后故障相電壓的恢復(fù)初速度及幅值，減少電弧重燃次數(shù)，降低了發(fā)生弧光接地過電壓的可能性[1]。

裝置的構(gòu)成一般包括：為系統(tǒng)提供人工中性點(diǎn)的接地變壓器;在系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間接入的提供感性補(bǔ)償電流的消弧線圈;控制消弧線圈行為的控制器;以及保證成套裝置正常工作的相關(guān)輔助設(shè)備。裝置典型構(gòu)成示意圖如圖1所示。

目前市場上自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置是在工頻（ 50Hz）條件下工作的，在高頻振蕩的過渡過程中，由于消弧線圈和電網(wǎng)電容兩者的頻率特性相差懸殊，是不能互相補(bǔ)償。而系統(tǒng)單相接地故障的發(fā)生，是以間歇性電弧開始的，單相接地故障最危險(xiǎn)的時(shí)刻也是發(fā)生在單相間歇性電弧接地階段，此時(shí)在非故障相上產(chǎn)生的弧光接地過電壓最高可達(dá)3.5～7倍相電壓，通過電弧接地故障點(diǎn)的高頻振蕩電流最打可達(dá)數(shù)千安，時(shí)間雖短電弧危害卻很大【2】。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中在發(fā)生弧光接地時(shí)，在非故障相上的過電壓倍數(shù)最大值仍與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一樣，只是出現(xiàn)的概率小寫。因此自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置是不能“消除弧光接地過電壓”的[3]。

4.小電阻接地抑制弧光過電壓的技術(shù)

該技術(shù)工作原理：利用中性點(diǎn)電阻器實(shí)現(xiàn)快速泄放接地電弧熄弧后半個(gè)周波內(nèi)線路對(duì)地電容所積蓄的能量，使得電弧難以重燃并達(dá)到抑制過電壓幅值的目的。此外，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)通常還會(huì)配置零序保護(hù)，零序電流作用于開關(guān)跳閘，保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠快速切斷故障線路，減小故障影響范圍。

5.故障相金屬接地抑制弧光過電壓的技術(shù)

該技術(shù)工作原理是在系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時(shí)，通過接觸器或斷路器將故障相金屬接地;在故障相變成金屬接地后，故障相對(duì)地電壓為零，弧光接地現(xiàn)象自然就會(huì)消除，原理如圖2所示。

在系統(tǒng)使用該消弧技術(shù)后可以達(dá)到如下效果：

（1） 故障相直接與地網(wǎng)連接，故障相電壓為0，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅;非故障相上的過電壓立即變?yōu)榫€電壓，系統(tǒng)中的設(shè)備可以在這個(gè)電壓下安全運(yùn)行;

（2） 由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會(huì)再繼續(xù)發(fā)展，為用戶倒閘操作嬴得了時(shí)間，避免造成被迫停電;

（3） 由于弧光接地的持續(xù)時(shí)間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護(hù)器允許400A 2ms 能量指標(biāo)以內(nèi)，避免了過電壓保護(hù)器爆炸事故;

（4） 由于母線過電壓被限制在較低的水平，可避免激發(fā)鐵磁諧振過電壓。[4]

6.基于云管控的抑制弧光接地過電壓的技術(shù)

上述幾種單相接地故障防控方案在企業(yè)電網(wǎng)中都存在一定局限性，為了徹底消除各種過電壓，提高選線的準(zhǔn)確率，響應(yīng)國家“節(jié)能減排”的號(hào)召，充分合理利用配電室空間，減少操作人員對(duì)電氣設(shè)備維護(hù)檢修的工作量、提高工作效率，優(yōu)化各類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能，提高對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，一種基于云管控的組網(wǎng)選線抑制弧光接地過電壓的技術(shù)方案在系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

智慧電網(wǎng)云管控系統(tǒng)增加了智能監(jiān)測、云端管控處理措施，方便用戶實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，改善小電流選線算法以提高選線的準(zhǔn)確率，采取多種手段消除系統(tǒng)中的各種過電壓，保護(hù)設(shè)備的絕緣不受損壞。

該優(yōu)化方案的特點(diǎn)如下：1）加裝無線組網(wǎng)選線錄波裝置【5】，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)。2）利用進(jìn)口德國固態(tài)電容高壓電涌吸收裝置形成全相線過電壓保護(hù)。3）PT中性點(diǎn)加裝特制全相線阻尼消諧裝置（如圖3），徹底消除諧振達(dá)到理想消諧效果。

智慧電網(wǎng)云管控系統(tǒng)成套裝置主要由無線組網(wǎng)精準(zhǔn)選線錄波裝置【6】、全相線全電壓過電壓保護(hù)裝置、全絕緣抗飽和PT、固態(tài)電容高壓電涌吸收裝置（原裝德國進(jìn)口）、智慧電壓全電壓監(jiān)測終端、隔離手車、特制全相線阻尼線性消諧器、控制器、2臺(tái)柜體等組成（圖4）。

7.結(jié)論

消弧線圈盡管目前使用廣泛，但并不能“消除弧光接地過電壓”，存在放大故障的現(xiàn)象。

小電阻接地方式通過犧牲企業(yè)供電可靠性直接切除單相接地故障回路。

故障相金屬接地（消弧柜）技術(shù)自2000年開始，已在企業(yè)電網(wǎng)得到應(yīng)用，目前在企業(yè)電網(wǎng)應(yīng)用廣泛，反響較好;2014年，國網(wǎng)寧夏公司引入供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)目前正逐漸加大使用量。

參考文獻(xiàn)

[1]張龍欽主編 《現(xiàn)代配電網(wǎng)單相弧光接地過電壓》 中國電力出版社 2017年7月

[2]李哈乞夫（蘇聯(lián)）著，吳維誠，能曉農(nóng)譯.消弧設(shè)備的選擇、裝設(shè)和運(yùn)行[M].北京：電力工業(yè)出版社，1956.