轨道交通供电系统中性点运行方式分析和工程应用

时间：2022-08-17 00:39:44

关键字：接地变压器保护不接地

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[导读]摘要:轨道交通供电系统35kV系统的中性点采用不接地方式,可通过母线加装接地变压器,人为提供一个中性点,从而实现中性点的阻抗接地,达到保证供电系统的正常运行和在故障条件下有适当的运行条件,实现设备绝缘所要求的工作条件及继电保护装置的正常工作条件的目的。现主要介绍接地变压器的概念、功能、分类和主要参数确定,并以上海轨交供电系统为例,对国内轨道交通中性点接地方式进行分析。

引言

城市轨道交通供电系统是城市轨道交通的动力来源,主要任务是将城市区域变电所或供电网络的电能传输、分配给城市轨道交通各个子系统。根据各个城市区域电网等级的不同,轨道交通供电系统的外电源电压也各有不同,目前国内集中式供电主要有110kV、35kV,因此,各级电压系统中性点的运行方式也不尽相同。

1轨道交通供电系统接地的目的和接地方式

接地是为电流返回电源所提供的一条阻抗值相对较低的通道,具体而言,就是在线路或电气设备出现接地故障时,为故障电流流回电源提供一条低阻抗的路径,同时通过对这条路径的有效监测,可以防止人身触电事故,确保供电系统的安全运行,保护线路及电气设备的绝缘等。由此可见,在供电系统中运用合理可行的接地技术显得尤为重要。

1.1供电系统接地的目的

(1)保证供电系统的正常运行和在故障条件下有适当的运行条件:

(2)保证供电系统设备绝缘所要求的工作条件:

(3)保证供电系统继电保护装置的正常工作条件。

1.2供电系统中性点接地的方式

(1)中性点直接接地:设备的绝缘水平按相电压要求,轨道交通在110kV电网中采用。

(2)中性点不接地:设备的绝缘水平按线电压要求,轨道交通一般在35kV、10kV、Id≥30A(Id为中性点接地电流)电网中采用。

(3)中性点经阻抗接地:设备的绝缘水平按线电压要求,轨道交通在35kV、Id≤30A电网中采用。

2接地变压器

由供电系统的中性点接地方式可知,在35kV电网中存在中性点不接地的运行方式,该接地方式中变压器低压侧一般为三角接绕组,没有可供接地的中性点,因此当发生单相接地故障时,就容易造成以下危害:

(1)单相接地电弧发生间隙性的熄灭与重燃,产生弧光接地过电压,其幅值可达4倍正常相电压或更高,持续时间长,对电气设备的绝缘造成极大的危害,绝缘薄弱处会被击穿:

(2)持续的电弧放电造成空气电离,破坏周边环境空气的绝缘,引发相间或其他设备的故障,扩大事故危害:

(3)容易产生铁磁谐振过电压,造成电压互感器、避雷器等设备损坏,甚至使避雷器爆炸。

因此,为保障轨道交通电网的安全运行,提供零序电流、电压的保护,就需人为建立一个中性点,接地变压器也就在这种情况下产生。上海地铁正常运行时,接地变压器处于空载状态,当电网发生单相接地故障时,在短时间内会通过故障零序电流,高灵敏度的零序保护判断并短时切除故障线路。无论是接地变本身故障还是35kV母线故障,都能根据相应的动作电流值启动零流或过流保护。

2.1接地变压器的功能

接地变压器主要功能:为中性点不接地系统提供一个人为的中性点,实现中性点经阻抗接地,当系统发生接地故障时,对正序、负序电流呈高阻抗,对零序电流呈低阻抗。

2.2接地变压器的分类

2.2.1按相数分类

(1)输电网(三相)接地变压器:

Z连接接地变压器:接地阻抗接在中性点与地之间:

YNd连接接地变压器:接地阻抗串接在次级绕组的开口三角中。

(2)发电机(单相)中性点接地变压器:

单相:I/I连接接地变压器,接地变压器串接在次级绕组首尾。

2.2.2按补偿方式分类

(1)经消弧电抗器接地的接地变压器:

(2)经小电阻接地的接地变压器。

2.3接地变压器的参数

2.3.1单相接地时接地电流的估算

假定为三相对称系统,额定线电压为uN,相电压为u。=uN/V3。

(1)正常工作时,每相对地电容电流:

式中,u。为相电压:w为角速度:C0为每相(包括输电线和设备)的对地电容。

由于是三相对称系统,因此中性点电流:

式中,I'C。A,I'C。B,I'C。C分别为每相的对地电容电流。

(2)单相接地时(设A相接地),相量图如图1所示,非故障相对地电容升高V3倍,因此B、C相对地的容性电流为V3IC。。

从相量图分析,UBA,UCA相位差609,因此I'CB和I'CC相位差也为609:

式中,IeCA,IeCB,IeCC分别为各相对地电容电流。

所以A相经过中性点N流出的容性电流:

相当于A相经过中性点N对地串接了一个电容C0Ⅹ=3C0。

2.3.2单相接地电流的工程计算方法

(1)计算每相对地电容C0(查工程设计手册),计算系统总的对地电容C0Ⅹ=3C0。

(2)单相接地时的接地相对地容性电流:Id=3ICu=uuwC0Ⅹ

(3)考虑到系统扩展等因素,单相接地时的接地相对地容性电流因乘以系数KL=1.3~1.8(脱谐系数),即:

例:uu=38.5kV,C0=50×0.6=30μF,KL=1.6,则:

2.3.3中性点经消弧线圈接地补偿

单相接地(A相)时,A相经过中性点N流向B、C相的总电容电流为:

式中,C0Ⅹ为系统总的对地电容。

A相经中性点N流向消弧线圈的总感性电流为:

式中,LⅩ为中性点接地的电感。

全补偿的条件是令IeL=IeC,即wLⅩ=1/wC0Ⅹ,此时A相经中性点N流出的总的电流为0,也就是A相与地之间的电流也为0,起到了消除A相与地之间电弧的作用,故将中性点接地的LⅩ称为消弧线圈。其简化等效电路如图2所示。

但这是一个理想的条件,实际上是很危险的,在正常运行时,中性点的电流为:

其中,yA,yB,yC为各相对地的导纳,计算如下:

中性点N对地的总阻抗:

消弧线圈对地的导纳:

此时中性点偏移电压:

全补偿时:

此时分母为0。

若三相电压稍有不对称或三相对地电容稍有不平衡,则分子部分不为0,就会产生无穷大的中性点偏移电压,使输电系统崩溃,从等效电路看就是LⅩ与C0Ⅹ形成了串联谐振。

欠补偿为IL<IC,即:

过补偿为IL>IC,即:

轨道交通一般多采用过补偿方式,但不管采用何种补偿方式,当输电系统发生变更和扩展时,都有可能使C0Ⅹ变大或变小,可能出现系统谐振。因此,LⅩ的电感量应有可调脱谐的作用,这也是经消弧线圈接地的一大技术难点。为此,近年来中性点经电阻接地的系统开始增多。

单相接地,本质上是一个非对称的故障,其中的零序电流

在零序阻抗上会产生一个中性点偏移电压,-ue〇=jx0Ie,该偏移电压叠加到三相对称的相电势上,会产生非故障相相电压的升高。一般来讲,经电阻接地比经消弧线圈接地后果更严重。中性点偏移和非故障相电压升高,会使接地变压器内部的纵绝缘和主绝缘恶化,这也是在设计接地变压器电气绝缘时不可忽略的内容。

3国内轨道交通中性点接地方式

目前上海轨交供电系统中,一般采用接地变压器来获得中性点,以实现中性点经小电阻或消弧线圈接地的运行方式。上海轨道交通两种接线方式如下:

3.1方式一:接在主变电站35kV母线上

一号线、二号线部分主变电站35kV(或33kV)接地变压器采用Z型接线(或称"曲折型接线"),接地变分别接在主变电站35kV系统一、二段母线馈线侧,并设单独的断路器,如图3所示。当35kV母线馈出线发生接地故障时,零流跳馈线出线开关:当母线发生单相接地故障时,零流一阶段跳主变压器35kV开关,零流二阶段跳主变压器110kV开关,当主变压器35kV引出线发生接地故障时,零流跳接地变35kV开关及主变压器两侧高低压开关。