变电站消弧线圈增容改造方案分析

0引言

廊坊电网中110 kv及以上变电站的低压侧均采用的是中性点经消弧线圈接地运行方式。随着10 kv电缆出线的不断增加I电容电流也逐渐增大I直接导致站内安装的消弧线圈容量不足。2023年I廊坊供电公司先后对安锦、大学城、王常甫、董常甫等变电站进行电容电流测量I消弧线圈都在最高档位或接近最高档位运行I其中董常甫257、王常甫247和257、大学城257消弧线圈容量已经严重不足。

如果10 kv电网发生单相接地故障,故障点电流将是系统非故障相电容电流和消弧线圈电流之和I由于电容电流不容易熄灭I若消弧线圈无法满足过补偿要求,则容易引起间歇性弧光过电压,造成电缆线路绝缘损坏,由单相接地转为相间故障,威胁配电网运行安全[1]。

消弧线圈容量不足最好的解决方案就是更换容量更大的设备,但又会造成原有消弧线圈的浪费,经济成本较高[2]。林海等人[3]提出在出线末端采用分散补偿的方式,即在用户侧加装消弧线圈,补偿接地电容电流,取得较好效果,但是用户站不属于变电检修中心管辖范围,方案实行需要多方协调配合。

针对设备成本及管辖范围的限制,参考各种中性点接地方式的优势,本文提出两种改造方案,并分别进行详细分析,最后给出适用场景。

1 中性点接地方式介绍

1.1 中性点不接地系统

中性点不接地系统中发生单相接地故障时,接地相电压和电容电流均会降为零,同时中性点电位也会发生偏移,如图1所示。

以C相接地为例,中性点对地电压U0、C相电源电压UC和C相对地电压UC0关系为:

U0+UC=UC0=0(1)

由式(1)可知,U0=—UC,中性点对地电位升高为相电压,在图1(b)的相位图中向UC的反方向偏移。根据相量图也可计算出,A、B两相对地电压UA0、UB0分别为:

UA0=UA+U0=√3UA (2)

UB0=UB+U0=√3UB(3)

由式 (2)(3)可得,未故障相对地电位升高为√3倍相电压,对地电容电流也随之升高√3倍。但相间电压未发生变化,三相仍然对称,可带故障继续运行。同时通过接地点的电容电流为非故障相之和,即:

Ik=-(IA+IB)=√3IA0+√3IB0=3IC0 (4)

式中:Ik、IA、IB分别为故障后的故障点电流、A相和B相电容电流;IA0、IB0、IC0分别为故障前三相电容电流。

容性故障电流不易熄灭,反复复燃会造成弧光过电压,引起电压互感器铁磁谐振、电缆接头绝缘损坏(容易引起相间故障)等,严重威胁设备安全运行,甚至造成事故范围扩大。

1.2 中性点经消弧线圈接地系统

经消弧线圈接地系统如图2所示。

GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》3.1.3条规定,对于架空线路或电缆系统,如果电容电流大于10 A又需要在接地故障条件下持续运行,可以采用中性点谐振接地运行方式(经消弧线圈接地)。相对于不接地运行方式,系统发生单相接地时,消弧线圈的感性电流与系统的容性故障电流在接地故障点处矢量相加,使故障点的残余电流限制在不能燃弧的低水平上,消弧线圈补偿的作用降低了故障相恢复电压上升的速度和幅值。补偿效果决定于消弧线圈感抗大小[4]。

1.3 中性点经小电阻接地系统

将图2中的消弧线圈更换为阻值不大于20 Ω的电阻,就构成小电阻接地系统。采用小电阻接地,主要是因为经消弧线圈接地系统的故障选线功能准确率比较低,运行部门只能与调度配合,通过逐条线路试拉合的原始方法查找接地,增加了查找故障线路的难度,延长了系统的故障运行时间,对系统安全造成威胁。

发生接地故障后,小电阻接地系统通过零序保护快速切除故障线路,同时该电阻与系统对地电容构成并联回路,电阻的耗能特性使它成为电容电荷释放元件,电阻同时也起到防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压的作用。其不足之处在于,当发生单相接地故障时,无论是永久性故障还是瞬时性故障,均切除故障线路,跳闸次数大大增加,影响了对用户的正常供电,供电可靠性降低。

2增容改造方案

为缓和廊坊地区消弧线圈容量严重不足的紧迫形势,并最大可能利用现有资源,本文提出以下两种解决方案。

2.1消弧线圈并联小电阻

该装置在原有的消弧线圈基础上,并联一个小电阻,构成灵活接地系统,如图3所示。一次装置不需要其他改动,如图4所示,对控制系统改动也不大。

若发生瞬时性接地故障,故障将很快消失,灵活接地控制器不会控制智能电阻投入,系统迅速恢复为正常运行状态,整个过程不会跳闸停电;若延时td时间(例如3 S),接地故障仍不消失,可以认为发生了永久性接地故障,此时,投入智能电阻,配合继保装置切除故障线路。在整个操作过程中,系统实时监控中性点的运行状态,若中性点电压恢复正常,说明动作正常,故障线路已经跳闸,控制装置自动切除智能电阻,系统恢复到正常运行状态;若中性点电压依然很高,则认为系统跳闸异常,故障线路未跳闸,控制装置切除智能电阻,同时输出异常告警。

灵活接地装置综合了消弧线圈接地与小电阻接地的优点,但是该方案也具有如下不足:

1)灵活接地装置的初衷是瞬时故障由消弧线圈补偿,永久性故障由小电阻补偿,二者互补。但如果消弧线圈容量严重不足,对于瞬时故障,由于电容电流较大,也会产生弧光过电压。为弥补这一点,就需要缩短智能电阻投入时间td,确保故障线路及时切除。这样__来,对于线路瞬时故障,也可能造成故障切除,影响系统可靠性。

2)需要对保护装置进行改造。出线没有零序CT需要增加零序CT,己经安装的零序CT需要检查变比是否合适。同时,需要核对保护装置是否有零序保护,该装置需要零序保护跳闸。

2.2 站内分散补偿

该方案就是在站内再增加一个或多个固定容量的消弧线圈,如图5所示。例如当前电容电流300 A,现有消弧线圈补偿范围100~250 A,此时可以增加固定补偿200 A的消弧线圈,相当于系统电容电流降低到100 A,现有消弧线圈可以完全满足要求。该方案中,固定容量消弧线圈长期投入运行,可以与现有消弧线圈通过电缆并联至接地变中性点,使用同一个开关柜。只需要更换一个开关柜内电流互感器,不需要对线路保护装置进行改造。

新的成套装置相当于给系统并联一个电抗器,不需要考虑阻尼电阻、并联中电阻、接地变二次带负荷问题,所以装置体积小,在现有站内空间可以安装。同时,相对于增加一个大容量消弧线圈,成本较低。

与并联小电阻方案相比,站内分散补偿可能涉及接地变容量问题[5]。因为接地变需要与消弧线圈容量相配合,灵活接地装置之所以不考虑接地变容量,是因为小电阻投入时,消弧线圈相当于被短接,只要小电阻与接地变容量匹配即可。而对于该方案,接地变本来与现有消弧线圈容量匹配,如果增加长期投入的固定容量消弧线圈与之并联,接地变容量可能存在不足。

3 总结及建议

本文从解决廊坊地区消弧线圈容量不足的实际问题出发,在深入分析不同中性点接地方式特点的基础上,提出两种解决方案。其中并联小电阻方案能充分利用两种接地方式的优势,不需要额外占用空间,但需要对保护系统进行改造,适用于出线已装有零序CT且消弧线圈容量缺额较小的场景。而分散补偿方案不需要对保护装置进行改动,投入成本较低,但可能会涉及接地变容量不匹配问题,适用于站内空间相对充裕且消弧线圈容量缺额较大的场景。从长远角度来看,廊坊地区配电网规模进一步扩大是必然趋势,因此建议采用分散补偿为主、并联小电阻方案为辅的策略,这样更符合长远利益。

[参考文献]

[1]周跃.110kv变电站低压系统电容电流计算及消弧线圈配置[J].电工电气,2015(11):62-64.

[2]郭红梅.自动调谐消弧线圈容量不足的改进方法[J].企业技术开发,2013,32(18):1-2.

[3]林海,梁志瑞.消弧线圈分散补偿单相接地故障运行特性分析[J].电测与仪表,2018,55(17):27-31.

[4]严倚天,赵志刚,严浩军.中压配电网消弧线圈分布式补偿的仿真研究[J].浙江电力,2018,37(3):42-47.

[5]侯义明.变电站消弧线圈大容量改造方案几个问题的商榷[J].供用电,2016,33(1):72-75.

《机电信息》2025年第16期第19篇