變電站單相接地故障消除設備的研究

楊 莉

（江蘇科能電力工程咨詢有限公司）

0 引言

在電力系統中，單相接地故障在小電流接地系統中最為常見，是指三相電力系統中，僅在一相導體與地之間出現的絕緣破壞；而且發生單相接地故障時，大部分都是瞬時且可以恢復的。根據GB-T50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中3.1.3節規定“35kV、66kV系統和不直接連接發電機，當單相接地故障電容電流大于10A又需在接地故障條件下運行時，應采用中性點諧振接地方式；不直接連接發電機、由電纜線路構成的6～20kV系統中，當單相接地故障電容電流大于10A又需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式?！笨芍?，我國35kV及以下電網系統，中性點大部分采用諧振接地。當系統發生永久性的單相接地故障，如電纜內部出線單相對地絕緣擊穿時，消弧線圈補償系統電容電流流經故障點，當電弧熄滅故障相電壓恢復時被破壞的電纜內部相對地絕緣不能恢復，會被再次擊穿。這樣重復擊穿不斷向故障點注入能量，逐步破壞故障點附近相間絕緣，最后可能導致電纜相間短路，造成事故擴大［1］。

另外節約用地是我國的基本國策，變電站的選址規模需滿足國土空間規劃用地指標。因此優化設備選擇，即可以壓縮變電站占地面積，減少土建投資，節約寶貴國土資源，又可以有效縮短設備間連線、站內管道、道路等長度，提高全壽命周期經濟效益，符合國網提倡的綠色低碳建造精神。而常規接線變消弧線圈成套裝置占地面積大，需通過電纜與接地變開關柜連接。

本文對兩種消除單相接地故障設備各方面分析，對站址狹小或改造工程中，分析并探討兩種設備的改造措施。

1 接地變消弧線圈原理

某35kV接地變消弧線圈系統原理圖如圖1所示。

圖1 某35kV接地變消弧線圈系統原理圖

2 接地變消弧線圈成套裝置布置型式

接地變消弧線圈成套裝置通常為組合柜式，分戶外和戶內兩種型式。目前江蘇通用設計均采用戶內布置，根據通用設備要求，戶內35kV接地變消弧線圈成套裝置外形尺寸為6100×3100左右，10kV戶內接地變消弧線圈成套裝置外形尺寸為1700～2100（深）×3000（長），常見的接地變消弧線圈成套裝置如圖2～圖5所示。

圖2 某10kV戶內接地變消弧線圈成套裝置俯視圖

圖3 某10kV戶內接地變消弧線圈成套裝置正視圖

圖4 某35kV戶內接地變消弧線圈成套裝置俯視圖

圖5 某35kV戶內接地變消弧線圈成套裝置正視圖

接地變消弧線圈裝置無法直接與低壓母線直接連接，需在低壓母線上配置接地變開關柜，通過電纜與接地變開關柜連接。

3 接地變消弧線圈優缺點

（1）降低瞬時性單相接地故障發展成永久性單相接地故障的概率。

（2）允許系統帶故障運行2h，保障了系統供電可靠性。

（3）發生永久性接地時，可以運行一段時間，使用于不能停電的用戶。雖然接地，非故障相電壓升高，但是三相之間仍然平衡，在一些應急系統仍然使用。

（4）消弧線圈可以限制大部分的接地現象。由于其接地電弧偏小，電磁兼容性好，對通訊設備影響較小。

在《戰爭宣言》中，括號里齊唱的部分要表達的實際是“一旦下達作戰命令就能馬上提振士氣、奔赴戰場”的含義；幾家西方媒體將其譯為指稱意義對等的“kill,kill,kill”看似是忠實于原文的翻譯，但并未正確傳達其情感意義，事實上是對文本進行了干涉，并不“客觀公正”。

（5）缺點是系統絕緣水平要求要高。設備復雜，控制復雜，成本較高。

（6）與系統連接采用電力電纜，增加故障機率，安全可靠性不高。

4 單相接地故障管理系統原理

在中性點非有效接地系統中，需通過接地變壓器引出一個中性點，該中性點串聯高壓可控硅后接地。電網正常運行時，高壓可控硅將維持在不導通情況下工作。當電網發生單相接地故障時，隨著接地變壓器的中性點電位升高，裝置中的主控制器檢測到接地信號后觸發高壓可控硅導通，此時故障回路會流過一個短路零序電流，而在故障回路中的采集單元檢測到所選擇線路的數據后發送給主控制器，以便判斷故障回路、故障類型及故障的時間等。然后根據單相接地故障的特點，再采用不同的處理故障方式，讓脈沖式消弧線圈和觸點消弧互輔工作，避免弧型事故，從而保證了系統的平穩運行。

檢測到故障若為臨時性接地故障，完成選線后立即啟動脈沖式消弧線圈和觸點消弧，用觸點消弧來旁路接地電容電流和消弧線圈的暫態電感電流，觸點消弧在當脈沖式消弧線圈實現補償并穩定工作后立即退出，待故障消除后脈沖式消弧線圈再退出。由于觸點消弧的真空接觸器在開斷時會產生操作過電壓，而脈沖式消弧恰好可以限制其操作過電壓，所以對于瞬時性接地故障或弧光接地故障，這種組合式的工作方式克服了傳統的消弧線圈或觸點消弧單一裝置使用的弊端，更加有利于故障的快速解決，使裝置的工作穩定性明顯增強。

檢測到故障若為永久性的單相接地故障，在選線后應立即啟動觸點消弧，將已經故障相直接接地，轉換成單相接地，以滿足國標規定的繼續安全運行2h的要求，保障電網的安全運行。

某10kV單相接地故障管理系統原理圖如圖6所示。

圖6 某10k V單相接地故障管理系統原理圖

5 單相接地故障管理系統布置型式

單相接地故障管理系統包括真空斷路器、電流互感器、干式接地變壓器、干式消弧線圈、高壓可控硅組、高能限流電阻、真空接觸器、開關狀態顯控裝置、主控制器和脈選信號采集單元；所述開關狀態顯控裝置包括1號開關狀態顯控裝置和2號開關狀態顯控裝置；所述真空接觸器包括1號真空接觸器和2號真空接觸器；真空斷路器、電流互感器、干式接地變壓器、高壓可控硅組以及1號開關狀態顯控裝置通過母排連接組成選線柜；干式消弧線圈、高能限流電阻、1號真空接觸器、2號真空接觸器以及2號開關狀態顯控裝置通過母排連接組成選線柜處理柜；主控制器和脈選信號采集單元組成控制柜；選線柜和處理柜通過母排與相應電壓等級開關柜連接；控制柜單獨布置在變電站控制室內。

根據不同電壓等級，柜子尺寸略微不同，與同等級開關柜尺寸相匹配。具體柜子尺寸如圖7～圖8所示。

圖7 選線柜外形尺寸圖

單相接地故障管理系統不需要設置開關柜，可直接與低壓母線連接，通過母排與低壓開關柜拼柜。

6 單相接地故障管理系統優缺點

單相接地故障管理系統綜合了非有效接地系統和有效接地系統各自的優點，既有中性點非有效接地系統的高供電可靠性，又解決了弧光接地產生的較高過電壓給設備絕緣造成的安全隱患問題。概括起來，該裝置有如下技術特點：

（1）選線精準快速

主控制器采用高速DSP控制器，速度快穩定性強；當系統發生單相接地故障后，此時CPU將收集的零序電壓、電流數據進行濾波、排序、判別、再進行多次的綜合分析后，再將所有接地故障信息比如故障的時間、故障回路信號等送至顯示屏顯示。

（2）有效的故障處理

快速正確判別單相接地故障類型，并通過特殊的設計方法，使脈沖消弧線圈和觸點消弧互相配合，互為保證，從而有效消除短路故障。

（3）電壓全過程監測

可對系統持續運行電壓、諧振過電壓、操作過電壓、雷電過電壓等穩態、暫態沖擊值進行及時監測和記錄，接地報警功能也可設置延時報警，為用戶分析電網的運行情況和確定故障因素時提供參考依據。

（4）不可兼做站用變

單相接地故障管理系統是通過母排與低壓側母線直接連接，僅能作為單相接地故障處理設備，不可兼做站用變使用，因此變電站需單獨配置站用變。

（5）布置場地受限

單相接地故障管理系統是組合柜式結構，因與低壓側母線直接連接，僅能布置于戶內。

7 案例分析

某220kV變電站主變增容改造，由原120MVA主變壓器增容為180MVA主變壓器。根據GB50229-2019《火力發電廠與變電站設計防火標準》11.5.4條文中規定“單臺容量為125MVA及以上的油浸變壓器、200Mvar及以上的油浸電抗器應設置水噴霧滅火系統或其他固定式磨滅或裝置”［3］。國家電網有限公司設備部先后出臺《變電站（換流站）消防設備設施完善化改造原則（試行）》、《變壓器固定自動滅火系統完善化改造原則（試行）》等文件，125MVA規模以上新建或改擴建變電站采用水噴霧滅火系統。以致原站用變容量不滿足主變增容后需求。本站前期10kV采用接地變消弧線圈接地，其消弧線圈容量為300，站用變容量為150kVA。主變增容后，站用變容量需500kVA，根據國網通用設備選型，改造后本站接地變消弧線圈需選擇接地變1500kVA的接地變消弧線圈成套裝置。根據通用設備尺寸，此設備外形尺寸為2200×3000mm。則接地變消弧線圈成套裝置與對面開關柜之間的通道需壓縮到1700mm。而根據DL／T5352-2018《高壓配電裝置設計規范》5.4.4條文中要求“設備單列布置時，最小操作通道需滿足單車長＋1200mm”，通常10kV開關柜斷路器手車長650mm，即650＋1200＝1850mm［4］。因此不滿足規范要求。且設備基礎，一次二次電纜進線位置均需改造，改造工程量較多。改造前開關室布置圖如圖9所示，改造后仍采用接地變消弧線圈布置圖如圖10所示。

圖9 改造前10k V開關室平面布置圖

圖10 改造后10kV開關室平面布置圖（采用接地變消弧線圈）

若采用單相接地管理系統，柜子深度可與前期開關柜保持一致，處理柜柜寬1000mm，選線柜柜寬1200mm，整體布置與前期匹配，不壓縮開關柜的操作通道的距離。且基礎基本不需要改造，因設備直接與開關柜母排連接，不需要改造一次進線孔。二次進線僅需增加2個小的開孔即可。增加的站用變，根據通用設備，10kV戶內干式站用變尺寸為1800×1300mm，均可布置于前期接地變消弧線圈的場地內，僅需把前期接地變開關柜名稱改為站用變開關柜即可，無需其他改造。改造后開關室平面布置圖如圖11所示。

圖11 改造后10kV開關室平面布置圖（采用單相接地故障管理系統）

8 結束語

單相接地故障管理系統結合了消弧線圈補償法和觸點消弧法的優點，能夠快速準確的選出故障線路，并靈活有效解決故障。既保持了不接地系統的供電可靠性高的優點，同時也解決了單相接地引起電壓升高導致設備絕緣性能的安全問題。且為了進一步提高供電設備的可靠運行，老舊變電站進行升級改造日益增多，單相接地故障管理系統因占地面積小，在改造工程中優勢更突出，更適合狹小的空間布置，改造方案應根據變電站自身特點，權衡站用電系統改造風險綜合比選，選擇更安全、更合理的改造方案。本文探討了兩種非有效接地系統的裝置的特點，為一些創優、創新及改造工程提供參考。