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博客

电力系统中性点接地方式的研究

已有 397 次阅读2015-1-20 09:50

一、导论 

    电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术经济问题。它与供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通讯干扰及接地装置等技术密切相关,并具有理论研究和实践经验紧密结合的特点,因而是电力系统实现安全稳定运行的系统工程问题。 

    电力系统中性点接地方式与系统中频繁的单相接地故障关系最为密切,因此,研究的目的主要就在于正确认识和恰当处理此类故障,将其不良后果降到最低限度,以提高系统的运行绩效,使效益投资比更高、运行维护费用更低。在选定方案的决策过程中,必须根据系统的现状和发展规划进行全面的技术经济比较,优胜劣汰、与时俱进,避免因失误造成不良后果。 

    在处理不同电压等级的中性点接地方式时,遵循电压、电流互换特性的基本理念,均可获得满意的结果。对于特高压、超高压和高压系统而言,主要矛盾是限制工频电压升高和内部过电压,降低设备的绝缘水平,节省基建投资;对于中压系统而言,主要是限制单相接地故障电流的危害性,提高系统的安全运行水平。 

    电力系统的中性点接地方式分为有效接地和非有效接地两大类。前者广泛适用于高压、超高压和特高压系统;后者主要适用于60kV及以下的中压系统,且情况比较复杂。 

    过去,在电力系统发展的历程中,220kV系统的中性点曾采用消弧线圈(谐振)接地,随着系统的不断扩大,运行可靠性降低和联网等需要,后来被有效接地方式所替代[1];而110kV系统接地方式的选择,则需视地域和电网结构等因素而定。 

    当今,电力负荷特性发生了明显的改变,用户对电能质量提出了新的、更高的要求,中压系统和大型发电机的接地方式问题逐渐突显,同时世界范围内长期存在的继电保护等技术难题相继攻克,这就为更好地选择接地方式创造了有利条件。知识经济和信息时代更加需要高质量电能的连续供应,即使电压闪变也会对信息系统带来麻烦,这在发达国家已经发生,所以必须正确处理中性点接地方式问题。 

    实践是检验真理的唯一标准。在解决这一问题时必须增强实践(运行)观点,并认真总结国内外电力系统长期的、正反两面的运行经验,从中吸取有益的教训,力求使我国的电力系统保持安全稳定地运行。 

    二、分类与应用 

    美国电机工程师学会(AIEE)的第32号标准,从开始执行以来一直沿用至今,在国际上得到了广泛的认同。当系统或其指定部分的各点上,不论运行方式和连接的发电机容量如何,只要零序电抗与正序电抗之比不大于3(X0/X1≤3)、零序电阻与正序电抗之比不大于1(R0/X1≦≤1≤)时,则它们的中性点为有效接地方式;反之,为非有效接地方式。 

    中性点有效接地方式,因接地系数较低,当系统发生单相接地故障时,非故障相的工频电压升高均低于80%线电压,它适用于高压系统;若接地系数更低,非故障相电压的升高将远低于80%线电压,则称之为非常有效接地方式,它适用于超高压和特高压系统。 

    中性点非有效接地方式,因接地系数普遍较高,非故障相电压的升高均大于80%线电压,有的可达100%、乃至105%线电压。此类中性点接地方式,适用于中压电力系统(电网)。同时,以单相接地电弧能否自动熄灭为必要和充分条件,又可分成大、小电流接地方式。前者包括中性点低电阻、中电阻和低电抗接地方式;后者包括中性点谐振、高电阻和不接地方式,其中的低电阻和谐振接地方式颇具代表性。 

    三、理论与实践 

    理论分析表明,各种中性点接地方式均可认为是通过一定的零序阻抗接地的。因其大小和性质的不同,系统的基本运行特性、即单相接地时的故障电流和非故障相的工频电压升高必然有别,故不同接地方式自然各有其适用范围。 

    下面将结合发展历程、理论联系实际、概要地论述电网和发电机的中性点接地方式。 

    (一)非有效接地方式 

    1.不接地 

    在电网发展初期,系发电机直配线供电。当时人们对过电压、过电流和绝缘耐受能力等研究不足,因直接接地的内部过电压最低,且零序过电流保护又十分简单,故曾采用过直接接地方式。后因接地事故频繁和发电机烧毁等,便改为不接地方式。 

    这样,接地电弧可以瞬间熄灭,显著提高了运行可靠性。对于单相永久接地故障,因电网规模较小,清除故障并不困难。该方式简单经济,故目前仍有应用。 

    随着电压等级的升高和供电范围的扩大,当接地电容电流达到某一临界值(一般约10A)时,接地电弧熄灭困难,往往因间歇电弧接地过电压导致事故扩大。为解决这一问题,当时世界上工业较发达的德、美两国,分别采用了不同的解决途径,对中压电网接地方式的发展产生了深远的影响,而长期以来被人们认为两者互有优缺点。 

    2.谐振接地 

    德国于1917年首次采用消弧线圈,以电感电流补偿电容电流,使接地电弧瞬间熄灭,既不会中断供电,同时避免了通信干扰和铁路信号的误动作。而缺点是一旦发生永久接地,清除故障线路比较困难。 

    不过,在当代电子、微电子技术的支持下,国内外长期存在的这一技术难题已被攻克。例如,中国的参数(残流)增量、零序基波时序鉴别和法国的零序导纳、反向有功电流等原理的微机接地保护装置,可以自动清除故障线路;与此同时又研制出了许多无级和分级调节的,调感式、调容式、插棒式以及包括补偿有功电流在内等自动补偿装置。这样谐振接地在国内外的中压电网中又有了新的发展[3]。 

    国内外的长期运行经验证明,对于绝大多数的瞬间电弧接地故障,用户并无感觉;而极少数的永久接地故障,因低值残流限制了故障点附近的地电位、接触电压和跨步电压升高,故不会威胁人身和设备的安全[1、2]。信息时代优点尤为明显。 

    根据对恢复电压初速度、恢复时间和残流大小等6方面的理论分析和电缆网络的运行经验,当电容电流不大于350A时,采用谐振接地不成问题[2]。由于正常情况下电网多为分区运行,故实际上没有限制。例如一个30kV电缆网络,当电容电流由2899 A增大至4000 A时,中性点仍采用谐振接地方式[1]。 

    3.低电阻接地 

    美国采用低电阻或低电抗接地增大了接地故障电流,与快速继电保护和开关装置相配合,可瞬间清除故障线路,总的问题相对简单是其一大优点。但必须储备备用容量,否则无法连续供电。因接地电流很大,导致故障点电位显著升高,威胁人身和设备安全。又因技术内涵无法与时俱进,所以适用场合难免受到限制。据悉,美国生产接地电阻的PGR公司,已转向高电阻接地方向发展,产品供给机场、码头和农场等小片区电网。 

    4.低电抗接地 

    低电抗与低电阻的作用相似,但费用较高未能推广。 

    5.中电阻接地 

    采用中值电阻后,虽接地故障电流较前减小,但仍须保证接地继电保护装置的灵敏度,所以问题 

    依然得不到解决。 

    6.高电阻接地 

    因为在中性点增设了一个高值电阻,其技术经济指标尚不及不接地方式。如果电网继续发展,包括不接地方式在内,都将被谐振接地或低电阻接地方式所取代。 

    此外,任何组合接地都不能构成新的接地方式。例如消弧线圈与电阻并、串联,不论过去和现在,均是为了使接地保护装置动作而已。 

    (二)有效接地方式 

    中性点有效接地方式的特点,是系统正常运行时其中部分主变压器的中性点可以不接地运行。而中性点直接接地的数量和位置的选定,除满足AIEE第32号标准的规定外,还必须与继电保护相配合,保证零序过电流保护装置的灵敏度,以便发生接地时能瞬间跳开故障线路。 

    220kV系统的中性点采用有效接地方式,国际上很久以来已无异议,它也适用于电压与之相近的系统。现就我国而论,它适用于220、110kV系统,有时也含330kV系统。 

    因110kV系统的中性点位于两类接地方式的交叉区,采用哪种接地方式比较合理,应视具体情况而定。如我国重庆和温州地区的110kV电网,在发展初期因雷电或台风引起线路频繁跳闸,中性点便由有效接地改为谐振接地;随着电网发展和220kV系统出现,条件变化后中性点又改为有效接地。北京西城区的一个110kV变电所,为防止通讯干扰,在改建时改用谐振接地。牡丹江的一条110kV线路,于20世纪60年代升压154kV时,中性点改为谐振接地,后来发展成了独立电网[2]。 

    (三)非常有效接地方式 

    中性点非常有效接地又称全接地方式,广泛适用于500kV及以上的超高压和特高压系统。如我国的500kV系统和在建的750kV系统,及1000kV特高压试验示范工程等。因接地系数甚低,故非故障相的工频电压升高和系统中的内部过电压均受到限制。这样便可降低绝缘水平,节省巨额基建投资。根据电压、电流的互换特性,系统的单相短路电流可超过三相短路电流的1.5倍。为方便断路器的选择和提高系统稳定等,可令部分主变压器的中性点经小电阻或小电抗接地,接地方式的属性不变。 

    超高压、特高压系统的另一特点,是输电线路一般较长,有的可达、乃至超过1000km。为了限制线路空载时的末端工频电压升高,需要在线路上装设补偿度为60%~90%的并联补偿电抗器,并在其中性点接入一个适当的小电抗器。当线路发生单相接地故障时,自动跳开该相两端的断路器,使潜供电流电弧瞬间熄灭,配合单相自动重合闸装置,可显著提高系统的运行可靠性。 

    熄灭潜供电流电弧同样具有全、过、欠三种补偿方式,此即谐振接地在超、特高压系统的实际应用。故通常认为 “谐振接地方式只适用于中压电网”是不全面的,不过,这些系统是分散补偿,中压电网是集中补偿[2]。 

    应当指出,并联补偿电抗器除限制线路末端的工频电压升高外,当开断空载长线时,由于线路的自振频率与工频相近,因此可避免或减少断路器的重燃次数,显著降低跳闸时的过电压;当投入空载长线时,线路上的振荡电荷很快泄入大地,又能有效限制合闸时的过电压。所以除降低绝缘水平外,还可省去合闸并联电阻。 

    (四)发电机接地方式 

    在研讨接地方式时,作为系统原动力的发电机、特别是大型发电机问题是不可忽缺的。其突出的特点是严格限制接地故障电流的破坏性,故现在世界上应用最多的为谐振接地或高电阻接地。对于中、小型发电机,因接地电容电力电容器)电流较小,一般可采用不接地方式。 

    关于发电机接地故障电流的允许值,德国、苏联、捷克和中国等先后进行了大量研究[2]。前两者均允许铁心有不同程度的烧损,故对大型发电机已不适用;后两者均以铁心叠片不烧损为条件,捷克未考虑额定电压影响,推荐的允许值为1~1.5A;中国建立了“安全接地电流”的新观念,其值分别等于:6kV及以下者为4A;10kV者为3A;13.8~15.75kV者为2A;18kV及以上者为1A。除列入我国DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》与GB14286—2006《继电保护和安全自动化装置技术规程》[2]外,并被许多国家承认和接受[5]。 

    发电机中性点经消弧线圈接地,因接地电流小于安全电流,电弧可以瞬间熄灭;一旦发生永久接地可带故障继续运行,也可用“自适应式微机接地保护装置”瞬间切机[6]。利用该消弧线圈和电压谐振法,还能完成大型水轮发电机的工频耐压试验,顺利解决另一大技术难题[7]。 

    AIEE在《同步发电机接地方式应用指南》中明确指出,消弧线圈具有三个优点,而采用高电阻接地方式,电流的允许值为5~15 A,目的是发生故障后自动切机,这在西方早已形成了“惯例”。因受进口发电机的影响,我国运行中的一些发电机改用该接地方式后,2006年便发生了两起大型发电机烧毁事故[8]。 

    四、结语 

    事物总是相比较而存在、相竞争而发展的。电力系统中性点接地方式也不例外,强大的电力系统现已遍布世界各地。在理论研究不断深化和运行经验长期积累的基础上,人们对中性点接地方式有了较好的把握和创造性的运用,使电力系统的绩效显著提高。当然,接地方式尚有继续提升和完美的空间。

 


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