配电网接地方式改造选型及计算

引言

10kV配电网以往采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式,单相接地故障电流仅为电网对地电容电流或经消弧线圈补偿后的残流,一般控制在10A以内,允许带接地故障运行2h。但近年城区及工业城发展迅速,架空线路逐渐被电缆代替,配电网电容电流大幅增大,根据本区域配电网规划要求,配电网首选小电阻接地方式,本文通过对小电阻接地方式进行分析研究,通过分析选型和计算,提出改造接地方式的设备参数。

1小电阻接地的运行特性

1.1降低故障时配电网过电压水平

配电网故障时系统内部过电压随着单相短路电流的增加而降低,采用消弧线圈接地或不接地系统,非故障相工频电压升高为额定值的√3倍,而经小电阻接地,接地故障电流大幅增加,使故障时的中性点电压小于相电压,从而降低对电气设备的绝缘要求,提高设备的寿命。

1.2提高配电网安全运行水平

当配电网发生单相故障时,小电阻接地故障电流较大,继电保护可准确判别故障电流,快速切除故障,降低单相故障发展为三相接地故障的概率,降低因电缆故障影响邻近电缆线路的危险,同时也降低人身触电风险。

2小电阻接地的继电保护配置

2.1小电阻接地的单相短路电流

配电网中性点经小电阻接地系统的单相接地短路电流一般控制在100～1000A。若电流过小则影响继电保护的灵敏性,过大则会使非故障相的工频谐振过电压过高,且故障跨步电压不满足要求。江门地区小电阻系统统一选取的电阻值为10Q,可将单相接地故障电流控制在600A以下。

2.2继电保护配置及定值

小电阻接地系统需要快速隔离故障线路,相间电流保护不能用作单相接地故障的保护,因为馈线的负荷电流要远大于接地保护的动作定值,馈线的三段式电流保护对单相接地故障没有灵敏度,各线路应配置两段零序电流保护功能。由零序保护可靠切除单相接地故障,按躲开正常运行时系统不平衡电流设置保护定值。本区域均采用接地电阻为10Q的系统,零序保护一次动作值取50A:定值时间按变电站出线开关0.6s,线路开关保护动作时间与变电站出线开关零序电流保护时间配合,取值0.2～0.35s。其中分支线第一级分段断路器时间取0.35s,第二级分段断路器时间取0.2s。

3保护用电流互感器配置选型

3.1零序电流来源选择

零序电流产生有两种方法,一种为自产零序,但电流误差较大,这是因为配网多采用10P级电流互感器,当采用三相互感器自产时,综合误差可能达士30%,且当正常负荷电流较大或相间故障时,可能使零序保护误动作。另一种为采用外接零序互感器产生零序电流,仅在负荷电流不平衡时零序电流互感器中才感应磁通存在,在正常运行下和相间短路时均没有零序电流,因此现场条件允许的情况下均优先考虑增加零序电流互感器。

3.2零序电流互感器的参数选择

10kV小电阻接地系统线路的接地保护是动作于断路器跳闸,必须采用保护准确等级变比的电流互感器。

3.2.1零序电流互感器二次负载计算

配电网二次额定电流大部分为5A,本文取额定电流以5A为例,根据电网公司框架招标技术协议,当额定电流为5A时,继电保护装置保护交流电流回路功率消耗要求不大于1VA/相,则:

式中,Rz为保护装置及仪表二次阻抗,Q:sz为保护装置的额定功耗,VA:I为二次额定电流,A。

式中,Rl为二次电缆阻抗,Q:p为导体电阻率,Q·m:L为电缆长度,m:s为电缆芯截面积,m2,按15m考虑计算。

式中,Z为二次回路总阻抗,Q:Rc为CT绕组电阻,Q,二次额定电流为5A时,Rc取0.5Q:Kl为连接导线阻抗换算系数,单相短路时该系数取2:Kz为保护装置阻抗换算系数,单相短路时该系数取2:n为串联保护装置数量,取2。

3.2.2零序电流互感器的容量选择

在额定频率及额定负荷下,所选零序电流互感器的容量要与二次回路阻抗匹配,才能达到标定的精度,所选二次容量过大时零序电流互感器在使用时将会出现正误差,反之则会出现负误差。

从3.2.1结果计算出二次容量与二次阻抗的关系:

式中,s为互感器二次容量,VA。

由上述计算结果,初步选用额定二次容量为20VA的零序电流互感器。

3.2.3零序电流互感器的饱和校核

当电力系统发生故障时,电流互感器通过电磁感应的原理,将电力系统一次侧的故障电流按照额定变比转换成二次电流,但当磁通量饱和的时候,互感器的励磁电流将会变大,二次侧的保护输出电流会发生畸变,不能与一次侧故障电流保持原有比例关系,此时为电流互感器的饱和状态,对保护装置的正确动作造成干扰,严重时会造成拒动或延时动作,因此,选择互感器参数后,需要再进行饱和特性校核,看裕度是否满足保护要求[4]。考虑到本区域零序一次动作电流通常整定为50A,可选择变比为75/5或100/5的零序互感器。下面选择75/5变比、准确等级为10P10的互感器进行校核,最大单相短路电流按600A进行考虑。

1）计算最大单相接地短路电流的二次感应电动势:

式中,Iscmax为系统最大单相接地短路电流,A:Kn为零序互感器额定变比。

2）计算该互感器的二次极限电动势:

式中,Ek为互感器额定二次极限电动势,V:Ka为互感器准确极限系数:Rn为互感器额定二次荷载,0:sn为互感器额定容量,VA。

3）计算该互感器的二次暂态系数:

式中,Kt为二次暂态系数。

互感器的饱和裕度大于2倍暂态系数,互感器参数满足选型要求。

3.2.4零序电流互感器型式的选择

零序电流互感器有两种型式,一种为分体式,用螺栓或箍带将两部分合在一起,分体式互感器由于螺丝的松紧影响其精度一般只能做到10P级。另一种为整体式,检测精度后再整体浇注,精度能做到5P级或更高级。整体式一般在保护精度要求较高的变电站内使用。配电网零序互感器使用10P级已经可以满足保护精度要求,采用分体式互感器方便安装,在原有电缆上安装不需要拆除电缆头。

4结语

在进行小电阻接地系统改造时,线路保护需要配置两段零序电流保护,增加零序电流互感器,二次额定电流为5A的,选择75/5、10P10、20VA的开口式互感器:二次额定电流为1A的,选择75/1、10P10、5VA的开口式互感器,小电阻接地系统改造后可以快速隔离单相短路故障,提高配电网运行安全性,是一种值得推广的运行方式。