三峡施工供电35KV配电网络中性点接地

刘乐文 刘茂祥

    摘要 电网中性点接地是关系到电网安全可靠运行的关键问题之一。该文通过介绍中性点接地的基本概念、设计思想和理论联系实际的方法展开分析与研究。阐明了三峡35kV配电网络中性点采取消弧线圈接地方式的原因及解决其接线的具体措施。通过理论分析，明确了消弧线圈的作用，并深入地讨论了消弧线圈的调整范围及方法。清楚地表达了三峡35kV配电网络中性点消弧线圈的整定值为16.2A的合理性。文中还明确了35kV配电网络进一步完善措施与该网络形成的接地设施之间的内在联系，从而提出了满足左岸电厂备用电源对35kV配电网络完善要求的具体措施。

    关键词 35kV配电 消弧线图 整定值

    三峡主体工期已进入二期工程，相应的施工供电系统已基本形成，建设任务接近尾声。但随着整个工期建设进展的加快，工程施工用电负荷在渐近高峰，这样给供电的安全、可靠性提出了更高的要求，为此，必须分析和研究关系到整个施工供电系统安全、可靠的关键问题之一即35kV配电网络中性点接地方式问题。另外，弄清这个问题，便于进一步完善该网络时，尽可能考虑采取技术合理、经济节省的相应措施。

1 规划设计的中性点接地方式

1.1 中性点接地方式基本概念

    电力系统中电网中性点接地方式分直接接地和不接地(或称绝缘)的两种方式。电网中性点直接接地，中性点就不可能积累电荷而发生电弧接地过电压，其各种形式的操作过电压均比中性点绝缘电网要低，但接地为短路故障，特别是瞬间接地短路，必须通过保护动作切除，再依靠重合闸恢复正常供电。现今110kV及以上电网大都采用中性点直接接地方式。但若较低电压等级的电网采用中性点接地的运行方式，则其接地事故频繁，甚至引起很多更严重的事故，操作次数多，且会因此增加许多设备，即可能引起供电可靠性降低，又不经济，故在我国3～35kV甚至60kV电网中性点采用非直接接地运行方式。但当中性点非直接接地电网的电容电流超过《电力设备过电压保护设计技术规程》(以下简称规程)规定值(3～10kV电网为30A；20kV及以上电网为10A)时，电弧不易熄灭，中性点应经消弧线圈接地(称这种电网为补偿电网)。

1.2 经消弧线圈接地方式的确定

    电网中性点是否设置消弧线圈取决于电网电容电流，故先计算三峡35kV网络电容电流。根据长江委《三峡水利枢纽施工供电35～220kV网络规划报告》中有关内容统计35kV配电网络中架空线路长约80km，电缆线路长约6km，其电容电流计算如下：

    (1)架空线路电容电流：

式中 Ve——线路额定电压(kV)

I_cI——架空线路电容电流(A)

L——线路长度(km)

    I_c1——3.3×35×80×10-3＝9.24(A)

    (2)电缆线路电容电流：

    I_C2=0.1VeL

式中Ve、L同前，

    I_c2=0.1×35×6＝21(A)

    (3)变电所附加接地电容电流：

    I_c3=(I_cl十I_c2)×13%

式中I_c1、I_c2同前，I_C3——变电所附加接地电容电流(A)，设计手册给出的为线路接地电容电流总和的13%。

    I_C3=(9.24十21)×0.13＝3.93(A)

    (4)35kV配电网络最大接地电容电流：

    Ic=I_c1十I_c2十I_c3=9.24十21十3.93＝34.17(A)

计算结果Ic＞10A，按规程规定必须装设消弧线圈，

    (5)消弧线圈容量：

    W＝1.35I_CVe/3^1/2＝1.35×34.17×35/3^1/2＝932.15(kVA)

    故选用XDJ-550kVA/35kV型消弧线圈两台。消弧线圈的投入运行台数、整定值视35kV配电网络发展情况而定。

1.3 中性点经消弧线圈接地的接线问题

    三峡陈家冲220kV变电所(以下简称陈变)是三峡施工供电系统的总降压变电所，其主变压器有三个电压等级：220/110/35kV，即高、中、低压三个绕组。因陈变接入的220kV和110kV电网中变电所主变接线组别均为Yo型，故陈变主变压器220kV和110kV两个绕组相应选定为Yo/Yo，接线，如第三绕组(低压绕组)仍选择Yo型接线组别，三次谐波电流只能通过主变铁芯、空气和外壳等构成回路，产生一个较小的三次谐波磁通，它会使铁轭夹件和油箱等铁磁物体产生附加的铁损耗，降低变压器效率并引起局部过热。因此，低压绕组(35kV)不能选择Y接线。选择Δ接线时，很小的三次谐波磁通就要在Δ绕组内产生一个三次谐波电流，它所产生的三次谐波磁通就要抵消原来铁芯中的三次谐波磁通，从而使铁芯中的合成磁通基本呈正弦波，附加损耗问题也随之消失。这是较大和大容量(大于1800kVA)必须考虑的问题，陈变主变容量为63000kVA必须考虑这一问题，因而陈变主变第三绕组采用Δ接线。

2 消弧线圈作用原理及其调整

2.1 消弧线圈的作用原理

    为了阐明消弧线圈的作用及其调整方法，首先计算单相接地时流过故障点的电容电流(见图2)。K断开可看出，流过故障点的电流是电容C1和C2分别在uAC、uBC作用下的电容电流。设C1＝C2＝C3＝C0电源角频率为w，则可写出：

图2 消弧线圈接地电网的单相接线

式中w₀=1/(3C_OL_p)^1/2——电路中的自振角频率
用u=l一k＝(I_c—I_L)/I_c＝l-w₀²/w²表示脱谐度
    当K〈1，U〉0，则I_L〈I_c，残流I₀为容性电流，为欠补偿。
    当K〉1，u〈0，则I_L〉I_c，残流I₀为感性电流，为过补偿。
    K＝1，u＝0，则I_L=I_C，残流I₀为电阻性电流，为全补偿。
    全补偿时，电路处于并联谐振状态，根据附图3可得：

式中Ia＝g_pu_xg，I_c=3C₀u_xg，由此可见，只要脱谐度不大，残流就大大降低，单相接地电弧就容易熄灭。

2.2 消弧线圈脱谐度合理整定范围

    由图2作等值电路可进一步推出(过程从略)经消弧线圈接地系统的中性点位移电压u0的大小为：

式中K_c＝(c_l十a²c₂十ac₃)/c₁+c₂+c₃)其中a=cos2π+sin2π/3)为补偿电网的不对称度，典型值为1.5%

    d=(3g₀+g_p)/3wc₀(设g₁=g₂=g₃=g₀)为补偿电网的阻尼率，典型值为5%。

    由(3)式可看出，消弧线圈的脱谐度不能太大，太大时残流增大，且进一步计算(略)表明，脱谐度太大时故障点恢复电压增长速度太快，消弧线圈就起不到消灭单相接地电弧的作用。脱谐度愈小，残流愈小，故障点恢复电压速度减小，电弧容易熄灭。但由(4)式可看出，脱谐度也不能太小，当u→0时，接近并联谐振状态，正常运行时的中性点将发生很大偏移。规程规定中性点经消弧线圈接地电网中性点位移电压不应超过15%的相电压。

    由前面的定性分析可得出这样一个结论，即脱谐度有一个比较合理的整定范围。经推算和实际运行经验证明脱谐度的整定范围不宜超过±30%，这也是一般设计手册上的推荐整定范围。

2.3 三峡35kV配电网络消弧线圈的整定值

    目前三峡施工供电系统35kV配电网络接地电容电流由架空线路、电缆线路和变电站附加接地电容电流三部分组成即：

    (1)架空线路：目前35kV配电网络架空线路总长约50.5km，则

    I_C1=3.3×35×50.5×10^-3＝5.833A

    (2)电缆线路：目前35kV电缆线路总长约1.4km，均为185截面，则有两种计算值：

    I′_C2=0.1VeL＝0.1×35×1.4＝4.9A

    I″_C2=1.4×5.2(185电缆每公里电容电流)＝7.28A

第一种计算值偏小，第二种值偏大，这里取其平均值，则：

    I_C2=(I′_C1+I″_C2)/2＝(4.9+7.28)/2＝6.09A

    (3)变电站附加影响：

    I_C3=(I_C1+I_C2)×0.13＝(5.833+6.09)×0.13＝1.55A
理论计算，目前整个35kV配电网络电容电流值为：

    I_C=I_C1+I_C2+I_C3=5.833+6.09+1.55＝13.473A

    由计算结果可知IC〉10A，应将中性点接地用的消弧线圈整定后投运一台。但整定值需综合考虑，并进行必要的测试。根据三峡供电局实测，三峡35kV配电网络的电容电流为12.89A。按照这一实测值，结合消弧线圈各分接头对应的脱谐度，将计算的中性点位移电压值及其占相电压百分数、实测的中性点位移值及其占相电压百分数等列表如下。

    从表可看出，消弧线圈整定在3、4、5三档较为合适，都可使中性点位移电压控制在15%相电压以内，脱谐度也不算大。整定在第4档时，中性点位移电压〈10%相电压，脱谐度〈30%，残流也小，是最合适的，故建议整定在第4档。

3 35kV配电网中性点设备进一步完善措施

    2003年三峡左岸电厂将发电，与之配套的厂用电备用电源一左岸永久变电所(又称坛子岭变电所以下简称坛变)将在2002年底按永久规模完建，根据长江委规划坛变将有两回35kV电缆线路至陈变(或其中一回经船闸35kV变电所，再至陈变)长约14km，将新增电容电流：I_CZ=1(0.1×35×14+14×5.2)/2=60.9A。加之增设的架空线路和目前的架空线路及电缆线路，总的接地电容电流将达到85A左右。需要的消弧线圈容量约2500kVA，是已装的消弧线圈容量(2×550kVA)2.31倍。故必须更换消弧线圈，加大其容量。随着消弧线圈容量的增大，与其配套的零序阻抗低，空载阻抗高的DSB-800kVA/35kV型两台专用接地变压器也需更换为更大容量(2×1250kV)的专用接地变压器。

    消弧线圈和专用接地变的更换应与坛变至陈变双回35kV电缆线路同期建设，以保证厂用电备用电源——坛变有可靠的35kV供电线路，从而真正起到备用电源的作用。为左岸电厂的安全、稳定运行提供保障措施。

    坛变至陈变双回35kV电缆线路建成后，因其每一回接地电容电流值都很大约30A，故消弧线圈的整定值将随该线路投运与否作适当调整，调整前应进行必要的测试，以便整定在最合适的档位上。