山区35kV电网新型运行方式探讨

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2006年 5月重庆大学学报自然科学版 M ay 2006第 29卷第 5期 Journal ofC hongqingUniversit y N atural Science Edition Vo.l 29 No. 5文章编号 1000 - 582X 2006 05 - 0040 - 04山区 35 kV 电网新型运行方式探讨*刘渝根 1 ,丁伯剑 1 ,陈先禄 1 ,袁涛 1 ,许文强 2 1. 重庆大学电气工程学院 , 重庆 400030; 2. 贵州市南供电局清镇分局 ,贵州贵阳 550004摘要通过对重庆某坝变电站 35 kV 电网三相对地电容不平衡问题的分析 ,得出其带消弧线圈运行时 ,消弧线圈的整定不能同时兼顾三相电压的平衡和单相接地时消弧线圈的消弧作用的结论 ;提出了山区 35 kV电网新的中性点运行方式 ,即在系统正常运行时中性点不接地 ,在发生单相短路接地时中性点经消弧线圈接地 ,并对这种中性点新型运行方式的暂态过程进行了大量数值模拟计算 ,得出了暂态过程中过电压和冲击电流水平 . 在重庆地区和贵州地区的试验表明 , 这种新型中性点运行方式对减低山区35 kV 电网雷击跳闸率 ,提高其防雷运行水平是有效和可行的 .关键词 35 kV 电网 ;中性点运行方式 ;消弧线圈中图分类号 TM 863 文献标识码 A35 kV 电网是我国城市近郊及农村供电网重要的电压等级电网 . 由于规程允许 35 kV 线路可不进行换位 ,山区 35 kV 线路往往存在三相对地电容不对称的情况 , 从而造成系统三相电压不平衡 . 在按正常补偿度整定消弧线圈档位后三相电压不平衡程度可能加剧 ,从而给系统正常运行带来困难 ,对于山区 35 kV 电网来说更是难以同时兼顾各个整定原则 ,以重庆某坝35 kV电网为例 ,在分析影响消弧线圈整定因素的基础上提出了一种新的中性点运行方式 , 并对其整定原则和可行性进行了初步探讨 .1 问题的提出1. 1 中性点绝缘运行时电容和相电压不平衡情况由于 35 kV 线路不换位 ,线路往往存在三相对地电容不对称 , 当 35 kV 变电站所带 35 kV 线路总长超过 100 km 时电容不对称情况更为显著 . 表 1为重庆电力公司 35 kV 重庆某坝变电站单相接地电容电流实测结果 [ 1 ,表 2 为各相对地电容计算值 .表 1 单相接地电容电流实测值 AISA ISB ISC12. 2 12. 8 12. 8表 2 各相对地电容值 μ FCA CB CC0. 664 0. 602 0. 661因此可以得出电网中性点采用绝缘运行方式时各相电压见表 3.表 3 中性点绝缘运行方式相电压 kVU A U B U C20. 57 20. 85 19. 92由表 3可以看出 35 kV 重庆某坝变电站电网中性点采用绝缘运行方式时 ,虽然由于三相对地电容不对称造成相电压略有差异 ,但三相电压较为平衡 ,仍然符合电网正常运行要求 .1. 2 电网带消弧线圈正常运行时电压不平衡情况由表 3,根据规程 , 35 kV 电网单相接地电容电流超过 10 A 时 ,接地电弧不能自熄 ,应采用中性点经消弧线圈接地运行方式 [ 2] ,表 1中所测单相接地电容电流已超过 10 A,所以中性点应采用经消弧线圈接地运行方式 .表 4为中性点采用经消弧线圈接地运行方式 ,电网正常运行消弧线圈在不同档位 Χ 即不同电感值 L时中性点位移电压 U 0及三相电压不平衡度 γ . 由表 4可知 ,当重庆某坝电网系统在带消弧线圈运行时 ,从兼* 收稿日期 2006 - 01 - 10基金项目重庆大学骨干教师基金资助项目作者简介刘渝根 1963 - , 男 ,四川达川人 , 重庆大学副教授 , 硕士 , 主要从事电力系统过电压及接地技术的研究 .顾电网三相电压平衡度和中性点位移电压不超过相电压额定值的 15的整定原则考虑 ,消弧线圈的正常补偿档位应选 Ⅳ - Ⅸ 档 .表 4 中性点位移电压及三相电压不平衡度Χ L /H U 0 /kV γ /Ⅰ 5. 10 21. 30 96. 7Ⅱ 4. 73 5. 33 37. 2Ⅲ 4. 35 3. 10 24. 6Ⅳ 3. 97 1. 97 14. 5Ⅴ 3. 64 1. 45 10. 8Ⅵ 3. 33 1. 21 8. 4Ⅶ 3. 06 0. 90 6. 8Ⅷ 2. 81 0. 74 5. 6Ⅸ 2. 57 0. 60 4. 61. 3 消弧线圈补偿单相接地电容电流结果补偿电网的中性点装设消弧线圈的目的 ,主要是为了补偿单相接地电容电流 ,消除单相接地故障 . 重庆某坝 35 kV 系统补偿结果见表 5.表 5 消弧线圈补偿单相接地电容电流结果Χ L /H IR /A λ /Ⅰ 5. 10 0. 4 1. 6Ⅱ 4. 73 1. 5 6. 6Ⅲ 4. 35 2. 1 15. 3Ⅳ 3. 97 3. 5 26. 1Ⅴ 3. 64 4. 9 37. 3Ⅵ 3. 33 6. 6 49. 8Ⅶ 3. 06 8. 2 62. 5Ⅷ 2. 81 10. 1 78. 1Ⅸ 2. 57 12. 2 93. 8说明 IR 为中性点残余电流 ; λ 为补偿度 .由表 5,按规程规定从消弧线圈补偿单相接地电容电流小于 10 A 和补偿度小于 15 的整定原则考虑 ,消弧线圈应选 Ⅰ 档位或 Ⅱ 档位 .而在带消弧线圈运行的系统中 , 消弧线圈的整定必须同时兼顾 3个原则 [ 3] 1 有合适的补偿度 ,一般应控制在 5 ～ 10以内 ; 2 对 35 kV 系统 ,单相接地消弧线圈补偿后的接地电容电流即残流应控制在 3 ～10 A 以内 ; 3系统带消弧线圈正常运行时 ,中性点位移电压规程规定小于 15相电压 ,考虑到三相电压的平衡 ,以小于 5相电压为宜 . 从表 4和表 5的计算结果可以看出 ,由于系统三相对地电容的不对称性 ,消弧线圈运行时的整定几乎不能同时兼顾 3个原则 . 既要兼顾带消弧线圈正常运行时三相电压的平衡又要兼顾单相接地时消弧线圈的消弧作用 ,传统的解决方法是三相线路均匀换位 ,使三相对地电容对称 ,但需要停电施工 ,费工费时 . 由表 3可知麒麟坝变电站在正常运行时电压是较为平衡的 ,由表 5可知选择合适的消弧线圈档位可以实现故障时电流谐振 ,达到熄灭接地电弧的目的 . 因此笔者提出系统正常运行时采用中性点绝缘运行方式 ,在发生单相接地故障时采用谐振接地方式即在故障时投入消弧线圈 , 消除故障后切除消弧线圈 . 这一新型中性点运行方式兼顾了系统正常运行时三相电压平衡和单相接地故障时消弧线圈对接地电容电流的补偿作用 .笔者针对这一中性点运行方式的可行性 , 从消弧线圈的补偿档位、投入时间、投切时的过电压和冲击电流水平进行了数值仿真计算 .2 仿真计算2. 1 补偿电网的电流谐振等值接线图根据文献 [ 4] ,电网的电流谐振等值接线图如图 1所示 .图 1 单相接地补偿电网等值线图图 1中 ,R 为三相对地泄漏电阻 ; L为消弧线圈的调谐电感 ;CA 、 CB 、 CC 为分别为电网三相对应对地电容 ; Rd为过渡电阻 ; K 为单相接地短路点 .在 EMTP仿真计算中 ,仍采用三相对称电源 [ 6] ,考虑变压器内阻抗 ,忽略过渡电阻和负载阻抗 ,积分步长取 10 -4 s.2. 2 消弧线圈档位的选择故障点接地电弧的熄灭基于电流谐振原理 [ 2] ,即消弧线圈的电感电流补偿了电网的电容电流 , 限制了接地故障电流 ,使残余电流易于熄灭 . 在表 5所有补偿档位中 ,电感值为 5. 1 H 的 I档位和 4. 73 H的 Ⅱ 档位在补偿后残余电流较小 . 大量的 EMTP 仿真计算表明当电感值为 5. 04 H 时 ,电感电流和电容电流完全谐41第 29卷第 5期刘渝根 , 等山区 35 kV 电网新型运行方式探讨振 . 虽然 I档位补偿后残余电流更接近谐振值 ,笔者选择 Ⅱ 档位作为消弧线圈的投切档位 ,因为 I档位是欠补偿档位 ,补偿后容易引起电压谐振 [ 4] .2. 3 消弧线圈投入时间的选择在系统拓扑结构一定的情况下 , 笔者认为影响暂态过程的主要因素是短路瞬时电压或电流波的相位 .电网在不同的时间发生单相短路接地 , 其暂态过电压水平 ,冲击电流水平和暂态过程持续时间是不同的 . 笔者进行了不同短路时刻的过电压水平 , 冲击电流水平和暂态过程持续时间的计算 ,从消弧线圈投入时刻对系统过电压水平和冲击电流大小 2个方面的影响进行了比较 . EM TP仿真计算表明短路时刻主要影响系统的过电压水平 ,而对暂态过程持续时间主要由电路拓扑结构决定影响不大 . 根据工频熄弧理论 [ 5] 电路理论 [ 6 ]和 EM TP计算程序对最大值的记录 ,取得了最大暂态过程持续时间和系统的过电压水平 ,从严考虑 ,笔者认为发生单相接地短路时非故障相和中性点位移电压最大值分别为 3. 3倍相电压和 2. 2倍相电压 , 暂态过程最长持续时间 0. 6 s. 在选择消弧线圈的投入时间时 ,笔者考虑 2种极端情况即在发生单相接地故障瞬时投入和单相接地故障暂态过程结束时投入 . 在发生接地故障瞬时投入非故障相和中性点电压最大值分别为 3. 2倍相电压和 2. 0倍相电压 , 在暂态过程结束后投入非故障相和中性点电压最大值分别为 3. 3倍相电压和 2. 2倍相电压 . 大量的 EMTP 仿真计算表明消弧线圈投入时的系统暂态过电压水平低于单相短路时的暂态过电压水平 . 可见从系统的过电压水平的角度考虑 ,选择消弧线圈的投入时间是充裕的 . 在系统发生单相接地的瞬时接地电流可达 300 A 以上 ,这时投入消弧线圈是非常危险的 ,其通过电流最高可达 140 A,而在暂态过程结束时投入消弧线圈 , 最高通过电流为37. 1 A. 因此采用在单相接地暂态过程结束时投入消弧线圈 .2. 4 消弧线圈投入时过电压和冲击电流的计算根据电路原理 ,系统状态发生改变时 ,过电压水平电压最大值与改变时的瞬时相位有关 . 因此 ,笔者认为 ,发生单相接地故障后投入消弧线圈时 ,系统过电压水平与投入时的电压波相位 Υ 有关 . 对不同消弧线圈的投入相位 ,都可以得到一组非故障相和中性点电压的极大值 ,比较这些极大值的大小 ,得出的最大值就是消弧线圈投入时的系统过电压水平 . 表 6是在单相接地后一个周波内 ,消弧线圈在不同相位投入时的过电压的极大值如无特别指出 ,表中的电压值均以相电压倍数表示 ,下同 .表 6 不同相位投入时过电压水平的计算Υ / ° U0 U C U B0 2. 2 2. 9 3. 345 1. 7 2. 9 2. 990 1. 3 2. 5 2. 5135 1. 8 3. 0 2. 8180 2. 2 2. 9 3. 3225 1. 7 2. 9 2. 9270 1. 3 2. 5 2. 5315 1. 8 3. 0 2. 8360 2. 2 2. 9 3. 3由表 6可知 ,中性点和非故障相过电压值呈规律性变化 . 根据工频熄弧理论及 EMTP 计算程序对最大值的记录作用 ,笔者认为表 6已经取得了单相短路接地的最大过电压值 , 从而得到投入消弧线圈时的过电压水平 .同理 ,发生单相接地故障后投入消弧线圈时 ,消弧线圈通过的冲击电流也与投入时的电压波相位有关 .对不同的消弧线圈投入相位 , 都可以得到一个消弧线圈通过电流极大值 ,比较这些极大值的大小 ,得出的最大值就是消弧线圈投入时通过的冲击电流最大值 .表 7是在单相接地后一个周波内 ,消弧线圈在不同相位投入时的消弧线圈通过电流 .表 7 不同相位投入时的冲击电流计算Υ / ° IL /A ISL /A0 13. 5 19. 545 13. 5 29. 690 13. 5 37. 1135 13. 5 30. 3180 13. 5 19. 5225 13. 5 29. 6270 13. 5 37. 1315 13. 5 30. 3360 13. 5 19. 5说明 IL为电感电流稳态值 ; ISL为电感冲击电流值 .由表 7,消弧线圈投入时电流的冲击值呈规律性变化 . 根据工频熄弧理论及 EM TP计算程序对最大值的记录作用 ,笔者认为表 7也取得了消弧线圈投入时通过电流的最大值 .由表 6和表 7可以得到中性点出现的最大过电压42 重庆大学学报自然科学版 2006年值和投入消弧线圈时所要承受的冲击电流分别为2. 2倍相电压和 37. 1 A.2. 5 消弧线圈退出时过电压和冲击电流的计算在电路单相接地熄弧成功并达到稳定状态 ,退出消弧线圈 . 与 2. 4节相似 ,得到消弧线圈在不同时刻切除时非故障相和中性点暂态过电压水平如表 8.表 8 不同相位切除时过电压水平U0 U C U B1. 0 1. 6 1. 8在成功消除单相接地故障并达到稳定状态后 , 切除消弧线圈时非故障相和中性点过电压水平是较低的 ,分别为 1. 8倍相电压和 1. 0倍相电压 . 计算表明切除时消弧线圈承受的电流冲击也是很低的为 3. 4 A.综合 2. 4节和 2. 5节 , 得出消弧线圈在整个投切过程中的中性点过电压水平和消弧线圈通过电流最大值分别为 2. 2倍相电压和 37. 1 A.3 结论1 山区 35 kV 电网存在三相电容不对称情况 , 在带消弧线圈运行时不能兼顾消弧线圈的故障电流补偿整定原则和消弧线圈的三相电压平衡整定原则 ,并且单相接地电容电流往往大于 10 A.2 为兼顾带消弧线圈正常运行时三相电压的平衡和单相接地时消弧线圈的消弧作用 , 笔者选择系统正常运行时采用中性点绝缘运行方式 , 在发生单相接地故障时采用谐振接地的新型中性点运行方式 .3 消弧线圈档位的选择按单相接地故障时补偿故障电流的整定原则来整定 ,选择过补偿档位 .4 计算结果表明 ,消弧线圈投入时刻应根据发生单相短路时的接地冲击电流值来选择 ,笔者建议在单相短路暂态过程结束后投入消弧线圈 .5 中性点出现的最大过电压值和消弧线圈通过的最大冲击电流值分别为 2. 2倍相电压和 37. 1 A ,因此可以利用现有的人工调谐消弧线圈和负荷开关配以自动装置完成投入和切除操作 .6 所提出的新型运行方式的过电压和冲击电流水平 ,不会超过现行规程要求 ,对提高电网防雷运行水平极有工程价值。参考文献 [ 1] 粱曦东 . 高电压工程 [ M ] . 北京清华大学出版社 , 2002.[ 2] 陈先禄 , 刘渝根 , 黄勇 . 接地 [ M ] . 重庆重庆大学出版社 , 2001.[ 3] 袁涛 , 刘渝根 , 陈先禄 . 山区 35 kV 防雷值得注意的一个问题 [ J] . 重庆大学学报自然科学版 , 2002, 25 772 - 75.[ 4] 要焕年 , 曹梅月 . 电力系统谐振接地 [ M ] . 北京中国电力出版社 , 2000.[ 5] 解广润 . 电力系统过电压 [ M ] . 武汉水利电力出版社 , 1985.[ 6] 周守昌 . 电路原理 [ M ] . 北京高等教育出版社 , 1999.New Operation M ethod of 35 kV Power System in M ounta inousAreaLIU Yu -gen 1 ,D ING Bo -jian 1 , CHEN X ian -lu1 ,YUAN Tao 1 ,XU W en -qia ng 2 1. College of E lec trical Engineering, Chongqing University ,Chongqing 400030, China;2. Q ingzhen B ranch, G uizhou Pow er Supply Bureau, Guiyang 550004, ChinaAbst ract The unbalanced nature of 35 kV d istribu tion system due to capacity values is difficult in neutral operation,which can notm eet the demand of vo ltage balance in static state and arc distinct in faul.t Th is paper proposes a newneutral operation as neutral insulation in static state and resonancegrounding in fault , alongw ith EM TP sim ulation acts.Simula tion indicates thatnew neutralope rationmethod can im prove lightning w ithstand level and decrease trip-out rate ofgrids.K ey w ords 35 kV grids; neutral operationmethod; suppressing coil编辑李胜春 43第 29卷第 5期刘渝根 , 等山区 35 kV 电网新型运行方式探讨