智能型剩余电流监测技术在变电站中的应用研究

2021-05-14孙江平

电力与能源 2021年2期

孙江平

(上海电力设计院有限公司,上海 200025)

电力系统内变电站的低压交流系统接地设计主要依据两个标准：GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》和DL/T5155—2016 《220 kV～1 000 kV变电站站用电设计技术规程》。由于两个标准对变电站低压交流系统接地方式的要求不统一，导致变电站低压交流系统接地方式不统一，造成配电回路中有较大的剩余电流。

最常见的情况是低压配电系统中两台或多台变压器中性点采用了多点直接接地的方案，其次是双电源配电系统末端的双电源配电箱中选用三极开关(即N相不切)的供电方式。

智能型剩余电流监测装置在变电站低压配电系统中对安全运行起着重要的作用，它是直接及间接接触电击事故的基本防护措施，同时能有效预防电气火灾事故的发生[1-2]。

1 变电站剩余电流产生的原因

1.1 低压配电系统中两台变压器中性点直接接地

常规变电站TN-S低压配电系统接线图如图1所示。该系统为单母线分段接线，两路电源进线及分段开关均为三极开关，1号和2号两台站用变压器中性点均通过PE导体接地，各馈出回路电路开关均为三极开关。

图1 常见变电站低压配电系统

图1箭头所示为某一时刻中性线电流方向。由于中性线两点接地，低压馈出回路的中性线电流在A点到1号变压器中性点o1之间有两条路径：其一，从A点直接到中性点o1；其二，从A点途径B、o2点到中性点o1。由于两台变压器中性点直接接地，造成两台变压器之间中性线(N)两点接地，使两段母线上全部馈出回路的中性线(N)到变压器中性点间母线均形成多条支路，两段电气配电柜中配电回路将长期存在剩余电流[3]。

1.2 末端双电源配电箱选择三极电源转换开关

低压配电系统双电源供电回路如图2所示。

图2 低压配电系统双电源供电回路

在图2中，箭头为某一时刻中性线电流方向，对于末端配电箱中的三极电源转换开关，不管切换到回路1还是回路2供电，用电设备中性线(N)到站用变压器中性点始终有两条路径。由于末端配电箱中选择三极电源转换开关，促使用电设备端到站用变低压母线的配电回路长期存在剩余电流[4]。

2 剩余电流监测系统组成

剩余电流监测系统的监测方案为：采用10寸(0.333 m)触摸屏本地展示监测数据，触摸屏内存高达4 GB，能满足站内所有剩余电流12个月监测数据的本地存储，并能进行稳态录波。剩余电流监测系统的监测方案如图3所示。

图3 剩余电流监测系统的监测方案

由于站用电屏柜体空间有限，需要在站内墙壁上以壁挂屏的形式展示，见图4。

图4 监控屏布置示意图

剩余电流监测单元带有4个检测通道，每个通道采集一个馈线支路数据，剩余电流监测模块安装在对应的配电屏内，并将所有通道的数据通过有线RS-485的通信方式上传到触摸屏主机上。剩余电流监测装置如图5所示。

图5 剩余电流监测装置

剩余电流采集电流互感器(CT)采用电磁互感原理、可隔离测交流电流，输出交流电流信号，最大可穿过线径φ24，精度可达到1级。

3 变电站应用方案

3.1 变电站低压交流配置方案

上海220 kV GC变电站是上海第一座220 kV全地下变电站，1993年投运。该变电站交流站用电系统配置：2台站用变，单母线接分段接线，交流柜为抽屉式低压开关柜。

经过调阅图纸及现场核查发现，2台站用变低压侧中心点分别接地，GC站的站用交流电源系统N线与PE排是分开的，属于典型TN-S系统，本站两台站用变压器均直接接地，交流配电母线也设置接地。

经现场核查发现，末端配电箱内断路器均为三极开关，在双电源供电负荷处存在共零情况。

3.2 剩余电流监测装置的配置

3.2.1 集中接地剩余电流监测装置

集中接地剩余电流监测装置安装原理如图6所示，该方式用于监测全站总剩余电流[5-6]。GC站中央配电屏集中接地的剩余电流监测CT安装，如图7所示。

图6 集中接地剩余电流监测装置原理图

图7 集中接地剩余电流监测安装图

3.2.2 馈线回路剩余电流监测装置

各馈线剩余电流监测原理：对于无共零问题的回路直接进行采集；对于有共零问题的回路，在采集单元处采用将两路CT二次线并联接入的方式，直接进行矢量合成。

无论是无共零问题还是有共零问题的馈线，安装剩余电流CT的方式均相同。在电缆铠装层接地上部安装剩余电流CT，如图8所示。需要注意的问题是：有共零回路的CT额定电流应根据正常运行时各路最大剩余电流选择，本站测试期间最大剩余电流出现在有共零问题的220 kV GIS环网回路，剩余电流约7A，因此本次选择的各馈线CT一次额定电流为10 A。

图8 馈线剩余电流CT安装图

3.3 剩余电流监测及调试

3.3.1 集中接地点剩余电流调试试验

监测装置上电后，集中监控屏上显示的集中接地点剩余电流为147 mA。

采用Fluke剩余电流表对该接地点剩余电流测试值为152 mA。

3.3.2 无共零馈线剩余电流调试试验

以检修电源回路为例进行分析调试，读取剩余电流监测装置的数据与Fluke剩余电流表的测试数据进行了对比。随后采用电容模拟故障的方法对检修电源回路进行测试，试验结果符合设计要求。

(1)正常情况下，由于该回路没有负载，剩余电流监测值为0 mA，检测值为0.436 mA。

(2)在线路末端加入电容器，模拟90 mA左右的电缆绝缘故障。在加入故障后，剩余电流监测值为89 mA，剩余电流检测值为86.2 mA。

通过该试验得到，剩余电流监测装置测试数据是准确的，并且可以对故障进行正确报警。

3.3.3 有共零馈线剩余电流调试试验

经过测试发现，本变电站中220 kV GIS供电环网存在共零问题，剩余电流较大，测试中发现该回路存在重复接地的问题。现场排查方法如下。

(1)将220 kV GIS供电环网1号电源打开，从右至左依次监测电缆剩余电流值，开关1到开关3的数值分别为0.06 mA，1.90 A，1.9A0，证明重复接地点在LCP柜1中。

(2)对LCP柜1中的线缆进行排查，发现交流电源B相电流为1.9 A，A和C相分别为151 mA和166 mA，而N相电流接近0.02 mA。说明B相负荷电流的回流没有从N线回流，很可能是从地网回流。

(3)经排查发现该LCP柜与其他柜体区别在于，该柜中多了一个空调装置，并且采用的是B相单相电源供电。

将该空调的N线拆除后，发现空调仍正常工作，进一步证明B相负荷电流从地网回流。将该空调的电源完全切除后，即空调设备与供电系统完全隔离后，对装置上的N接线端子和地接线端子进行测量，发现两个端子间短路，说明该空调装置内部N端子与地端子接在一起。该空调设备停电后，将空调装置内的N接线端子与接地端子解开，测量开关2处的剩余电流检测值为0.001 mA。

通过试验证明：本剩余电流监测装置能够有效发现系统中重复接地的情况。在发现剩余电流监测数据超标后，可采用逐点检测的方法，对剩余电流超标问题进行人工排查，确定故障点，并采取相应措施排除故障。