TY系列小电流接地选线装置注入电流分析

2021-10-13刘文波高佩忠王学卫聂万庆

上海电气技术 2021年3期

刘文波高佩忠王学卫聂万庆

胜利石油管理局有限公司电力分公司山东东营 257000

油田6 kV～35 kV配电网大多采用小电流接地运行方式,为了保证供电的可靠性,发生单相接地故障时,应及时准确判别出接地线路。目前,胜利油田所辖变电站主要采用TY系列小电流接地选线装置,笔者对TY系列小电流接地选线装置的注入电流进行分析。

1 TY系列小电流接地选线装置原理

TY系列小电流接地选线装置引入“S注入”法选线,提高了高阻接地的选线正确率[1]。在TY系列小电流接地选线装置中,信号注入选线和接地暂态量自动选线是两个完全独立的系统[2],两者的工作回路没有关联。由此,可以认为TY系列小电流接地选线装置是两套系统的组合。笔者主要分析信号注入选线系统的注入电流值。

信号注入选线系统采用一个内阻为定值,频率为196 Hz或220 Hz,电流大小为3～5 A的电流源。当系统发生接地时,电流源向电压互感器二次侧注入电流,电压互感器二次侧耦合至一次侧,通过线路的接地点与大地形成回路,在线路接地相产生持续的定值高频电流。通过专用的信号电流探测器对注入电流进行寻踪,最终可以确定接地线路和故障点[3]。

2 电压互感器短路阻抗

TY系列小电流接地选线装置的标称注入电流为3～5 A,电流注入电压互感器二次侧,在二次侧回路中流过的实际注入电流需要通过分析计算获得。要想得到实际注入电流,首先要获得电压互感器的短路阻抗[4]。为此,进行了电压互感器短路阻抗试验。电压互感器短路阻抗试验结果见表1。

表1 电压互感器短路阻抗试验结果

对10 kV电压互感器进行短路阻抗试验,10 kV电压互感器一次、二次绕组的变比为100(10 kV/100 V),电压互感器原边、副边阻抗折合因数为10 000,测得50 VA绕组的短路阻抗为32 000 Ω,折算至二次侧短路阻抗为3.2 Ω。

对6kV电压互感器进行短路阻抗试验,6 kV电压互感器一次、二次绕组的变比为60(6 kV/100 V),电压互感器原边、副边阻抗折合因数为3 600,测得50 VA绕组的短路阻抗为14 000 Ω,折算至二次侧短路阻抗为3.89 Ω。

3 不同电压互感器接线方式下注入电流

胜利油田变电站6 kV～10 kV系列电压互感器(PT)主要采用三种接线方式,分别为3PT接线、带零序电压互感器的4PT接线、中性点带一次消谐装置的PT接线[5]。分析计算不同接线方式下TY系列小电流接地选线装置向电压互感器二次侧注入电流为3 A时,流过电压互感器的实际注入电流。

3.1 3PT接线方式

当10 kV系列电压互感器采用3PT接线方式时,若系统发生接地,则TY系列小电流接地选线装置的发讯机向电压互感器二次侧注入3 A、220 Hz高频电流。发讯机相当于一个电流源,其内阻阻抗为8 Ω,电流源的电压为24 V。

3PT接线方式下电流注入如图1所示,折算至二次侧等效电路如图2所示。

10 kV系统C相接地时,TY系列小电流接地选线装置实际注入电流IZ10为:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4ZXL+Zjd)=1.15 A

图1 3PT接线方式下电流注入

图2 3PT接线方式电流注入折算至二次侧等效电路

式中:US为电流源电压,US=24 V;ZS为电流源内阻,ZS=8 Ω;ZT10为10 kV电压互感器短路阻抗,ZT10=3.2 Ω;ZXL为线路阻抗;Zjd为接地点阻抗。

10 kV线路单位长度阻抗为0.4 Ω/km,线路长度为20 km,则线路阻抗为8 Ω。接地阻抗一般为1 kΩ。将线路阻抗、接地阻抗折算至二次侧,折合因数为10 000,折合后ZXL为0.000 8 Ω,Zjd为0.1 Ω,阻抗值很小,计算时可忽略不计。

同样可以计算出6 kV系统C相接地时,实际注入电流IZ6为:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4ZXL+Zjd)=1.02 A

式中:ZT6为6 kV电压互感器短路阻抗,ZT6=3.89 Ω。

经过计算,3PT接线方式下,10 kV系统单相接地时,实际注入电流为1.15 A,6 kV系统单相接地时,实际注入电流为1.02 A。

3.2 4PT接线方式

当6 kV～10 kV系统电压互感器采用带零序电压互感器的4PT接线方式时,由于增加了一个电压互感器,使阻抗增大,因此接地时电流源内阻阻抗为8 Ω灵敏度不够。将电流源内阻阻抗增大至12 Ω,电流源的电压为36 V。

4PT接线方式下电流注入如图3所示,折算至二次侧等效电路如图4所示。

图3 4PT接线方式下电流注入

图4 4PT接线方式电流注入折算至二次侧等效电路

10 kV系统C相接地时,TY系列小电流接地选线装置实际注入电流IZ10为:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4Z010+4ZXL+Zjd)

=0.96 A

式中:Z010为零序电压互感器短路阻抗,Z010=3.2 Ω。

同样可以计算出6 kV系统C相接地时,实际注入电流IZ6为:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4Z06+4ZXL+Zjd)

=0.83 A

式中:Z06为零序电压互感器短路阻抗,Z06=3.89 Ω。

经过计算,带零序电压互感器的4PT接线方式下,10 kV系统单相接地时,实际注入电流为0.96 A,6 kV系统单相接地时,实际注入电流为0.83 A。

3.3 带一次消谐装置PT接线方式

当6 kV～10 kV系统电压互感器采用中性点带一次消谐装置的PT接线方式时,电流注入如图5所示,折算至二次侧等效电路如图6所示。

图5 带一次消谐装置PT接线方式下电流注入

图6 带一次消谐装置PT接线方式电流注入折算至二次侧等效电路

10 kV系统C相接地时,TY系列小电流接地选线装置实际注入电流IZ10为:

IZ10=US/(ZS+4ZT10+4ZXL+Zjd+ZY)

=0.9 A

式中:ZY为一次消谐装置短路阻抗。

一次消谐装置的阻抗接近阻性,为了定性说明问题,方便计算,作为感抗处理,ZY取估算值15 Ω。

同样可以计算出6 kV系统C相接地时,实际注入电流IZ6为:

IZ6=US/(ZS+4ZT6+4ZXL+Zjd+ZY)

=0.85 A

经过计算,中性点带一次消谐装置的PT接线方式下,10 kV系统单相接地时,实际注入电流为0.9 A,6 kV系统单相接地时,实际注入电流为0.85 A。

由于采用定性计算,没有考虑感性和阻性的相位,因此如果考虑实际相位关系,三种电压互感器接线方式下实际注入电流会比上述计算值大一些。

4 实际注入电流限值

目前胜利油田变电站内6 kV～10 kV电压互感器一般采用干式电压互感器,按照干式电压互感器的运行规定,当负荷电流高于1.1倍额定电流时,运行时间不得长于2 h[6-7]。6 kV～10 kV电压互感器注入电流的测量绕组容量一般为50 VA,二次侧额定电流为0.866 A,1.1倍二次侧额定电流为0.952 6 A。因此,当发生系统单相接地时,TY系列小电流接地选线装置向电压互感器二次侧的实际注入电流不宜高于0.952 6 A。

5 增大注入电流的影响

6 kV～10 kV系统发生接地,TY系列小电流接地选线装置向电压互感器二次侧注入5 A、220 Hz高频电流,计算不同电压互感器接线方式下的实际注入电流,由此分析增大注入电流的影响。

3PT接线方式下,10 kV系统单相接地,实际注入电流为1.92 A,6 kV系统单相接地,实际注入电流为1.7 A。带零序电压互感器的4PT接线方式下,10 kV系统单相接地,实际注入电流为1.6 A,6 kV系统单相接地,实际注入电流为1.39 A。中性点带一次消谐装置的PT接线方式下,10 kV系统单相接地,实际注入电流为1.5 A,6 kV系统单相接地,实际注入电流为1.4 A。

不同电压互感器接线方式下,系统单相接地时TY系列小电流接地选线装置注入电流汇总见表2。