变电站站用交流电源典型配置及剩余电流保护问题研究

刘 炬，廖 玄，罗皓文，杨 旭，徐 达

(1.国网荆门供电公司，湖北 荆门 448000；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

变电站站用交流电源的安全可靠运行是变电站内各种电力设备稳定运行的基本保障[-2]。若站用交流电源系统失压，不仅会对变电站内各种设备和系统的运行安全造成极大影响，还可能导致越级跳闸、大面积停电等严重后果[3]。

随着电网建设的高速发展及变电站综合自动化程度的提高，站用交流电源系统在系统构成、运行设计上都发生了巨大的变化。针对220 kV变电站站用交流电源系统的配置及其安全可靠运行问题，文献[3]对站用交流电源系统的配置、运行方式及管理措施的实施情况进行了分析探讨，文献[4]和文献[5]基于站用交流电源系统的运行现状，提出站用交流电源系统改造实施要点及注意事项。文献[6]针对传统站用电存在的问题阐述了变电站站用交直流一体化电源的技术特点及设计方案，并结合实际应用论述了一体化电源的优越性。文献[7]针对湖北电网变电站站用交直流电源系统重点研究了隐患排查的内容和依据，提出了站用交直流电源系统隐患整改的措施和建议。文献[8]针对变电站站用交流电源自身特点及现存的问题，对站用交流电源接地方式及剩余电流测量方式展开研究。

以上关于变电站站用交流电源的研究主要集中在2个方面，一是站用交流电源的系统配置和改造方法研究，二是站用交流电源的隐患分析和对策研究。但这些文献都是基于变电站内现有站用交流电源系统进行分析，并没有结合其发展历程对其系统性展开深入研究，也没有结合站用交流电源系统相关标准规范对特定情况下的隐患针对性地提出解决措施，无法指导运检部门及时开展针对性的检修及除缺工作。本文对此进行了相关研究，并提出具体建议。

1 站用交流电源系统概况

1.1 站用交流电源系统供电范围

站用交流电源系统为变电站全站交直流负荷提供电源，主要包括站用交流电源、站用直流电源、站用不间断电源和通信电源4部分。站用交流电源系统主要供给以下负荷：微机监测、监控系统，火灾监测、泡沫喷淋系统，保护屏内打印机、照明负荷，系统调度通信系统，站区照明、动力箱、检修箱，主变风冷系统，充电机，不间断电源，端子箱内加热器负荷，断路器、隔离开关分合闸操作负荷等。

1.2 站用交流电源系统接线方式

220 kV变电站站用交流电源系统多采用非典型TN-S系统接线方式，即零线仅在站变低压侧中性点或站变交流进线屏处直接接地，用电设备外壳直接与接地网连接，如图1所示。

图1 非典型TN-S系统

1.3 站用交流电源系统接地现状及存在的问题

在站用交流电源系统接线方式为非典型TN-S系统时，当站用交流电源系统N线重复接地，地网中会流过一定的不平衡电流，导致以下问题：①该电流以大地为通路返回电源，可能腐蚀地网、地下钢筋或金属管道等金属部分；②该电流将产生杂散电磁场，可能干扰信息技术设备的正常工作；③该电流可使电气装置内的剩余电流火灾报警器拒动或误动。

2 站用交流电源系统发展历程

2.1 传统配置的站用交流电源系统

传统配置的站用交流电源系统如图2所示，其中站用交流电源、站用直流电源、站用不间断电源和通信电源一般采用相互独立分散设置的方式，设备由不同的供应商提供，且分属不同的部门管理。

图2 传统配置的站用交流电源系统

传统配置的站用交流电源系统存在以下问题。

a.功能重复配置，一次性投资大。直流电源、通信电源、UPS电源分别配置一套蓄电池，浪费严重，各屏柜外存在大量二次接线，设计和生产的成本高、工作量大、周期长，交直流系统分离，无统一信号接口，需各自配备监控装置。

b.长期维护成本高，难度大。每套系统需要各自对应的专业人员维护，协调困难，效率低下，柜间二次连线过多，增加维修成本。

c.管理分散，可靠性不高。由不同供应商提供的交直流控制电源产品没有统一的接口规范和监控设备，使系统数据不能共享，难以实现对整个交直流控制电源设备的系统分析维护和一体化信息管理。

2.2 一体化配置的站用交流电源系统

目前，变电站站用交流电源基本采用一体化电源设备。一体化电源设备是指将直流电源、电力用交流不间断电源(UPS)和电力用逆变电源(INV)、通信用直流变换电源(DC/DC)等装置组合为一体，共享直流电源的蓄电池组，并统一监控的成套设备，如图3所示。

图3 一体化配置的站用交流电源系统

一体化配置的站用交流电源系统采用分散控制系统，模块化结构，组屏简单，配置灵活，统一化管理，冗余备份方式，极大提高了系统的可靠性，特点如下。

a.电力电源网络化、智能化、一体化程度更高。建立了统一站用电源管理平台，解决了站用电源信息共享问题，采用IEC61850实现了与变电站自动化系统的接口。

b.电力电源更加安全可靠。“UPS蓄电池+操作蓄电池组+通信蓄电池组”合并一体配置，减少了蓄电池组配置组数，简化基建设计，同时解决UPS电池和通信蓄电池的日常维护和管理问题。

c.提高电力电源管理水平。一体化电源便于集中管理全站电源系统，提供电源的整体管理水平，将交流电源、通信电源、UPS、应急照明等纳入变电的巡检范围，便于对信息进行综合分析，及时发现事故隐患，且利于维护，降低了设备维护运行成本。

3 站用交流电源系统剩余电流保护

3.1 剩余电流保护的意义

电气火灾分为2种：一是金属短路引起的火灾，二是绝缘损坏爬电电弧引起的火灾。第一种情况可通过短路保护防护，第二种情况由于电弧电阻的存在，电弧故障电流较小，无法通过短路保护防护。国家标准GB 50054—2019《低压配电设计规范》推荐采用剩余电流装置进行电气火灾防护。工业及民用建筑领域采用的告警装置也多采用剩余电流监测装置。

3.2 剩余电流保护的原理

剩余电流保护原理如图4所示，图中IA、IB、IC为流过用电设备的三相相电流，IN为中性线电流，IG为用电设备流向大地的电流。根据基尔霍夫电流定律，流入任意封闭面的电流有效值的相量之和等于零，则有IA+IB+IC-IN-IG=0，整理得IG=IA+IB+IC-IN。正常情况下，三相电流的矢量和与N线上流过的电流大小相等、方向相反，相互抵消，此时用电设备流向大地的电流IG为零；如果线路绝缘发生劣化或其他原因导致电力设备产生对地电流，则通过测量IA、IB、IC、IN的值，可计算出剩余电流IG的大小，从而正确反映出低压配电线路及电气设备中电流的泄漏情况。传统意义上的剩余电流保护是用于人身安全的，定值一般在30 mA，作用于开关跳闸；防范电气火灾的定值要大得多，国际要求300 mA，且仅作用于告警。

图4 剩余电流保护原理图

3.3 剩余电流保护的问题

变电站利用剩余电流监测电缆绝缘情况存在2方面的问题，一是现有国标、行标关于N线重复接地问题要求不一致。二是现有标准对双电源装置共N问题没有明确规定。

关于N线重复接地问题，华北设计院按GB/T 50065标准执行，全站PEN线或N线只在总配电屏上一点接地，后面不再重复接地，PE线做重复接地。而西南、华东设计院按DL/T 5155标准执行，PEN线在后端分出N线和PE线，在分开点N线和PE线也连在一起重复接地。

关于双电源装置共N问题，国内目前没有明确规程规定双电源是否应该共N或是N线随电源同时切断。但IEC 60364-5-53《建筑物电气装置标准 第5部分：电气设备的选择和安装，第53章：开关设备和控制设备》第536.5.1条规定：“装置的每个部分都应独立设置功能开关电器，功能开关电器不必控制回路中的所有带电导体，单极开关电器不应安装在中性导体上，除非因操作控制电器(如传感器、灯具控制装置、调光器、遥控开关等)所必要，其线导体不能切断”。此外，文献[9]中明确3极或4极开关的采用，应避免在中性线上出现不期望电流，“应使中性线电流只能沿本回路途径返回正常供电电源”。因此对于变电站的情况双电源装置应采用4极切换装置。

4 站用交流电源系统断路器安装型式

考虑到目前变电站站用交流电源系统接线方式都为非典型TN-S系统，即站用交流电源系统仅在站变低压侧中性点处或交流进线屏处接地，以此为基础对4P断路器或切换装置安装进行可行性分析。

4.1 单电源回路改造分析

变电站内站用交流大多数是单电源回路，如设备区检修箱电源、路灯电源等，当单电源回路N线有重复接地时，应将重复接地点拆除以解决站用交流电源系统N线重复接地时出现的问题。但应注意，三相电机总空气断路器不能带漏电保护，因为三相电机的信号灯、控制回路等是用两相电或单相电，三相电流不平衡，任何时候都可能达到漏电跳闸电流，造成漏电保护装置误判跳闸，降低运行的可靠性，故此类回路应装设3P空气断路器或不带漏电保护功能的4P空气断路器。

4.2 双电源共零回路改造分析

当双电源回路N线重复接地时，应将重复接地点拆除以解决站用交流电源系统N线重复接地时出现的问题。此外，双电源共零回路在单点接地的情况下，其下级断路器或电源转换开关应采用4P空气断路器或4P电源转换开关。下级电源转换开关为3P空气断路器时，主供电源的三相不平衡电流将存在分流，导致测试所得电流值不能真实反映该馈出线的实际剩余电流，此时零线分流原理如图5(a)所示。改造后的原理图如图5(b)所示，此时主供电源的三相不平衡电流只从自身零线流回，不存在分流现象。

(a)改造前双电源3P共零切换回路

4.3 安装4P断路器或切换装置利弊及注意事项

4.3.1 安装4P断路器或切换装置的好处

要使变电站站用交流电源系统剩余电流保护有效，必须确保以下2点：①N线没有重复接地；②将双电源共零回路的3P断路器或切换装置改为4P断路器或切换装置以保证供电电源仅从自身N线流回。以上2个目的强调的是同一点，即“应避免工作电流流过不期望的路径”，而这正是之后在变电站站用交流电源系统安装剩余电流监测(保护)系统的前提条件。

以此为基础，可知4P断路器或切换装置在双电源共零回路中的正确安装的重要性——避免N线上出现不期望电流，使N线电流沿本回路途径返回正常供电电源。因此，得出结论正确合适地安装4P断路器或切换装置对今后安装剩余电流监测(保护)系统是极其必要的。

4.3.2 安装4P断路器或切换装置的弊端

在双电源回路中采用4P断路器或切换装置切断本侧电源回路N线，可保证N线电流沿本回路途径返回正常供电电源。但由于在N线上增加了一对活动连接点和上下2个进出线端子的固定连接点，增大了断零的风险。此外，4P开关产品在标准上有如下要求：在断开时先断3个相线触头，后断开N线触头，在合上时应先合上N线触头，后合上3个相线触头，以避免操作瞬间断零。

4.3.3 安装4P断路器或切换装置时的注意事项

综上所述，建议仅在双电源回路更换4P断路器或切换装置，这样既可保证N线电流沿本回路途径返回正常供电电源，也在某种程度上尽量少在回路中串入了开关和触头，减少了断零风险。

变电站内双电源共零回路大致有主变风冷电源、设备区配电装置电源、交流综合柜电源等。双电源共零回路中安装4P断路器或切换装置时应注意：尽量在一次设备停电检修时更换4P断路器或切换装置，从而不影响一次设备的正常运行；可通过在不停电时切换供电电源来安装未供电电源回路4P断路器或切换装置，此时应断开馈线屏处未供电电源侧断路器，且对于双电源共零点压接在一处的情况，在解开未供电电源回路的N线时，应注意勿使供电电源回路的N线出现断零；新安装的双电源共零回路应在初始安装时一次性安装4P断路器或切换装置。

5 结语

本文针对变电站站用交流电源发展历程及存在问题展开如下研究：将变电站站用交流电源系统分为站用交流电源、站用直流电源、站用不间断电源和通信电源4部分，总结归纳了站用交流电源系统供电范围；系统阐述了站用交流电源系统在非典型TN-S系统接线方式下存在的问题，并就传统配置和一体化配置的站用交流电源系统的优缺点进行比对；针对站用交流电源系统剩余电流保护的问题，结合国内外相关标准规范分别对站用交流系统的单电源供电方式和双电源供电方式下低压断路器的安装型式展开研究，并提出具体建议，以供参考。