基于配电网合环倒切接地故障分析的改进保护方案与合环条件

褚亦遥

(河南理工大学电气工程与自动化学院,河南 焦作 454003)

0 引言

城市配网电缆化率提升及变电站出线多供电半径大等因素使得系统电容电流骤增[1],消弧线圈接地系统(Neutral Resonant Grounding System,NES) 故障电弧难以自熄[2],易导致线路绝缘受损,故障恶化为相间短路、电气火灾扩大事故,对配电网进行低电阻接地改造是解决方案之一,也是电网发展的趋势[3-4]。城市配电网为包含小电阻接地和消弧线圈接地的混合接地系统,在故障、检修时不可避免地存在不同接地方式系统之间的负荷倒切需求[5]。不同接地方式系统负荷倒切时两种接地方式并存,且倒切后原有系统负荷增加[6],由于线路负荷合环倒切时间各异,对于线路故障造成的临时倒负荷,合环时间往往仅有几小时,而对于主变检修与中性点接地改造等情况,合环倒切时间往往持续数十小时甚至上百小时,在此期间发生单相接地故障将会出现小电阻接地系统(Neutral Resistance Grounding System,NRS)继电保护误动与系统故障电流增加,导致停电范围扩大;对于消弧线圈接地系统,还会额外出现消弧线圈超容量风险,不能有效补偿残流等问题[7-9]。所以,在合环倒切线路负荷之前,对合环后单相接地故障情况进行模拟,分析配电网合环倒切故障特征,计算消弧线圈容量是否充裕,分析零序保护误动的可能性,提出改进保护方案,对于提高合环后系统运行稳定性,降低二次故障带来的经济损失,保证原有接地系统稳定供电具有重要意义。

国内外对于合环倒切的研究多关注合环电流计算、合环可行性分析和合环电流调控策略等问题[10-11],对于合环倒切过程中的NRS和NES混合运行及单独接地系统多带负荷时的故障情况研究较少[12-13],文献[14]以不同接地方式合环转供电为背景,分析了消弧线圈接地侧发生单相接地故障对系统零序保护的影响,但未对小电阻接地侧发生故障进行分析;文献[15]研究了馈线末端合环的混合接地系统单相经固定阻值电阻接地故障对小电阻接地侧零序电流保护的影响,但其故障类型未考虑单相接地故障常伴随的非线性接地电弧现象,也未考虑合环点位于母线的情况;文献[16]-[17]针对在变电站改造过程中无法避免地出现多种接地方式并存的现象进行研究,分析不同接地方式并存时电网的运行和故障情况,在继电保护配置方面提出了一些改进措施,但仅仅针对合环过程中进行分析,未分析合环操作结束后发生单相接地故障的情况。

本研究对单相接地故障伴随的非线性电弧进行了理论分析,提出考虑弧长随机变化的改进Schwarz电弧模型,将其应用于NRS与NES联络运行的混合接地系统单相接地故障模型;随后对混合接地系统不同位置发生单相接地故障和合环倒切结束后多带线路与负荷的情况进行分析,总结出两种接地系统合环后,单相接地故障对NRS原有保护与NES接地残流的影响,并提出混合接地方式下的保护改进方案及合环倒切条件。

1 混合接地系统合环倒切单相接地故障模型

1.1 电弧电气特性分析及改进等效模型

1.1.1 电弧的产生机理与组成部分

接地故障会导致故障点出现对地导电通道,从而引发电弧放电。强电场发射与热电子发射促使了接地电弧的产生,而碰撞游离与热游离则维持电弧的稳定燃烧。当导线与地面未接触,存在空气间隙时,狭窄的空气间隙将产生强电场[18],阴极表面自由电子在强电场作用下被发射至空气间隙中,而阴极电子从故障点的局部高温中获得动能而逃逸[19],二者共同作用产生了单相接地故障电弧;逸出至空气间隙的电子在电场中加速,不断与空气分子碰撞电离产生自由电子,而电弧形成阶段不断从带电导体处获得能量,弧隙粒子摩擦碰撞带来的升温现象又促进了粒子的相互碰撞,使得电弧得以延续。

电弧主体可分为两端的近阴极区、近阳极区与中段的弧柱区,如图1所示。其中近阴极区与近阳极区的长度较短,一般小于2;当电弧稳定燃烧时,其电位降不受电流变化的影响,一般为低于20 V的常量。弧柱区呈圆柱形,几乎覆盖电弧全长,该区域内的气体已全部被电离,其特性与金属电阻相近。

图1 电弧主体组成部分示意图Fig.1 Schematic diagram of arc body components

1.1.2 电弧长度对电弧的影响

汤逊放电理论[20]假定自由电子动能大于气体粒子电离能时必定发生电离,且电子与气体粒子碰撞时会失去全部动能。依据该假定,可推导出汤逊第一系数的表达式,如下式所示:

(1)

式中:E为弧隙的电场强度;p为气体压力,一般取标准大气压101.325 kPa;T为气体温度,一般取20 ℃对应的热力学温度,即293 K;A与B为经验系数。

为分析电弧长度对电弧的影响,设电弧长度为l,在弧隙中任取一宽度为dx的极小区域,该区域到阴极的距离为x;单位时间内,可认为从阴极进入该区域的电子数为N;在强电场电离的作用下,电子通过该区域后,会出现增量dN,如下式所示:

dN=αNdx

(2)

不妨设阴极表面N=N0,将上式分离变量并积分可得:

N=N0eαx

(3)

阳极表面的电子数为

N′=N0eαl

(4)

将阴、阳两极表面电子数做差即可得到弧隙中新增的电子数目:

ΔN=N0eαl-N0=N0(eαl-1)

(5)

若电弧气隙能够在不受外界影响下维持放电,则正离子轰击阴极所产生的二次发射电子数最少应等于上次阴极表面发射的电子数[21],即:

βΔN=βN0(eαl-1)=N0

(6)

式中:β为汤逊第二系数。

将式(5)与式(6)联立可得:

(7)

设电弧间隙为均匀电场,有E=U/l,代入式(1)可得电弧电压U为

(8)

式中:Ub表示气隙最小击穿电压,文献[22]提供了铜电极下的经验系数,即A=0.066 8,B=1.88,β=0.025。

根据上式可绘制出最小击穿电压Ub与电弧长度l之间的关系曲线,如图2所示。

图2 最小击穿电压与电弧长度关系图Fig.2 Minimum breakdown voltage versus arc length

由图2可知,Ub与l之间的关系曲线与巴申曲线类似,均呈对勾状。当电弧长度低于0.5 cm时,最小击穿电压与电弧长度呈负相关;当电弧长度大于0.5 cm时,最小击穿电压与电弧长度呈正相关。其原因在于:较小的电弧长度下,电弧长度的增加使得气隙中粒子碰撞总次数变多,碰撞电离概率上升,有利于电弧放电;在较大的电弧长度下,电弧长度的增加使得带电粒子的复合与扩散现象占据主导位置,碰撞时能量损失增大,抑制了电弧放电[23]。

由此可见,电弧的长度对电弧的放电过程存在影响,传统的Mayr电弧模型[24]、Cassie电弧模型[25]、Schwarz电弧模型为简化计算未考虑电弧长度,而“控制论”电弧模型虽将电弧长度引入了数学模型,但假定电弧在燃烧过程中长度不变,忽略了实际单相接地故障过程中,风吹等外部环境变动会使得电弧长度受到无规律扰动这一现象。将随机变化的电弧长度作为可变参数引入电弧模型,有利于进一步准确模拟单相接地电弧的随机性。

1.1.3 考虑弧长随机变化的改进Schwarz电弧数学模型

Schwarz电弧数学模型[26]是目前配电网使用率较高的电弧模型之一,其特点在于将电弧时间常数和耗散功率表示为以电弧电导g为自变量的幂函数,更加符合实验数据,其数学表达式如下:

(9)

式中:P为耗散功率系数,τs为电弧时间系数,α、β为常数,其值由系统电压、回路电流及具体电弧环境决定,e为单位长度电弧电压;i表示电弧电流。

由于Schwarz电弧模型缺少电弧长度参数,可参考含有电弧长度参数的电弧时间常数经验公式:

(10)

式中:I为直接接地故障时的稳态短路电流,用来表示电弧电流的最大值;系数γ取经验值2.85×10-5。

将上式代入Schwarz电弧模型即可得到含有电弧长度参数的改进Schwarz电弧模型:

(11)

式中:Lg为电弧长度,Pg为改进电弧模型的耗散功率系数。

1.1.4 改进Schwarz电弧数学模型的仿真验证

利用Simulink仿真软件搭建改进Schwarz电弧数学模型,对其有效性进行验证。仿真参数如表1所示。

表1 改进Schwarz电弧数学模型参数Table 1 Improved Schwarz arc mathematical model parameter

仿真得到的电弧电压、电流与电阻波形图如图3、图4所示。

图3 电弧电压与电弧电流波形图Fig.3 Arc voltage and arc current waveforms

图4 电弧电阻波形图Fig.4 Arc resistance waveform

由仿真波形图可知,改进的Schwarz电弧模型能够反应电弧电压“马鞍形”畸变、电弧电流“零休”特性以及电弧电阻熄弧“高阻”、燃弧“低阻”的特性。

为进一步说明引进电弧长度的改进Schwarz电弧模型相较于传统电弧模型的优越性,对传统的Mayr电弧模型、Schwarz电弧模型与改进电弧模型在同一条件下进行仿真,对3种模型的电弧电阻波形与“零休”点附近的电流畸变程度进行比较,仿真结果如图5、6所示。

图5 三种电弧模型的电弧电阻对比图Fig.5 Comparison of arc resistance for three arc models

由图6可见, Mayr电弧模型、Schwarz电弧模型的电弧电阻峰值均不变,而改进的Schwarz电弧模型每次熄弧时所对应的电弧电阻峰值均不同,能够较好地表现电弧的随机性变化;除此之外,改进的Schwarz电弧模型在电流“零休”点附近畸变程度最明显,优于其它电弧模型。

图6 三种电弧模型电弧电流对比图Fig.6 Comparison of arc currents for three arc models

1.2 混合接地系统模型

本研究在Simulink中建立混合接地系统,其仿真示意图如图7所示。

图7 混合接地系统仿真示意图Fig.7 Simulation diagram of hybrid grounding system

混合接地系统由左侧的NRS与右侧的NES组成,二者通过中间的合环联络线路连接。由于故障点越靠近线路末端,短路阻抗越大,对应故障电流越小[27],继电保护越不容易动作。位于馈线的故障均设定为线路末端,以分析在故障电流最小的情况下继电保护是否会误动,假如该情况下可能会误动,则其他故障位置也一定会引起保护误动。此外每个接地系统带有4条馈线,其中线路1、2、4为电缆线路,长度分别为20 km、4 km和10 km,线路3为电缆线路与架空线路的混合线路,其中电缆线路长度为10 km,架空线路长度为10 km。线路阻抗参数如表2所示。

表2 线路阻抗参数Table 2 Line impedance parameter

NRS侧各条馈线负荷参数如表3所示。

表3 小电阻接地系统馈线负荷参数Table 3 Side feeder load parameters of small resistance grounding system

NES侧各条馈线负荷参数如表4所示。

表4 消弧线圈接地系统馈线负荷参数Table 4 Load parameters of side feeders of arc suppression coil grounding system

在混合接地系统中,NRS侧中性点电阻设定为10 Ω;NES侧以随调式消弧线圈为例,系统正常运行时通常为过补偿系统,在故障时消弧线圈快速调谐为全补偿状态,其产生的电感电流应等于电容电流,从而使得残流被完全抵消。当NES单独运行时,系统的总对地电容电流为72.81 A,则所需要的消弧线圈容量如下式所示:

Q=KICUφ

(12)

式中:Q为消弧线圈容量;K为远景规划系数,一般取1.35;IC为系统总电容电流;φ为系统额定相电压。

经计算,72.81 A的电容电流所需要的消弧线圈容量为595.855 kVA。考虑一定裕度与实际制造标准,可选择容量630 kVA的消弧线圈。

当消弧线圈运行于全补偿状态时,所需电感电流为72.81 A。根据下式计算可得消弧线圈的电感值。

(13)

式中:为消弧线圈的电感电流;U为消弧线圈电压;ω为系统角频率;L为消弧线圈电感值。

经计算,电感值应设定为0.265 H。在仿真过程中,单相接地故障类型设定为电弧接地,过渡电阻为10 Ω,故障相为A相。故障点分别设置为小电阻侧非合环线路、消弧线圈侧非合环线路和合环线路。通过设定仿真监测点,检测故障线路零序电流、非故障线路零序电流、中性点电流、故障点电流、联络线路零序电流等参数,对混合接地系统的故障特征进行分析,以判断故障对原有保护与接地残流的影响。

2 合环倒切操作过程中单相接地故障分析

为探究NES与NRS系统互联的混合接地系统单相接地故障对原有保护的影响,本章分别建立单独接地系统与混合接地系统的仿真模型,对比二者单相接地故障的故障特征,依据零序电流、残流等关键电气量对原有保护进行调整。

2.1 小电阻侧发生单相接地故障仿真分析

2.1.1 合环倒切前发生故障

合环倒切前,故障点1发生单相接地故障时,NRS中会出现零序电流分量,所以有必要首先对出线零序电流保护装置进行动作值整定。

目前配电网常用的零序电流互感器大多令三相线路同时穿过铁芯,以此来监测三相电流矢量和,提取的信号为三倍零序电流。假设A相发生单相接地故障,非故障线路的三倍零序电流为非接地相(B、C)对地电容电流之和[28]。若该电流值大于零序保护整定值,则会引起非故障线路保护误动作,扩大停电范围。

根据线路阻抗参数表计算得知,单相接地故障时非故障相单位长度的对地电容电流之和为1.65 A,通常情况下,市内变电站一条出线所带的电缆总长度不会超过25 km,计算得到电容电流最大值为41.25 A,所以单条出线上零序保护整定值应大于该值,考虑一定裕度,本研究取60 A。

合环倒切前,合环开关未闭合,小电阻接地方式单独运行,设置线路4发生10 Ω单相弧光接地故障,故障持续时间100 ms,故障位置如图8所示。

图8 合环前小电阻侧单相接地故障示意图Fig.8 Schematic diagram of single-phase grounding fault on the small resistance side before closing the loop

仿真波形与结果如图9和表5所示。

由图9和表5可知,NRS单独运行发生单相接地故障时,故障线路的零序电流有效值为85.84 A,流过电流互感器的三倍零序电流达到了257.52 A,超过了零序电流保护的整定值60 A,此时继电器动作,切除故障线路。非故障线路三倍零序电流有效值仅为8.61 A,小于继电保护整定值,零序保护不会误动。

2.1.2 合环倒切过程中发生故障

合环开关闭合后,NES与NRS混合运行,同样设置线路4发生10 Ω单相弧光接地故障,其故障示意图如图10所示。

图10 混合接地系统小电阻侧故障示意图Fig.10 Schematic diagram of faults on the small resistance side of a hybrid grounding system

设故障持续时间100 ms,仿真波形与结果如图11和表6所示:

表6 各仿真监测点电流的有效值Table 6 RMS value of current at each simulation monitoring point A

图11 混合接地系统小电阻侧单相接地故障仿真波形图Fig.11 Simulation waveform of single-phase grounding fault on the small resistance side of hybrid grounding system

将表6和图11与NRS单独运行时的仿真结果作对比,可以得出以下结论:

1)其中性点电流、故障线路零序电流相较于小电阻单独接地系统变化较小,其中故障线路零序电流由85.84 A增加至87.33 A,其三倍零序电流仍然高于整定值,保护依旧可以动作。由此可以发现,合环倒切过程中,当NRS侧发生单相接地故障时,原有零序电流保护装置仍能正常工作。

2)另一侧的NES中性点出现了20 A左右的电流,但NES可以带故障运行2 h,NRS零序保护在发生故障后会立即动作切除故障线路,消弧线圈中性点的电流出现较短时间增大后又恢复正常,所以不会对消弧线圈侧线路造成较大影响。

3)由图4可知,联络线路上的零序电流进入稳态后小于1A,该故障情况对于联络线的运行也不会造成较大影响。

2.2 消弧线圈侧发生单相接地故障仿真分析

2.2.1 合环倒切前发生故障

合环倒切前,合环开关未闭合,NES系统单独运行,设置消弧线圈侧故障点2发生10 Ω单相弧光接地故障,其故障示意图如图12所示。

图12 合环前消弧线圈侧单相接地故障示意图Fig.12 Schematic diagram of single-phase grounding fault on the coil side before closing the loop

仿真波形与结果如图13和表7所示。

表7 各仿真监测点稳态电流有效值Table 7 RMS value of steady state current at each simulation monitoring point A

图13 消弧线圈接地系统单相接地故障仿真波形图Fig.13 Simulation waveform of single-phase grounding fault in arc suppression coil grounding system

仿真结果可知,全补偿的NES单独运行发生单相接地故障时,接地残流稳态有效值已不足1 A,达到了消弧线圈的补偿效果,可以带故障运行两小时,确保了对负荷的电力供应。

2.2.2 合环倒切过程中发生故障

合环开关闭合后,设置消弧线圈侧故障点2发生10 Ω单相弧光接地故障,其故障示意图如图14所示:

图14 混合接地系统消弧线圈侧单相接地故障示意图Fig.14 Schematic diagram of single-phase grounding fault on the arc suppression coil side of a hybrid grounding system

设故障持续时间100 ms,仿真波形与结果如图15和表8所示:

图15 混合接地系统消弧线圈侧单相接地故障仿真波形图Fig.15 Simulation waveform of single-phase grounding fault on the side of arc suppression coil in hybrid grounding system

将图15和表8与NES单独运行接地故障时的仿真结果作对比,可以得出以下结论:

1)相较于NES单独运行,混合接地系统系统总电容电流大大增加,当线路8发生单相接地故障时,故障点的电流比单独运行时出现了较大上升,达到了256.40 A,原有消弧线圈难以补偿。按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准[29]中的规定:60 kV以下配电系统在发生故障时,其残余电流不应大于10 A,当残余电流超过10 A时可能存在接地电弧重燃,引发弧光接地过电压,危及电网安全运行[30]。

2)此时接地点故障电流、故障线路零序电流的有效值与单独NRS发生单相接地故障时相近,其原因在于消弧线圈仅能补偿故障电流中消弧线圈系统对应电容电流,剩余的残流为NRS的电容电流。

3)若NES侧的选线装置出现误选、漏选情况,小电阻侧中性点电流将长时间超过接地变压器保护的整定值,导致其中性点被切除,系统转为不接地系统与NES的混合接地系统。

2.3 联络线路单相接地故障仿真分析

合环开关闭合后,设置联络线路上故障点3发生10 Ω单相弧光接地故障,其故障示意图如图16所示:

图16 联络线路单相接地故障位置示意图Fig.16 Schematic diagram of single-phase grounding fault location in the connecting line

设故障持续时间100 ms,仿真波形与结果如图17和表9所示。

表9 混合接地系统联络线路单相接地故障各线路稳态电流有效值Table 9 Effective value of steady-state current of each line for single-phase grounding fault in hybrid grounding system connecting lines A

图17 混合接地系统联络线路单相接地故障仿真波形图Fig.17 Simulation waveform of single-phase grounding fault of contact line in hybrid grounding system

对仿真结果进行分析可得:

1)由故障示意图可知,联络线路上发生单相接地故障相当于两侧的接地系统同时发生了母线接地故障,导致主变压器零序保护动作,故障范围扩大。

2)当主变压器零序保护拒动时,小电阻接地系统过大的中性点电流将导致接地变压器保护动作,中性点被切除;较大消弧线圈侧中性点电流使得选线装置启动,由于联络线路属于临时接入系统的线路,难以与消弧线圈侧的选线系统及时配合,导致故障点切除速度慢,且容易出现漏选线情况。

3)由于故障点更接近电源,其故障电流经消弧线圈补偿之后远高于规定的合理阈值,若接地电弧长时间无法消除,则需要快速结束合环状态,恢复为单端供电,防止故障继续蔓延。

3 保护方案与合环条件改进

3.1 保护方案改进

根据上一章的仿真分析可知,混合接地系统发生单相接地故障时,依据故障位置的不同,两侧的接地系统的故障特征会产生不同程度变化,可能会导致原有的保护措施不再适用。充分考虑混合接地过程中的故障情况,完善原有保护方案,做到故障时迅速处理,防止故障蔓延,对于混合接地系统的安全稳定运行具有重要意义。

1)当混合接地系统小电阻侧发生单相接地故障时,其中性点电流、故障线路零序电流相较于小电阻单独接地系统变化较小,原先在出线线路上安装的零序电流保护可快速准确地切除故障线路,仍然有效。此时NES中性点电流升高,但NES可以带故障运行1～2 h,且小电阻侧可以快速切除故障线路,恢复正常运行。

2)当混合接地系统消弧线圈侧发生单相接地故障时,其接地故障电流难以被消弧线圈补偿至规定值以下,所以在合环之前要提前对混合接地系统的电容电流进行计算,对预调式消弧线圈事先做好调谐,对随调式消弧线圈要提前检查容量与档位,对于容量不足的要及时扩容,对于难以熄弧的,要及时切除故障馈线或结束合环状态,防止事故扩大;

3)由于消弧线圈馈线上未安装零序电流保护,其在误选线的情况下会导致NRS中性点也出现较大的电流,造成接地变压器保护误动,小电阻中性点被切除;为防止这一情况,可将NRS侧的合环点由母线调整到馈线首端(如图18所示),令倒切线路与NRS的馈线共用一套零序电流保护,以便快速切除故障。

图18 合环点调整后的负荷倒切示意图Fig.18 Diagram of load backcutting after adjusting the closing point

4)联络线路上发生的单相接地故障会导致两侧接地系统同时发生母线接地,情况最为严重;为避免这一情况,可在联络开关靠近NES系统一侧装设零序电流保护,将联络线路靠近的NRS馈线零序电流保护兼用作联络线路在NRS一侧的零序电流保护,以便检测到接地故障时及时切断联络开关结束合环,防止故障范围扩大。

3.2 合环倒切条件改进

3.2.1 考虑系统正常运行时的倒切条件

当额外接入系统的负荷过多时,会导致系统总负荷量超过母线110 kV/10.5 kV变压器的容量,造成变压器过载。长时间过载运行状态下,变压器温度升高,绝缘寿命降低,较大的负荷电流会在变压器绕组上产生较大压降,降低输出电压[31]。

所以,倒切进小电阻或消弧线圈接地系统的负荷量S2需满足以下公式:

S2≤S0-S1

(14)

式中:S0为110 kV/10.5 kV变压器的额定容量;S1为原有接地系统所带的负荷量。

3.2.2 考虑单相接地故障时的倒切条件

1)向小电阻接地系统倒切负荷的合环条件

以图19为例,设线路1与消弧线圈侧倒切线路共用一套零序电流保护装置,若此时线路4发生单相接地故障,则非故障线路1流过零序保护装置的电流为原有线路与倒切线路的非故障相电容电流之和,该值超过线路1零序电流保护整定值会引起保护误动作,会造成倒切线路与线路1同时停电,则向小电阻系统倒切线路的边界条件可由下式表示:

图19 小电阻接地系统多带负荷运行示意图Fig.19 Schematic diagram of multi-carrying line operation of small resistance grounding system

(15)

式中:I01为原有线路1的零序电流I原与倒切线路的零序电流I倒之和;Iset为NRS原有馈线的零序电流保护整定值。

由于非故障相电容电流的增加取决于倒切线路的长度l,因此,本研究考虑合环倒切操作结束时发生单相接地故障的情况,计算在不引起非故障线路零序电流保护误动的情况下,能够向NRS倒切线路的总长度。

以本研究前述的仿真参数为例,线路1零序电流保护整定值为60 A,单位长度非故障相电容电流之和为1.65 A,故最大倒切进NRS的线路总长l可由下式计算得出:

(16)

式中:IP为单位长度非故障相电容电流之和;l原为线路1原长。

经计算可得l=16.36 km。

为验证该倒切条件的合理性,设定倒切后线路4发生单相接地故障,故障时间持续100 ms,非故障线路1上的三倍零序电流波形图如图20所示。

图20 非故障线路1三倍零序电流波形图Fig.20 Non-fault line 1 triple zero sequence current waveform diagram

由仿真结果可知,倒切后非故障线路1三倍零序电流有效值为59.88 A,与零序保护整定值60 A的误差仅为0.2%,故可以认为本研究提出的最大线路长度倒切条件合理。

2)向消弧线圈接地系统倒切负荷时合环条件

合环倒切结束后,混合接地系统恢复为单独接地系统,此时相当于原先NES多带原本属于NRS的线路,如图21所示。

图21 消弧线圈接地系统多带线路运行示意图Fig.21 Schematic diagram of multi-carrying line operation of arcing coil grounding system

通过合环倒切接入NES的线路会使系统总电容电流上升,当发生单相接地故障时,原有消弧线圈可能由过补偿变为欠补偿,部分容量不足的消弧线圈将长期工作于最大档位,无法补偿额外的故障电流。

为保证接地故障电流能被及时补偿至规定的10 A以下,则向NES倒切负荷需满足以下条件:

Imax-IC1-IC2≤IQ

(17)

式中:Imax为原有消弧线圈系统能够补偿的最大电容电流;IC1为原有NES的电容电流;IC2为倒切进消弧线圈系统的电容电流;IQ为规定的残流最大值,一般为10 A。

以本研究的NES系统参数为例,原有NES接地系统的消弧线圈容量为630 kVA,当其工作于最大档位时,对应电感值Lm可按下式计算:

(18)

式中:U为相电压;Q为消弧线圈容量。

经计算,此时消弧线圈电感值为0.186 H,可补偿的电容电流为103.93 A,则最大倒切长度l′如下式所示:

(19)

若以本研究馈线参数作参考,可计算出最大倒切线路长度为25.04 km。

为验证该合环条件的合理性,设定将原NRS系统总长为25.04 km的电缆线路接入NES系统,馈线末端发生金属性单相接地故障,故障持续100 ms,观察故障点的电流是否被补偿至规定值10 A,仿真波形图如图22所示。

图22 接地故障点电流波形图Fig.22 Ground fault current waveform

由上图可知,在最大倒切线路长度的情况下,接地故障点的电流有效值为10.42 A,与规定的理论值10 A误差为4.2%,误差低于5%,可认为本研究所提出的合环倒切条件合理。

4 结论

本研究以10 kV变电站不同接地系统负荷倒切为背景,结合改进的Schwarz电弧模型,分别对NES与NRS系统单独运行、NES与NRS共存的合环联络运行进行仿真,比较不同故障位置对混合接地系统接地点故障电流、故障线路零序电流、非故障线路零序电流、中性点电流、联络线路零序电流等关键电气量的变化,分析混合接地系统发生单相接地故障对NES与NRS系统原有零序电流保护的影响,并提出了线路倒切的边界条件,得出以下结论:

1)混合接地系统小电阻侧发生单相接地故障时,原先在NRS侧安装的零序电流保护仍然有效,可快速准确切除故障线路;混合接地系统消弧线圈侧发生单相接地故障时,接地故障点电流大大提升,原有消弧线圈难以完全补偿,导致残余电流高于规定值10 A,引发弧光接地过电压、电气火灾等危险工况。为增强联络运行可靠性,可在合环之前提前检查消弧线圈容量,计算倒切后系统电容电流,对于容量不足的可进行扩容处理或限制接入系统的线路长度;

2)混合接地系统联络线路发生单相接地故障时,相当于NRS与NES系统同时出现母线接地故障,此时要及时断开联络线路,停止倒负荷操作。为防止故障范围扩大,可在联络线路上加装零序电流保护,以保证在联络线路接地时及时切断;由于消弧线圈馈线上未安装零序电流保护,为及时切除消弧线圈故障馈线,可将联络线路位于NRS系统的连接点由母线改为馈线首端,令倒切线路与NRS馈线共用零序电流保护,与NES选线系统配合使用,保障故障线路及时切除;

3)进行负荷倒切之前,工作人员可参照本研究提出的公式快速计算出允许倒切的最大线路长度与负荷,做出合环可行性判断,其对应判据为:正常运行时,原有负荷与倒切负荷须不高于主变容量;发生单相接地故障时,需保证NRS系统非故障线路零序电流保护不误动,NES系统接地故障电流不高于规定值10 A。