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配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施

配电网通过合环的方式转移负荷、改变运行方式,这是保障用户供电可靠性、提高配电网经济运行的通行方法。当系统发生单相接地故障时,通过合环的方式实现不停电转移负荷,切除故障线路,从而保障供电可靠性。

本文对薛家湾地区电网内的2次电缆线路单相接地、发展为相间短路、相应保护动作跳闸的事件进行了详细分析,并提出了治理措施。

35kV特海线、特巴线、海巴Ⅱ回线构成对特弘电厂、巴汉图35kV变电站、海子塔110kV变电站环状供电网络,如图1所示。其中35kV特海线和特巴线为特弘电厂的上网联络线,35kV特巴线和海巴Ⅱ回线为巴汉图35kV变电站的电源线路。海子塔110kV变电站主变35kV侧中性点经消弧线圈接地。

正常时系统以“闭环接线,开环运行”的方式工作。当系统发生单相接地故障时,通过合环的方式实现不停电转移负荷,切除故障线路,从而保障供电可靠性。

配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施
图1  环状供电网络图

1  故障简况

2017年11月28日09:50海子塔110kV变电站35kV母线B相金属性接地,判断为352特海线接地故障。09:58通过合上巴汉图35kV变电站母联312断路器实现合环,以便在巴汉图35kV变电站不停电的情况下停运352特海线。10:02,特弘电厂351特海线相间距离Ⅰ段保护动作,352特巴线过流Ⅱ段保护动作,开关均跳闸,特弘电厂解网。经检查,35kV特海线、特巴线电力电缆终端头炸裂。

2017年12月2日03:30海子塔110kV变电站35kV母线C相金属性接地,判断为352特海线接地故障,再次通过合环的方式停运故障线路。03:35合上巴汉图35kV变电站母联312断路器。03:36海子塔110kV变电站352特海线相间距离Ⅰ段保护动作,351海宁线过流Ⅰ段保护动作,开关均跳闸。经检查,35kV特海线、海宁线电力电缆终端头炸裂。

2  故障分析

两次故障情况极为相似,均是由电缆线路单相接地发展为相间短路的,同时均有另外一条线路因电力电缆终端头故障造成相间短路,相应保护均动作跳闸。故障情况见表1。考虑到海子塔110kV变电站主变35kV侧经消弧线圈接地,线路单相接地时的容性电流可以得到补偿,弧光过电压水平应能限制在安全范围内,不致引发其他电缆故障。

两次故障的另一个共同点是均在线路单相接地时进行了合环操作。为了保障相关用户的供电可靠性和提高配电网运行的经济性,配电网经常通过合环的方式转移负荷和改变运行方式,但一般均在正常运行方式下进行。
 
配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施
表1  故障情况表

海子塔110kV变电站的消弧线圈采用的是上海思源电气股份有限公司型号为XDZ1-965/35产品,具体参数见表2,容量为965kVA,自动调谐运行。消弧线圈运行档位、接法及电容电流参数见表3。通过对海子塔110kV变电站的消弧线圈进行检查发现,正常运行方式下分接头档位运行在13档,电容电流为38.61A,脱谐度为3.596%,中性点位移电压为0.158kV。

配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施
表2  海子塔110kV变电站消弧线圈铭牌参数

配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施
表3  消弧线圈运行档位、接法及电容电流参数

通过和铭牌参数对比发现,消弧线圈的最高档位为14档,最大可补偿电容电流为43A。

3  计算分析(略)

消弧线圈接地系统合环的等效电路图如图2所示。

配电网单相接地时合环引发的消弧线圈串联谐振过电压事件的分析和治理措施
图2  消弧线圈接地系统合环的等值电路图

通常情况下,三相导线对地都不是完全对称布置的,各相对地电容并不相等,即h0不等于0。在系统正常运行时,中性点电压不等于0,也会有一定的偏移,这是在允许范围之内的。在系统进行合环操作时,随着线路长度的增加,电容量会增大,从而导致线路容抗的增加。

如图2所示,如果开关K闭合,系统容抗将会增加,这时3C0=C1+C2+C3。3C0值的增大将会使式中消弧线圈的脱谐度 值接近于0,中性点的位移电压将增大,同时消弧线圈均投入接地告警的整定值。在中性点位移电压UN超过系统整定值后,若判断为接地故障,则消弧线圈会补偿电容电流,进而会发生线性谐振。

4  实验验证

为验证上述分析,2017年12月7日对系统合环时消弧线圈的工作状况进行了实验验证。从系统安全运行的角度出发,合环是在系统正常运行的情况下进行的,并未模拟系统接地运行工况。合环前,系统为正常运行方式,合环点仍选择在巴汉图35kV变电站母联312断路器。合环后,消弧线圈档位从13自动调整到14,即在最高档运行进行补偿,相当于最不利的全补偿状态,随即构成串联谐振条件。系统发生串联谐振时的过电压水平较高,对电缆等绝缘材料运行极为不利,极易引发绝缘故障。

5  治理措施

1)改变故障处理方式。通过其他方法隔离故障线路,避免在系统发生单相接地时进行合环操作。

2)调整系统运行方式。将海子塔110kV变电站的部分线路改由其他变电站接带(35kV海力线改由长胜220kV变电站35kV长力线主供),从而降低海子塔110kV变电站35kV系统的电容电流。

3)改善电网结构。新建海子塔110kV变电站2号主变和35kV二段母线竣工后,将35kV海巴Ⅱ回线和35kV特海线分别由不同母线接带,同时海子塔110kV变电站主变35kV侧分列运行。

4)改造现有线路。根据实际情况将现有线路的部分区段由电力电缆改造为架空,提高绝缘裕度降低电容电流。

5)将海子塔110kV变电站的消弧线圈更换为大容量的消弧线圈。

6)规范电力电缆的运行管理,全面彻底的开展巡视检查。按《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的要求每3~5年进行一次预试,及时全面消除设备缺陷和运行隐患。

结论
系统发生单相接地时的合环操作是引起系统串联谐振的直接原因;串联谐振过电压是造成电缆终端头绝缘损坏的主要原因。

本文通过对薛家湾地区电网内海子塔110kV变电站两起35kV电缆线路单相接地发展为相间短路,同时均有另外一条线路因电力电缆终端头故障造成相间短路,相应保护均动作跳闸的故障进行了计算分析、实验验证,得出结论,并提出了治理措施,这对薛家湾电网建设有较高的实用价值。
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