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高低壓開關(guān)柜接地保護(hù)裝置研究
2024-06-25 3662開關(guān)柜主要承擔(dān)了電力系統(tǒng)中的運(yùn)行控制功能,涉及到發(fā)電、輸電等多項(xiàng)工作,對(duì)于開關(guān)柜的研究也具有現(xiàn)實(shí)意義。開關(guān)柜內(nèi)部包含繼電保護(hù)裝置、負(fù)荷開關(guān)、二次設(shè)備等,通過(guò)連接多條母線和出現(xiàn)的形式實(shí)現(xiàn)電能的分配和控制。從這一角度來(lái)看,高低壓開關(guān)柜的運(yùn)行過(guò)程直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行、供電可靠性。對(duì)于一些潛在的故障或隱患,也需要及時(shí)地采取處理措施。
一、配網(wǎng)不同接地保護(hù)方式對(duì)比
以配網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式為例,一旦出現(xiàn)單相接地故障時(shí),較大的短路電流通常需要斷路器控制,如果和大地之間不能形成短路回路,一旦產(chǎn)生單相接地故障,那么故障電流小于負(fù)荷電流,接地電弧自行熄滅后構(gòu)成一個(gè)小電流接地系統(tǒng)。
中性點(diǎn)不接地方式。這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,運(yùn)行過(guò)程也并不復(fù)雜,是小電流接地系統(tǒng)的一種主要表現(xiàn)形式。單相接地故障出現(xiàn)后,對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的對(duì)地電容電流為流經(jīng)故障點(diǎn)電流,此時(shí)故障相電壓降為零。但電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)的電感與電容元件容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,電壓互感器呈現(xiàn)出較小的阻抗值,通過(guò)的電流明顯增加,導(dǎo)致保險(xiǎn)熔斷或是電壓互感器的損害現(xiàn)象,也是當(dāng)前常見(jiàn)的問(wèn)題。
經(jīng)消弧線圈接地。這一模式顯著地保障了配網(wǎng)的運(yùn)行安全。我國(guó)對(duì)于大短路電流有著明確限制,故障電流超過(guò)閾值后接地點(diǎn)弧光無(wú)法自行熄滅,產(chǎn)生間歇性電弧的同時(shí)引起弧光過(guò)電壓,對(duì)開關(guān)柜等設(shè)備的絕緣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害,同時(shí)擴(kuò)大了故障范圍。通常采取過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式,即單相接地故障產(chǎn)生時(shí),感性電流限制故障相而恢復(fù)電壓的幅值,能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作模式。但如果永久性單相接地故障產(chǎn)生,消弧線圈的補(bǔ)償作用也會(huì)讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,然后通過(guò)絕緣裝置發(fā)出接地信號(hào),保障整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的安全性。
經(jīng)小電阻接地。通常情況下,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的保護(hù)跳閘,從而減少單相接地電弧過(guò)電壓產(chǎn)生的不利影響并增加故障線路接地電流,在系統(tǒng)中性點(diǎn)可介入一個(gè)阻值并不大的電阻,在單相接地時(shí)將所有故障電流控制在600A左右,然后以線路零序電流保護(hù)來(lái)快速地切除故障,減少問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大的可能性。
二、接地保護(hù)裝置的特性
生活、生產(chǎn)過(guò)程中所使用的交流電可通過(guò)電氣元件的內(nèi)阻或電容耦合等方式運(yùn)行,但設(shè)備外露的金屬部分或是金屬外殼本身會(huì)呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣損壞時(shí),設(shè)備金屬外殼會(huì)存在一定相電壓。在這種情況下,如果人體接觸了這些設(shè)備,電流很容易導(dǎo)致觸電事故的產(chǎn)生。因此,利用接地裝置可以將電器設(shè)備與地面相連接,既可以是人工接電極,也可以是自然接地極。設(shè)備安裝接地保護(hù)裝置之后,即便電氣設(shè)備的一相絕緣出現(xiàn)損害或是設(shè)備產(chǎn)生漏電,接地電流增加,空氣開關(guān)也會(huì)自動(dòng)斷開,以此為基礎(chǔ)保障人員的安全,將對(duì)設(shè)備的損害程度控制到低[1]。
共同的零線系統(tǒng)。當(dāng)前對(duì)于零線的接線系統(tǒng)所使用的是單相兩線模式,保護(hù)接地所用線和工作零線共同地由一根導(dǎo)線所連接。接線過(guò)程中可將保護(hù)接地線從電度表前方的零線接出,另一端則連接在插座接地零線的區(qū)域。但不可直接將工作零線當(dāng)做保護(hù)接地線且不可通過(guò)保險(xiǎn)絲,需要從干線上直接進(jìn)行引入,否則不僅無(wú)法起到保護(hù)作用,反而會(huì)增加觸電的風(fēng)險(xiǎn)程度。
專用接零保護(hù)線系統(tǒng)。該系統(tǒng)在原有的工作零線布線基礎(chǔ)上進(jìn)行了接零線保護(hù)線的設(shè)計(jì),可直接連接到戶外接地區(qū)域,且不需要保險(xiǎn)絲。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定的性能,即便設(shè)備出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,接零保護(hù)線也不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔?從而讓保護(hù)裝置可正常地將電源切斷,從根源上減少了觸電安全事故產(chǎn)生的可能性。
三、高低壓開關(guān)柜接地保護(hù)裝置的工作模式
高壓開關(guān)柜接地保護(hù)裝置的工作模式。可通過(guò)小車實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)進(jìn)行,擋塊在小車的運(yùn)行軌道當(dāng)中,兩個(gè)定位塊控制擋塊的軸向移動(dòng),阻止了手車前輪的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束后,可以拆除用于接地線的固定螺栓,不會(huì)因?yàn)檩S向移動(dòng)的誤操作而產(chǎn)生意外。此時(shí)如果不拆除固定螺栓,就無(wú)法帶動(dòng)擋塊的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),離開手車軌道,說(shuō)明操作的安全性和穩(wěn)定性可以得到穩(wěn)定,安全隱患進(jìn)一步降低。
低壓開關(guān)柜接地保護(hù)裝置的工作模式。在非特殊情況下,低壓柜在正常供電運(yùn)行狀態(tài)下接地保護(hù)裝置盤門保持閉合,檢修時(shí)接地,低壓盤在斷電后盤門開啟,利用蝶形螺栓來(lái)將接地線控制在盤外安裝,之后將其它區(qū)域的接地線固定處全部拆除,形成一個(gè)正常的工作流程。檢修過(guò)程結(jié)束后,假設(shè)工作人員由于操作失誤沒(méi)有將接地線全部拆除,那么關(guān)閉盤門并正常送電后,蝶形螺栓在轉(zhuǎn)角處位置產(chǎn)生阻擋,盤門無(wú)法關(guān)閉,在不拆除接地線的情況下就無(wú)法進(jìn)行下一步操作,在本質(zhì)上保障了操作人員的安全性。
四、局部放電問(wèn)題與開關(guān)柜接地裝置
開關(guān)柜局部放電過(guò)程以暫態(tài)形式表示,如果導(dǎo)體間的絕緣產(chǎn)生放電現(xiàn)象,說(shuō)明放電區(qū)域可能和導(dǎo)體的位置比較接近。在產(chǎn)生此類現(xiàn)象時(shí)通常可將原因歸納為絕緣體內(nèi)部或是絕緣體表面出現(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)畸變現(xiàn)象。如電暈放電就是在導(dǎo)體區(qū)域附近介質(zhì)中出現(xiàn),也是局部放電的一種表現(xiàn)形式。但局部放電除電暈放電之外還會(huì)有多種其它的表現(xiàn)形式。我們所檢測(cè)的真實(shí)“局部放電”與現(xiàn)階段的檢測(cè)結(jié)果存在差異。目前的局部放電只是在靠近導(dǎo)體時(shí)所進(jìn)行的電荷檢測(cè),從更加復(fù)雜的角度來(lái)看,波從誘導(dǎo)電荷傳播至放電檢測(cè)器的過(guò)程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生破壞情況,且這種破壞具有累計(jì)效應(yīng),這也是進(jìn)行接地裝置設(shè)置的主要原因[2]。當(dāng)這種“絕緣老化”發(fā)展迅速時(shí),也相應(yīng)地需要引起高度重視。
放電過(guò)程是多樣性的,在高壓設(shè)備的電氣絕緣過(guò)程當(dāng)中,通常在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生,但同時(shí)也能在液體介質(zhì)的氣泡中產(chǎn)生。通常所認(rèn)知的放電現(xiàn)象是因?yàn)榻^緣中場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)確定值,且自由電子存在時(shí)就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。
開關(guān)柜仿真分析。開關(guān)柜將一次設(shè)備和二次設(shè)備按照一定的順序安裝至封閉式的金屬殼體之內(nèi),一方面將其作為電能分配和接受的主要設(shè)備,另一方面將其作為電氣主接線設(shè)備。開關(guān)柜可被劃分為低壓、高壓,部分為中壓,按照電流特征區(qū)分可劃分為直流和交流。從組成結(jié)構(gòu)上看主要包含柜體、斷路器兩個(gè)部分,柜體則包括了電器元件、絕緣件在內(nèi)的眾多組件。以10kV開關(guān)柜為例,可設(shè)置相應(yīng)仿真模型,模擬有縫隙或無(wú)縫隙狀態(tài)下信號(hào)的傳播過(guò)程。在發(fā)生局部放電時(shí)絕緣介質(zhì)內(nèi)部、表面出現(xiàn)的震蕩衰減電流和電壓,其具備的頻率和放電回路頻率保持相同,充電頻率中出現(xiàn)的震蕩電流具有固定頻率,等同于充放電回路的固定頻率。按照電磁屏蔽的原理,開關(guān)柜本身在絕緣墊圈、柜門等區(qū)域存在縫隙,柜體并不完全連續(xù),可以在開關(guān)柜表面上檢測(cè)出有效的電壓信號(hào),以此為基礎(chǔ)預(yù)防絕緣故障等問(wèn)題的產(chǎn)生,在大規(guī)模巡檢中進(jìn)行使用[3]。
五、接地保護(hù)裝置的技術(shù)研究
為減少檢修過(guò)程中可能出現(xiàn)的觸電或是其它事故,保障人身財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)于設(shè)備進(jìn)行的技術(shù)改造是至關(guān)重要的。如傳統(tǒng)接地線的布線設(shè)置在檢修結(jié)束后有觸電風(fēng)險(xiǎn),原因咋子與地線會(huì)被銜接至低壓盤外部區(qū)域?，F(xiàn)階段對(duì)低壓開關(guān)柜的接地保護(hù)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的要求,也可通過(guò)一些其它層面的技術(shù)改造措施來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的探討分析。
5.1 消弧柜
電壓消弧將成為未來(lái)研究的主要發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的消弧產(chǎn)品主要集中于三種類型:弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬接地裝置、電抗器并聯(lián)裝置、將弧光接地轉(zhuǎn)化為氧化鋅的裝置。隨著電網(wǎng)改造的運(yùn)行,讓弧光接地的技術(shù)問(wèn)題更加突出,固體絕緣設(shè)備類型的增加使得設(shè)備、系統(tǒng)承受過(guò)電壓能力下降,當(dāng)前的絕緣性能也無(wú)法滿足要求,電網(wǎng)的安全運(yùn)行可能會(huì)受到影響。如果電纜線路出現(xiàn)單相弧光接地,消弧線圈目前只能對(duì)故障點(diǎn)無(wú)功電流進(jìn)行控制,無(wú)法有效地減少對(duì)于故障點(diǎn)的破壞情況。電壓在大值時(shí)很可能出現(xiàn)零點(diǎn)擊穿,增加弧光接地的幅值。在技術(shù)方面的主要目標(biāo)是快速熄滅電弧控制故障程度,然后避免被迫停電情況,在滿足供電可靠性的同時(shí)讓系統(tǒng)可繼續(xù)保持一段時(shí)間的工作。
單相接地故障出現(xiàn)后,通過(guò)控制措施將電壓維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平,能夠讓絕緣介質(zhì)恢復(fù)速度比故障相電壓恢復(fù)速度更快。換言之,當(dāng)故障電流越小介質(zhì)出現(xiàn)的損傷程度也越小,消弧柜此時(shí)主要通過(guò)阻止電弧重燃的方式來(lái)進(jìn)行消弧并起到過(guò)電壓保護(hù)功能。中性點(diǎn)不接地方式的應(yīng)用,也能在進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)維工作時(shí)保持安全性,減少各類風(fēng)險(xiǎn)事故的產(chǎn)生[4]。
當(dāng)零序電壓因故障上升到某個(gè)閾值時(shí),智能控制器就會(huì)判定系統(tǒng)產(chǎn)生了相應(yīng)的故障,通過(guò)各相電壓的計(jì)算和分析來(lái)判斷是哪一相出現(xiàn)了故障問(wèn)題,從而發(fā)出合閘命令,讓故障相轉(zhuǎn)化為金屬性接地?？傮w來(lái)看,消弧柜可直接將故障類型轉(zhuǎn)化為金屬性接地故障,故障相對(duì)地電壓變?yōu)榱?電弧可以自行熄滅,運(yùn)行人員在進(jìn)行處理的過(guò)程中,其它相的對(duì)地電壓也被限制在線電壓水平,兼顧了消弧與選相兩個(gè)方面的影響因素,不過(guò)整體上其效果受到開關(guān)動(dòng)作時(shí)間的限制。
按照未來(lái)對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求,需對(duì)不同線路與設(shè)備的運(yùn)行情況展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),按照傳感器測(cè)量系統(tǒng)中的不同電流、電壓參數(shù)來(lái)綜合分析運(yùn)行控制策略。如低壓配電柜的發(fā)熱與溫升超標(biāo)方面,可以用電磁耦合法建立三維有限元電磁模型,即Δ·(σΔE)=0,J=-σΔE,其中E為電勢(shì),J為電流密度。
但考慮到一些不穩(wěn)定的影響因素,對(duì)于故障類型的判斷直接影響到事故的處理事件。在消弧柜控制策略上可以提出先合閘的控制策略,合理地判斷故障類型。在這一方面可進(jìn)行有關(guān)的理論分析和仿真驗(yàn)證,其中消弧柜動(dòng)作前的故障辨識(shí)方法在目前的信息通訊速度水平下,要應(yīng)用于實(shí)際過(guò)程還有一定的難度,需要綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和穩(wěn)定性的分析來(lái)得到推廣應(yīng)用。
5.2 電容耦合式傳感器設(shè)置
由于開關(guān)柜的安裝現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境一般比較復(fù)雜,周邊有著較多的干擾信號(hào),此時(shí)能否正確有效地對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)也直接影響到局部放電過(guò)程,進(jìn)而影響到接地保護(hù)裝置的有效性。為了能確定不同條件下的測(cè)量需求,可設(shè)置與開關(guān)柜相對(duì)應(yīng)的電容耦合式傳感器,讓其一方面具有良好的靈敏度,另一方面具有穩(wěn)定的脈沖響應(yīng)[5]。
按照國(guó)標(biāo)GB/T23642-2009的相關(guān)要求,電力設(shè)備在局部放電測(cè)試中可選擇高壓電容器或電磁耦合器來(lái)測(cè)定電壓脈沖。按照開關(guān)柜局部放電特點(diǎn),放電產(chǎn)生的電流脈沖會(huì)在外殼表面感應(yīng)產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào),以傳感器檢測(cè)的方式為判斷提供依據(jù)。一般情況下開關(guān)柜的局部放電量較小,持續(xù)時(shí)間也不長(zhǎng),所以選擇電容耦合式傳感器就能有效探測(cè)短時(shí)信號(hào),設(shè)計(jì)傳感器等效電路。根據(jù)合理的設(shè)計(jì)方案與仿真分析后,為避免雜散電感產(chǎn)生的不利影響,可進(jìn)行傳感器標(biāo)定工作。按照相關(guān)技術(shù)要求,電容耦合式傳感器要確定一些參數(shù)標(biāo)定,如高壓臂電容、脈沖響應(yīng)特性等[6]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)確定后將信號(hào)發(fā)生器與示波器接入電路,然后逐漸調(diào)整信號(hào)頻率。
5.3 中性點(diǎn)小電阻改造
傳統(tǒng)消弧線圈接地會(huì)設(shè)置選線裝置,通過(guò)對(duì)不同線路零序電流的收集來(lái)完成整個(gè)選線過(guò)程。在技術(shù)改造的過(guò)程中不需要人為設(shè)置中性點(diǎn),只需要將消弧線圈設(shè)備改造成為小電阻設(shè)備即可。進(jìn)行小電阻改造的作用也在于對(duì)跳閘進(jìn)行合理判斷,并增加單相接地故障時(shí)的零序電流。整體來(lái)看,在改造后的保護(hù)配置上增加了更多的零序保護(hù)功能,實(shí)現(xiàn)了母聯(lián)開關(guān)和出線開關(guān)之間的有序配合,如過(guò)流、速斷保護(hù)等。綜合不同的線路特點(diǎn)與設(shè)備要求,考慮到單相接地短路電流較大,要結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)將零序過(guò)流定值設(shè)定在某個(gè)范圍,以保障供電可靠性。
如在一些變電站的開關(guān)柜運(yùn)行環(huán)節(jié)當(dāng)中,為控制電流互感器飽和所產(chǎn)生的誤差,會(huì)通過(guò)增加一次變比的設(shè)置來(lái)防止低壓側(cè)區(qū)外故障問(wèn)題的產(chǎn)生。此時(shí)受總電流互感器變比幅度較大,精度無(wú)法滿足要求。所以,通過(guò)選擇性跳閘的規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同受總開關(guān)中流過(guò)零序電流的分析,對(duì)故障母線進(jìn)行了區(qū)分,在今后的工作中可以投入使用。另外,零序保護(hù)和相間保護(hù)選擇同一整定模式,減少不同影響因素的干擾。如果相間故障時(shí)的故障電流超過(guò)零序保護(hù)的閾值,也可以減少誤動(dòng)、拒動(dòng)行為的出現(xiàn),裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定。
六、結(jié)語(yǔ)
高低壓開關(guān)柜作為接高壓或低壓電纜的主要設(shè)備,可以滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、環(huán)保等多個(gè)方面的要求,在配電系統(tǒng)中的設(shè)備選擇工作也至關(guān)重要。但是設(shè)備在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中,故障難以避免,此時(shí)我們要綜合分析高低壓開關(guān)柜的接地配置,同時(shí)以不同方面的技術(shù)措施來(lái)避免危險(xiǎn)情況的出現(xiàn),減少風(fēng)險(xiǎn)事件的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的電力供應(yīng)和環(huán)保高效的電力輸送目的。
