抽水蓄能电站电网内中性点接地方法研究
时间：2023-01-18 10:10:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郑 伟,王文鹏,张和平,胡小凡,何文波,罗维之
(新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 阜康 831500)
随着我国电力行业建设步伐的进一步加快，西电东送、南电北送等大型电力工程的开展促进了我国电力能源的进一步发展[1]。大型能源工程的建设较好地实现了绿色能源的集约化发展，推动了能源的优化配置[2]。现阶段，我国西北地区能源基地源头地区的大型煤电项目正陆续投产，特高压交直流工程也取得了良好的应用。我国电网规模正不断扩大。抽水蓄能电站是现代电网工程中的一项重要组成部分[3]。抽水蓄能电站可以进行电能与水能的相互转换。在电网用电量较少的时期，抽水蓄能电站利用电网的电能将水库中的水抽取至上方水库中。在后续电网处于用电高峰的时期，抽水蓄能电站又可利用上方水库的水，将水能转换为电能，并将电能传送到电网中[4-5]。随着电网实际需求量的增加，抽水蓄能电站的应用范围也逐渐扩大。这对抽水蓄能电站的设计提出了更高的要求。
大量研究表明，在大型水电站，特别是抽水蓄能电站，由于厂用负荷分布范围大，负荷类别较多，通常采用高低两级配电系统。其高压配电系统电压等级为10 kV或6 kV，中性点大多采用不接地方式[6]。由于抽水蓄能电站复杂的枢纽布置，上下水库距离较远，厂房在山体内地下式布置，因此负荷更加分散。同时，电站投资商越来越注重安全可靠性。特别在雷电较多地区，由厂区到上库电源采用电缆，造成厂用系统的接地电容电流常常超过10 A的阈值限制[7-8]。因此在实际工程中，厂用系统的中性点接地方式和参数的选择就显得尤为重要[9]。
本研究基于抽水蓄能电站的实际运行情况，结合抽水蓄能电站的抽蓄特点，对该电站厂用高压系统中性点接地参数进行详细的比选论证。本研究分别充分研讨了现今抽水蓄能电站在运行时的用电情况以及相关注意事项，针对性地设计了抽水蓄能电站的高压系统，旨在为抽水蓄能电站高压系统的建设提供可能的参考方案。
1.1 不同中性点接地方式
①中性点不接地。
中性点不接地方式主要是指在中性点上不存在大地与人的直接连接，主要利用电网对地电容的方式来实现。在系统中的接地处有可能会产生间歇性电弧，并产生高倍数电压而形成短路，造成一定的安全隐患[10]。中性点不接地方式的优点主要表现在结构简单、经济、供电稳定性高以及对周围环境和人员的影响程度小等方面。
中性点不接地系统如图1所示。
图1 中性点不接地系统示意图
中性点不接地零序等值电路如图2所示。
图2 中性点不接地零序等值电路图
中性点不接地方式在我国早期配电网中应用较为广泛，又被称为中性点绝缘。由于在三相电中电源电压相互对称，而中性点又在绝缘的方式下运行，此时可以认为中性点处的电压为0。但在实际操作中，受各类现实因素的影响[11]，中性点处可能会有带位移的电压。这种电压一般控制在5%之内，对实际运行操作无过多影响。在中性点不接地系统中，零序电流的计算如式(1)所示。
(1)
接地点故障电流的计算如式(2)、式(3)所示。
(2)
(3)
式中：Id为接地电阻电流;U为系统额定电压。
②中性点经消弧线圈接地。
消弧线圈接地方式在电网出现接地故障时会提供感应电流，以补偿单相接地的电流。使用中性点消弧线圈接地方式时，利用消弧线圈的电流对接地电容进行电流补偿，各中性点和相对绝缘不接地系统均相同[12]。使用该接地方式可以减少接地的故障电流，降低线路的跳闸率，提高电磁兼容性，减少对城市通信设备的影响。中性点经消弧线圈接地系统如图3所示。
图3 中性点经消弧线圈接地系统示意图
中性点经消弧线圈接地零序等值电路如图4所示。
图4 中性点经消弧线圈接地零序等值电路图
中性点经消弧线圈接地系统中，发生的具体运算如式(4)～式(6)所示。
(4)
式中：L为消弧线圈的电感值。
(5)
U0=Uφ
(6)
式中：Uφ为故障前的电压。
③中性点经低电阻接地。
中性点经低电阻接地运行方式主要是指在配电网中只有一个电阻接入中性点内。该系统主要通过选择接地的电阻值来保证将电流控制在正常的范围内。按照实际接地故障电路的不同，接地方式主要分为高电阻、中电阻以及低电阻三种。其中，低电阻阻值小于20 Ω，单相接地故障电流范围为600～1 000 A；
低电阻阻值为20～100 Ω，单相接地故障电流范围为30～300 A；
低电阻阻值为几百至数千欧姆，单相接地故障电流范围小于10 A。
在中性点经低电阻接地系统中，发生单相接地故障时，非故障电压值状态基本不变。同时，由于流过故障线路的电流较大，零序过流保护较为灵敏，可以检测出相关故障。在低电阻接地系统中，单相接地的电流较大，使用时可以根据继电器的可靠动作确定继电器的动作电流以及互感器的变比。实际应用时，可以优先选用相同电流型的继电器。
中性点经低电阻接地系统如图5所示。
图5 中性点经低电阻接地系统示意图
中性点经低电阻接地零序等值电路如图6所示。
图6 中性点经低电阻接地零序等值电路图
中性点经低电阻接地系统基本计算如式(7)～式(9)所示。
(7)
式中：Rω为中性点接地电阻。
(8)
(9)
由工频熄弧理论可知，系统在单相故障时会产生间歇电弧接地过电压。故障时，A相的过电压和非故障时B、C两相的过电压分别如式(10)、式(11)所示。
(10)
(11)
1.2 中性点接地方式的确定
我国水电站厂用电高压系统通常采用不接地方式，有部分电站采用消弧线圈接地方式，极少采用低电阻接地方式。已知交联聚乙烯绝缘电缆熄弧电流阀值为10 A。在不接地方式下，正常运行时接地故障电流已接近10 A。厂用变压器检修或故障时，接地故障电流将超出10 A，选择不接地方式将存在非常大的安全风险。同时，在不接地方式下，接地故障会发生报警，需要人工干预。因此，本研究将不考虑使用不接地方式。
采用消弧线圈接地方式时，全补偿时残余故障电流非常小，电弧能够很快熄灭，可以带故障运行2 h。欠补或过补状态时，故障电流均会增大，且不允许超过10 A。由于其故障电流小，因此准确选线非常困难。据不完全统计，选线正确率为60%。如果选线不成功，故障无法及时排除，依然会存在电缆烧损的风险。低电阻接地方式时的故障电流较大，保护动作迅速，可瞬时切断故障以保证电缆安全。而且该方式冲击过电压低，对电缆绝缘的保护较好。
抽水蓄能电站的厂用电系统可靠性非常高，重要负荷均为双电源供电。其中，一回路电源来自保安电源。通常，配电系统为了保证供电的连续性，希望发生单相接地故障时能够运行一段时间。而抽水蓄能电站更看重安全运行。特别是今后抽水蓄能电站智能化要求越来越高，未来需满足无人值班的要求。因此，迅速切断故障更加重要。基于此，抽水蓄能电站厂用高压系统接地方式宜采用低电阻接地方式。
1.3 抽水蓄能电站用电系统概况
抽水蓄能电站用电比较常用的系统方案为：电压等级为10 kV和0.4 kV两级配电；
10 kV配电系统分为地下和地面两部分。地下厂房的厂用电系统在1#、3#发电机端各引接一台高压厂用工作变压器，分别接至地下厂用10 kV母线Ⅰ段和Ⅲ段。从施工变电站的10 kV母线引接一回路电源作为厂用备用电源接至地下厂用10 kV母线Ⅱ段，另设置柴油发电机作为厂用电的保安电源同时接至地下厂用10 kV母线Ⅱ段。地下厂用Ⅲ段10 kV母线采用环形接线。地面10 kV用电系统采用单母线分段接线。Ⅳ、Ⅴ段母线工作电源分别引自地下10 kV系统Ⅰ、Ⅲ段母线。另从35 kV施工变电站的10 kV母线引接一回路备用电源，作为地面10 kV用电系统的备用电源接至Ⅴ段母线上。
抽水蓄能电站典型接线如图7所示。
图7 抽水蓄能电站典型接线图
由图7可知，厂用电系统正常情况是分段运行。当一台高压厂用工作变压器退出运行时，由另一台带全部负荷运行。当两台工作变压器均退出运行时，地面和地下厂用系统解列，各自由外来电源负责供电，柴油发电机只为保安负荷提供电源。
1.4 高压系统用电参数计算式及参照
①接地电容电流计算。
在实践中，电缆线路和架空线路单相接地电容电流估算分别如式(12)、式(13)所示。
Ic=0.1UnL
(12)
式中：Ic为线路单相接地电容电流，A；
Un为线路额定电压，kV；
L为线路长度，km。
Ic=kUnL×10-3
(13)
式中：k为相关系数。
②接地电流设计要求。
在低电阻接地系统中，接地电流应满足以下要求。首先，应限制电弧接地过电压。在单相接地中，电容性电流的值应小于等于电阻性电流，电阻性电流越大越有利于降低过电压。此值各电站需要根据实际计算，对于装机4×300 MW的典型抽水蓄能电站而言，电阻性接地电流至少应大于20 A。其次，应保证设备不损坏。这主要是防止接地电流过大烧损设备。低电阻接地系统故障持续时间较短，因此不限制电阻值选取。最后，应满足外壳对地电压的允许值。当出现变压器的高压段发生单相外壳接地时，低压设备外壳对地电压值与最大故障时间的值都应符合GB 16895.11的规定。如保护动作时间为0.3 s，加上断路器动作时间等，故障最大持续时间按照0.4 s取值。查GB 16895.11曲线可知，允许的外壳对地电压值约为200 V。典型抽水蓄能电站的接地电阻允许值一般在0.4～1 Ω之间，则接地电流最大值在200～500 A之间。
③低电阻值的计算。
低电阻值的计算如式(14)所示。
(14)
式中：R为接地电阻，Ω；
U为系统额定电压，V；
I为接地电流，A。
2.1 接地电容电流与接地电流计算
本研究对抽水蓄能电站的接地电容以及接地电流进行了计算，并分别讨论了使用架空线路以及使用电缆两种情况下的单相接地电容电流。通过计算可知，采用架空线路时，线路长度一般不超过15 km，单相接地电容电流最大为0.495 A；
采用电缆时，电容电流最大将达到15 A。
对抽水蓄能电站的厂用电系统进行分析可知，本抽水蓄能电站厂用电系统正常运行方式为地下厂房10 kV三段母线独立运行，即当一台工作变压器退出时，另一台工作变压器带两段工作母线运行。如果两台工作变压器均退出运行，由备用变压器带全部母线段运行。正常运行时，单母线段系统单相接地电容电流最小。
本研究按照抽水蓄能电站典型布置方式计算可知，单母线段负荷供电电缆的长度通常在6～10 km之间。如果上水库电源采用电缆，长度可达20 km以上。如果上水库电源不从厂内引接或者从厂内采用架空线引接，电容电流有可能低于10 A。但上水库电源由厂内提供电缆引接，电容电流超过阀值的可能性非常大，因此，抽水蓄能电站进行设计时应进行电容电流估算，选定接地方式。综合以上分析，典型抽水蓄能电站接地故障电流值应大于20 A，最大值应根据各电站接地网接地电阻值进行计算，选择时应尽量靠近上限。
2.2 接地电阻引接方式选择
由于抽水蓄能电站厂用10 kV系统一般为中性点不接地系统，没有中性点引出，因此首先要解决中性点如何引出的问题。对于抽水蓄能电站厂用10 kV系统而言，有两种方法。
第一种方法是选择10 kV侧为Y型接线的厂用高压变压器，变压器中性点引出接电阻后接地。该方法比较简单，增加的设备少，占地面积小，节省投资。
第二种方法是在厂用10 kV母线上增设曲折型联结接地变压器以便引出中性点，通过低电阻后接地。该方法需要增加10 kV开关柜及接地变压器等设备，而且母线电源有可能来自于10 kV系统，在母线电源切换时需要同时投切接地变压器。如果一段母线运行的单相接地电容电流超过限值，还需要考虑接地变压器与母线运行状态的投切关系，二次控制系统相对复杂。
抽水蓄能电站厂用工作变压器与备用变压器不允许并列运行，而且抽水蓄能电站的厂用10 kV高压开关室在地下厂房，空间较小，完全可以采用第一种方法。有些电站10 kV高压开关室无法布置接地变压器等设备，需要另行寻找布置场地。因此，新建抽水蓄能电站厂用高压变压器建议采用Δ-Y接线，10 kV厂高变低压侧选用中性点经低电阻接地。如果接地电流选择200 A，根据式(3)计算可知，低电阻值为28.9 Ω，可取整为30 Ω。
综上所述，抽水蓄能电站厂用高压系统中性点相关接地参数如下：单相接地电容电流(无电缆架空线路)为0.495 A；
单相接地电容电流(采用电缆)小于15 A；
抽水蓄能电站接地故障电流值大于20 A；
接地方式为低电阻接地；
高压变压器接地方式为Δ-Y接线。
鉴于现行接地方式规程规范的局限性，本文通过对抽水蓄能电站厂用电系统具体特点的分析，结合三种中性点接地方式的比选，得出以下结论。
抽水蓄能电站用电负荷分布区域广，布置分散，大部分为电缆线路，单相接地电容电流较大，而且负荷电源多数为冗余配置，故障线路切除对供电连续性影响小，适合采用安全的低电阻接地方法。本研究推荐厂用高压变压器采用Δ-Y接线，而10 kV厂高变低压侧中性点的接地方式应选择经低电阻接地。
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