500kV单相变压器中性点环流分析与处理
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云南省电力设计院有限公司、昆明理工大学的研究人员马自伟、谢静,在2017年第4期《电气技术》杂志上撰文,分析了500kV单相变压器中性点Π形接地方式下环流产生的原因,计算了在运变电站几种工况下中性点引线环流,并提出改造措施。
1 引言
在500kV变电站中,主变压器一般采用自耦变压器,中性点直接接地 [1~3]。在云南这样一个多山的地区,由于受道路运输条件限制,500kV主变通常采用单相自耦变,这就需要在变电站设计时考虑中性点接地的问题。
通常有两种设计方案:一种是采用Π形接地,从中性点汇流母线两端通过引下线与主接地网连接;另一种是单点接地,从汇流母线一端通过引下线与主接地网连接。
由于工程强制性条文[4]规定,电气设备接地线须两点及以上与主接地网连接,因此南网的标准设计文件[5]推荐采用Π形接地,并且认为Π形接地较一点接地更可靠。
但近来有研究表明,Π形接地方式存在较大环流[6-8],且环流大小占负荷电流的20%以上。然而,以上研究存在明显的不足之处,均忽略了接地网对环流分布的影响,因而计算结果不能真实反应实际情况。
云南地区变电站设计均遵循南网标准设计文件[5],500kV单相变中性点普遍采用Π形接地。基于这这一事实,研究中性点回路环流分布,以及分析是否存在安全隐患,具有现实意义。
2 Π形接地电路模型及分析(略)
在500kV变电站中,三台单相自耦变压器经防火墙分隔集中布置组成一个单元,中性点出线套管短接后经两侧引下线与地网连接,形成所谓的Π形接地,如图1所示。
图1 单相变中性点Π形接地图
图1中汇流母线、引下线、水平接地极的电抗很小,可以忽略,主要考虑电阻,因此等效电路模型如图2所示。需要强调的是,文献[6-8]的电路模型中均忽略了水平接地极电阻R3、R4,因而其计算结果有很大偏差,本文是对以上文献的重要修正和补充。
图2 Π形接地等效电路模型
注:RAB、RBC分别相间汇流母线电阻;R1、R2为引下线电阻;R3、R4为水平接地极电阻;RN1~RN3为地网接地电阻
从分析中还可看出,环流只在中性点环路中流动,环路之外,环流为零,因此,环流并不会使接地网电位抬升,从而对继电保护及二次回路造成干扰。
3 案例分析
从往年的设计来看,汇流母线常采用采用管母线、耐热铝合金钢芯绞线,引下线常采用扁钢、铜排或耐热铝合金钢芯绞线,水平接地极一般采用扁钢,通常可组合成三种方案。设主变额定容量750MVA,三相负荷平衡,由公式(6)可计算各种组合方案下的环流大小,如表1所示。
从表1可以看出,汇流母线和引下线均为耐热铝合金钢芯绞线时环流较大,为45.09A,占负荷电流的5.2%;汇流母线为管母线,引下线和地中接电线均为扁钢时环流最小,为18.81A,占负荷电流的2.17%。总的来说,环流不超过负荷电流的6%,远远小于文献[6-8]得出的20%的结论。
表1 环流计算值
云南500kV厂口变、500kV和平变、500kV草铺变等多座变电站主变中性点接地均采用方案三设计,500kV富宁变采用方案一设计。以上变电站均已运行多年,至今未报告关于中性点的问题或事故,从侧面说明了环流不算太大。
4 改造措施
尽管计算结果表明,环流不算太大,但环流长期存在,不仅产生损耗,还会加速地中水平接地极的腐蚀速度,不利于系统安全。因此,应采取措施消除环流。引下线采用单点接地时,汇集到引线上的和电流为零,因此,主变中性点采用单点接地可以消除环流。
为满足强制性条文[4]的要求,保证接地可靠,建议从一点引双根引下线至主接地网,双根引下线可以采用支柱绝缘子固定在B相防火墙的两侧。
5 结论
通过以上分析可以得出以下结论:
(1)主变中性点应采用单点双线接地方式较为妥当;
(2)对于在运的老站,短期内环流不会对变电站安全运行造成影响,但长期运行后环流可能造成变压器区水平接地极敷设,建议在有条件时进行改造,消除隐患;
(3)建议及早修订南网标准设计文件,将Π形接地修改为单点双线接地。