軌道交通供電系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式分析和工程應(yīng)用

引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)是城市軌道交通的動(dòng)力來源,主要任務(wù)是將城市區(qū)域變電所或供電網(wǎng)絡(luò)的電能傳輸、分配給城市軌道交通各個(gè)子系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)城市區(qū)域電網(wǎng)等級(jí)的不同,軌道交通供電系統(tǒng)的外電源電壓也各有不同,目前國內(nèi)集中式供電主要有110kV、35kV,因此,各級(jí)電壓系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式也不盡相同。

1軌道交通供電系統(tǒng)接地的目的和接地方式

接地是為電流返回電源所提供的一條阻抗值相對較低的通道,具體而言,就是在線路或電氣設(shè)備出現(xiàn)接地故障時(shí),為故障電流流回電源提供一條低阻抗的路徑,同時(shí)通過對這條路徑的有效監(jiān)測,可以防止人身觸電事故,確保供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行,保護(hù)線路及電氣設(shè)備的絕緣等。由此可見,在供電系統(tǒng)中運(yùn)用合理可行的接地技術(shù)顯得尤為重要。

1.1供電系統(tǒng)接地的目的

(1)保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行和在故障條件下有適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件:

(2)保證供電系統(tǒng)設(shè)備絕緣所要求的工作條件:

(3)保證供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的正常工作條件。

1.2供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地的方式

(1)中性點(diǎn)直接接地:設(shè)備的絕緣水平按相電壓要求,軌道交通在110kV電網(wǎng)中采用。

(2)中性點(diǎn)不接地:設(shè)備的絕緣水平按線電壓要求,軌道交通一般在35kV、10kV、Id≥30A(Id為中性點(diǎn)接地電流)電網(wǎng)中采用。

(3)中性點(diǎn)經(jīng)阻抗接地:設(shè)備的絕緣水平按線電壓要求,軌道交通在35kV、Id≤30A電網(wǎng)中采用。

2接地變壓器

由供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式可知,在35kV電網(wǎng)中存在中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式,該接地方式中變壓器低壓側(cè)一般為三角接繞組,沒有可供接地的中性點(diǎn),因此當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),就容易造成以下危害:

(1)單相接地電弧發(fā)生間隙性的熄滅與重燃,產(chǎn)生弧光接地過電壓,其幅值可達(dá)4倍正常相電壓或更高,持續(xù)時(shí)間長,對電氣設(shè)備的絕緣造成極大的危害,絕緣薄弱處會(huì)被擊穿:

(2)持續(xù)的電弧放電造成空氣電離,破壞周邊環(huán)境空氣的絕緣,引發(fā)相間或其他設(shè)備的故障,擴(kuò)大事故危害:

(3)容易產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓,造成電壓互感器、避雷器等設(shè)備損壞,甚至使避雷器爆炸。

因此,為保障軌道交通電網(wǎng)的安全運(yùn)行,提供零序電流、電壓的保護(hù),就需人為建立一個(gè)中性點(diǎn),接地變壓器也就在這種情況下產(chǎn)生。上海地鐵正常運(yùn)行時(shí),接地變壓器處于空載狀態(tài),當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),在短時(shí)間內(nèi)會(huì)通過故障零序電流,高靈敏度的零序保護(hù)判斷并短時(shí)切除故障線路。無論是接地變本身故障還是35kV母線故障,都能根據(jù)相應(yīng)的動(dòng)作電流值啟動(dòng)零流或過流保護(hù)。

2.1接地變壓器的功能

接地變壓器主要功能:為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)提供一個(gè)人為的中性點(diǎn),實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)經(jīng)阻抗接地,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),對正序、負(fù)序電流呈高阻抗,對零序電流呈低阻抗。

2.2接地變壓器的分類

2.2.1按相數(shù)分類

(1)輸電網(wǎng)(三相)接地變壓器:

Z連接接地變壓器:接地阻抗接在中性點(diǎn)與地之間:

YNd連接接地變壓器:接地阻抗串接在次級(jí)繞組的開口三角中。

(2)發(fā)電機(jī)(單相)中性點(diǎn)接地變壓器:

單相:I/I連接接地變壓器,接地變壓器串接在次級(jí)繞組首尾。

2.2.2按補(bǔ)償方式分類

(1)經(jīng)消弧電抗器接地的接地變壓器:

(2)經(jīng)小電阻接地的接地變壓器。

2.3接地變壓器的參數(shù)

2.3.1單相接地時(shí)接地電流的估算

假定為三相對稱系統(tǒng),額定線電壓為uN,相電壓為u。=uN/V3。

(1)正常工作時(shí),每相對地電容電流:

式中,u。為相電壓:w為角速度:C0為每相(包括輸電線和設(shè)備)的對地電容。

由于是三相對稱系統(tǒng),因此中性點(diǎn)電流:

式中,I'C。A,I'C。B,I'C。C分別為每相的對地電容電流。

(2)單相接地時(shí)(設(shè)A相接地),相量圖如圖1所示,非故障相對地電容升高V3倍,因此B、C相對地的容性電流為V3IC。。

從相量圖分析,UBA,UCA相位差609,因此I'CB和I'CC相位差也為609:

式中,IeCA,IeCB,IeCC分別為各相對地電容電流。

所以A相經(jīng)過中性點(diǎn)N流出的容性電流:

相當(dāng)于A相經(jīng)過中性點(diǎn)N對地串接了一個(gè)電容C0Ⅹ=3C0。

2.3.2單相接地電流的工程計(jì)算方法

(1)計(jì)算每相對地電容C0(查工程設(shè)計(jì)手冊),計(jì)算系統(tǒng)總的對地電容C0Ⅹ=3C0。

(2)單相接地時(shí)的接地相對地容性電流:Id=3ICu=uuwC0Ⅹ

(3)考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展等因素,單相接地時(shí)的接地相對地容性電流因乘以系數(shù)KL=1.3~1.8(脫諧系數(shù)),即:

例:uu=38.5kV,C0=50×0.6=30μF,KL=1.6,則:

2.3.3中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地補(bǔ)償

單相接地(A相)時(shí),A相經(jīng)過中性點(diǎn)N流向B、C相的總電容電流為:

式中,C0Ⅹ為系統(tǒng)總的對地電容。

A相經(jīng)中性點(diǎn)N流向消弧線圈的總感性電流為:

式中,LⅩ為中性點(diǎn)接地的電感。

全補(bǔ)償?shù)臈l件是令I(lǐng)eL=IeC,即wLⅩ=1/wC0Ⅹ,此時(shí)A相經(jīng)中性點(diǎn)N流出的總的電流為0,也就是A相與地之間的電流也為0,起到了消除A相與地之間電弧的作用,故將中性點(diǎn)接地的LⅩ稱為消弧線圈。其簡化等效電路如圖2所示。

但這是一個(gè)理想的條件,實(shí)際上是很危險(xiǎn)的,在正常運(yùn)行時(shí),中性點(diǎn)的電流為:

其中,yA,yB,yC為各相對地的導(dǎo)納,計(jì)算如下:

中性點(diǎn)N對地的總阻抗:

消弧線圈對地的導(dǎo)納:

此時(shí)中性點(diǎn)偏移電壓:

全補(bǔ)償時(shí):

此時(shí)分母為0。

若三相電壓稍有不對稱或三相對地電容稍有不平衡,則分子部分不為0,就會(huì)產(chǎn)生無窮大的中性點(diǎn)偏移電壓,使輸電系統(tǒng)崩潰,從等效電路看就是LⅩ與C0Ⅹ形成了串聯(lián)諧振。

欠補(bǔ)償為IL<IC,即:

過補(bǔ)償為IL>IC,即:

軌道交通一般多采用過補(bǔ)償方式,但不管采用何種補(bǔ)償方式,當(dāng)輸電系統(tǒng)發(fā)生變更和擴(kuò)展時(shí),都有可能使C0Ⅹ變大或變小,可能出現(xiàn)系統(tǒng)諧振。因此,LⅩ的電感量應(yīng)有可調(diào)脫諧的作用,這也是經(jīng)消弧線圈接地的一大技術(shù)難點(diǎn)。為此,近年來中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)開始增多。

單相接地,本質(zhì)上是一個(gè)非對稱的故障,其中的零序電流

在零序阻抗上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中性點(diǎn)偏移電壓,-ue〇=jx0Ie,該偏移電壓疊加到三相對稱的相電勢上,會(huì)產(chǎn)生非故障相相電壓的升高。一般來講,經(jīng)電阻接地比經(jīng)消弧線圈接地后果更嚴(yán)重。中性點(diǎn)偏移和非故障相電壓升高,會(huì)使接地變壓器內(nèi)部的縱絕緣和主絕緣惡化,這也是在設(shè)計(jì)接地變壓器電氣絕緣時(shí)不可忽略的內(nèi)容。

3國內(nèi)軌道交通中性點(diǎn)接地方式

目前上海軌交供電系統(tǒng)中,一般采用接地變壓器來獲得中性點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻或消弧線圈接地的運(yùn)行方式。上海軌道交通兩種接線方式如下:

3.1方式一:接在主變電站35kV母線上

一號(hào)線、二號(hào)線部分主變電站35kV(或33kV)接地變壓器采用Z型接線(或稱"曲折型接線"),接地變分別接在主變電站35kV系統(tǒng)一、二段母線饋線側(cè),并設(shè)單獨(dú)的斷路器,如圖3所示。當(dāng)35kV母線饋出線發(fā)生接地故障時(shí),零流跳饋線出線開關(guān):當(dāng)母線發(fā)生單相接地故障時(shí),零流一階段跳主變壓器35kV開關(guān),零流二階段跳主變壓器110kV開關(guān),當(dāng)主變壓器35kV引出線發(fā)生接地故障時(shí),零流跳接地變35kV開關(guān)及主變壓器兩側(cè)高低壓開關(guān)。

3.2方式二:接在主變電站主變低壓側(cè)

上海軌交其余線路的主變電站35kV(或33kV)接地變壓器也是采用Z型接線,但不單獨(dú)設(shè)斷路器,接地變接分別接在1號(hào)、2號(hào)110kV/35kV主變壓器的低壓側(cè)。以11號(hào)線為例,如圖4所示。

這種接線方式的接地變,有零流一、二階段和過流一、二階段保護(hù),在各種故障情況下,接地變壓器的保護(hù)相對簡單,無論是發(fā)生接地故障、母線故障還是單相接地故障,都能啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作電流值,零流一階段跳主變壓器35kV開關(guān),零流二階段跳主變壓器110kV開關(guān)。

4結(jié)語

兩種接線方式保護(hù)均能有效、有選擇性地可靠動(dòng)作,均會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的零流或過流保護(hù),有效切除故障點(diǎn)。

在主變電站調(diào)整運(yùn)行方式時(shí),因?yàn)?5kV系統(tǒng)是靠接地變壓器經(jīng)電阻接地,主變壓器運(yùn)行時(shí)必須帶接地變壓器運(yùn)行。當(dāng)一臺(tái)主變壓器退出運(yùn)行時(shí),對于第一種接線方式,需將對應(yīng)饋線的一臺(tái)接地變壓器也退出運(yùn)行,改為冷備用:對于第二種接線方式,因接地變壓器同時(shí)退出,故無需人員干預(yù)。

綜上,從系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整的角度來看,接地變壓器設(shè)有獨(dú)立斷路器的接線方式更可靠,但相配套的繼電保護(hù)相對復(fù)雜,占地面積相應(yīng)增加,建設(shè)成本也會(huì)有所提高。