開關柜主要承擔了電力系統中的運行控制功能,涉及到發電、輸電等多項工作,對于開關柜的研究也具有現實意義。開關柜內部包含繼電保護裝置、負荷開關、二次設備等,通過連接多條母線和出現的形式實現電能的分配和控制。從這一角度來看,高低壓開關柜的運行過程直接關系到電網的安全運行、供電可靠性。對于一些潛在的故障或隱患,也需要及時地采取處理措施。
一、配網不同接地保護方式對比
以配網中性點接地方式為例,一旦出現單相接地故障時,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,一旦產生單相接地故障,那么故障電流小于負荷電流,接地電弧自行熄滅后構成一個小電流接地系統。
中性點不接地方式。這種方式的結構比較簡單,運行過程也并不復雜,是小電流接地系統的一種主要表現形式。單相接地故障出現后,對應電壓等級的對地電容電流為流經故障點電流,此時故障相電壓降為零。但電網出現故障時系統的電感與電容元件容易產生諧振現象,電壓互感器呈現出較小的阻抗值,通過的電流明顯增加,導致保險熔斷或是電壓互感器的損害現象,也是當前常見的問題。
經消弧線圈接地。這一模式顯著地保障了配網的運行安全。我國對于最大短路電流有著明確限制,故障電流超過閾值后接地點弧光無法自行熄滅,產生間歇性電弧的同時引起弧光過電壓,對開關柜等設備的絕緣會產生嚴重損害,同時擴大了故障范圍。通常采取過補償運行方式,即單相接地故障產生時,感性電流限制故障相而恢復電壓的幅值,能夠在短時間內恢復系統的正常工作模式。但如果永久性單相接地故障產生,消弧線圈的補償作用也會讓系統繼續運行一段時間,然后通過絕緣裝置發出接地信號,保障整個運行過程的安全性。
經小電阻接地。通常情況下,為了實現對故障線路的保護跳閘,從而減少單相接地電弧過電壓產生的不利影響并增加故障線路接地電流,在系統中性點可介入一個阻值并不大的電阻,在單相接地時將所有故障電流控制在600A左右,然后以線路零序電流保護來快速地切除故障,減少問題進一步擴大的可能性。
二、接地保護裝置的特性
生活、生產過程中所使用的交流電可通過電氣元件的內阻或電容耦合等方式運行,但設備外露的金屬部分或是金屬外殼本身會呈現帶電狀態。當電氣設備的絕緣損壞時,設備金屬外殼會存在一定相電壓。在這種情況下,如果人體接觸了這些設備,電流很容易導致觸電事故的產生。因此,利用接地裝置可以將電器設備與地面相連接,既可以是人工接電極,也可以是自然接地極。設備安裝接地保護裝置之后,即便電氣設備的一相絕緣出現損害或是設備產生漏電,接地電流增加,空氣開關也會自動斷開,以此為基礎保障人員的安全,將對設備的損害程度控制到最低[1]。
共同的零線系統。當前對于零線的接線系統所使用的是單相兩線模式,保護接地所用線和工作零線共同地由一根導線所連接。接線過程中可將保護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域。但不可直接將工作零線當做保護接地線且不可通過保險絲,需要從干線上直接進行引入,否則不僅無法起到保護作用,反而會增加觸電的風險程度。
專用接零保護線系統。該系統在原有的工作零線布線基礎上進行了接零線保護線的設計,可直接連接到戶外接地區域,且不需要保險絲。此時系統會保持相對穩定的性能,即便設備出現漏電現象,接零保護線也不會出現嚴重斷裂,從而讓保護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生的可能性。
三、高低壓開關柜接地保護裝置的工作模式
高壓開關柜接地保護裝置的工作模式。可通過小車實驗的方式來進行,擋塊在小車的運行軌道當中,兩個定位塊控制擋塊的軸向移動,阻止了手車前輪的進一步運動。試驗結束后,可以拆除用于接地線的固定螺栓,不會因為軸向移動的誤操作而產生意外。此時如果不拆除固定螺栓,就無法帶動擋塊的順時針轉動,離開手車軌道,說明操作的安全性和穩定性可以得到穩定,安全隱患進一步降低。
低壓開關柜接地保護裝置的工作模式。在非特殊情況下,低壓柜在正常供電運行狀態下接地保護裝置盤門保持閉合,檢修時接地,低壓盤在斷電后盤門開啟,利用蝶形螺栓來將接地線控制在盤外安裝,之后將其它區域的接地線固定處全部拆除,形成一個正常的工作流程。檢修過程結束后,假設工作人員由于操作失誤沒有將接地線全部拆除,那么關閉盤門并正常送電后,蝶形螺栓在轉角處位置產生阻擋,盤門無法關閉,在不拆除接地線的情況下就無法進行下一步操作,在本質上保障了操作人員的安全性。
四、局部放電問題與開關柜接地裝置
開關柜局部放電過程以暫態形式表示,如果導體間的絕緣產生放電現象,說明放電區域可能和導體的位置比較接近。在產生此類現象時通?？蓪⒃驓w納為絕緣體內部或是絕緣體表面出現的場強畸變現象。如電暈放電就是在導體區域附近介質中出現,也是局部放電的一種表現形式。但局部放電除電暈放電之外還會有多種其它的表現形式。我們所檢測的真實“局部放電”與現階段的檢測結果存在差異。目前的局部放電只是在靠近導體時所進行的電荷檢測,從更加復雜的角度來看,波從誘導電荷傳播至放電檢測器的過程當中會產生破壞情況,且這種破壞具有累計效應,這也是進行接地裝置設置的主要原因[2]。當這種“絕緣老化”發展迅速時,也相應地需要引起高度重視。
放電過程是多樣性的,在高壓設備的電氣絕緣過程當中,通常在氣體介質中產生,但同時也能在液體介質的氣泡中產生。通常所認知的放電現象是因為絕緣中場強超過確定值,且自由電子存在時就會產生放電現象。
開關柜仿真分析。開關柜將一次設備和二次設備按照一定的順序安裝至封閉式的金屬殼體之內,一方面將其作為電能分配和接受的主要設備,另一方面將其作為電氣主接線設備。開關柜可被劃分為低壓、高壓,部分為中壓,按照電流特征區分可劃分為直流和交流。從組成結構上看主要包含柜體、斷路器兩個部分,柜體則包括了電器元件、絕緣件在內的眾多組件。以10kV開關柜為例,可設置相應仿真模型,模擬有縫隙或無縫隙狀態下信號的傳播過程。在發生局部放電時絕緣介質內部、表面出現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,開關柜本身在絕緣墊圈、柜門等區域存在縫隙,柜體并不完全連續,可以在開關柜表面上檢測出有效的電壓信號,以此為基礎預防絕緣故障等問題的產生,在大規模巡檢中進行使用[3]。
五、接地保護裝置的技術研究
為減少檢修過程中可能出現的觸電或是其它事故,保障人身財產安全,對于設備進行的技術改造是至關重要的。如傳統接地線的布線設置在檢修結束后有觸電風險,原因咋子與地線會被銜接至低壓盤外部區域。現階段對低壓開關柜的接地保護裝置設計進行了新的要求,也可通過一些其它層面的技術改造措施來進行相應的探討分析。
5.1 消弧柜
電壓消弧將成為未來研究的主要發展趨勢。國內現階段的消弧產品主要集中于三種類型:弧光接地轉換為金屬接地裝置、電抗器并聯裝置、將弧光接地轉化為氧化鋅的裝置。隨著電網改造的運行,讓弧光接地的技術問題更加突出,固體絕緣設備類型的增加使得設備、系統承受過電壓能力下降,當前的絕緣性能也無法滿足要求,電網的安全運行可能會受到影響。如果電纜線路出現單相弧光接地,消弧線圈目前只能對故障點無功電流進行控制,無法有效地減少對于故障點的破壞情況。電壓在最大值時很可能出現零點擊穿,增加弧光接地的幅值。在技術方面的主要目標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讓系統可繼續保持一段時間的工作。
單相接地故障出現后,通過控制措施將電壓維持在一個較為穩定的水平,能夠讓絕緣介質恢復速度比故障相電壓恢復速度更快。換言之,當故障電流越小介質出現的損傷程度也越小,消弧柜此時主要通過阻止電弧重燃的方式來進行消弧并起到過電壓保護功能。中性點不接地方式的應用,也能在進行電網運維工作時保持安全性,減少各類風險事故的產生[4]。
當零序電壓因故障上升到某個閾值時,智能控制器就會判定系統產生了相應的故障,通過各相電壓的計算和分析來判斷是哪一相出現了故障問題,從而發出合閘命令,讓故障相轉化為金屬性接地?？傮w來看,消弧柜可直接將故障類型轉化為金屬性接地故障,故障相對地電壓變為零,電弧可以自行熄滅,運行人員在進行處理的過程中,其它相的對地電壓也被限制在線電壓水平,兼顧了消弧與選相兩個方面的影響因素,不過整體上其效果受到開關動作時間的限制。
按照未來對于狀態監測的要求,需對不同線路與設備的運行情況展開實時監測,按照傳感器測量系統中的不同電流、電壓參數來綜合分析運行控制策略。如低壓配電柜的發熱與溫升超標方面,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,J為電流密度。
但考慮到一些不穩定的影響因素,對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。在這一方面可進行有關的理論分析和仿真驗證,其中消弧柜動作前的故障辨識方法在目前的信息通訊速度水平下,要應用于實際過程還有一定的難度,需要綜合現場調試和穩定性的分析來得到推廣應用。
5.2 電容耦合式傳感器設置
由于開關柜的安裝現場電磁環境一般比較復雜,周邊有著較多的干擾信號,此時能否正確有效地對開關柜內部的信號進行檢測也直接影響到局部放電過程,進而影響到接地保護裝置的有效性。為了能確定不同條件下的測量需求,可設置與開關柜相對應的電容耦合式傳感器,讓其一方面具有良好的靈敏度,另一方面具有穩定的脈沖響應[5]。
按照國標GB/T23642-2009的相關要求,電力設備在局部放電測試中可選擇高壓電容器或電磁耦合器來測定電壓脈沖。按照開關柜局部放電特點,放電產生的電流脈沖會在外殼表面感應產生電壓脈沖信號,以傳感器檢測的方式為判斷提供依據。一般情況下開關柜的局部放電量較小,持續時間也不長,所以選擇電容耦合式傳感器就能有效探測短時信號,設計傳感器等效電路。根據合理的設計方案與仿真分析后,為避免雜散電感產生的不利影響,可進行傳感器標定工作。按照相關技術要求,電容耦合式傳感器要確定一些參數標定,如高壓臂電容、脈沖響應特性等[6]。實驗平臺確定后將信號發生器與示波器接入電路,然后逐漸調整信號頻率。
5.3 中性點小電阻改造
傳統消弧線圈接地會設置選線裝置,通過對不同線路零序電流的收集來完成整個選線過程。在技術改造的過程中不需要人為設置中性點,只需要將消弧線圈設備改造成為小電阻設備即可。進行小電阻改造的作用也在于對跳閘進行合理判斷,并增加單相接地故障時的零序電流。整體來看,在改造后的保護配置上增加了更多的零序保護功能,實現了母聯開關和出線開關之間的有序配合,如過流、速斷保護等。綜合不同的線路特點與設備要求,考慮到單相接地短路電流較大,要結合運行經驗將零序過流定值設定在某個范圍,以保障供電可靠性。
如在一些變電站的開關柜運行環節當中,為控制電流互感器飽和所產生的誤差,會通過增加一次變比的設置來防止低壓側區外故障問題的產生。此時受總電流互感器變比幅度較大,精度無法滿足要求。所以,通過選擇性跳閘的規劃,實現對不同受總開關中流過零序電流的分析,對故障母線進行了區分,在今后的工作中可以投入使用。另外,零序保護和相間保護選擇同一整定模式,減少不同影響因素的干擾。如果相間故障時的故障電流超過零序保護的閾值,也可以減少誤動、拒動行為的出現,裝置運行更加穩定。
六、結語
高低壓開關柜作為接高壓或低壓電纜的主要設備,可以滿足電力系統的穩定、環保等多個方面的要求,在配電系統中的設備選擇工作也至關重要。但是設備在長期的運行過程中,故障難以避免,此時我們要綜合分析高低壓開關柜的接地配置,同時以不同方面的技術措施來避免危險情況的出現,減少風險事件的產生,實現更加穩定的電力供應和環保高效的電力輸送目的。
