750kV接地開關開合感應電流問題的現狀
2011-12-31 00:00:00黃耀德
中華建設科技 2011年11期
【摘 要】對750千伏同塔雙回線接地開關電磁感應和靜電感應的問題產生原理進行分析，對750千伏接地開關使用情況的在新疆750千伏變電站應用現狀進行了介紹，提出接地開關開合感應電流的改進的建議。
【關鍵詞】750KV；接地開關；超B類
750KV switch opening and closing of the ground induced current status of the problem
Huang Yao-de
(Xinjiang Electric Power Company 750 construction companies Urumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】Of 750 kV double circuit line with the tower grounding switch and electromagnetic induction principle of electrostatic induction to analyze the problems arising on the use of 750 kV grounding switch 750 kV substation in the application status of Xinjiang were introduced， proposed opening and closing of earth switch induced current the suggestions for improvement.
【Key words】750KV;Grounding switch;Super Class B
隨著新疆750KV長距離輸電線路建設中設備材料及施工造價的不斷降低和輸電走廊征占地工作難度的不斷加劇，可以預見在未來的新疆750電網工程建設中將越來越多出現750千伏同塔雙回路平行架空輸電線路設計形式，這種遠距離線路因電磁耦合原因將必然要求線路兩側使用的高壓接地開關具有一定的開合感應電流的能力。受750千伏同塔雙回線路設計長度影響，對線路接地開關開合感應電流的參數要求也不盡相同，在2010年10月投運的750千伏烏吐哈輸變電工程中，先后有四條線路是同塔雙回設計，其中750千伏哈密變電站至750千伏敦煌變電站的同塔雙回線路長度已達到370公里，線路接地刀閘已超過國家B類接地開關的標準要求，參數已超過了現行標準。
在750千伏輸變電工程驗收調試中，這類開關的動作特性校驗以及運行中與線路高抗側隔離刀閘操作配合上存在著諸多值得分析的技術問題，另一方面由于該類接地開關利潤空間不大，國內一些廠家對這類接地開關的設計及制造工藝不夠重視，成型產品往往可靠性不高，在750烏吐哈輸變電工程現場曾出現了滅弧機構與接地刀閘之間的配合相異性較大的情況，動作特性的優劣很明顯。這類開關的可靠程度，對后期線路維護工作的安全措施的實施至關重要，因此迫切需要督促設備制造廠對產品可靠性重視起來，設計上優化，材料加工上注重工藝控制，共同提高設備的可靠性。
1. 接地開關開合感應電流的基本使用工況
在兩條750千伏平行路徑的架空輸電線中，當其中的某一回停電后，由于其與另一回線路間存在靜電和電磁耦合效應，根據停電線路所處的四種不同狀態，會有四類不同的感應參數：（1）同塔雙回線路兩端接地開關均不接地，由帶電線路對停電線以及對大地之間的電容分壓產生靜電感應電壓。（2）同塔雙回線路兩端接地開關均接地，由帶電線路電流在停電線路上感應的電勢引起的電磁感應環流。（3）一端接地開接地，從運行線與檢修線間的電容經檢修線流入大地的靜電感應電流。（4）一端接地開關接地，運行線電流在檢修線上感應的電磁感應電壓。在這四種參數中，靜電感應電壓取決于線路上的電壓及與帶電線路的耦合系數，感性電流取決于帶電路線中的電流以及與帶電線路的耦合系數(由塔上的線路布置情況決定)。完全同塔架設不換位線路一回線運行，另一回線路停電檢修時流過接地開關的電磁感應電流與運行線路傳輸的功率呈正比，與線路長度的關系并不大，而流過接地開關的靜電感應電流與運行線路傳輸的功率無關，與線路的長度呈正比，在同塔架設線路中還有非同塔架設線路時，靜電感應電流比原同塔架設線路的靜電感應電流大。一端接地的不帶電線路中的容性電流則取決于帶電線路上的電壓與帶電線路的耦合系數以及不帶電線路的接地端和開路端之間的距離。同塔架設的線路，在打開的接地開關斷口間的感性電壓取決于帶電線路的電流與帶電線路的耦合系數以及與帶電線路鄰近的那部分接地線路的長度。對部分同塔架設的線路，在一定的負荷條件下，電磁感應電流的大小與非同塔架設線路長度和同塔架設線路長度的比值有關。
實際線路因三相線路的幾何位置造成其間的互感系數和線間電容的不一致，以及塔型、擋距、地電阻率均不同，與在設計中應根據典型參數有所差別，因此可以用實測修正后檢測計算結果。
2. 接地開關參數的選取
2.1 在接地開關選用中，用于同塔雙回線路的接地開關必須具有能夠維持正常承載容性和感性電流的載流能力，而且還需要具備在當停電線路的一端開路，在線路另一端的接地開關分、合操作時，接地開關能開斷和關合容性電流，或者當停電線路的一端接地，在線路另一端的接地開關分、合操作時，接地開關能開斷和關合感性電流的能力。這就需要對接地開關開斷過程進行分析，下圖1為簡單的開合靜電感應電流的原理圖，為簡化問題，把回路中的電阻假設為零。
2.2 在原理圖中，電源電壓UC(t)=Umsin(ωt+Ф)，接地開關處于合閘位，C1充電，C2短接，L線路電感通過電容電流。當電源電壓UC(t)在t=0時，試品在電流零點開斷靜電感應電流Ic，此時Ф=90°，C1的充電電壓電壓Uc1=E，在C2兩端產生的恢復電壓Ua的數學表達式如下:
Uc2（t）=a｛E-UM#8226;ω1 2ω1 2-ω 2｝cos1 t+a｛E#8226;1（t）-UM#8226;ω1 2ω1 2-ω 2cosω1 t｝
從上式中可見C2上的電壓由兩部分組成:一是由電感L與C1和C2串聯的等值電容C產生的高頻和過程中電容充電產生的直流分量；二是由電源電壓Uc在C2上產生的工頻分量，由于線路中電感L很小，所以高頻分量幅值很小，實際上由于回路電阻的存在，高頻分量衰減很快，所以高頻分量可以忽略，因此C2兩端產生的恢復電壓Ua可簡化為:
Uc2（t）=UMC1C1+C2(1-cosωt)
由上式可知，當接地開關開斷靜電感應電流后，斷口間承受最大電壓可以認為2倍電源電壓峰值在電容C2上的分配值，即為2倍的額定靜電感應電壓值。
基于此原理，設計單位在接地開關參數選擇時也是按照實際兩倍計算靜電感應電壓來確定額定參數，而感應電流則依據運行潮流進行確定。
3. 現行接地開關開合感應電流的現行標準要求
目前行業內對接地開關開合感應電流的標準有兩個，（1）國家標準GB1985-2004《高壓交流隔離開關和接地開關》，（2）國網企業標準Q/GDW106－2003《750KV系統用高壓交流隔離開關技術規范》。標準中根據接地開關開合操作方式的嚴酷程度，將接地開關分為兩類，即A類接地開關和B類接地開關。其中A類接地開關適用于線路比較短或與相鄰帶電線路耦合比較弱的平行線路中，B類接地開關適用于線路比較長或與相鄰帶電線路耦合比較強的平行線路，額定電壓800KV的B類接地開關開合感應電壓電流的能力相當于550KV的B類接地開關開合容性分量能力較小的第一類。
接地開關的額定感應電流和電壓的具體規定參數見表1。
西北750KV輸變電工程由于采用了同塔架設雙回輸電線路，由于輸電距離較遠，帶電線路負荷很大，運行線路在停運線路上產生了較大的電容性和電感性感應電流，其感應電流和感應電壓都基本接近于國家標準關于接地開關的感應電流鼓大開合能力B類的標準值，例如在750烏吐哈輸變電工程中線路接地開關的額定電容性電壓選擇達100KV，超過了標準B類接地開關的額定參數。
4. 接地開關的動作原理
目前750千伏輸變電工程供應超B類接地開關的廠家除了我國三大開關廠、長沙高壓開關有限公司，還有阿海琺（阿爾斯通）隔離開關有限公司，結構原理基本相同，對于A類參數，正常的接地開關目前都可以滿足要求，不需要單獨配特殊的裝置。對于B類接地開關，363KV電壓以上的產品，都需要配置專門的滅弧裝置，因為在規定的電壓和電流下，接地開關在分閘過程中，即使是正常分閘到位，也無法將產生的電弧熄滅，只能靠滅弧裝置滅弧，目前的包括550KV及以下的電網系統中，只需配用12KV的真空斷路器就能滿足要求。
由于在500千伏電壓等級有B類接地開關設備的制造經驗，對于750千伏電壓等級的產品，均是在原500千伏產品B類接地開關的基礎上開發而成，提高了滅弧裝置的絕緣水平和斷流能力。
按照國內各廠產品接地刀閘與滅弧室配合關系，可分為兩大類：
4.1 串聯結構：主要技術特點為接地刀閘與滅弧室為串聯結構，代表廠家有AREVA、河南平高電氣股份有限公司、長沙高壓開關有限公司、新東北高壓電氣有限公司，共同結構為裝在接地閘刀上的具有彈性的輔助觸塔以及安裝在底座上的SF6或真空滅弧室，兩者通過柔性塔連接起來。接地開關合閘時，接地閘刀與輔助觸塔一起從水平位置向上擺，在接近合閘位置時，輔助觸塔先接觸，接著感應電流在滅弧室中接通，而后接地開關主閘刀合閘，持續感應電流由主閘刀承載。接地開關分閘時，主閘刀先分開將感應電流轉移到輔助回路時，主閘刀先分開將感應電流轉移到輔助回路中，先由滅弧室將感應電流切斷，而后輔助觸塔分開，并與主刀一起下擺運動到水平位置。合閘過程表現為電動機構帶電，通過傳動四連塔驅動主接地刀塔從分閘位置旋轉接近合閘位置，此時輔助回路隨主接地刀塔運動，并在主接地刀塔頂部的接地動觸頭距接地靜觸頭不小于400mm時，輔助動觸頭首先與輔助靜觸塔接觸，然后SF6斷路器合閘動作，保證感應電流沿輔助回路接地，在主靜觸頭和主動觸頭之間避免產生電弧。主靜觸頭繼續運動，直至順利插入主靜觸頭內，完成合閘運動。合閘過程表現為分閘過程電動機構帶電，通過傳動四連塔驅動主接地刀塔從合閘位置運動，與主靜觸頭脫開，此時輔助回路隨主接地刀塔運動，并在主接地刀塔頂部的接地動觸頭距接地靜觸頭不小于600mm時，SF6斷路器分閘動作，將感應電流切斷，接著輔助動觸頭與輔助靜觸塔脫開，在主靜觸頭和主動觸頭之間避免產生電弧。主靜觸頭繼續運動，直至順利分閘到位，完成分閘運動。
以河南平高電氣股份有限公司JW8B-800型接地開關為例，結構如圖2：
超B類800接地開關配用的SF6斷路器為電動永磁機構，其分合閘動作的實現是靠電源驅動，區別于B類800接地開關所配用的真空斷路器。
4.2 并聯結構：主要技術特點為接地刀閘與滅弧室為并聯聯結構，代表廠家有西安高壓開關有限責任公司，在750千伏工程中，接地開關使用了126KV等級的六氟化硫斷路器作為開合感應電流的滅弧裝置，以滿足開合超B類電磁感應電流的需要，其技術方案與其他廠家產品不同，原理如圖3、4：
800KV接地開關與單相126KV彈簧操動機構的六氟化硫斷路器串聯后接地，126KV斷路器并聯了126KV接地開關，開斷和關合感應電流則由斷路器來完成，而800KV接地塔和126KV接地接地塔共同組成明顯可見的接地回路。操作順序為合閘時，800KV接地開關合閘到位后，斷路器合閘，最后126KV接地開關合閘；分閘時，126KV接地開關先分閘，斷路器再分閘，最后分閘800KV接地開關，操作順序由三機構間二次控制部分的邏輯關系來實現和保證，而不是利用行程來控制，可靠性較高，但控制回路較為復雜。
5. 超B類接地開關現狀
從西北750工程建設至今工程中所應用的超B類接地開關的使用情況來看，無論串聯結構或是并聯結構，在性能的可靠性上均存在一些問題，例如：在750千伏平涼變電站所使用并聯結構800KV隔離開關出現的事故情況因操作機構問題和開關動、靜觸頭同軸度超差，造成負荷開關不能可靠動作或合閘不到位，在操作過程中無法起到對感應電壓、電流的滅弧作用，致使接地刀主觸頭、輔助觸頭分別出線較嚴重燃弧現象，又如在750千伏烏吐哈輸變電工程中，所使用的幾組串聯結構接地刀閘在工程竣工驗收中，曾多次對彈性觸塔、接地塔與滅弧室進行配合調整后，才完成調試。因此，暴露出產品靠行程控制滅弧室分合閘過程可靠性較差的弱點。
6. 結論
超B類接地開關現存的問題，客觀原因是現行標準對于接地開關跟不上750千伏電網發展的需要，而國內相應的接地開關技術標準和試驗標準、試驗手段也相對滯后，特別是機械特性方面缺乏有效的量化指標。
主觀原因為目前制造企業和電力行業內對于接地開關開合感應電流能力的問題還不夠重視，國內制造廠家開發的產品還僅僅停留在低電壓等級產品的絕緣升級上，對于滅弧結構和接地塔動作配合上的優化上考慮較少，加之該類產品利潤較低，造成了產品可靠性不高的局面。
［文章編號］1619-2737（2011）06-20-163
