火電廠電氣運(yùn)行中接地故障分析及處理方法

王沛然

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315700)

配電網(wǎng)是配電中心的核心，在電力技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下亟需注意電器運(yùn)行中的故障問題，而接地故障是電氣運(yùn)行中最常見的故障。接地故障產(chǎn)生的原因有兩種，一是相電壓與線電壓之間的電壓不平衡，由于有故障的一側(cè)電壓突然降低，致使另一側(cè)電壓突然升高而發(fā)生故障，這種現(xiàn)象往往是由于高電阻接地而導(dǎo)致的；二是線電壓隨著原本未發(fā)生故障的線路一起升高，這種現(xiàn)象往往是由于完全接地所導(dǎo)致的，完全接地使故障線路的電壓驟然減為零[1]。在進(jìn)行故障檢查時(shí)，如果故障點(diǎn)難以查出，則需要改變供電方式或轉(zhuǎn)移負(fù)荷，判斷此時(shí)有無斷路器、是否承載著空載電路，將母線的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)化成與線路并行的狀態(tài)，再進(jìn)行故障點(diǎn)的篩查，進(jìn)而找出隱蔽的故障點(diǎn)。

1 火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障分析

隨著功耗的不斷增加，火電廠的規(guī)模也在進(jìn)一步擴(kuò)大，火電廠接地容量越來越大。非線性電感的負(fù)載變壓器和電磁電壓互感器中的總電感遠(yuǎn)大于總?cè)菘梗译姶抛儔浩魍ǔＪ褂贸跫壘€圈的中性點(diǎn)直接接地[2]，當(dāng)單相接地、運(yùn)行切換或者遭遇雷擊時(shí)，通常會發(fā)生鐵磁諧振，并且在產(chǎn)生諧振的過程中出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，線路電壓達(dá)到平時(shí)的三倍以上，很容易導(dǎo)致避雷器爆炸、絕緣閃絡(luò)以及電氣設(shè)備損壞等情況。

部分火電廠選擇三角形接線方法，這種接線方式由于沒有零線具有一定的優(yōu)勢，但會導(dǎo)致火電廠的接地容量增加，如果火電廠電氣運(yùn)行裝置發(fā)生瞬時(shí)單相接地，會產(chǎn)生無法斷開的電弧，并且在電弧長度達(dá)到一定值時(shí)，火電廠的電氣裝置各相之間會發(fā)生短路，斷路器會跳閘。

視線系統(tǒng)的操作區(qū)域相對較寬，操作環(huán)境也非常不同，雷擊等情況很容易發(fā)生危害視線操作的事故，因此不僅要防止直接雷擊對火電廠電氣裝置外觀的影響，而且要注意防范感應(yīng)過電壓造成的損害，確保電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行。此外，避雷設(shè)施的老化、低雷電抗性和低絕緣性也容易導(dǎo)致雷電災(zāi)害引發(fā)的接地故障，威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2 火電廠電氣運(yùn)行中接地故障處理方法設(shè)計(jì)

2.1 建立火電廠配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

火電廠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型種類較多，環(huán)形拓?fù)涫禽^常選取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可靠性較高，識別速度較快。

各種電源和負(fù)載(如AC系統(tǒng)，AC和DC負(fù)載，新能源發(fā)電廠和能量存儲設(shè)備)通過不同類型的適配器連接到該級別的配電網(wǎng)絡(luò)，具體取決于每個(gè)電源的需要。將各種電源產(chǎn)生的電能通過逆變器轉(zhuǎn)換后，變?yōu)橄鄳?yīng)電壓的DC電源，DC電源通過分支布線分配到每個(gè)負(fù)載端子。轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)實(shí)時(shí)需要靈活地切換其在各種儲能裝置快速充放電的過程，以達(dá)到雙向能量流動的效果。

構(gòu)建的火電廠配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型必須根據(jù)原有電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)配置，原有的交流配電網(wǎng)線電壓的有效值可以根據(jù)配電網(wǎng)的極間電壓計(jì)算，大部分火電廠均采取三相三線制，可將現(xiàn)有的運(yùn)行方式利用中性線分隔開，考慮實(shí)際金屬接地的情況設(shè)計(jì)火電廠配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

本方法在綜合設(shè)置火電廠電壓和線路后，分析火電廠供電能力，并結(jié)合電壓實(shí)際穩(wěn)定性進(jìn)行載流容量分析，即首先進(jìn)行線路傳輸制約分析，對比不同狀態(tài)下的供電容量變化，結(jié)合線路的實(shí)際功率進(jìn)行線路絕緣強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在電壓等級不變的情況下，雙極雙線制的傳輸功率較高，在接地時(shí)很容易出現(xiàn)電壓損失問題，此時(shí)可以進(jìn)行配電網(wǎng)換流功率計(jì)算，分析線路損耗，測試標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下火電廠的配電傳輸效率。

火電廠配電線路額定電壓與負(fù)載系數(shù)具有重要的聯(lián)系，因此在傳輸功率發(fā)生變化時(shí)，線路的功率也會發(fā)生相應(yīng)的改變，一旦線路末端的電壓值與線路的額定電壓相擬合，則需要改變線路電阻和配電線路長度，計(jì)算此時(shí)的功率系數(shù)，保證線路損耗分析的有效性，對后續(xù)的火電廠接地故障處理具有一定的幫助。

2.2 消除火電廠電氣運(yùn)行中的不平衡電壓

電力系統(tǒng)的不對稱故障包括配電網(wǎng)中的AC不對稱故障和DC單極接地故障，配電網(wǎng)中的DC電壓都是不平衡的，即正極和負(fù)極的絕對值均不等于地面絕對值。換流變壓器的接地方法與擊穿后不平衡電壓的消除密切相關(guān)，本部分對不平衡電壓的形成和消除過程進(jìn)行了理論分析，為單極接地的分析提供了良好的基礎(chǔ)和渠道。如果換流變壓器采用指定的連接方法，則由于消除了不對稱誤差之后，直流等效電路中沒有回路，因此受控直流電源的電壓保持不變，不平衡電壓也不會改變，在這種情況下需要消除火電廠電氣運(yùn)行過程中的不平衡電壓，保證火電廠電氣運(yùn)行的穩(wěn)定性。

根據(jù)火電廠的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置正極對地電位和負(fù)極對地電位，根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不平衡電壓轉(zhuǎn)換，設(shè)置VSC對地函數(shù)，并將函數(shù)的初始參數(shù)設(shè)置為0，此時(shí)換流器交流側(cè)存在出口電位。為了提高不平衡電壓的消除效果，處理過程中可以進(jìn)行受控交直流電源劃分，根據(jù)交流源的基波有效值設(shè)計(jì)等值電路，劃分等效電感，在實(shí)際處理過程中換流變壓器可能會產(chǎn)生不對稱故障，需要消除等值電路中的回路，保證電源電壓的穩(wěn)定性，全面消除誤差因子。

在不平衡電壓的消除過程中，應(yīng)用最多的是換流變壓器。已知在火電廠電路發(fā)生故障時(shí)，其零序電流分量會發(fā)生重要改變，因此為消除零序電流的重要影響，需要設(shè)置調(diào)制阻斷電路。在保證電力系統(tǒng)實(shí)際傳遞路徑的基礎(chǔ)上將故障消除，對此時(shí)發(fā)生的單極接地故障進(jìn)行瞬態(tài)處理，選取正確的RL負(fù)載，降低不平衡電壓的處理難度。

一旦發(fā)生正極接地故障，需要立刻將火電廠內(nèi)部配電網(wǎng)進(jìn)行等值化處理，結(jié)合故障線路內(nèi)部的電感數(shù)值進(jìn)行正極接地平衡。根據(jù)電容的二階參數(shù)可以計(jì)算故障點(diǎn)的實(shí)際位置，若故障點(diǎn)與換流站距離較近，則此時(shí)的二階參數(shù)數(shù)值較高，故障電路回流接地電阻下降，振幅降低，放電電流也會隨之降低，反之故障點(diǎn)與換流站距離較遠(yuǎn)時(shí)，二階參數(shù)值較小，故障電路回流接地電阻上升，振幅增加，放電電流也隨之增加。

2.3 實(shí)現(xiàn)火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障處理

在火電廠電器運(yùn)行的故障處理中，需要注意變壓器中性電阻的影響，在直流側(cè)中點(diǎn)選擇大電阻接地。在改變轉(zhuǎn)換器中性點(diǎn)電阻值的前提下，對金屬單極接地故障的發(fā)生進(jìn)行了許多模擬。對仿真結(jié)果的分析表明，在單極接地故障的情況下，當(dāng)中性點(diǎn)電阻為特殊值時(shí)，雙視圖仿真系統(tǒng)具有相對較好的工作條件。此時(shí)，即使發(fā)生擊穿故障，電壓也能保持穩(wěn)定，這種現(xiàn)象有利于向負(fù)載連續(xù)供電。中性點(diǎn)電阻器的故障電流是理想的，并且不會干擾周圍的通信線路，既不影響繼電器保護(hù)，又能滿足個(gè)人設(shè)備的安全要求，并且故障電極電流也很小，可以很好地保護(hù)一些對過電流敏感的設(shè)備。消除接地故障后，電容器的充電電流也變得理想化，對于快速去除正負(fù)電容器上的不平衡電壓并恢復(fù)對稱性非常有效。

在火電廠接地故障的實(shí)際處理過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)由于故障電流數(shù)值超標(biāo)導(dǎo)致的欠阻尼放電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了線路的穩(wěn)定性。可以利用直流電壓的暫降過程，降低整機(jī)電容器的電流和電壓，保證火電廠運(yùn)行過程中的充放電穩(wěn)定性。在控制系統(tǒng)工作的過程中，火電廠的額定工作電壓可能隨時(shí)發(fā)生變化，為了避免電壓變化帶來的火電廠接地故障，可以設(shè)置RLC二階回路阻尼交換，根據(jù)換流器允許的最大值設(shè)置故障電流回路，并保持該數(shù)值始終不變，從而消除不平衡電壓。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障分析及處理方法能否有效地分析和處理火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障，以及其分析和處理故障的時(shí)間是否低于傳統(tǒng)的方法，分別檢測兩種方法分析故障和處理故障的時(shí)間，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取S0imlink進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。按照圖1所示的火電廠配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，未加入分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)與直流變壓器等模型，記錄兩種方法分析和處理故障的時(shí)間。

由圖1可知，配電網(wǎng)中的電源通過換流變壓器轉(zhuǎn)換為交流電。根據(jù)上述配電網(wǎng)示意圖選取火電廠接地故障測試線路，為了保證實(shí)驗(yàn)的測試效果，本研究選取了過渡電阻值不同的10條線路進(jìn)行研究，線路組成如表1所示。

圖1 配電網(wǎng)示意圖 Fig.1 Sketch map of power distribution network

表1 實(shí)驗(yàn)線路組成Tab.1 Constitute of experiment line

由表1可知，選取的實(shí)驗(yàn)線路符合后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測試需求，可以根據(jù)目前線路的狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)的接地故障處理實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取10條故障線路，分別記錄其使用傳統(tǒng)的故障分析處理方法以及本研究設(shè)計(jì)的故障處理和分析方法使用的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results

由表2可知，本研究設(shè)計(jì)的火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障分析及處理方法能夠有效地分析和處理火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障，且分析和處理故障的時(shí)間均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的分析處理方法，具有高效性。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的火電廠電氣運(yùn)行中的接地故障分析及處理方法可以有效地分析電氣運(yùn)行中的接地故障，并且可以對故障進(jìn)行及時(shí)處理。實(shí)驗(yàn)表明，本研究設(shè)計(jì)的方法在故障分析和故障處理的時(shí)間方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的方法，因此具有高效性。但由于實(shí)驗(yàn)的次數(shù)有限，可能還存在其他的問題，仍需要不斷改進(jìn)和完善。