變電站站用交流電源典型配置及剩余電流保護(hù)問題研究

劉 炬，廖 玄，羅皓文，楊 旭，徐 達(dá)

(1.國網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

變電站站用交流電源的安全可靠運(yùn)行是變電站內(nèi)各種電力設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障[-2]。若站用交流電源系統(tǒng)失壓，不僅會對變電站內(nèi)各種設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行安全造成極大影響，還可能導(dǎo)致越級跳閘、大面積停電等嚴(yán)重后果[3]。

隨著電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展及變電站綜合自動化程度的提高，站用交流電源系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)行設(shè)計上都發(fā)生了巨大的變化。針對220 kV變電站站用交流電源系統(tǒng)的配置及其安全可靠運(yùn)行問題，文獻(xiàn)[3]對站用交流電源系統(tǒng)的配置、運(yùn)行方式及管理措施的實(shí)施情況進(jìn)行了分析探討，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]基于站用交流電源系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，提出站用交流電源系統(tǒng)改造實(shí)施要點(diǎn)及注意事項。文獻(xiàn)[6]針對傳統(tǒng)站用電存在的問題闡述了變電站站用交直流一體化電源的技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計方案，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用論述了一體化電源的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[7]針對湖北電網(wǎng)變電站站用交直流電源系統(tǒng)重點(diǎn)研究了隱患排查的內(nèi)容和依據(jù)，提出了站用交直流電源系統(tǒng)隱患整改的措施和建議。文獻(xiàn)[8]針對變電站站用交流電源自身特點(diǎn)及現(xiàn)存的問題，對站用交流電源接地方式及剩余電流測量方式展開研究。

以上關(guān)于變電站站用交流電源的研究主要集中在2個方面，一是站用交流電源的系統(tǒng)配置和改造方法研究，二是站用交流電源的隱患分析和對策研究。但這些文獻(xiàn)都是基于變電站內(nèi)現(xiàn)有站用交流電源系統(tǒng)進(jìn)行分析，并沒有結(jié)合其發(fā)展歷程對其系統(tǒng)性展開深入研究，也沒有結(jié)合站用交流電源系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對特定情況下的隱患針對性地提出解決措施，無法指導(dǎo)運(yùn)檢部門及時開展針對性的檢修及除缺工作。本文對此進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出具體建議。

1 站用交流電源系統(tǒng)概況

1.1 站用交流電源系統(tǒng)供電范圍

站用交流電源系統(tǒng)為變電站全站交直流負(fù)荷提供電源，主要包括站用交流電源、站用直流電源、站用不間斷電源和通信電源4部分。站用交流電源系統(tǒng)主要供給以下負(fù)荷：微機(jī)監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，火災(zāi)監(jiān)測、泡沫噴淋系統(tǒng)，保護(hù)屏內(nèi)打印機(jī)、照明負(fù)荷，系統(tǒng)調(diào)度通信系統(tǒng)，站區(qū)照明、動力箱、檢修箱，主變風(fēng)冷系統(tǒng)，充電機(jī)，不間斷電源，端子箱內(nèi)加熱器負(fù)荷，斷路器、隔離開關(guān)分合閘操作負(fù)荷等。

1.2 站用交流電源系統(tǒng)接線方式

220 kV變電站站用交流電源系統(tǒng)多采用非典型TN-S系統(tǒng)接線方式，即零線僅在站變低壓側(cè)中性點(diǎn)或站變交流進(jìn)線屏處直接接地，用電設(shè)備外殼直接與接地網(wǎng)連接，如圖1所示。

圖1 非典型TN-S系統(tǒng)

1.3 站用交流電源系統(tǒng)接地現(xiàn)狀及存在的問題

在站用交流電源系統(tǒng)接線方式為非典型TN-S系統(tǒng)時，當(dāng)站用交流電源系統(tǒng)N線重復(fù)接地，地網(wǎng)中會流過一定的不平衡電流，導(dǎo)致以下問題：①該電流以大地為通路返回電源，可能腐蝕地網(wǎng)、地下鋼筋或金屬管道等金屬部分；②該電流將產(chǎn)生雜散電磁場，可能干擾信息技術(shù)設(shè)備的正常工作；③該電流可使電氣裝置內(nèi)的剩余電流火災(zāi)報警器拒動或誤動。

2 站用交流電源系統(tǒng)發(fā)展歷程

2.1 傳統(tǒng)配置的站用交流電源系統(tǒng)

傳統(tǒng)配置的站用交流電源系統(tǒng)如圖2所示，其中站用交流電源、站用直流電源、站用不間斷電源和通信電源一般采用相互獨(dú)立分散設(shè)置的方式，設(shè)備由不同的供應(yīng)商提供，且分屬不同的部門管理。

圖2 傳統(tǒng)配置的站用交流電源系統(tǒng)

傳統(tǒng)配置的站用交流電源系統(tǒng)存在以下問題。

a.功能重復(fù)配置，一次性投資大。直流電源、通信電源、UPS電源分別配置一套蓄電池，浪費(fèi)嚴(yán)重，各屏柜外存在大量二次接線，設(shè)計和生產(chǎn)的成本高、工作量大、周期長，交直流系統(tǒng)分離，無統(tǒng)一信號接口，需各自配備監(jiān)控裝置。

b.長期維護(hù)成本高，難度大。每套系統(tǒng)需要各自對應(yīng)的專業(yè)人員維護(hù)，協(xié)調(diào)困難，效率低下，柜間二次連線過多，增加維修成本。

c.管理分散，可靠性不高。由不同供應(yīng)商提供的交直流控制電源產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的接口規(guī)范和監(jiān)控設(shè)備，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能共享，難以實(shí)現(xiàn)對整個交直流控制電源設(shè)備的系統(tǒng)分析維護(hù)和一體化信息管理。

2.2 一體化配置的站用交流電源系統(tǒng)

目前，變電站站用交流電源基本采用一體化電源設(shè)備。一體化電源設(shè)備是指將直流電源、電力用交流不間斷電源(UPS)和電力用逆變電源(INV)、通信用直流變換電源(DC/DC)等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組，并統(tǒng)一監(jiān)控的成套設(shè)備，如圖3所示。

圖3 一體化配置的站用交流電源系統(tǒng)

一體化配置的站用交流電源系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)，模塊化結(jié)構(gòu)，組屏簡單，配置靈活，統(tǒng)一化管理，冗余備份方式，極大提高了系統(tǒng)的可靠性，特點(diǎn)如下。

a.電力電源網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化程度更高。建立了統(tǒng)一站用電源管理平臺，解決了站用電源信息共享問題，采用IEC61850實(shí)現(xiàn)了與變電站自動化系統(tǒng)的接口。

b.電力電源更加安全可靠。“UPS蓄電池+操作蓄電池組+通信蓄電池組”合并一體配置，減少了蓄電池組配置組數(shù)，簡化基建設(shè)計，同時解決UPS電池和通信蓄電池的日常維護(hù)和管理問題。

c.提高電力電源管理水平。一體化電源便于集中管理全站電源系統(tǒng)，提供電源的整體管理水平，將交流電源、通信電源、UPS、應(yīng)急照明等納入變電的巡檢范圍，便于對信息進(jìn)行綜合分析，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，且利于維護(hù)，降低了設(shè)備維護(hù)運(yùn)行成本。

3 站用交流電源系統(tǒng)剩余電流保護(hù)

3.1 剩余電流保護(hù)的意義

電氣火災(zāi)分為2種：一是金屬短路引起的火災(zāi)，二是絕緣損壞爬電電弧引起的火災(zāi)。第一種情況可通過短路保護(hù)防護(hù)，第二種情況由于電弧電阻的存在，電弧故障電流較小，無法通過短路保護(hù)防護(hù)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50054—2019《低壓配電設(shè)計規(guī)范》推薦采用剩余電流裝置進(jìn)行電氣火災(zāi)防護(hù)。工業(yè)及民用建筑領(lǐng)域采用的告警裝置也多采用剩余電流監(jiān)測裝置。

3.2 剩余電流保護(hù)的原理

剩余電流保護(hù)原理如圖4所示，圖中IA、IB、IC為流過用電設(shè)備的三相相電流，IN為中性線電流，IG為用電設(shè)備流向大地的電流。根據(jù)基爾霍夫電流定律，流入任意封閉面的電流有效值的相量之和等于零，則有IA+IB+IC-IN-IG=0，整理得IG=IA+IB+IC-IN。正常情況下，三相電流的矢量和與N線上流過的電流大小相等、方向相反，相互抵消，此時用電設(shè)備流向大地的電流IG為零；如果線路絕緣發(fā)生劣化或其他原因?qū)е码娏υO(shè)備產(chǎn)生對地電流，則通過測量IA、IB、IC、IN的值，可計算出剩余電流IG的大小，從而正確反映出低壓配電線路及電氣設(shè)備中電流的泄漏情況。傳統(tǒng)意義上的剩余電流保護(hù)是用于人身安全的，定值一般在30 mA，作用于開關(guān)跳閘；防范電氣火災(zāi)的定值要大得多，國際要求300 mA，且僅作用于告警。

圖4 剩余電流保護(hù)原理圖

3.3 剩余電流保護(hù)的問題

變電站利用剩余電流監(jiān)測電纜絕緣情況存在2方面的問題，一是現(xiàn)有國標(biāo)、行標(biāo)關(guān)于N線重復(fù)接地問題要求不一致。二是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對雙電源裝置共N問題沒有明確規(guī)定。

關(guān)于N線重復(fù)接地問題，華北設(shè)計院按GB/T 50065標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，全站PEN線或N線只在總配電屏上一點(diǎn)接地，后面不再重復(fù)接地，PE線做重復(fù)接地。而西南、華東設(shè)計院按DL/T 5155標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，PEN線在后端分出N線和PE線，在分開點(diǎn)N線和PE線也連在一起重復(fù)接地。

關(guān)于雙電源裝置共N問題，國內(nèi)目前沒有明確規(guī)程規(guī)定雙電源是否應(yīng)該共N或是N線隨電源同時切斷。但I(xiàn)EC 60364-5-53《建筑物電氣裝置標(biāo)準(zhǔn) 第5部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝，第53章：開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》第536.5.1條規(guī)定：“裝置的每個部分都應(yīng)獨(dú)立設(shè)置功能開關(guān)電器，功能開關(guān)電器不必控制回路中的所有帶電導(dǎo)體，單極開關(guān)電器不應(yīng)安裝在中性導(dǎo)體上，除非因操作控制電器(如傳感器、燈具控制裝置、調(diào)光器、遙控開關(guān)等)所必要，其線導(dǎo)體不能切斷”。此外，文獻(xiàn)[9]中明確3極或4極開關(guān)的采用，應(yīng)避免在中性線上出現(xiàn)不期望電流，“應(yīng)使中性線電流只能沿本回路途徑返回正常供電電源”。因此對于變電站的情況雙電源裝置應(yīng)采用4極切換裝置。

4 站用交流電源系統(tǒng)斷路器安裝型式

考慮到目前變電站站用交流電源系統(tǒng)接線方式都為非典型TN-S系統(tǒng)，即站用交流電源系統(tǒng)僅在站變低壓側(cè)中性點(diǎn)處或交流進(jìn)線屏處接地，以此為基礎(chǔ)對4P斷路器或切換裝置安裝進(jìn)行可行性分析。

4.1 單電源回路改造分析

變電站內(nèi)站用交流大多數(shù)是單電源回路，如設(shè)備區(qū)檢修箱電源、路燈電源等，當(dāng)單電源回路N線有重復(fù)接地時，應(yīng)將重復(fù)接地點(diǎn)拆除以解決站用交流電源系統(tǒng)N線重復(fù)接地時出現(xiàn)的問題。但應(yīng)注意，三相電機(jī)總空氣斷路器不能帶漏電保護(hù)，因為三相電機(jī)的信號燈、控制回路等是用兩相電或單相電，三相電流不平衡，任何時候都可能達(dá)到漏電跳閘電流，造成漏電保護(hù)裝置誤判跳閘，降低運(yùn)行的可靠性，故此類回路應(yīng)裝設(shè)3P空氣斷路器或不帶漏電保護(hù)功能的4P空氣斷路器。

4.2 雙電源共零回路改造分析

當(dāng)雙電源回路N線重復(fù)接地時，應(yīng)將重復(fù)接地點(diǎn)拆除以解決站用交流電源系統(tǒng)N線重復(fù)接地時出現(xiàn)的問題。此外，雙電源共零回路在單點(diǎn)接地的情況下，其下級斷路器或電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4P空氣斷路器或4P電源轉(zhuǎn)換開關(guān)。下級電源轉(zhuǎn)換開關(guān)為3P空氣斷路器時，主供電源的三相不平衡電流將存在分流，導(dǎo)致測試所得電流值不能真實(shí)反映該饋出線的實(shí)際剩余電流，此時零線分流原理如圖5(a)所示。改造后的原理圖如圖5(b)所示，此時主供電源的三相不平衡電流只從自身零線流回，不存在分流現(xiàn)象。

(a)改造前雙電源3P共零切換回路

4.3 安裝4P斷路器或切換裝置利弊及注意事項

4.3.1 安裝4P斷路器或切換裝置的好處

要使變電站站用交流電源系統(tǒng)剩余電流保護(hù)有效，必須確保以下2點(diǎn)：①N線沒有重復(fù)接地；②將雙電源共零回路的3P斷路器或切換裝置改為4P斷路器或切換裝置以保證供電電源僅從自身N線流回。以上2個目的強(qiáng)調(diào)的是同一點(diǎn)，即“應(yīng)避免工作電流流過不期望的路徑”，而這正是之后在變電站站用交流電源系統(tǒng)安裝剩余電流監(jiān)測(保護(hù))系統(tǒng)的前提條件。

以此為基礎(chǔ)，可知4P斷路器或切換裝置在雙電源共零回路中的正確安裝的重要性——避免N線上出現(xiàn)不期望電流，使N線電流沿本回路途徑返回正常供電電源。因此，得出結(jié)論正確合適地安裝4P斷路器或切換裝置對今后安裝剩余電流監(jiān)測(保護(hù))系統(tǒng)是極其必要的。

4.3.2 安裝4P斷路器或切換裝置的弊端

在雙電源回路中采用4P斷路器或切換裝置切斷本側(cè)電源回路N線，可保證N線電流沿本回路途徑返回正常供電電源。但由于在N線上增加了一對活動連接點(diǎn)和上下2個進(jìn)出線端子的固定連接點(diǎn)，增大了斷零的風(fēng)險。此外，4P開關(guān)產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)上有如下要求：在斷開時先斷3個相線觸頭，后斷開N線觸頭，在合上時應(yīng)先合上N線觸頭，后合上3個相線觸頭，以避免操作瞬間斷零。

4.3.3 安裝4P斷路器或切換裝置時的注意事項

綜上所述，建議僅在雙電源回路更換4P斷路器或切換裝置，這樣既可保證N線電流沿本回路途徑返回正常供電電源，也在某種程度上盡量少在回路中串入了開關(guān)和觸頭，減少了斷零風(fēng)險。

變電站內(nèi)雙電源共零回路大致有主變風(fēng)冷電源、設(shè)備區(qū)配電裝置電源、交流綜合柜電源等。雙電源共零回路中安裝4P斷路器或切換裝置時應(yīng)注意：盡量在一次設(shè)備停電檢修時更換4P斷路器或切換裝置，從而不影響一次設(shè)備的正常運(yùn)行；可通過在不停電時切換供電電源來安裝未供電電源回路4P斷路器或切換裝置，此時應(yīng)斷開饋線屏處未供電電源側(cè)斷路器，且對于雙電源共零點(diǎn)壓接在一處的情況，在解開未供電電源回路的N線時，應(yīng)注意勿使供電電源回路的N線出現(xiàn)斷零；新安裝的雙電源共零回路應(yīng)在初始安裝時一次性安裝4P斷路器或切換裝置。

5 結(jié)語

本文針對變電站站用交流電源發(fā)展歷程及存在問題展開如下研究：將變電站站用交流電源系統(tǒng)分為站用交流電源、站用直流電源、站用不間斷電源和通信電源4部分，總結(jié)歸納了站用交流電源系統(tǒng)供電范圍；系統(tǒng)闡述了站用交流電源系統(tǒng)在非典型TN-S系統(tǒng)接線方式下存在的問題，并就傳統(tǒng)配置和一體化配置的站用交流電源系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比對；針對站用交流電源系統(tǒng)剩余電流保護(hù)的問題，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分別對站用交流系統(tǒng)的單電源供電方式和雙電源供電方式下低壓斷路器的安裝型式展開研究，并提出具體建議，以供參考。