林祥輝,王 皓,邵安海

(國網(wǎng)福建超高壓公司,福州 350011)

0 引 言

福建電力公司管轄一座常規(guī)直流站,占地面積較大。該站采用集中控制方式,站內控制保護集中布置于主控樓及其周圍小室?，F(xiàn)場設備均采用長電纜與控制保護設備進行連接通信,控制電纜屏蔽層僅在控制端接地,有效預防因屏蔽層和內部信號線間形成的線電容耦合,減少信號誤判的可能。

目前,多地變電站對長電纜對地分布電容產(chǎn)生的影響做了一定的研究。呂軍蓉等[1]針對梧州變電站冷卻器全停試驗動作不正確現(xiàn)象,分析了長電纜引起的容升效應導致控制繼電器無法返回的問題,并提出更換繼電器安裝位置的有效方法;喬中偉等[2]借助二次電纜對地分布電容的測試數(shù)據(jù)及定量分析計算,發(fā)現(xiàn)了二次電纜對地分布電容會引起開關量的延遲變位,提出了減緩電纜對地分布電容對強電開入回路影響的有效措施;白皓[3]分析了主變發(fā)生直流失地后,長電纜容升效應引起的斷路器誤動作現(xiàn)象,并對此類跳閘事件的防范提出了建議。因此,長電纜對地分布電容導致控制功能失效的情況尤為突出[4]。本工作分析了對地分布電容對戶外隔離開關及接地刀閘的電氣閉鎖回路的影響,試驗分/合閘接觸器的工作狀態(tài),測量實際對地電壓;計算該回路可允許的最長電纜長度;以此探究電氣閉鎖回路中刀閘啟停按鈕失靈的問題。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,本工作提出了一種有效措施,將電氣閉鎖回路接點進行調換,從原電氣閉鎖接線的控制電源N 端整組調換至L 端,使急停按鈕處于電源端與接觸器之間,在按下急停按鈕時,可將接觸器與電源端有效隔離,防止其繼續(xù)勵磁。結果表明,該方法可直接解決因電纜過長導致對地分布電容過大,而使得分合閘接觸器無法失電的問題,對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有著重要意義。

1 現(xiàn)象分析

1.1 站內接線方式

常規(guī)直流站可分為交流場和直流場。其中,濾波器場屬于直流場,共有六大組濾波器組。以一側#64M、#65M 和#66M 三大組濾波器組為例,每個大組包含3 個小組濾波器,如#64M 濾波器組包含5641、5642 和5643 這3 個小組,常規(guī)直流站濾波器組地理接線圖見圖1。

圖1 常規(guī)直流站濾波器組地理接線示意圖

圖1 中虛線框分別為交流場和濾波器場。各個開關間隔控制回路由濾波器室內相對應的接口屏引出,通過長電纜接至各間隔對應控制端子箱。由圖1 可知,5642、5641 和5663 這3 個濾波器小組間隔距離濾波器室較遠,相應的控制電纜較長。

每個大組濾波器均采用單母線接線方式,以#66M 濾波器組為例,電氣接線圖見圖2。

圖2 #66M 濾波器組電氣接線圖

由圖2 可知,該站500 kV 交流側為3/2 接線方式。#66M 濾波器組由交流場GIS 室第5 串引出,并由3 個小組濾波器組成,分別為5661、5662 和5663 開關間隔。每個間隔設備主要包括1 對主/地一體化刀閘、1 個斷路器和1 個接地刀閘等,如5661開關間隔包括1 對主/地一體化刀閘56611 刀閘和566117 接地刀閘、1 個斷路器5661 開關和1 個接地刀閘566127 接地刀閘等。

1.2 異常情況分析

1.2.1 試驗動作不正確現(xiàn)象

對濾波器場各濾波器組隔離開關、接地刀閘及母線地刀進行分/合閘急停試驗,動作分/合即表示刀分閘/合閘。#64M、#65M 和#66M 濾波器組急停實測對地電壓見表1～表3。

表1 #64M、#65M 和#66M 濾波器組動作分/合成功試驗結果

表2 #64M、#65M 和#66M 濾波器組動作分/合失敗試驗結果

表3 #64M、#65M 和#66M 濾波器組母線地刀動作分/合失敗試驗結果

結合圖1 和表1～表3 可知,濾波器場隔離開關56411、56421、56621 和56631 及母線地刀56417、56427、56517 和56617 急?？刂撇僮魇　＝Y果表明,距離濾波器室越遠,各間隔隔離開關急停對地電壓越高,當超過限制約為361 V 后,急停操作失敗;隨著距離增大,各間隔接地刀閘的急停對地電壓也呈上升趨勢,但急停動作依然可以成功;母線地刀動作全部失敗,表明急停對地電壓變化不大,基本一致。

1.2.2 異常情況判斷

以#66M 濾波器組5663 開關間隔為例,隔離開關56631 的電氣閉鎖回路見圖3。其中,X1 為二次屏柜端子排號,A1、B1 為接口屏編號。

圖3 56631 隔離開關電氣閉鎖回路

由圖3 可知,隔離開關56631、5663 開關間隔、566317 和566327 接地開關、#66M 濾波器組母線地刀及交流出線地刀構成電氣閉鎖回路。隔離開關56631 的二次電氣閉鎖回路見圖4。

圖4 隔離開關56631 二次電氣閉鎖回路

結合圖1、圖3 和圖4 可知,控制電源L 端接回路正極。該電氣閉鎖回路由濾波器小室內兩面接口屏引出控制允許接點;經(jīng)過濾波器場開關端子箱的3 對閉鎖節(jié)點;再經(jīng)過母線PT 端子箱1 對地刀閉鎖節(jié)點后,繞回交流場,取得出線地刀閉鎖節(jié)點;最后,經(jīng)過濾波場開關端子箱急停按鈕,接至刀閘機構箱,回到控制電源N 端形成閉環(huán)。

整段閉鎖回路中,急停按鈕工作于長電纜最尾端,串聯(lián)端子接口X1-3:6 至該間隔N 端。為了準確判斷是否由于站內長電纜導致急停操作失敗,將#66M 濾波器組所有隔離開關二次回路接線端X1-3:5 與X1-3:6 對調,對調后,急停按鈕工作于該閉鎖回路電纜首端,線路尾端為濾波器室引出的控制允許信號,重新進行試驗,急停操作均成功,試驗結果見表4。

表4 #66M 濾波器組試驗結果

結合表1 及表4 可知,改接電氣閉鎖回路后,電壓依然隨著距離的增加而增加,但電壓減小約140 V,#66M 濾波器組間隔急停操作全部動作成功。

結果表明,隔離開關的電氣閉鎖回路由濾波器室經(jīng)過濾波器場,并繞回交流場后,再回到濾波器場。使用的電纜過長,導致回路對地分布電容增大;在回路被急停按鈕切斷時,回路對長電纜的對地分布電容進行充電。由于長電纜的對地分布電容較大,其充電電流也相應增大,電流在對地分布電容上產(chǎn)生電壓降。實際測量發(fā)現(xiàn),長電纜的對地電壓在360～380 V 之間,接觸器仍處于被勵磁的狀態(tài),隔離開關繼續(xù)執(zhí)行操作,無法急停。

母線接地刀閘電氣閉鎖回路不僅經(jīng)過濾波器場每個大組中3 個小組濾波器的開關端子箱,還繞回交流場后執(zhí)行閉環(huán),電纜長度較隔離開關更長。各開關間隔接地刀閘電氣閉鎖回路并不經(jīng)過交流場,且急停動作均能成功,因此,不再對母線地刀及接地刀閘進行分析。

2 等效回路分析

長電纜對地分布電容抬高電壓導致急停按鈕失靈。針對回路全長可控變量的接觸器,應測量其前后電壓,再根據(jù)實測電容進行具體分析。

在三相回路中,長電纜對地分布電容示意圖見圖5[5],其中,ia、ib、ic為三相電容電流;XC為對地容抗。

由圖5 可知,在三相回路中,每一相都存在1 組對地分布電容。

已知接觸器線圈電阻為350 Ω,線圈電感為120.85 H。電纜對地分布電容與接觸器線圈阻抗等效為一個RLC 串聯(lián)電路,等效電路見圖6[6]。

圖6 RLC 等效電路圖

根據(jù)等效電路的電流電壓關系可得

式中:UC端電壓為對地分布電容C的電壓,V;U為電路兩端電壓,V;Z為等效阻抗,Ω;ω為角頻率,等于2πf,f為頻率;R為接觸器電阻,Ω;XL為接觸器感抗,Ω;XC為對地容抗,Ω。

在UC點測量回路對地分布電容,控制回路對地分布電容測量結果見表5。

表5 控制回路對地分布電容測量結果

由表5 計算的各間隔對地分布電容電壓見表6。

表6 電壓計算結果

結合表1、表2 和表6 的試驗結果,可得實測電壓與計算電壓的變化曲線,見圖7。

圖7 實測電壓與計算電壓變化曲線

結合圖1 與圖7 可知,距離越遠,電纜越長,電壓的測量結果與計算結果均呈上升趨勢。測量結果與計算結果的變化趨勢相同,對應兩者電壓大小接近。結果表明,接觸器的高電壓是由于電纜存在較大的對地分布電容,其與接觸器的阻抗串聯(lián)形成RLC 回路,回路電壓在等效電容上產(chǎn)生高電壓。

3 工程最大電纜長度計算

為確定現(xiàn)場工程電纜的實際允許范圍,施工前通常會在一定誤差范圍內進行理論計算。

對地分布電容參數(shù)工程上通常取λ=0.3 μF·km-1[7]。圖6 等效電路關系為

式中:ZC為線圈阻抗,取R+XL,Ω;Ua為接觸器線圈兩端電壓差,V;L為電纜長度,m;C為對地分布電容,μF。

電纜長度L與接觸器阻抗及線圈兩端電壓的關系為[8]

式中:k為接觸器最低返回電壓與工作電壓的比值,即k=Ua/U。

在工程實際應用中保留一定安全裕度的情況下,式(8)可簡化為

采用保護測試儀對急停交流接觸器進行測量。計算平均最低動作電壓Uop,min、最小返回電壓Ur,min。測得動作電壓平均值為193.6 V,返回電壓平均值為136.4 V,接觸器最低返回電壓Ur,min為136.4 V,即k=0.64,且線圈阻抗ZC為8.74 kΩ,則理論計算得到電纜敷設距離L最長為683.8 m。

試驗隔離開關及接地刀閘電纜敷設長度見表7。

表7 各間隔電纜敷設長度

由表7 可知,在電纜長度不小于683.8 m 時,隔離開關56411、56421、56621、56631 的對地分布電容分別為135.22,135.23,136.4,134.72 nF,均不大于返回電壓平均值,動作不返回,對控制回路產(chǎn)生明顯影響,使得刀閘無法進行指令動作;而電纜長度小于683.8 m 時,不會對控制回路產(chǎn)生影響。

4 采取措施

基于上述異常分析,該直流站濾波器場的隔離開關和母線地刀控制回路異常是由于控制電纜長度過長,對地分布電容較大。開斷控制回路后,電纜對地分布電容與控制繼電器阻抗形成RLC 串聯(lián)電路,在電源激勵下對地分布電容抬升接觸器N 端電壓,導致接觸器不能返回,從而導致急停按鈕失靈。

針對長電纜對地分布電容對控制回路的影響,可采取以下措施。

1)將電氣閉鎖回路進行調換,從原接線的電源N 端整組調換至電源L 端,使急停按鈕處于電源端與接觸器之間,本案例即采用此種方式,解決急停按鈕失靈的缺陷,改進后的56631 二次回路見圖8。在按下急停按鈕時,可將接觸器與電源端有效隔離,接觸器失去正電源,即RLC 回路失去激勵源,接觸器電源端不會產(chǎn)生電壓,接觸器得以返回。

圖8 改進后的56631 二次回路圖

2)更換返回電壓更高的接觸器,避開直流站內會產(chǎn)生的最大電容電壓,使急停動作返回。

3)控制電纜用雙芯并聯(lián),可利用備用芯并聯(lián)以改善控制回路電纜分布電容參數(shù),減小對地分布電容。

5 結束語

本工作對福建省常規(guī)直流站濾波器場隔離開關及母線接地刀閘急停失靈進行了分析。結果表明,長電纜對地電容與回路控制繼電器形成串聯(lián)RLC電路,在特定情況下控制接觸器不返回,從而影響控制回路的正?？刂?通過計算,研究了電力系統(tǒng)控制回路電纜長度對控制效果的影響,提出修改電氣閉鎖回路、選用動作電壓較高的接觸器、控制電纜雙芯并聯(lián)等措施,以改善控制回路參數(shù),并執(zhí)行第一種方案,從而提高控制回路可靠性,保證電力系統(tǒng)安全可靠運行。