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中压/低压变电站的建设程序——中压配电网的供电特征

发布日期:2016/06/01已有 3011 人浏览

说明供电系统的主要特征包括:

●   标称电压和相关的绝缘水平;

●   短路电流;

●  工厂装置和设备的额定电流;

●  接地系统。

标称电压和相关的绝缘水平

系统或设备的标称电压按照 IEC 60038 的定义“为系统或设备所指定的并有某些运行特性的电压”。接近相关标称电压的是设备的最高电压,它对应于在正常工作频率时的绝缘水平,其他的特征在有关的设备导则中有所阐述。

“设备的最高电压”按照 IEC 60038 的定义如 下:

“正常运行条件下系统中任何时候和任何一点的设备可能使用的最高电压,它不包括电压瞬变,诸如系统通断操作和暂态电压的变化”。

注:
1. 只对标称系统电压大于 1000 V 的设备,才标出其最高电压。可以理解为特别是对于某一标称系统电压,设备正常运行时是不能保证达到该设备的最高电压的,这涉及到对电压的敏感特性诸如电容器的损耗、变压器的电磁涌流等。此时,IEC 标准规定该设备可以保证正常运行的限值。

2. 显而易见,拟用于系统标称电压不大于 1000 V 的设备,仅宜参照其标称系统电压规定其运行和绝缘水平。

3. IEC 60038 给出的关于“设备的最高电压”相同于 IEC 60694 给出的“额定电压”。IEC 60694 是关于电压大于 1000 V 的开关柜的产品标准。

图表B1 中的数值引自 IEC 60038,列出中压配电最常用的电压等级以及对应于“设备的最高电压”相关的标称电压。

除非另有说明,这些系统通常是三线制系统。表中的数值是指相间电压。

括号中的数值宜视为非推荐的电压等级。建议该电压等级不宜用于将来建设工程的新系统。

系统 I (用于 50 Hz 60 Hz)

系统标称电压

设备的最高电压

(kV)

(kV)

 

3.3 [4]

[4]

3.6 [4]

6.6 [4]

[4]

7.2 [4]

11

10

12

-

15

17.5

22

20

24

33 [5]

-

36 [5]

-

35 [5]

40.5 [5]


图表B1: 标称系统电压和设备最高电压之间的关系[4] 这些电压等级不宜用于公用配电系统。
[5] 这些电压等级的统一化正在考虑之中。

建议在任何一个国家内两个相邻的标称电压的比值不宜小于 2。

为了保证设备的异常短时工频过电压以及由于雷击、通断操作和系统故障情况等引起的瞬态过电压的保护更为完善,所有中压设备必须规定具有适当的额定绝缘水平。

开关设备

图表B2引自 IEC 60694,并列出“耐受”电压要求的标准值。图表B2 中的第 1 栏和第 2 栏中的选择,取决于暴露于雷击的程度和通断操作的过电压 [1]、中性点的接地方式及过电压保护器件的类型等 (更深入的参考指南宜遵照IEC 60071)。

额定电压 U (rms )

额定雷电冲击耐受电压 (峰值)

额定短时工频耐受/电压(rms )

1

2

对地,极间和开关器件打开后的两端

隔离两端的间距

对地,极间和开关器件打开后的两端

隔离两端的间距

对地,极间和开关器件打开后的两端

隔离两端的间距

(kV)

(kV)

(kV)

(kV)

(kV)

(kV)

(kV)

3.6

20

23

40

46

10

12

7.2

40

46

60

70

20

23

12

60

70

75

85

28

32

17.5

75

85

95

110

38

45

24

95

110

125

145

50

60

36

145

165

170

195

70

80

52

-

-

250

290

95

110

72.5

-

-

325

375

140

160


图表B2: 开关设备的额定绝缘水平注: 只有当开关器件的断开触头之间的间隙设计满足隔离器规定的安全要求时,“隔离间距”的耐受电压值才有效。

值得注意的是上述电压水平没有表示其操作过电压定额。这是因为在这些电压水平上的操作过电压不如雷击过电压那么严重。

变压器

图表B3引自 IEC 60076-3。第 1 列和第 2 列与上面的开关设备图表的意义相同,即其选择取决于暴露于雷击的程度等。

设备的最高电压 (rms )

额定短时工频耐受电压 (rms )

额定雷电冲击耐受电压 (峰值)

1

2

(kV)

(kV)

(kV)

(kV)

≤1.1

3

-

-

3.6

10

20

40

7.2

20

40

60

12

28

60

75

17.5

38

75

95

24

50

95

125

36

70

145

170

52

95

250

72,5

140

325

 

其他元件
图表B3: 变压器的额定绝缘水平

其他中压元件的绝缘性能显然与下列主项有关:陶瓷或玻璃绝缘子、中压电缆、仪表用互感器等,它必须与上述开关柜和变压器相匹配。这些主项的试验计划见有关的IEC 出版物。

具体国家的国家标准正常且合理地仅包括一个或两个电压、电流和故障水平等。

一般附注:

具体国家的国家标准正常且合理地仅包括一个或两个电压、电流和故障水平等。

IEC 标准应用于全世界,因此它包含大范围的电压、电流等级。

它反映不同气候、地理和经济条件的国家不同的应用。

短路电流

断路器 (或熔断器开关,在限定的电压等级的范围) 是能够安全地断开电力系统很大的短路故障电流惟一型式的开关设备。

断路器开断短路电流的标准值是以 kA 为单位。

该值是指三相短路的情况,并以三相中每一相交流电流成分的平均有效值表示。

图表B4 给出本章所考虑的额定电压范围内,断路器的标准短路开断电流额定值。

额定电压 (kV)

3.6

7.2

12

17.5

24

36

52

额定短路电流分析值 kA
(rms
)

8

8

8

8

8

8

8

10

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

16

16

16

16

16

16

20

25

25

25

25

25

25

 

40

40

40

40

40

40

 

 

 

50

 

 

 

 

图表B4: 标准的额定短路电流分断值

短路电流计算
电气装置短路电流的计算规则详见 IEC 60909。

如果电气装置很复杂,电力系统中不同点上短路电流的计算就成为很费力的任务。

利用专门的软件可以加速计算过程。

这种通用的标准适用于 50Hz 或 60Hz,550 kV 及以下所有放射式和复杂网络的电力系统。计算结果十分准确,又比较保险。

它可以处理电气装置中可能发生的各种不同的金属性短路 (对称的或非对称的):

●  三相短路 (所有三相) 通常是产生的最大电流的故障形式;

●  两相短路 (两相之间) 电流小于三相短路故障电流;

●  两相对地短路 (两相与对之间);

●  相对地短路 (一相与地之间) 是最常见的故障形式 (占所有短路故障的 80%)。

发生故障时,瞬态短路电流是时间的函数,它包含两个分量 (见图表B5):

●  交流分量逐渐衰减至稳态值,它是由于各种旋转电机及其时间常数的综合性能形成的;

●  直流分量逐渐衰减至零,它是由于电流的初始激励和回路阻抗的性能形成的。

实际上,必须确定对选择系统设备和保护系统有用的短路电流:

● I″k:初始对称电流的有效值;

● Ib:开关器件在 t min (最短延时) 内第一个极断开时,它切断对称电流的有效值;

● Ik:稳态对称电流的有效值;

● Ip:第一个尖峰电流的最大瞬时值;

● IDC:电流的直流分量值。

图表B5: 根据IEC 60909的短路电流曲线


这些电流是由电流代号的下标 3、2、2E、1 分别表示其短路的型式,诸如三相短路、两相短路 (不接地) 、两相对地和一相对地。

以戴维南 (Thevenin) 叠加定理为基础,并分解为对称分量,它包含为了确定电流,在短路点施加等值电压源。用以下三个步骤进行计算:

●  确定施加到故障点的等值电压源。它代表在发生故障之前已有的电压,它是额定电压乘以系数,该系数是考虑到电源的变化、变压器有载调压分接头和电机的次瞬态特性。

●  计算每个从故障点来看的且达到故障点的分支线阻抗。对于正序和负序系统,计算时不考虑电容以及并联的非旋转电机负荷的导纳。

●  电压和阻抗值确定之后,就计算短路电流特征量的最小和最大值。

利用下列方法计算故障点的各种电流:

●  提供有关的公式。

●  流向连接到结点的分支线电流的相加定律:

  -   I″k (见图表B6:I″k 的计算,其中系数 c 由标准确定后;几何或代数相加);
  -   Ip = 2k I″k,其中k < 2 ,与给定分支线的正序阻抗 R /X 的比值有关 (峰值之和);
  -   Ib = μ q I″k,其中μ 和 q 均小于 1 ,与发电机和电动机及最小延时开断电流有关(代数和);
  -   Ik = I″k,当故障点远离发电机时;
  -   Ik = λ Ir,用于发电机,Ir 是发电机的额定电流,系数 λ 与其饱和电感有关 (代数和)。

短路的类型

I″k

一般情况

远距离故障

三相

两相

两相对地

一相对地

图表B6: 根据IEC 60909所述的短路电流

特性
依据系统设备在发生故障时是否反应而划分为两类:

被动设备

此类必须具备输送正常电流和短路电流能力的所有设备,包括电缆、线路、母线、隔离开关、开关、变压器、串联电抗器、电容器和互感器。

对于这种设备按照以下子项确定其耐受短路的能力,短路时该设备不坏: 

●  动稳定性 (“峰值耐受电流”;尖峰电流以 kA 表示) ,表示对电动应力的机械抵抗性能。

●  热稳定性 (“短时耐受电流”;其有效值以 kA 表示,持续时间为 0.5s 和 3s,推荐用 1s) ,表示最大允许散热量的性能。
主动设备

此类设备是设计成能够切断短路电流,如断路器和熔断器。设备的性质以其发生故障时的开断容量,以及如果需要还要用其闭合容量来表示。

●  开断容量 (见图表B7)。

故障脱扣器件的基本特性是其最大电流 (有效值,以 kA 表示) ,它能够在标准规定的具体条件下切断故障电流;IEC 标准指明上述电流是短路电流交流分量的有效值。有些其他标准则规定两个分量 (交流和直流) 之和的有效值,它是“不对称电流”。

开断容量与下列因素有关:
  -   电压;
  -   被分断回路的 R /X 比值;
  -   电力系统的自然频率;
  -   最大电流开断操作次数,例如其循环 O-C/O-C/O (O = 断开,C = 闭合);
  -   试验后器件的状态。

确定开断容量的特性比较复杂,所以同样的器件可以有不同规定的开断容量也不稀奇,因为它与所依据的标准规定不同有关。

●  短路闭合容量。

通常该特性是由其开断容量默认的,因为一个器件应能闭合它所能断开的电流。有时闭合容量需要大一些,例如用于保护发电机的断路器。

闭合容量要规定其峰值 (以 kA 表示) ,因为从电动力的观点而言,第一个非对称分量的峰值是最要紧的。

例如根据 IEC 62271-100,用于 50Hz 电力系统的断路器必须能应对开断电流的 2.5倍的闭合电流峰值 (对于 60Hz 系统则为 2.6 倍)。O-C/O-C/O

开关 (有时是隔离开关) 也要求规定其闭合容量,虽然这些器件不能切断故障电流。

●  预期短路开断电流。

有些器件有能力限制预期断开的故障电流。

其开断容量由位于器件上游端子之间在发生金属性短路时的最大预期开断电流来确定。

图表B7: 断路器的额定开断电流(根据IEC60056规定的短路电流)

 
具体器件的特性

各种分断器件的功能及其限制条件见图表B8。

器件

两个主动网路的隔离

电流通断情况

主要限制条件

正常

故障

开断器

纵向输入 / 输出隔离

开关

正常负荷电流的通断

短路闭合能力

接触器

额定闭合和开断能力

最大闭合和开断能力
工作制及其持续特性

断路器

短路开断能力

短路闭合能力

熔断器

最小短路开断能力

最大短路开断能力


图表B8: 分断器件具备的功能

额定电流

一般用途的中压配电开关设备最通用的正常额定电流为 400 A。

在额定频率和不超过有关产品标准所规定的温度条件下,能够连续运行的电流有效值,称为额定电流。

开关设备的额定电流是在设计变电站时确定的。

一般中压配电开关设备最常用的额定电流为 400 A。

在工业区和高负荷密度的市区,有时需要额定电流为 630 A 的回路;向中压负荷供电的大容量变电站,800 A、1250 A、1600 A、2500 A 和 4000 A 列为标准额定值断路器,用于变压器的进线回路、母线分段和联络断路器等。

一次侧电流约为 60 A 及以下的中压 / 低压变压器,可采用中压开关熔断器。对于更大的一次侧电流,尚无符合性能要求的组合式开关熔断器。 关于这种组合式电器,IEC 没有提出推荐性的额定电流系列。

开关熔断器制造厂商根据熔断器的特性和变压器的下例详细情况可提供实际的电流额定值。例如:

●  中压侧电流;

●  允许的过电流及其持续时间;

●  变压器励磁涌流的最大峰值和持续时间;

●  无载电压分接开关的位置等。

这种系统的负荷开关的额定电流必须适于自动切断电源,例如通过继电器动作,在故障电流小的情况下,必须在中压熔断器的最小额定开断电流 (有适当的裕量) 的适用范围之内。当大的故障电流超过负荷开关的开断能力时,该故障电流则由熔断器切断;
而故障电流小不能由熔断器切断时,则由负荷开关通过继电器动作后切断故障电流。

环境温度和海拔高度对额定电流的影响

所有载流电器均提供其额定电流,其上限值是由允许温升确定的,该温升是由导体中 I2R (W) 散热量 (I — 电流的有效值,A;R — 导体的电阻,Ω ) 以及在电动机、变压器等中的磁滞损失和涡流损失所产生的热量和在电缆、电容器的电介质损失 (如果有)一起形成的。

温升取决于散热量的速度。例如很大的电流可以通过电动机的线圈而不引起电机过热,因为固定在电动机轴上的冷却风扇以其周围产生的热量同样的速度排除其产生的热量,因此该处的温度达到稳定值,其温度小于能够导致损坏线圈的绝缘并最终烧毁电动机的温度。

IEC 推荐的正常电流值是以通常海拔高度不超过 1000 m 的气候为基准的环境气温。因此,如果运行在热带和 / 或海拔高度超过 1000 m 处,仅依靠辐射和空气对流的自然冷却,电气设备将会过热。在这种情况下设备应降容,即在低于正常额定电流下运行。

相关规定参见 IEC 60076-2。


接地系统

中压系统的接地故障,可在低压电气装置产生危险的电压。低压用户 (和变电站的运行人员) 可采取以下安全措施以防险情。

●  限制中压接地故障电流的大小;

●  将变电站接地电阻降至可能最低值;

在变电站和在用户的电气装置处创造等电位的条件。

应仔细考虑接地和设备的保护接地等电位连接,尤其要考虑在中压系统发生接地短路时对于低压用户的安全问题。

接地极

如果实际中有可能,通常优先将中压设备的外露可导电部分的接地极与低压中性导体的接地极分开。当市区外系统的低压中性导体的接地极安装在离变电站 1 或 2 跨档距的架空配电线杆处,采用上述办法是很实际的。

在多数情况下市区内变电站的占地有限,排除了上述办法的实际可能性,即不可能将高低压的接地极有足够的距离加以分开以避开对低压系统的转移电压 (它可能是危险的)。

接地故障电流

在中压系统的接地故障电流一般与三相短路电流是可比的 (除非有意地加以限制)。

这种电流通过接地极对于“远方地”而言将产生高的电压升 (接地极附近的电位高,而“远方地”的电位为零)。

举例:10000 A 的接地故障电流通过电阻为 0.5 Ω (特别低) 的接地极,电压将会升高至 5000 V。

将变电站的所有外露金属部分都“连接”(连接在一起),然后接至接地极,接地极形成 (或连接起来) 一个导体网格位于变电站的地面之下,这样对人身就没有危险。因为这种配置形成一个等电位“法拉第笼”,其中所有的导电材料,包括人都升至同样的电位。

转移电位

由所谓转移电位问题产生的险情,从图表B9 可知中压 / 低压变压器低压绕组的中性点也是接到变电站的公用接地极。因此中性线、低压绕组和所有的相线均升至接地极的电位。

由变电站馈出的低压配电电缆将该电位转移到用户的电气装置上。可以留心地观察到低压回路的相间或相线与中性线之间将不会有绝缘故障,因为它们的电位相同。但是电缆的相线对地的绝缘可能出问题。

图表B9: 转移电位

解决方案

第一步为了最大限度地减少转移电位导致的危险性,就要降低中压接地故障电流的幅值,通常可在供电容量大的变电站处选择某些变压器星形连接的中性点安装电阻或电抗接地来实现 [2]

采用该办法不能完全避免相对高的转移电位。然而,有些国家采取下列办法:

在用户建筑物内的等电位接地装置代表远处接地,即零电位。无论如何,如果该接地装置用低阻抗的导体连接至变电站的接地极,则变电站存在的电位也会出现在用户的电气装置上。

低阻抗互连

很方便地将中性导体连接至用户的等电位装置以实现低阻抗互连,其结果可视为如图表B10 中接线图所示的 TN 接地系统 (IEC60364)。

TN 系统一般采用保护重复接地 (PME) 系统,即将中性线沿线每隔一定距离 (低压架空配电线路每隔 3 或 4 个杆距) 以及在用户进线处接地。由此可见,自变电站放射式配出的中性线网络,在每隔一定档距处接地,与变电站的接地一起构成很有效的低电阻接地极。

注:

●  TN-a 和 IT-a:变电站内和用户处的中压和低压设备的外露可导电部分以及变压器低压侧中性点,均利用变电站的接地极系统接地。

●  TT-a 和 IT-b:变电站内中压和低压设备的外露可导电部分以及变压器低压侧中性点,均利用变电站的接地极系统接地。

●  TT-b 和 IT-c:变压器低压侧中性点是在变电站的接地极影响区域之外单独接地。通常 Uw和 Uws 的值为 (IEC 60364-4-44) : Uo+1200 V,Uo 是相应的低压系统相对中性线之间的标称电压。


图表B10: 对于不同接地系统,在中压设备发生接地时,为了确保安全要求中压/低压变电站的最大接地电阻值。

如上所述的中压接地故障状态下,有限的接地故障电流 、等电位连接以及变电站低接地电阻值的配合,可大大降低过电压及限制相对地所承受的绝缘压力。

限制中压接地故障电流和变电站的接地电阻
广泛采用的其他接地系统示于图表B10 中的图 c)。可知 TT 系统中用户的接地装置(与变电站的接地系统隔离) 构成一个远处的地电位。

这意味着虽然其转移电位对用户设备的相间绝缘不起作用,但是所有三相的相对地绝缘均承受过电压。

采取这个对策可降低变电站接地极的电阻,使低压设备和电器的对地 5s 耐受电压的标准值不会被超过。

某一个国家供电部门对 20 kV 配电系统实际采用如下的数值:

●  架空线或混合 (架空线和地下电缆) 配电系统中性点引出线的最大接地故障电流为300 A;

●  地下电缆配电系统中性点引出线的最大接地故障电流为 1000 A。

为了确保低压耐受电压不超过其规定值,确定变电站所要求的最大接地电阻的公式
如下

  (见图表B10 中的图 c) 和 d)),

式中:
Uw = 用户装置和电器的短时 (5s) 耐受电压的最低标准值 (V),Uw = Uo+1200 V (IEC 60364-4-44)。
Uo = 用户低压进线处相线与中性线之间的电压,V。
Im = 中压系统最大接地故障电流。此最大接地故障电流是中性点引出线最大接地故障电流相量之和加上网路总的不平衡电容电流。

根据 IEC 60364 中的第 3 种接地系统 (“IT”系统) 通常用于要求连续供电的重要负荷,诸如医院、连续生产的工厂等。其基本原则是依靠不接地的电源供电,通常采用二次侧绕组不接地或通过高阻抗接地 (≥1000 Ω ) 的变压器。对于这种情况,由变压器二次侧供电的低压回路发生绝缘漏电接地故障时,流过的故障电流为零或可以忽略不计。故障时很方便地切断发生故障的回路后即可进行检修,其余的回路仍然可继续运行。

图 b)、d) 和 f)

(图表 B10)

图中表示在中性点安装电阻 (约 1000 Ω ) 接地的 IT 系统。

如果拆除该电阻,则该系统就是不接地的,详见下面的说明。

图 b)

(图表 B10)

所有相线和中性线对地是“浮空”的,它是经过绝缘电阻 (一般很大) 和电容 (很小)连接在带电导体和接地的金属 (导管等) 之间。

假使绝缘是良好的,由于静电感应所有低压相线和中性线均升至等电位导体的电位。

实际上,多半因为在一些装置中所有并联带电导体有大量的泄漏电流,则该系统就类似在中性点安装接地电阻,即所有导体升至变电站的地电位。

这种情况,施加于低压绝缘的过电压很小或甚至不存在。

图 d) 和 f)

(图表 B10)

这种情况,变电站 (S/S) 接地系统的高电位施加于隔离的低压相线和中性线上:

●  通过变压器低压绕组和变压器外壳之间的电容;

●  通过变电站等电位导体和由变电站馈出的低压配电电缆芯线之间的电容;

●  每种情况下通过绝缘的泄漏电流通路。

在变电站接地系统的影响区域外处,在导体和零电位的地之间存在电容 (芯线之间的电容无关 —— 所有芯线升至同电位)。

每个“电容”被(泄漏通路) 电阻分流,其结果基本上是一个电容分压器。

与变电站相应的参数相比,一般低压电缆和装置配线的对地电容很大,而对地的绝缘电阻却很小,所以大部分施加的电压出现在变电站变压器外壳和低压绕组之间。所以按上述办法限制中压接地故障电流,用户装置的电位升不大可能成为一个问题。

所有 IT 接地变压器,不论其中性点是绝缘的还是经过高阻抗接地,按常规均提供过电压抑制器。若过电压的条件达到低压系统的绝缘耐受电压时,该抑制器自动将中性点直接接地。

如上所述之外的可能性,将在电击防护-变电站里论述可能产生这些过电压的其他途径。

这种接地故障很少。当确发生这种故障时会很快地被检测出来,并在装置中采用正确设计和安装的断路器,就可以自动分闸以清除故障。

电位升高的安全性完全取决于所提供正当配置的等电位区域,其基本做法一般是一个由互连的裸铜导体组成的宽网格连接到垂直敷设的铜包钢条[3] 。

电击防护中涉及间接接触的电击防护时,将论述正确的等电位连接准则。换句话说,任何有可能被人体的任何部位同时接触的两个外露金属部分之间的电位,无论如何在干燥条件下必须不大于 50 V,在潮湿条件下必须不大于 25 V。

要特别注意在等电位区域范围内避免地表面形成陡峭的电位梯度,导致电位升高到危险的“跨步电压”。

这个问题与围栏的安全接地密切相关,将在电击防护-变电站中进一步讨论。

备注:

1.      ^ 基本上意味着第1列通常适用于采用地下电缆系统的开关设备,而第2列适用于采用架空线系统的开关设备。

2.      ^ 其他是不接地。限制接地故障电流的特定方法叫做彼德逊线圈 (即消弧线圈),在 变压器及其回路的保护末尾论述。

3.      ^ 铜对其他多数金属而言是阴极的,所以它抗腐蚀。