开关柜主要承担了电力系统中的运行控制功能,涉及到发电、输电等多项工作,对于开关柜的研究也具有现实意义。开关柜内部包含继电保护装置、负荷开关、二次设备等,通过连接多条母线和出现的形式实现电能的分配和控制。从这一角度来看,高低压开关柜的运行过程直接关系到电网的安全运行、供电可靠性。对于一些潜在的故障或隐患,也需要及时地采取处理措施。

一、配网不同接地保护方式对比

以配网中性点接地方式为例,一旦出现单相接地故障时,较大的短路电流通常需要断路器控制,如果和大地之间不能形成短路回路,一旦产生单相接地故障,那么故障电流小于负荷电流,接地电弧自行熄灭后构成一个小电流接地系统。

中性点不接地方式。这种方式的结构比较简单,运行过程也并不复杂,是小电流接地系统的一种主要表现形式。单相接地故障出现后,对应电压等级的对地电容电流为流经故障点电流,此时故障相电压降为零。但电网出现故障时系统的电感与电容元件容易产生谐振现象,电压互感器呈现出较小的阻抗值,通过的电流明显增加,导致保险熔断或是电压互感器的损害现象,也是当前常见的问题。

经消弧线圈接地。这一模式显著地保障了配网的运行安全。我国对于大短路电流有着明确限制,故障电流超过阈值后接地点弧光无法自行熄灭,产生间歇性电弧的同时引起弧光过电压,对开关柜等设备的绝缘会产生严重损害,同时扩大了故障范围。通常采取过补偿运行方式,即单相接地故障产生时,感性电流限制故障相而恢复电压的幅值,能够在短时间内恢复系统的正常工作模式。但如果永久性单相接地故障产生,消弧线圈的补偿作用也会让系统继续运行一段时间,然后通过绝缘装置发出接地信号,保障整个运行过程的安全性。

经小电阻接地。通常情况下,为了实现对故障线路的保护跳闸,从而减少单相接地电弧过电压产生的不利影响并增加故障线路接地电流,在系统中性点可介入一个阻值并不大的电阻,在单相接地时将所有故障电流控制在600A左右,然后以线路零序电流保护来快速地切除故障,减少问题进一步扩大的可能性。

二、接地保护装置的特性

生活、生产过程中所使用的交流电可通过电气元件的内阻或电容耦合等方式运行,但设备外露的金属部分或是金属外壳本身会呈现带电状态。当电气设备的绝缘损坏时,设备金属外壳会存在一定相电压。在这种情况下,如果人体接触了这些设备,电流很容易导致触电事故的产生。因此,利用接地装置可以将电器设备与地面相连接,既可以是人工接电极,也可以是自然接地极。设备安装接地保护装置之后,即便电气设备的一相绝缘出现损害或是设备产生漏电,接地电流增加,空气开关也会自动断开,以此为基础保障人员的安全,将对设备的损害程度控制到低[1]。

共同的零线系统。当前对于零线的接线系统所使用的是单相两线模式,保护接地所用线和工作零线共同地由一根导线所连接。接线过程中可将保护接地线从电度表前方的零线接出,另一端则连接在插座接地零线的区域。但不可直接将工作零线当做保护接地线且不可通过保险丝,需要从干线上直接进行引入,否则不仅无法起到保护作用,反而会增加触电的风险程度。

专用接零保护线系统。该系统在原有的工作零线布线基础上进行了接零线保护线的设计,可直接连接到户外接地区域,且不需要保险丝。此时系统会保持相对稳定的性能,即便设备出现漏电现象,接零保护线也不会出现严重断裂,从而让保护装置可正常地将电源切断,从根源上减少了触电安全事故产生的可能性。

三、高低压开关柜接地保护装置的工作模式

高压开关柜接地保护装置的工作模式。可通过小车实验的方式来进行,挡块在小车的运行轨道当中,两个定位块控制挡块的轴向移动,阻止了手车前轮的进一步运动。试验结束后,可以拆除用于接地线的固定螺栓,不会因为轴向移动的误操作而产生意外。此时如果不拆除固定螺栓,就无法带动挡块的顺时针转动,离开手车轨道,说明操作的安全性和稳定性可以得到稳定,安全隐患进一步降低。

低压开关柜接地保护装置的工作模式。在非特殊情况下,低压柜在正常供电运行状态下接地保护装置盘门保持闭合,检修时接地,低压盘在断电后盘门开启,利用蝶形螺栓来将接地线控制在盘外安装,之后将其它区域的接地线固定处全部拆除,形成一个正常的工作流程。检修过程结束后,假设工作人员由于操作失误没有将接地线全部拆除,那么关闭盘门并正常送电后,蝶形螺栓在转角处位置产生阻挡,盘门无法关闭,在不拆除接地线的情况下就无法进行下一步操作,在本质上保障了操作人员的安全性。

四、局部放电问题与开关柜接地装置

开关柜局部放电过程以暂态形式表示,如果导体间的绝缘产生放电现象,说明放电区域可能和导体的位置比较接近。在产生此类现象时通常可将原因归纳为绝缘体内部或是绝缘体表面出现的场强畸变现象。如电晕放电就是在导体区域附近介质中出现,也是局部放电的一种表现形式。但局部放电除电晕放电之外还会有多种其它的表现形式。我们所检测的真实“局部放电”与现阶段的检测结果存在差异。目前的局部放电只是在靠近导体时所进行的电荷检测,从更加复杂的角度来看,波从诱导电荷传播至放电检测器的过程当中会产生破坏情况,且这种破坏具有累计效应,这也是进行接地装置设置的主要原因[2]。当这种“绝缘老化”发展迅速时,也相应地需要引起高度重视。

放电过程是多样性的,在高压设备的电气绝缘过程当中,通常在气体介质中产生,但同时也能在液体介质的气泡中产生。通常所认知的放电现象是因为绝缘中场强超过确定值,且自由电子存在时就会产生放电现象。

开关柜仿真分析。开关柜将一次设备和二次设备按照一定的顺序安装至封闭式的金属壳体之内,一方面将其作为电能分配和接受的主要设备,另一方面将其作为电气主接线设备。开关柜可被划分为低压、高压,部分为中压,按照电流特征区分可划分为直流和交流。从组成结构上看主要包含柜体、断路器两个部分,柜体则包括了电器元件、绝缘件在内的众多组件。以10kV开关柜为例,可设置相应仿真模型,模拟有缝隙或无缝隙状态下信号的传播过程。在发生局部放电时绝缘介质内部、表面出现的震荡衰减电流和电压,其具备的频率和放电回路频率保持相同,充电频率中出现的震荡电流具有固定频率,等同于充放电回路的固定频率。按照电磁屏蔽的原理,开关柜本身在绝缘垫圈、柜门等区域存在缝隙,柜体并不完全连续,可以在开关柜表面上检测出有效的电压信号,以此为基础预防绝缘故障等问题的产生,在大规模巡检中进行使用[3]。

五、接地保护装置的技术研究

为减少检修过程中可能出现的触电或是其它事故,保障人身财产安全,对于设备进行的技术改造是至关重要的。如传统接地线的布线设置在检修结束后有触电风险,原因咋子与地线会被衔接至低压盘外部区域。现阶段对低压开关柜的接地保护装置设计进行了新的要求,也可通过一些其它层面的技术改造措施来进行相应的探讨分析。

5.1 消弧柜

电压消弧将成为未来研究的主要发展趋势。国内现阶段的消弧产品主要集中于三种类型:弧光接地转换为金属接地装置、电抗器并联装置、将弧光接地转化为氧化锌的装置。随着电网改造的运行,让弧光接地的技术问题更加突出,固体绝缘设备类型的增加使得设备、系统承受过电压能力下降,当前的绝缘性能也无法满足要求,电网的安全运行可能会受到影响。如果电缆线路出现单相弧光接地,消弧线圈目前只能对故障点无功电流进行控制,无法有效地减少对于故障点的破坏情况。电压在大值时很可能出现零点击穿,增加弧光接地的幅值。在技术方面的主要目标是快速熄灭电弧控制故障程度,然后避免被迫停电情况,在满足供电可靠性的同时让系统可继续保持一段时间的工作。

单相接地故障出现后,通过控制措施将电压维持在一个较为稳定的水平,能够让绝缘介质恢复速度比故障相电压恢复速度更快。换言之,当故障电流越小介质出现的损伤程度也越小,消弧柜此时主要通过阻止电弧重燃的方式来进行消弧并起到过电压保护功能。中性点不接地方式的应用,也能在进行电网运维工作时保持安全性,减少各类风险事故的产生[4]。

当零序电压因故障上升到某个阈值时,智能控制器就会判定系统产生了相应的故障,通过各相电压的计算和分析来判断是哪一相出现了故障问题,从而发出合闸命令,让故障相转化为金属性接地。总体来看,消弧柜可直接将故障类型转化为金属性接地故障,故障相对地电压变为零,电弧可以自行熄灭,运行人员在进行处理的过程中,其它相的对地电压也被限制在线电压水平,兼顾了消弧与选相两个方面的影响因素,不过整体上其效果受到开关动作时间的限制。

按照未来对于状态监测的要求,需对不同线路与设备的运行情况展开实时监测,按照传感器测量系统中的不同电流、电压参数来综合分析运行控制策略。如低压配电柜的发热与温升超标方面,可以用电磁耦合法建立三维有限元电磁模型,即Δ·(σΔE)=0,J=-σΔE,其中E为电势,J为电流密度。

但考虑到一些不稳定的影响因素,对于故障类型的判断直接影响到事故的处理事件。在消弧柜控制策略上可以提出先合闸的控制策略,合理地判断故障类型。在这一方面可进行有关的理论分析和仿真验证,其中消弧柜动作前的故障辨识方法在目前的信息通讯速度水平下,要应用于实际过程还有一定的难度,需要综合现场调试和稳定性的分析来得到推广应用。

5.2 电容耦合式传感器设置

由于开关柜的安装现场电磁环境一般比较复杂,周边有着较多的干扰信号,此时能否正确有效地对开关柜内部的信号进行检测也直接影响到局部放电过程,进而影响到接地保护装置的有效性。为了能确定不同条件下的测量需求,可设置与开关柜相对应的电容耦合式传感器,让其一方面具有良好的灵敏度,另一方面具有稳定的脉冲响应[5]。

按照国标GB/T23642-2009的相关要求,电力设备在局部放电测试中可选择高压电容器或电磁耦合器来测定电压脉冲。按照开关柜局部放电特点,放电产生的电流脉冲会在外壳表面感应产生电压脉冲信号,以传感器检测的方式为判断提供依据。一般情况下开关柜的局部放电量较小,持续时间也不长,所以选择电容耦合式传感器就能有效探测短时信号,设计传感器等效电路。根据合理的设计方案与仿真分析后,为避免杂散电感产生的不利影响,可进行传感器标定工作。按照相关技术要求,电容耦合式传感器要确定一些参数标定,如高压臂电容、脉冲响应特性等[6]。实验平台确定后将信号发生器与示波器接入电路,然后逐渐调整信号频率。

5.3 中性点小电阻改造

传统消弧线圈接地会设置选线装置,通过对不同线路零序电流的收集来完成整个选线过程。在技术改造的过程中不需要人为设置中性点,只需要将消弧线圈设备改造成为小电阻设备即可。进行小电阻改造的作用也在于对跳闸进行合理判断,并增加单相接地故障时的零序电流。整体来看,在改造后的保护配置上增加了更多的零序保护功能,实现了母联开关和出线开关之间的有序配合,如过流、速断保护等。综合不同的线路特点与设备要求,考虑到单相接地短路电流较大,要结合运行经验将零序过流定值设定在某个范围,以保障供电可靠性。

如在一些变电站的开关柜运行环节当中,为控制电流互感器饱和所产生的误差,会通过增加一次变比的设置来防止低压侧区外故障问题的产生。此时受总电流互感器变比幅度较大,精度无法满足要求。所以,通过选择性跳闸的规划,实现对不同受总开关中流过零序电流的分析,对故障母线进行了区分,在今后的工作中可以投入使用。另外,零序保护和相间保护选择同一整定模式,减少不同影响因素的干扰。如果相间故障时的故障电流超过零序保护的阈值,也可以减少误动、拒动行为的出现,装置运行更加稳定。

六、结语

高低压开关柜作为接高压或低压电缆的主要设备,可以满足电力系统的稳定、环保等多个方面的要求,在配电系统中的设备选择工作也至关重要。但是设备在长期的运行过程中,故障难以避免,此时我们要综合分析高低压开关柜的接地配置,同时以不同方面的技术措施来避免危险情况的出现,减少风险事件的产生,实现更加稳定的电力供应和环保高效的电力输送目的。