10kV中性点不接地配电网系统故障检测装置的分析与设计
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; 2013 48 2013 , s): 1 - 6 10中性点接地电阻对利比亚西部 30网的影响 . 比亚电力部和可再生能源工程 师 . 利比亚 的黎波里 大学博士 0 0. . of to to a of or of is to of be of to be by to of In of 0kV in of to a by a or be of 20/30 kV be to of 0kV to to of to be to of of 5 6. of is on to be as as of 摘要 变压器中性点直接接地会导致单 相接地故障电流很高，可达到三相故障电流的值甚至更高。如此高的故障电流会破坏故障点（设备和操作人员），并会使地面电压升高，从而增加高跨步电压和接触电压，这对人和动物都是危险的，还会导致通信设备遭到破坏以及对用户也可能造成很大的危害。这些大故障电流流过耐注塑馈送变压器的中性点后就会减小。 在这项研究中，中性点接地电阻在 30其在确定与限制单相线对地故障电流通过单个或多个源馈送网络时的影响都将得到解决。与此同时，安装在 220/30 压器的中性点接地电阻的特性也将得到探讨。 根据 历史数据，发生在的的黎波里地区30电站网络的两种类型的跳闸主要是由于单相接地故障引起的。 对上述在的黎波里地区提到的跳闸事件的单相接地故障电流进行测量，将其与在相同状态下的模拟仿真结果进行比较。 电磁暂态计算程序）和 件程序被用于模拟这类事件的 5 6 。 最后，暂态过电压（ 被称为工频过电压，在有单相接地故障电流时对正常相以及中性点接地的影响也要讨论。 关键词：中性点接地电阻（ 单相接地故障电流（ ，暂时过电压，短时评级，电磁暂态计算程序（ 一、 简介 利比亚电 力 系统的 660220低电压（ 11络之间的联系 ； 它们也被称为中压（或子传输）网络。利比亚是北非最大的国家之一 ； 它的面积约 176 万平方公里，拥有绵延在地中海南方的海岸线约 2000公里。该国的人口约 600万居民，其中大部分居住在沿海城市。在过去的三十年，电力负荷的需求 以 每年平均8的 增长率急剧增加。因此一直 以来，电能的产量 和网络扩容 都是 满足这种增长 的迫切 需 求 。安装 于 30络 中的 变电站是 355 个 ，并基于在沿海城市。在 66网络中，有 175 变 电站，并设在中 部 和南 部 城市。所有变电站的 总 容量是 13539 构成比例接近 1： 2 。电缆和电力架空线传输是 22258公里长，而用于中压电力架空线传输网络的长度 达到 总 长度 的 90 1。 利比亚电网 按照 操作维护站和传输线分为六个区。每个区域包含了一组 间隔开 的电环。值得一提的是，术语环表示 220 / 6620 / 30变压器， 流入 一个 6630网络 ； 它被称为主喷射点。图 1 和图2显示的地域划分 6操作和维护的区域和主喷射点，分别为 1 图 电动操作区的地理区域 图 0网络 二、 利比亚 30 网 和 土耳其电压 网 的 接地 规范 在利比亚 30网中 ，通过连接 10中性点接地电阻限制单 相 接地故障电流。 这样一来 ，可能发生的危险过高电 压就会 减小。在 电 网为主线有效接地 时 （如 有 黄麻保护 层的 铅鞘电缆），根据德国规格 141，例如， 断 电流被限制为 2此时的电压为 跨步电压和接触电压。如果这些条件不满足，则设备 的 安全接地 方式则更偏向于 直接接地。在土耳其 ， 最常见的实现类型是 在 二次侧通过连接 20 电阻到 相电压 为 154 / 电力变压器 ， 限制 其 接地电流为 995 A。表 I 为 利比亚 30土耳其 网 中性点接地电阻 的 特 性 34。 表 I 利比亚 和土耳其 电网 中性点接地电阻 的 特性 三、 利比亚 30网的 短路电流（ 暂时过电压 30 电 网 的单一来源可以 由 一个 63或 100量、 220 / 30变压器供给。双源馈 送电网 包含 220 / 30变压器（ 63或 100小）或 电机和变压器。在三重源供给的 电网 通常是通过连中性特点接地电阻 利比亚 30网络 络 中性电阻 10 欧姆 20 欧姆 额定相电压 时电流 2时等级 5 5 秒 能源消耗 （ 20000两个变压器和 一个 发电机 来运行 ，有时 也连接三个变压器。图 3 为 两个变压器和一台发电机 对 30馈电网络图 34。 图 短路电流和暂时过电压在不同 馈送源下的结果是不一样的， 总结在下面的表 。 表 同 馈送源下的 短路电流和暂时过电压的数 值 不同的馈送源 三相故障电流 KA r s 单相接地电流和压器过电压 中性点直接接地 中性点经 10 电阻接地 KA r s KV r s KA r s KV r s 单 一 馈 送 源 馈送源 1 台变压器 + 台发电机 台 变 压 器 馈送源 2 台变压器 + 台发电机 台 变 压 器 、 影响中性点接地电阻氡对短路电流和临时过电压利比亚 30单线接地故障电流的变化取决于 电 网系统中性点 直接 接地或 不 接地 ； 但 这 不 会影响三相短路电流。中性点 有效接地时，在 单一馈送源，双馈送源和三 馈送 源 的情况下， 三相短路电流和单相短路电流几乎相等。另一方面，当变 压器中性点是通过一个 10电阻接地 时 ，单 相 路接地故障电流减少到其原值的 20，并且不超过 2对于双馈送源，单 相 对地故障电流不超过 4 并且 在 一个变压器和一个发电机的情况下，该单 相 接地故障电流电被降低到其原始值的 21。但 在有 两个变压器 的情况下 ，单 相 接地故障电流被减少到其原始值的 20。三 馈送 源 时 ，考虑 两台 220/30压器和一台发电机作为馈送 来源 的情况， 单 相 接地故障电流降低到其原始值的 24 。但 在 三个变压器作为 馈送源 的时 ，单 相 接地故障电流降低到其原始值的 23 ，并且不超过为 5这个结 果 如图 4 中所示， 说明随着馈送 源 数量的 增加 ，单 相 接地故障电流 与 电 压随之增加 。 图 及量 数 对 单相短路电流的 影响 考虑到 安全跨步电压和接触电压 ，需要保持单 相 接地故障少于 2 源 ，双 源 和三 馈送 源中性点接地电阻应该分别为是 10 ， 20 及 30 。 当有 n 个馈送源 ， 每个馈送源的 中性点接地电阻值 则 等于 10*n。例如，有 6 个 馈送 源时 ， 每个 馈送 源 中性点接地电阻为 10 6 = 60 。 图 5 给 出了单 相 接地故障 电流与馈送 源个 数 的关系 。 图 接地故障 电流与馈送 源 个 数 的关系 此外， 暂 时过电压 是 在同一时间 不同 类型 的中性点接地电阻 情况下 计算 的 。图 6 给出了 暂 时过电压 既 不受 中性点直接接地的30 网 馈送源数量的影响也不受 中性点 经电阻接地 的影响 。 图 7 给出了 中性点接地电阻 对单相 接地故障电流和 暂 时过电压 的影响关系。 从图中可以很容易 分析出， 加 大 中性点接地电阻 数值可以降低 单 相 接地故障电流，但 提高 了暂时过电压。 图 送源数量及类型的关系 图 单相 接地故障电流和 暂 时过电压 的影响关系 在 发生 单相接地故障 时，正常相暂 时过电压值 会 达到 的 线电压。根据通用电气公 司 驻 利比亚（ 的 标准，对 于 30 网 的 设备必须能够承受36时过电压。表 示暂时过电压6630 11 表 时过电压 在 准 中 电压等级 的划分 系统正常电压 暂时过电压 112066、 案例分析 选择西部地区 30 网跳闸实际案例进行研究和 仿真 。第一跳闸的案例研究是0/ 11变电站，而第二个跳闸的案例是的 的黎波里 南部 220/30/ 11变电站。 （ 20/30/11 2007 年 11 月 21 日， 发生在 电站 220/30压器 的 跳 闸 事件 引起的 单 相 接地故障电流，造成变压器的 10 中性 点 接地电阻 损坏。 通过中性点接地 的 10 电阻有下面表格中所示的特性： 表 电站的中性点接地电阻 特性 中性 点 电阻 10 额定相电压 时电流 2时等级 2s 能源消耗 80 ）记录读数 从安装在 20 / 30 1 号 变压器 上的 7的后备保护装 置的记录器 所提供的数据 ， 以及 安装在 电 所的 302） 号 和（ 3） 号 电缆 上的 7 距离 保护装置的 记录器所提供的数据 ， 可以看出 ， 其中的 为单 相 对地 电流 A，而 为 故障电流，在此期间 电流降 回（ 衰减 ） 到 也就 是说，短路电流被划分在两个不同时间 段 。 周期（ I） 在 1） ， （ 2）， （ 3） 号 电缆 的（ B）相故障 电流为 2）和（ 3） 号 电缆在 的时间 内 跳闸。跳闸是 因为 安装在电缆上的 保护装置对所述的故障原因未能奏效 时的动作 。 安装的 1） 号 电缆上 的 设备保护失败 时， 故障 将 持续。 周 期（ 单 相 对地故障电流 在 内 下降到 A； 它 与 通过 30压器 二 次侧中性点 的电流 值相同 ，这是归因 为 中性点接地 电阻 的变化。 考虑到 安装 在 缆 的 设备保护未能奏效 时， 压器 会在 发生接地故障 后跳闸。 图 8 给 出了 在 测量 中性点 短路电 流的情况 。 图 2 ） 采用 序 模拟跳闸事件 图 9 中所示的 是 采用 序 研究 和模拟实际运行 电 网 的 方案。是 在 以下 条件 建立的 ： 周 期（ I）中 ， 中性点电阻不超过 获得一个 A 的单 相 接地故障电流。 把 故障电阻的值改为 ，驱动 上 述单 相接地故障电流下降到 仿真表明，在 周期 （ I）中 ， 中性点 电 阻发生 故 障时 电阻约为 使得单 相 接地故障电流上升到 一方面，在周期（ 改变故障点电阻的值， 单 相 接地的故障电流 会 下降到 图 10 解释了在整个模拟过程中单 相接 地故障 的电流 情况 。 图 序的 模拟案例 1 图 化情况 3 ）结果与讨论 发生接地故障时，单相接地故障电流的值上升约 8明中性点电阻在接 地 故障发生前已被破坏。 安装在 电站 220 / 30压器的中性点电阻的规格不符合这些要求。 A. 案例 2 （ 的 黎 波 里 南 部 的220/30/11电站） 2010 年 11 月 27 日， 在 的黎波里 南部220/30/11电站 的 跳闸事件 ，其中一 条高 压 单 相 接 地 故 障 电 流 是 由于在电站正面 的 电缆 发生爆炸 ，导致 保护系统跳闸 并 记录 了 读数 25 10 的中性 点 接地电阻具有表 V 所示的特性： 表 V 电站的中性点接地电阻 特性 1 ）记录读数 对 安装在 的黎波里 南 部 并与 环境保护 部门 所提供的设置进行比较， 是符合要求的 。 从远 程 保护装置对安装在的 的黎波里 南部 30（ 1）线 7型的的事件记录的读数可以看出，该 故障持续时间是 ，单 相 接地故障电流 约为 图 11 所示 。 图 接地故障电流的测量 图 12 和 13 给出了的黎波里 南部 / 1）和（ 2）电缆单 相 接地故障电流的测量 情况 。 图 部 /1）电缆的单相 接地故障电流测量 情况 图 部 /2）电缆的单相 接地故障电流测量 情况 2 ） 采用 序 模拟跳闸事件 跳闸的模拟过程，如图所示 14， 得出单相 接地故障短路电流的 变化情况 如下： 的黎波里 南部和 电站 在电缆连接端 总的 单 相 图 15 。 由 1）电缆 导致 的单 相 接地故障电流 是 9 图 16 。 由 1）电缆 导致 的单 相 接地故障电流 是 图 17。 图 由 划 图 部和 电站 在 电缆连接端 总的 单 相 接地故障电流 变化情况 图 1）电缆 导致 的单 相 接地故障电 流 变化情况 中性电阻 10 额定相电压 V 短时电流 2时间额定 10 秒 能源消耗 400图 2）电缆 导致 的单 相 接地故障电流 变化情况 3 ）结果与讨论 单 相 接地故障 涌流是由于 变压器 机组 缺乏10的 中性点电阻所造成的。 即使安装 机组 变压器 ， 三 馈送 源 的 30网 还是会让 短路电流 迅速上升 。 当操作 机组 从 30断开， 30 / 11变压器 机组也 必须断开。 六、 结论 变压器中性点接地方式点可以直接接地 ，通过电阻或电抗 接地 。 还可以 中性点不接地。每 种方式 都有不同的 适用范围 。 中性点接地电阻的主要目的是减少单 相接地故障电流的值，使 跨步电压 和接 触电压对人体安全。 安装在 30 网的 10 中性点接地电阻降低了单 相接 地故障电流， 它使得 在 30 网 中 单 、 双重和三重馈送源 的单相接地故障电流 分别不到 24 5以及在安全的范围内提高了 单 、 双重和三重馈送源 暂 时过电压 的值 。 增加馈送源的数目 n 个，则 安装到中性点 的 接地电阻值增加到 10n ，以保持单 接 地故障电流少 于 2 中性点接地电阻的规格并不只取决于电阻值的 ， 但也 要考虑 抵抗消耗的能量所需的时间。 安装在设备的事件记录器保护是非常重要，当 电 网中发生的干扰 时，它可以 记录电压和 电流的情况 。 用 序来模拟在瞬态和稳态条件 下 电压和 电流的变化 ， 从 结果 可以看出仿真与现实 的匹配 程 度。 七、 建议 1） 220/30压器中性点应从 30 经适当的电阻 接地 ，以保证安全和确保电力和通信装置和设备，以及工作人员在单相短路电流接地 的安全 。 2） 在 n 馈送源馈送至 30 网的情况下 ， 所有变压器的中性点应该安装 10n 电阻，保持单相接地故障电流 少于 2 3） 中性点接地电阻应该改变，使其匹配建议使用的规格 （ 10n 欧姆， 2 10 秒）。 4） 为目前的情况中，优选在利比亚不操作多 于两个 馈送源的 30 网 。 5） 为 于 现 有 的情况，当 有一个发电机 从 30断掉 ， 变 压器 机组必须断开连接。 6） 中性点接地电阻应定期进行检查。 7） 准建议 30 网的设备应承受 36时过电压值。 参考文献 1 . of 009 2 007. 3 0 02 4 of to in 41380, 6 2011 5 6 004 ( of in to D. ; J. 2005 2005 , s): 1 - 5 2) 配电网络 统中 通用 接地故障指示器的 集成 h.D of in to h.D at a is to at is by is as a on of of A in 003. 摘要 这项 研究 描述 了 补偿 配电网络 在接地故障检测的可能性，并 提出 一个实 用 的解决方案 发达国家 通用 接地故障指示器 （ 它可以将 补偿中性电缆网络检测 到的 接地故障 ， 故障检测与故障指示器，由无线电信号连接到配电网 统的。 通用的接地故障指示器 是 作为零序方向保护装置 ，它是 基于零序电流和零序电压发生 时间 与给定时间的比较 来 实现 的 。 这里给出了 通用接地故障指示器和工作算法 的 框图 。 2003 年在叶尔加瓦 （ 电缆配电网络 对 故障指示器融入配电网 统的试点项目进行了审查。 关键词 电子设备、 故障定位、 电力系统可靠性、 电能质量、 统 八、 介绍 在 实际 中，现有电缆和架空 配电网络 的接地故障 和短路频繁地发生。因此更快最 省钱地 找出 出现 故障的地方 ， 对电力工程公司是非常重要。 探 测故障 很大程度上 是取决于中性 点接地的类型 。低电阻接地、 补偿和 隔离的 中性 电 接 地 方 式 被用在拉脱维亚（ 的 电缆 网 络 。 一些公司 （例如，拉脱维亚 （ 力工程公司 的断线检测已用于 电缆故障指示器 (在传出线站一级变压器故障检测中。 挪 威 和 德 国 的 故 障 指 示 器 ： 应用 在压电缆网络的接地故 障检测中。 这些电缆故障指示器 应用 范围是有限的，因为它们不可能使用在电 缆 网络与补偿中性接地故障的检测 中，而且 故障指标的数目仍未足够。 在 电网还没有 安装 补偿的地方， 依旧 是 用 便 携 式 高 谐 波 测 量 仪器 接地故障检测 方式 。这些设备的应用 范围 是有限，因为它 只能 使用 在欠 压 引起 断 路的 情况下，但这 种方式存在 危险 性， 因为故障可以从单相接地故障上升到两相接地故障或短路。 改进的故障检测， 使通用 接地故障指示器 （ 得到了更快地 发展 ，它允许补偿的电缆网络中检测接地故障。在欧 洲，没有这样的 接地故障 指示器 。 九、 检测接地故障的可能性 接地故障检测的方法取决于 电 网的中性点接地方式 。例如，在 现实 中接地故障 可以用 两种方式 来 检测： a) 使用故障指示器和集成 的 配电网络 统。在这种情况下 可以 检测 出 故障是 由于欠 电压 还是因 切断电源故障 引起的。 b） 通过使用便携式的高谐波测量仪器。在这种情况下故障检测只 有 当 短路 是 由于欠电压 引起的才能检测到，并且耗时长 。 表 1 所示中性 点接地方式决定 用故障指示器 还是 便携式测量仪器 来 检测接地故障。 表 1 可以用于接地故障检测的方法取决于中性 点接地 方式 1 此方法仅用于便携式测量 仪器 ， 此时 故障 线路 是 欠 压。 2 此方法 不用在 实际 中，因为不经济。 不同费用 的 产生 是由于 故障指示灯 、 测量仪器和具体的接地故障检测所用的方法 的不同 。 比 上面提及的方法更有效和经济收益普遍的接地故障的生产方法评价指标 (，它是所有的定向的零序保护， 原因有 ： 保护 工作在有接地 故障 时 的缺点是稳恒电流不敏感，因此不 会再次出现自动重合闸 。此外，很难计算 故障出现瞬间 电流和电阻的 值 。 装置在 有 高次谐波 时的 主要缺陷 是发生 故障时的高次谐波 总 和 经常 多变，因此这种方法不是用于固定设备 （故障指示器或继电器）。 目前 25 100 高次谐波的保护是需要额外的电源装置，此外是需要为在变电站的继电器安装特殊 滤波器 。 因为不经济所以在实际中 此方法 应用很少 。 十、 通用 接地故障指示器 作为一种基于零序电流和零序电压在发生与给定的时间的时间比较的零序方向保护装置，实现了通用的接地故障指示器。作为零 序 电 流 3 零 序 电 流 互 感 器（ 或零序电流传感器被安装 在 变压器 上 以及零序电压 3 电压变压器安装在变电站 （一个用于所有符合 该指标衡量零序 电流和零序电压和它们之间的角度。 如果 通用 接地故障指示器 确定 故障 （见图 1）： 零序电流 3于设定值 10 零序电压 3高于设定值 20V ； 相角在 3 3间 ，1 2 ， 工作区域 ； 1 ； 2 ； 工作 区域的边界。 图 工作 示意 图 在图 1 可以看到指标的工作 区 和 非 工作区。在线路正常的 情 况如果未出现故障，零序电流 3是在工作区中，但在 有 接地故障时， 零序电流减小和 3角度改变， 上 述的指示器 工作区和 接地 故障 之间的 角 发生偏转 。 在实 际 中，其指标 是在 工作区 80和 +80 之间调整或 80 +80 。 零序电流 3零序电压 3三种临界情况 如 图 2、 3 和 4 所示。 故障指示器 作为 首要的 不断测量 3后， 这取决于角度 之间固定故障调整指标。 （ 1） 表示 当满足 时，有： 2 d is a g r e （ ） T 表示时间周期。 在 实 际中， 指标 不断 进行调整，它取决于测量的时间范围和其工作区 如 下： m 和 m e a s 示指示器测量时间： 从零序电压 3等于 0 ， 零序电流 3于 0 的时刻。 指示器非 工作区 如下 ： m e a s 1） 指示器理想工作状态： 0m 图 2 2) =80o ， 3前 3临界状态 ： m 图 3 3) =+80o ， 3后 3临界状态： 图 4 通用接地故障指示器框图如图 5 所示。在变电站中压电缆网络安装 (A) 是一个独立的单位，包括一系列连接的零序电流传感器 （ 1）、 一 次 谐波滤 波 器 （ 2） 的和比较器 （ 4） ， 被连接到执行在网站的单元 （ 5） 耦合到变送器 （ 13），通过一个 通 信通道传送信号到一个接收器 （ 14）。接收机 （ 11） 的零序电压连接到其他输出的比较器 （ 4），而子站单元 (B)的 安装，包括串联连接的零序电压传感器 （ 6） 一 次 谐波 滤波 器（ 7）和电压比较器 （ 8） 连接到发射机 （ 9） 的零序电压，通过电信通道 （ 10 ） 传送到接收机 （ 11） 的零序电压的测量。在调度中心安装装置 （ C ） 组 成 的 系 列 中 连 接 接 收机 （ 14） 和一台电脑与软件 (15)。 图 十一、 故障指示器并入配电网 统 为了 改进故障检测使它更快，一个 名为 故障指示器融入配电网 统 的 试点项目 就 是为 布 网络 成立 的。要连接 49 个 故障指示器 （例如， 司的 700 故障指
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