（电气工程专业论文）大庆油田35kv电网内部过电压研究.pdf

摘要 近年来，随着城网的迅速发展，网络构架日益复杂，过电压对电网安全运行 的危害程度日趋突出。电缆出线比例逐年增多，导致对地电容电流剧增：配网线 路多以架空裸导线方式配置，单相接地或相间短路故障率较高。这些问题都严重 影响了供电的可靠性，由此带来的经济损失和社会影响越来越大。 论文对大庆油田配电网的内部过电压问题开展了研究。针对常见的铁磁谐振 过电压、弧光接地过电压，建立典型变电站仿真模型。在三种中性点接地方式下， 通过理论分析和仿真计算，掌握其配电网内部过电压形成的原因和特点。在分 析现有防护措施有效性的同时，提出了中性点经消弧线圈并联电阻的接地方 式的改进措施。针对操作过电压，通过仿真计算的结果，确定合理的防护 措施。该方案对于大庆油田配电网内部过电压防护措施的制定，提高内部过电 压防护能力和系统运行的安全可靠性，具有一定的指导意义。 关键词：配电网过电压防护措施安全运行 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i t y n e t w o r ka n dm o r e c o m p l i c a t e dn e t w o r ks t r u c t u r e ，o v e r v o l t a g ei sm o r eh a r m f u lt ot h es a f eo p e r a t i o no f p o w e rg n d s t h er a t eo fu n d e r g r o u n dc a b l ei si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r , w h i c hm a k e s c a p a c i t i v ec u r r e n t - t o - g r o u n di n c r e a s er a p i d l y d i s t r i b u t i o nn e t w o r kl i n e sa r em a i n l y a r r a n g e db yo v e rb a r ew i r e s ，a n dt h er a t eo fs i n g l ep h a s e t o - g r o u n df a u l ta n d i n t e r v a ls h o r t - c i r c u i tf a u l ti s h i g h e r t h e s ep r o b l e m sm a k ep o w e rs u p p l ym o r e u n r e l i a b l y , w h i c hc a u s e s e c o n o m i cl o s sa n ds o c i e t yi n f l u e n c em o r ea n dm o r e s e r i o u s l y i nt h ep a p e r , t h ei n t e r n a lo v e r v o l t a g ep r o b l e mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s s t r u c t u r e i nt h eo i l f i e l do fd a q i n gi sp u tf o r w a r d f o rt h ec o m m o n o v e r v o l t a g eo ff e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c ea n da r c - g r o u n d ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft o p i c a ls u b s t a t i o ni ss e tu p t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc o n s i d e r a t i o n ，t h er e a s o na n dt r a i to ft h e f o r m a t i o no fv o l t a g ei nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sm a s t e r e di nt h et h r e et y p e so fs m a l l c u r r e n tg r o u n d i n gs y s t e m s i nt h ea n a l y s i so ft h e e f f e c t i v e n e s so fd e f e n d e d m e a s u r e s ，t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d e ds y s t e mw i t hr e s i s t a n c e ，w h i c hi s p r o p o s e d ，i sm o r ee f f e c t i v e f o ro p e r a t e do v e r v o l t a g e ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n c o n s i d e r a t i o na r eu s e dt ot a k er e a s o n a b l ed e f e n d e dm e a s u r e s t h ep r o g r a mi s u s e f u lt om a k eo u tt h ed e f e n d e dm e a s u r e so fi n t e r n a lo v e r v o l t a g eo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki nt h ed a q i n go i l f i e l d ，a n di m p r o v et h ea b i l i t yo fp r o t e c t i o no fi n t e r n a l o v e r v o l t a g ea n dt h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fs y s t e mo p e r a t i o n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k o v e r v o l t a g ed e f e n d e d m e a s u r e s s a f e o p e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：差7 1 i l 冬 签字日期：泖弓 年多月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作豁冬；堇伯冬 签手吕搿：为p7 年彦月2 多日 导师签名：玉岬计巧， 签字日期：鼍年p 月；1 日 第一章引言 1 1 课题的提出 第一章引言 配电网是由配电线路、配电所及用户组成，它的作用是把电力分配给 配电所或用户。由于配电网系统承担着直接向用户供电的任务，具有分布 广、设备多、绝缘水平低的特点，因此，极易因过电压造成绝缘事故。电 力系统发生的过电压包括外部过电压和内部过电压。外部过电压主要指雷 电过电压，又称为大气过电压，是由于雷击输电线路或设备，从而侵入到 电力系统中形成的。内部过电压是指电力系统中由于断路器操作、故障或 其它原因，使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递所 造成的电压升高。内部过电压发生的时间较长，出现的频率较高，电压包 括的频谱较宽( 频率范围从几十到几千h z ) ；外部过电压的幅值较高、波 头较陡，因其所含高频成分丰富从而对电力系统造成的危害更大【i 2 】。 统计资料表明，电网中经常出现的内部过电压与外部过电压是引发各 种事故的首要原因。当系统中存在绝缘弱点或系统在绝缘脏污、潮湿、高 温等恶劣的环境下运行时，就必须充分估计到内部过电压的危害。它可能 引起单相对地闪络，极端情况下还会扩展到相间短路，引起飞弧；如果断 路器延时开断，继电保护拒动或失灵，会导致电气设备和配电间隔烧毁。 而雷击引起的暂态高电压或过电压常常可以通过网络线路耦合或转移到 网络设备上，造成设备的损坏。多年来，国内外有关微波站、调度通信站、 计算中心等遭受雷电冲击或干扰而失效、损坏的事例屡见不鲜，造成了巨 大的直接或间接的经济损失。据不完全统计表明，日本每年电子设备故障 的6 是因雷电引起的，美国佛罗里达州每年也发生多起由雷击引发的计算 机损坏事故，德国1 9 8 41 9 8 5 年间有1 1 3 台设备因雷击而损坏。我国1 9 9 8 2 0 0 1 年共发生5 6 次重大雷电灾害，( 其中有5 2 次发生在4 8 月之间) ，各年 发生的次数分别为2 l 、1 7 、8 和1 0 ；直接经济损失共计1 4 4 0 9 8 万元，平均 每次损失约为2 5 7 3 万元。在华中电力网中，全网有微波站近百个，近几年 的统计表明，造成设备损坏，导致长时间通信中断的主要原因是雷害，仅 武一衡线段的l5 个站中，就有1 2 个站曾因遭受雷击而影响正常通信，甚至 有多台设备遭到损坏。1 9 8 7 1 9 9 0 年全国电力系统有1 7 t - 微波站2 2 次遭受 雷害使通信设备损坏，仅1 9 8 9 年8 月3 0 日夜就有5 个站遭受袭击，损坏1 1 块 第一章引言 电路盘，通信中断1 7 个小时【3 - 5 1 。 我国3 5 千伏及以下电压等级的电力系统大都采用中性点非直接接地方式， 运行过程中容易出现内部过电压。由此引发的事故很多，深入研究中低压电网内 部过电压发生和发展的机理，寻求防范过电压事故的措旋，有着重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外配电网采取的单相接地故障电容电流补偿方式，均为消弧 线圈集中式补偿方式，即采取中性点经消弧线圈接地的方式。其补偿原理是： 当电网发生单相接地故障时，由于母线三相电压的不对称性，中性点上会有 一定幅值的电压产生，那么中性点上消弧线圈在该电压的作用下就会输出相 应的感性电流，从而对故障点电容电流实行集中补偿。消弧线圈对接地电容 电流的补偿可以减小故障点电流，减慢故障相电压恢复速度，有利于故障电 弧的自动熄灭和防止电弧重燃，从而避免了故障扩大；另外，消弧线圈的电 感可根治电压互感器引起的铁磁谐振过电压。这些作用大大提高了配电网运 行的安全性和供电的可靠性【3 4 j 。在配电网中的应用情况如下： 德国是中性点消弧线圈接地方式的提出者彼德逊( w p e t e r s e n ) 的故乡， 从1 9 1 6 年之后，在3 0 - - 2 2 0k v 电网大部分都采用了中性点经消弧线圈接地方 式。柏林市的3 0 k v 城网，电缆线路长达1 4 0 0 k m ，电容电流高达4 0 0 0 a ，亦是 采用了消弧线圈接地方式。 前苏联规定3 - - 6 6 k v 电网采用中性点不接地和消弧线圈接地方式。莫斯 科城市电缆配电网，至今仍是中性点消弧线圈接地方式。 英国3 3 k v 及以下的架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为 消弧线圈接地。 日本除冲绳外，其他l l 3 3 k v 配电网中性点接地情况1 9 7 5 年调查统计结 果中表明：消弧线圈接地配电网占2 8 。 法国过去以低电阻接地方式居多，随着城市电缆线路的增多，电容电流 迅速增大，法国电力公司( e d f ) 已逐步采用消弧线圈接地的中性点接地方 式。 西班牙于2 0 0 1 年首次将谐振接地方式应用到中压电网中，并逐步取代现 有的中性点直接接地方式。 我国1 0 k v 配电网数量庞大，分布范围广，对于其采取中性点谐振接地方 式上，我国“交流电气装置过电压保护和绝缘配合”d l t 6 2 0 1 9 9 7 行标规定： 架空线路构成的网络或架空线与电缆混合构成的网络，电容电流超过1 0 a 时， 第一章引言 采用经消弧线圈接地；纯电缆网络，电容电流超过3 0 a 时，采用经消弧线圈 接地。 可见，基于消弧线圈接地系统的电容电流集中式补偿方式在国内外的应 用范围甚广，是电力系统备受推崇的一种单相接地故障电流治理方法【5 7 1 。 1 3 本文的主要工作 近年来，由于大庆油田3 5 千伏配电网的飞速发展，网络构架日趋复杂，过 电压对电网安全运行的危害程度日趋突出，开展大庆油田配电网内部过电压 的研究工作具有非常重要的意义。 ( 1 ) 通过理论分析和仿真计算可掌握大庆油田配电网内部过电压的形成 原因和特点，分析现有防护措施的有效性，提出有效的过电压防护措施。 ( 2 ) 针对大庆油田配电网的内部过电压问题，建立典型变电站仿真模型，分 析计算铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压，形成大庆油田配电网内 部过电压防护方案。 ( 3 ) 该方案将指导大庆油田配电网内部过电压防护措施的制定，提高其内部 过电压防护能力和系统运行的安全可靠性。 第二章电网参数及其计算模犁 第二章电网参数及其计算模型 2 1 变电站主接线图 以兴盛lio k v 变电站3 5 k v 俱i j 母线所连设备和线路为仿真计算原型，网络接线 图如图2 1 所示。 图2 1 兴胜一次变主接线图 根据图2 1 建立的仿真计算模型如图2 2 所示。 变电站短路阻抗标幺值如表2 1 所示。 4 第二章电网参数及其计算模型 表2 1 变电站短路阻抗标幺值 1 1 0 k v 侧3 5 k v 侧 变电站大运行方式小运行方式大运行方式 小运行方式 兴盛0 0 8 2 8 50 1 7 4 50 1 8 4o 3 6 1 9 i 萨 2 2 主变压器参数 主变压器参数如表2 2 所示。 图2 2 仿真模型 表2 2 主变压器参数 编号 1 #2 榉 型号 s f p s z 7 - 5 0 0 0 0 l l0s f p s z 7 - 5 0 0 0 0 11 0 额定变比 1 1 04 - 8 x 1 2 5 3 8 5 2 x 2 5 6 6 k v1 10 - 士s x l 2 5 3 8 5 士2 x 2 5 * , 6 6 k v 接线方式 y n y n o d ny n y n o d n 空载电流i o 0 6 0o 6 0 空载损耗l c w 5 7 65 7 6 短路电压u k 9 7 1 7 6 6 69 7 17 6 6 6 短路损耗以( w2 2 8 8 6 2 2 4 6 4 4 1 7 7 7 9 92 3 7 9 5 5 2 4 2 3 0 4 1 8 3 2 3 0 s 第二章电网参数及其计算模型 2 3 线路参数 不同型号线路的参数如表2 3 所示。线路型号和长度如表2 4 所示。 表2 33 5 k v 线路参数 线路型号 t l kk c + c o l g j 一1 2 00 2 70 4 7 51 1 1 85 5 9 2o 0 1 0 40 0 0 5 l g j 一1 5 00 2 l0 3 4 91 1 7 94 0 5 50 0 0 9 80 0 0 5 l l g j 一1 8 0o 1 70 3 0 91 1 5 54 0 3 5o 0 10 0 0 5 2 l g j 一2 4 0o 。1 30 2 7 21 1 34 1o 0 1 0 20 0 0 5 3 y 儿v - 2 6 3 5 1 幸2 4 0o 0 6o 0 9 lo 1 3 90 2 90 5 4 8o 2 7 4 y j l v 2 6 3 5 1 阜l8 50 0 7 1 60 0 8 3 90 1 60 2 4 70 5 0 20 3 3 5 单位：电阻( q k m ) 电感( m h k m ) 电容( 1 l f k l n ) 表2 43 5 k v 线路型号和长度 出线 出线类型及型号长度k i n 出线名称 编号 架空线 电缆架空线电缆 l g j 1 5 01 9 5 0 0 9 3 7 兴油库线 l g j 1 2 03 3 9 6 0 0 9 4 l 氯碱甲线 l g j 1 2 00 9 7 l g j 1 2 00 9 7 0 0 9 4 2 氯碱乙线 y 儿v 一2 6 3 5 一1 8 5o 1 3 l g j 1 5 0o 6 5 l g j 1 5 04 8 7 9 l g j 1 5 03 4 9 5 0 0 9 4 3 兴动线 l g j 一1 2 00 6 5 5 l g j 1 5 03 6 2 8 0 0 9 4 4前进水源线l g j 一9 50 7 0 6 l g j 一1 2 0 5 6 5 6 0 0 9 4 6齐水乙线l g j 1 8 53 3 2 4p t 参数 3 5 k v p t 型号为j d j j l 3 5 。在a t p 仿真计算p t 饱和谐振时，二次侧的各种 数据在仿真中并不需要涉及，仅须考虑由于p t 饱和引起的过电压和过电流对 配电网的影响，因此p t 模型可用3 个能反映铁芯饱和励磁特性的非线性电感 6 第二章电网参数及其计算模型 代替，用于仿真计算的p t 简化模型如图2 3 所示。 2 5 避雷器参数 图2 3p t 仿真计算模型 避雷器型号参数如表2 5 所示，其中h y 5 w z 2 5 4 1 3 4 表示电站型复合外套无间 隙金属氧化物避雷器，标称放电电流5 k a ，额定电压5 4 k v ，标称放电电流下的残 压为1 3 4 k v 。 表2 5 避雷器型号参数 兴盛站 l 避雷器型号h y s w z z 一5 4 13 4 3 5 k v 金属氧化物避雷器的伏安特性如表2 6 所示。 表2 63 5 k v 金属氧化物避雷器的伏安特性 li a3 x l o 4l x l o 。j5 x 1 0 - zi x l 0 1i x l 0 25 x 1 0 2l x l o 3 x 1 0 55 x 1 0 3 i iu u i m a 0 9 5 51 0 0 01 0 8 21 1 6 31 2 7 71 4 0 01 4 5 11 5 6 91 7 5 3 注：u l m a 一般取其典型值7 3 k v 。 第三章中性点接地方式对内部电压的影响 第三章中性点接地方式对内部过电压的影响 3 1 配电网内部过电压概述 配电网分布广，设备绝缘水平低，易受暂态过电压和操作过电压的危害。目 前存在的主要问题有： 一、配网线路以架空裸导线配置方式居多，单相接地或相间短路故障率较高， 由此引发的设备故障频繁： 二、随着配电网的迅速发展及室内开关柜的大量使用，电缆出线比例逐年增 多，导致对地电容电流剧增，过电压引发的重要线路停电、电缆爆炸等事故时有 发生，严重影响了供电可靠性 s - l o 】。 配电网内部过电压的防护重点是谐振过电压和弧光接地过电压，针对大庆配 电网的具体情况，分析计算铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压并提 出相应的防护方案。 3 1 1 铁磁谐振过电压 在电力系统的振荡回路中，往往由于铁芯电感的饱和作用而激发起持续 性的幅值较高的过电压，即铁磁谐振过电压。3 5 k v 配电网中存在两种典型的 铁磁谐振过电压，分别为断线引起的谐振过电压和p t 饱和引起的谐振过电 压。 以p t 谐振过电压为例，当p t 伏安特性较差时，系统电压升高，通过p t 铁芯的励磁电流超过额定励磁电流，使铁芯饱和，电感呈现非线性，它与系 统中的电容构成振荡回路后可激发为铁磁谐振过电压。在中性点不接地系统 中，由于高压电缆和电器柜母排全封闭，存在对地电容，它与中性点接地的 p t 的高压绕组形成并联。一旦高压绕组受到某种原因扰动，电感饱和程度不 一样，与对地电容形成谐振回路，就有可能激发铁磁谐振。其现象为：三相 电压不平衡，一或二相电压升高超过线电压。铁磁谐振会引起高电压、过电 流，若采取措施不及时，会使p t 保险熔断，p t 绝缘击穿，大电流也会使p t 过载，铁芯饱和烧毁绕组，使系统不能正常运行。 解决p t 谐振过电压的办法有1 1 1 ，1 2 】： a 优先选用励磁特性饱和点较高的p t ； b在p t 开口三角绕组装设二次消谐器或消谐电阻； r 第三章中性点接地方式对内部电压的影响 c 在p t 一次绕组中性点装设次消谐器； d 适当选择消弧线圈的脱谐度，避开电网谐振点。 3 1 2 弧光接地过电压 正常情况下，中性点不接地系统发生单相接地时，允许运行2 d , 时。但还是 会频繁出现单相接地引起的过电压事故，原因之一是系统中个别设备存在绝缘薄 弱点，另一个重要的原因是系统电容电流较大，接地电弧不能自熄，产生3 5 倍 的弧光接地过电压。为了减小单相接地故障总电流，往往采用消弧线圈。装设消 弧线圈后，接地点残流不超过1 0 a ，接地电弧便不能维持，会自行熄灭。限制弧 光接地过电压的办法有1 1 3 , 1 4 1 ： a 装设消弧线圈； b 合理选择消弧线圈容量。消弧线圈的分头调整，不能仅仅依据理论计算值， c 应根据实测电容电流值来调整。应定期开展容性电流测试工作。 装设自动跟踪补偿的消弧线圈。目前，自动消弧线圈有四大类： 1 ) 用有载分接开关调节消弧线圈的分接头； 2 ) 调节消弧线圈的铁芯气隙； 3 ) 直流助磁调节： 4 ) 可控硅调节消弧线圈。 3 2 中性点接地方式的选择 配电网内部过电压问题与其中性点接地方式密切相关，而中性点接地方式的 选择是一个综合性的技术问题，直接关系到电力设各的绝缘水平、过电压水平、 供电可靠性、通信干扰、接地保护方式、人身及设备安全等很多方面，是电力系 统实现安全与经济运行的技术基础【l5 1 。 关于配电网的中性点接地方式，历史上两个工业比较发达的国家分别采取了 不同的解决途径。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作， 采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美国采用 了中性点直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式，配合快速继电保护和开关装 置，瞬间跳开故障线路。这两种具有代表性的作法，对其他国家的电力系统中性 点接地方式的发展产生了很大的影响【1 6 】。 我国电力行业标准d l t 6 2 0 一1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配 合中第3 1 2 条规定：3 1 0 k v 不直接连接发电机的系统和3 5 、6 6 k v 系统， 9 第三章中性点接地方式对内部电压的影响 当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下 列数值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式【1 7 】： a3 1 0 k v 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有3 5 、 6 6 k v 系统，1 0 a 。 b3 1 0 k v 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压 为： ( 1 ) 3 k v 和6 k v 时，3 0 a ： ( 2 ) 1 0 k v 时，2 0 a ； ( 3 ) 3 k v - - 1 0 k v 电缆线路构成的系统，3 0 a 。 以中性点不接地和经消弧线圈接地方式为代表的配电网非有效接地方式，在 供电可靠性、人身设备安全和电磁兼容性等方面占有优势，但存在过电压水平高、 难以实现接地故障检测等不足 1 8 1 9 。中性点直接接地和经电阻接地方式有利于限 制过电压水平，接地故障易于检测，但该接地方式下故障电流大，人身设备安全 和电磁兼容性应予以重视。而中性点经消弧线圈并联电阻接地方式弥补了经消弧 线圈接地或经电阻接地单一运行方式的不足，使其既有利于瞬时故障熄弧，限制 甚至消除发生间歇性弧光接地及其它谐振过电压的可能性，又便于永久性接地故 障的检测，但其限制内部过电压的效果及其与现有接地方式的比较还需通过数值 仿真进行验证。 3 3 中性点接地电阻确定 对消弧线圈采用不同脱谐度时发生单相接地故障进行计算，按规程对补偿电 网故障残余电流的要求，选择中性点接地电阻。 故障设置0 0 9 3 7 兴油库线出线线路末端c 相( 兴盛变) ，考虑较恶劣的故障情 况，即金属性接地和经低值过渡电阻接地。计算结果见表3 1 。 观察上表计算结果可以看出： 一般中性点经消弧线圈接地的补偿电网，脱谐度v 的绝对值为5 1 0 ，不 宜超过1 0 ，且为过补偿。选用4 2 0 0 q 的电阻并联于中性点，能够满足故障点残 流不超过1 0 a 的要求。 l o 第三章中性点接地方式对内部电压的影响 表3 1 故障点残余电流( 有效值) 计算结果a 中性点电阻r n ( q ) 过渡电阻r ( q ) 脱谐度v ( ) 无穷大 4 0 0 0 4 2 0 04 5 0 0 oo 7 85 9 25 6 45 2 8 50 5 25 8 95 6 15 2 4 51 0 45 9 65 6 9 5 3 2 5l o0 2 65 8 75 5 95 2 2 1 01 3 06 0 l5 7 45 3 8 2 0o 2 75 8 65 5 95 1 8 2 01 8 2 6 1 5 5 8 85 5 3 00 7 85 8 55 5 85 2 2 50 5 25 8 25 5 5 5 1 9 - 51 0 45 8 95 6 25 2 7 5 0l o0 2 65 8 05 5 35 1 8 1 01 3 0 5 9 45 6 85 3 3 2 00 2 75 8 05 5 35 1 7 - 2 01 8 26 0 85 8 2 5 4 8 0o 7 85 7 85 5 2 5 1 7 50 5 25 7 55 4 9 5 1 3 51 0 4 5 8 25 5 65 2 l l o o 1 00 2 65 7 35 4 75 1 1 1 01 3 05 8 75 6 1 5 2 7 2 00 2 7 5 7 15 4 65 1 1 2 01 8 26 0 05 7 55 4 2 第四章铁磁谐振过电压 4 1 断线谐振过电压 第四章铁磁谐振过电压 断线谐振过电压，泛指由于导线断落、断路器拒动以及断路器和熔断器 的不同期切合引起的谐振过电压。 在三相电网中，断线的结果可能形成电感电容的串联共振回路，其中电 感是指空载或轻载变压器的励磁电感和消弧线圈等，电容是指导线的对地和 相间电容，或电感线圈的对地杂散电容等1 2 0 , 2 1 1 。随着负载变压器负荷的增加， 负荷等值电抗与励磁电抗并联后的等值电抗值减小，偏离了谐振点，谐振过 电压减弱，有时还可以破坏谐振。因此变压器空载或轻载时最容易发生断线 谐振【2 2 】。 在3 5 k v 及以下线路中，断线引起的铁磁谐振过电压比较频繁，并且可能 造成各种后果：在绕组两端和导线对地间形成过电压：负载变压器的相序反 倾；中性点位移和虚幻接地；绕组的铁芯发出响声和导线电晕声【2 3 1 。在严重 情况下，甚至瓷瓶闪络，避雷器爆炸和击毁电气设备。在某些情况下，这种 过电压还会传递到绕组的另一侧，对后者产生危害。 目前，为防止断线谐振过电压，采用的措施有【2 4 】： a 保证断路器的三相同期动作，避免发生拒动，不采用熔断器设备； b 加强线路巡视和检修，避免发生断线： c 如断路器操作后发生异常现象，应立即复原和进行检查； d 必要时在变压器的中性点后端部加装棒间隙。 4 1 1 中性点不接地系统的断线谐振过电压 在中性点不接地系统中，设有一相导线折断发生断线故障，断线有三种 形式：断线不接地、断线电源侧接地和断线负荷侧接地。按照这三种形式， 分别画出其等值电路如图4 1 所示： 以兴胜变为例进行说明，其中，方式卜方式4 分别对应为：0 0 9 4 4 线o k m 处断线故障；0 0 9 4 4 线0 1 5 k m 处断线故障；0 0 9 4 2 线0 7 5 k i n 处断线故障；0 0 9 3 7 线o k m 处断线故障。 第四章铁磁谐振过电压 1 j 工r 听缝不接地 1j o 断线电潭翻i f a t i j l 簟线氮蕾瞧生 图4 1 三种断线形式的等值电路 1 ) 中性点不接地系统，单相断线不接地时，通过改变x c q x l ，过电压计算 结果见表4 1 ( 表中l p 乩= 4 0 5 0 0 x 芝；= 3 3 0 6 8 v ，下同) 。故障相、非故障 相及中性点电压典型波形如图4 2 所示。 表4 1 断线不接地时的过电压p u 方式1 方式2方式3方式4 c 0 。00 0 3 90 ：0 3 40 c o ”0 0 5 20 0 1 30 0 1 90 2 8 c o0 0 5 20 0 5 20 0 5 20 2 8 c e q 0 0 3 4 6o 0 1 1 9o 0 1 6 3o 0 1 8 5 x c q x l 0 5 8 0o 0 1 80 7 2 2 30 7 8 2 4 电源侧 1 2 3 7 51 1 4 4 51 1 0 7 91 0 4 9 9 负荷侧 1 4 3 4 83 1 8 9 23 0 6 1 51 7 3 0 4 健全相 1 1 3 6 l1 0 6 7 81 0 6 2 11 0 7 7 4 中性点 0 2 0 3 30 0 9 4 70 0 5 8 20 0 2 8 3 非故障相电压波形 第四章铁磁谐振过电压 故障相电源侧电压波形 故障相负荷侧电压波形 中性点电压 图4 - 2 断线不接地方式2 电压波形 非故障相电压波形 1 4 第四章铁磁谐振过电压 故障相负荷侧电压波形 中性点电压 图4 3 断线电源侧接地方式3 电压波形 非故障相电压波形 故障相电源侧电压波形 第四章铁磁谐振过电压 八八八八厂 0 0 0 1 0 20 3 ( t h e 断线b y - m 2 4 h p ：x o v a tt ) v ：x 3 0 1 9 中性点电压 图4 - 4 断线负荷侧接地方式3 电压波形 2 ) 中性点不接地系统，单相断线电源侧接地时，改变x c q x l ，过电压 计算结果见表4 2 。故障相、非故障相及中性点电压典型波形如图4 3 所示。 表4 2 断线电源侧接地时的过电j 玉, p u 方式1方式2方式3方式4 c o 00 0 3 90 0 3 40 c o ”0 0 5 20 0 1 30 0 1 90 2 8 c o0 0 5 20 0 5 20 0 5 20 2 8 c e q 0 0 3 4 60 o l l 90 0 1 6 3o 0 1 8 5 x c q x l 0 5 8 0o 0 1 80 7 2 2 30 7 8 2 4 负荷侧 1 0 4 9 85 6 9 3 67 7 2 0 98 0 4 9 0 健全相 2 3 0 4 72 4 0 0 02 2 8 4 82 2 7 6 3 中性点 1 3 7 6 21 5 0 6 31 3 4 9 71 3 5 8 8 3 ) 中性点不接地系统，单相断线负荷侧接地时，过电压计算结果见表 4 3 。故障相、非故障相及中性点电压典型波形如图4 4 所示。 表4 3 断线负荷侧接地时的过电压p u 方式l方式2方式3方式4 c 0 o0 0 3 90 0 3 40 c 0 ”0 0 5 2o 0 1 30 0 1 9o 2 8 c o0 0 5 20 0 5 2 0 0 5 2o 2 8 c e q 0 0 3 4 6 0 o l l 9 o 0 1 6 30 0 1 8 5 x c q x l 0 5 8 0o 0 1 80 7 2 2 30 7 8 2 4 电源侧 1 5 4 7 51 2 8 2 9 1 2 1 6 0 1 4 6 4 7 健全相 1 4 0 7 5 1 2 8 2 71 2 2 3 61 4 1 6 6 中性点0 4 5 0 4o 1 8 3 80 2 6 6 20 4 2 5 3 1 6 第四章铁磁谐振过电压 由以上计算结果和电压波形可以看出： a 断线不接地时，断点两侧都有可能出现过电压，最高可达3 2 p u ； b 断线电源侧接地时，产生的过电压最高，其值可达8 0 p u ； c 断线负荷侧接地时，故障相电源侧和健全相都有可能出现过电压。 4 1 2 中性点经消弧线圈接地系统的断线谐振过电压 仿真计算时，将消弧线圈等值为一个线性电感l n 和小电阻r n ( = 0 0 1 w l n ) 的串联1 2 5 j 。 在补偿网络中，若消弧线圈只接在电源变压器的中性点上，断线后的共 振回路比较复杂，其中起主要作用的仍可能是负载变压器的励磁电感。因此 不论消弧线圈原来整定在欠补偿或过补偿状态，当负载变压器处在空载或轻 载条件下，断线的结果都有可能激发起幅值较高的共振过电压。大量现场事 故也说明了这一点 2 6 , 2 7 】。 中性点不接地系统中，在断线不接地故障方式2 、方式4 下，分别发生了 基频及高频谐振，为此本节对电网采取消弧线圈接地方式时，两种方式下的 断线谐振过电压进行计算，以验证上述理论。电网三相对地电容为0 7 1 u f 。 1 ) 中性点经消弧线圈接地系统，单相断线不接地时的过电压见表4 4 ， 故障相、非故障相及中性点电压典型波形如图4 5 所示。 表4 4 断线不接地时的过电压p u v0 2 50 2 - o 1 0 0 50 o 0 5 o 1 o 20 2 5 l 1 1 4 1 2 1 1 8 8 7 1 2 9 6 81 3 5 8 61 4 2 6 51 5 0 1 61 5 8 5 01 7 8 3 l1 9 0 2 0 r 3 5 8 3 3 7 3 34 0 7 24 2 6 6 4 4 7 94 7 1 54 9 7 75 5 9 95 9 7 2 方式2 电源侧1 1 9 2 71 3 7 3 91 4 0 9 71 3 6 2 21 2 3 4 41 2 4 5 51 2 5 4 01 9 4 8 41 4 8 0 7 负荷侧 3 2 7 2 63 7 3 5 74 0 3 4 84 0 1 6 33 8 3 9 l4 4 6 4 25 2 2 6 92 8 4 0 12 8 5 3 9 健全相 1 4 6 7 31 6 8 6 91 7 1 3 61 5 8 3 81 6 4 2 41 8 3 0 92 3 1 9 61 4 1 4 71 2 2 4 2 中性点 0 4 5 8 40 6 8 8 90 7 8 1 80 6 3 7 00 7 l o l0 8 8 8 71 3 8 5 90 9 0 2 00 4 5 0 6 方式4 电源侧 1 2 5 9 61 3 0 2 31 0 9 8 91 0 4 9 92 2 7 4 21 0 4 9 91 0 4 9 91 0 4 9 91 0 4 9 9 负荷侧 1 9 2 3 81 9 7 5 81 7 0 6 71 5 8 9 54 0 9 0 61 5 9 4 71 6 0 1 5 1 6 2 5 6 1 6 3 5 9 健全相 1 1 8 8 9 1 2 1 0 51 2 5 1 5 1 2 7 7 9 2 4 6 0 51 2 4 4 11 1 8 2 71 1 3 0 91 1 1 5 7 中性点0 2 1 9 9 0 2 6 l l 0 2 1 7 2 0 2 7 9 7i 6 6 7 5 0 2 7 4 80 1 8 7 9o 1 1 6 30 3 2 8 5 第四章铁磁谐振过电压 非故障相电压波形 故障相电源侧电压波形 故障相负荷侧电压波形 中性点电压 图4 5 断线不接地方式4 ，v = 0 2 电压波形 2 ) 中性点经消弧线圈接地系统，单相断线电源侧接地时，改变x c q x l ， 过电压计算结果见表4 5 。故障相、非故障相及中性点电压典型波形如图4 6 。 1 8 第四章铁磁谐振过电压 3 ) 中性点经消弧线圈接地系统，单相断线负荷侧接地时，过电压计算 结果见表4 6 。故障相、非故障相及中性点电压典型波形如图4 7 。 表4 5 断线电源侧接地时的过电压p u v - o 2 5 - o 2一o 1 _ o 0 5 0 0 0 5o 1o 20 2 5 l 1 1 4 1 21 1 8 8 7 1 2 9 6 81 3 5 8 6 1 4 2 6 5 1 5 0 1 6 1 5 8 5 01 7 8 3 i1 9 0 2 0 r3 5 8 33 7 3 34 0 7 24 2 6 64 4 。7 94 7 1 5 4 9 7 75 5 9 95 9 7 2 方式2 负荷侧 5 8 6 4 8 7 1 1 8 85 6 4 6 l5 5 6 8 06 3 8 3 36 8 5 7 05 5 6 4 35 8 6 0 l6 5 3 0 l 健全相 2 4 0 1 22 4 0 1 22 4 0 l l2 4 0 1 02 4 0 l o 2 4 0 0 9 2 4 0 0 9 2 4 0 0 82 4 0 0 8 中性点 1 5 0 0 l1 5 0 0 31 5 0 0 91 5 0 1 l 1 5 0 1 41 5 0 1 61 5 0 1 91 5 0 2 41 5 0 2 6 方式4 负荷侧8 5 4 7 77 9 0 9 47 9 5 2 08 6 3 2 17 9 0 8 48 1 2 0 37 9 0 7 87 9 0 7 17 9 0 6 7 健全相 2 2 7 4 l 2 2 7 4 2 2 2 7 4 4 2 2 7 4 52 2 7 4 62 2 7 4 72 2 7 4 82 2 7 4 92 2 7 5 0 中性点1 3 5 7 21 3 5 7 31 3 5 7 41 3 5 7 51 3 5 7 61 3 5 7 61 2 6 1 41 3 5 7 81 3 5 7 9 非故障相电压波形 故障相负荷侧电压波形 1 9 第四章铁磁谐振过电压 中性点电压 图4 6 断线电源侧接地方式4 ，、r = 0 2 电压波形 表4 6 断线负荷侧接地时的过电压p u v一0 2 5o 2 - 0 1 o 0 5 o0 0 5o 1o 20 2 5 l1 1 4 1 2 1 1 8 8 71 2 9 6 81 3 5 8 61 4 2 6 51 5 0 1 61 5 8 5 01 7 8 3 l1 9 0 2 0 r3 5 8 33 7 3 34 0 7 24 2 6 6 4 4 7 9 4 7 1 54 9 7 7 5 5 9 95 9 7 2 方式2 电源侧 1 1 7 0 71 1 7 0 31 1 6 9 61 1 6 9 21 1 6 8 71 1 6 8 3 1 1 6 7 9 1 1 6 7 l1 3 2 0 4 健全相1 2 8 2 61 2 8 2 61 2 8 2 6 1 2 8 2 6 1 2 8 2 61 2 8 2 61 2 8 2 61 4 2 3 61 2 8 2 6 中性点 o 0 6 1 40 0 6 2 2 0 0 6 3 80 0 6 4 70 0 6 5 50 0 6 6 40 0 9 5 70 4 6 0 80 2 7 6 4 方式4 电源侧 1 2 3 4 01 2 3 0 91 2 2 4 71 2 2 1 61 2 1 8 41 3 2 7 01 8 2 6 4 1 5 1 3 41 4 4 8 8 健全相1 4 1 6 31 4 1 6 31 4 1 6 31 4 9 8 31 8 4 3 62 5 5 4 91 5 0 8 81 4 1 6 41 4 1 6 4 中性点0 。4 2 5 20 4 2 5 20 4 2 5 20 5 6 0 10 9 1 9 31 7 2 3 50 7 9 2 20 4 6 4 60 4 2 5 2 4 ) 消弧线圈补偿系统非全相断线故障的稳态分析 消弧线圈正常运行时的中性点经消弧线圈接地的零序电路如图4 8 所示，图 中l 、g l 分别为消弧线圈的电感和等值电导；c 、g 为电网每相对地电容和对地泄 漏电导：u m 为不对称电压【2 8 】。 非故障相电压波形 第四章铁磁谐振