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消除弧光接地过电压的方法研究 摘要 随着我国电网系统的发展，电力系统中的过电压现象越来越严重，尤其随着 电缆线路逐渐代替架空线路，电容电流不断增加，弧光接地现象更是不可避免。 在我国l o 3 5 k v 供电系统中，主要为中性点非直接接地系统，这种系统在 发生单相接地时，电网仍可带故障运行，这样可以大大降低运行成本，提高供电 系统的可靠性，但这种供电方式在单相接地电容电流较大时容易产生弧光接地过 电压和相间短路，给供电设备造成了极大的危害。我国目前解决的办法是在中性 点加装消弧线圈补偿电容电流来抑制故障点弧光发生的机率。这种方法的目的是 为了消除弧光，但由于消弧线圈的自身的诸多特点，很难对电容电流进行有效补 偿，特别是高频分量部分对供电设备造成的危害无法克服。本文在研究各种消弧 线圈的基础上，提出全新的概念，研制出了消弧及过电压保护装置，该装置在出 现弧光接地时，通过单片机综合控制器控制一组可以分相操作的真空接触器，使 故障相接地，达到彻底消除弧光的目的。 本文的研究结果对电力系统过电压保护装置的设计及消除弧光接地过电压 和小电流选线装置的开发具有实际指导意义。利用其原理开发的消弧过电压保护 装置己在合肥供电公司1 i o k v 双凤变电所投入运行。 关键词：弧光接地过电压消弧及过电压保护装置单片机综合控制器单相接 地电容电流相间短路消弧线圈 t h em e t h o dr e s e a r c ho ne l i m i n a t i n ga r c e a r t h e do v e r v o l t a g e a b s t r a e t a l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to f p o w e r n e t w o r kt r a n s m i s s e di no u rc o u n t r y ，t h e i n t e r n a le l e c t r i cp o w e rn e ti ni n d u s t r ya n de n t e r p r i s ea n dt h ee l e c t r i cp o w e rs e s y t e m o n g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t ya n dp o w e rs u p p l y ， p o w e rs e s y t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r e t h e o v e r v o l t a g ep h e n o m e n a i nt h ee l e c t r i c s e r i o u s e s p e c i a l l yw h e nc a b l ec i r c u i t r y r e p l a c e sg r a d u a l l yt r o l l y w i r e ，t h ea r ce a r t h e do v e r v o l t a g ep h e n o m e n ab e c o m e s u n a v o i d a b l e i nt h e3 - 3 5 k vp o w e rs u p p l ys y s t e mo fo u rc o u n t r y , t h el a r g ep a r ti st h en o t s o l i d l ye a r t h e dn e u r a ls y s t e m 。w h e nt h es i n g l e - p h a s ee a r t h e dp h e n o m e n ah a p p e n si n 魄i ss y s t e m ，t h i se l e c t r i cp o w e rn e t w o r kc a nr u nw i t hf a i l u r e 。a n di nt h i sw a yt h e o p e r a t e dc o s tc a nr e d u c ee r e a d l y 。a n da tt h es a m et i m et h ep o w e rs u p p l ys y s t e m i c d e p e n d a b i l i t yc a l lb ei m p r o v e d b u tw h e n t h es i n g l e p h a s ee a r t h e dc u r r e n ti sl a r 簖， t h i se l e c t r i cp o w e rs y s t e mc a r le n g e n d e re a s i l ya r ee a r t h e do v e r v o l t a g ea n di n t e r p h a s e s h o r tc i r c u i t b yt h i sm e a n s 。s i m u l t a n e 黔氇i so v e r v o l g a t ed a m a g e sg r e a t l y t h e e q u i p m e n tf o rp o w e rs u p p l 弘a f t e rl i b e r a t i o n ，i no u rc o u n t r ye l i m i n a t i n ga r cl o o p s w e r e1 0 a d e di nt h en e u t r a lt oc o m p e n s a t ec a p a c i t i v ec t ：t r r e n t ，s ot h a ti tc a nr e s t r a i nt h e p r o b a b i l i t yo fa r cg e n e r a t i n gi nt h ee x c e p t i o np o i n t a p p a r e n t l yt h e i n t e n t i o ni st o a v o i da r c ，o w i 建女t oa g r e a td e a lo fc h a r a c t e r i s t i co fe l i m i n a t i n ga r cl o o pi t s e l f ，i ti s 琏l 爨e u l tt oc o m p e n s a t ee f f e c t i v e l yc a p a c i t i v ec u r r e n t 。i np a r t i c u l a rt h ep a r to fh i g h f r e q u e n c y c a l lm a k e 也ep o w e ts u p p l ye q u i t m e n t se n d a n g e r e da n di tc a n tb e o v e l o m e b a s e do i lr e s e b r c h i n gt h ef u n c t i o no f e v e r yk i n do f e l i m i n a t i n a r cl o o p ， n e w c o n c e p tw a sb r o u g h tu pi nt h i sp a p e r , a n d t h ep r o t e c t i v ed e v i c ef o re l i m i n a t i n g a r ea n do v e r v o l t a g ew a sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e d w h e nt h ea r cl i g h tc o n n e c t i n g 氆eg r o u n de m e r g e s ，t h ec h i ps y n t h e s i z i n gc o n t r o l l e rc o n t r o lt h ev a c u u mc o n t a c t e r w h i c hc a nb eo p e r a t e dw i t hd i v i d i n gp h a s ea n dm a k ei t sf a u l tp h a s ee a r t h e ds ot h a tt h e a r cl i e h tc a l lb ed i s s o l v e d t h o r o u g h l y i tc a nb ep r e d i c a t e dt h a tt h es t u d yr e s u l t sa r eu s e f u lt ot h ed e s i g no f o v e r v o l t a g e p r o t e c t i v ed e v i c ei ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d t h ed e v e l o p m e n to f c a n c e l i n ga r cl i g h t e a r t h e do v e r v o l t a g ed e v i c ea n ds m a l le l e c t r i cc u r r e n tc h o s e n e q u i p m e n t 。 k e y w o r d s ：t h ea r el i g h te a r t h e do v e r v o l t a g e ，p r o t e c t i v ed e v i c ee l i m i n a t i n ga r c a n d o v e r v o l t a g e ，c h i ps y n t h e s i z i n gc o n t r o l l e r ，s i n g l e - p h a s ee a r t h e dc a p a c i t i v e c u r r e n t ， i n t e r p h a s es h o r tc i r c u i t ，e l i m i n a t i n ga r cl o o p 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金魍王些太堂或其 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谢意。 学位论文作者签名： 主彦签字日期：时年r 月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权金匿工些盔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 趸；参 签字日期：m 十年多月2 1e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：幻口鲜厂月明日 电话： 邮编： 致谢 本人程三年的颥士鼍珏究生课程举习葶雎撰写学使论文的过程中，翻始至终得到 了我熬荨爨了臻毂授熬瑟心撩导，嚣瓷簌谦程掌习、论文选藤，还蕊翳浚囊溱瓣、 论文成稿，都倾注了丁明老师的心m ，由裟感谢丁嗍老师程学业指导及各方硒所 给予虢蘸关。舀浚爱款富蒋努毅孛擘甍鹃为天熬痰嚣逡德镶黎，t 蠢辩广蓠瓣攀谈、 严谯的治学作风、海人不倦的教育情怀和对潦业的忠诚必将使我终身受懿。并 激聚蔽莠往羹蕊。 同时，真诚感谢电气工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究掇供了 理论然建，势裁造了诲多磐癸条佟黎攀骂疑套。 感谢掰商翡嗣学给予的帮助。 佟者：重魏 2 0 0 4 荦5 且 第一章电力系统酶内部：过电压的篱分 1 。1王鬃避毫蓬豹形畿及分类 1 1 1 工频过电压的概况 毫霹夔菜些放障、操终，豢露零l 起持续时阗较长懿工频过电压嚣舞。工频 过电压的升高对于正常的绝缘一般是没有危险的，但伴随工频过电压升高的间 时，发生憋操 乍过瞧压憩达至4 缀麓的堰馕。工频过电嚣舞裹，包括突然愿负棼 引越的工频过电压升高、空载线路末端的电压升高以及非对称短路电雁升高。 工频电压升赢按产生的阶段可划分为暂态工频嗽压升高积稳态工频电愿舞赢。 电阐发生变化对，发电机藤保持磁链守襁，这时的工颓电压升高为暂恣工频电 压升高；发电机励磁调节器起作用之后，系统进入稳定状态，这时的工频电压 舞菘为稳态工频电压舞高。超高藤电丽静稳态工频毫嚣升高强须热戳鞭镧。我 国5 0 0 k v 电网，一般要求母线的鬻态工频电压升高不越过工频电压的1 3 倍， 绫籍不超：逡1 4 镄。 1 1 2突然甩负荷引起的工频过电压升高 器1 1 ( & ) 是系统突然鼹受蘩露斡接线国，当牙关k 。爨瓣，突然趱簿受蕊 p - j q 时，由于发电机电枢反应的变化和转子转遽的上升，将引起线路工频电愿 斡舞褰。 ( 1 ) 发电机电枢反应的变化引起的工频电压升高 通常，系统带感性负钴，感性受荷的电流对发电搬起去磁的电枢反应，当开 关k ：跳闸，突然糟掉负荷时，这个去磁的电枢反应也随之消失，但椴据磁链守 衡原理，穿过励磁绕组的磁通来不及变化，故发电机端电压按图卜l ( c ) 升高 蓟e 。阍嚣寸，甩搏感控负荷熊长线显容性，容褴静电流又对教电机越助磁的电 枢反应，于是线路上的电压将为 u ：嚣：4罂 “x 。+ ( 石d + 爿8 ) 式中x 。线路匏镣篷容挠； x 。同步发电机的纵轴暂态电抗； x f 一变蓬器熬短路电获。 fbu e ( a ) ( a ) 接线潮；( b ) 等德电路；( c ) 向量图 图卜1 系缆的突然腿负荷 对于1 1 0 k v 2 2 0 k v 绒更低的电压的线路，x 。x 。+ x b ，电压u 较u 。约上升 2 0 3 0 ，对于超商压远躐离的输电线路，其末端电压能达到更高的数值。 ( 2 )发电机转速上升引起的工频电压升高 发奄瓤突然愚受蘅蜃，由于发窀穗缝静疆逮器及调蘧器采不及越佟蠢，掰 以发电机的转速将上升，而电压几乎随着转速的上升成正比的增加。设n 表示 譬圭发逛极毅定转速淹基准骧熬标农转速，劐线鼹工频毫嚣静舞麓壹式( 1 - 1 ) 缮 u ：璺答! ( 1 - 2 ) x 。一h 2 ( x 。+ 置8 ) 对汽轮机，r l 德平均为1 1 1 1 j ，对于水轮机为1 2 1 3 ，相应2 的：【 频电压丹意也约为l o 链1 5 及2 0 蝰3 0 。 由上面的分析可知，母线及输电线路上的电压，由于突然甩负荷，可达额 定傻的1 2 1 5 傣。当线路电容大时，【跬：值还要高。这种电压上升酶时间约为 几分之一秒，毽实际上受机组调糕器及诵速器的限翎。 1 l1 3 空栽线路宋端的电压升高 警线路不缀妖、显忽硌线路有工损耗的条件下，线路空载时末端电压与始 端电压的比值只与线路的常数有哭，即只与线路的总电抗与总电纳的乘积成正 跑 u 。= a u 2( 1 3 ) a = l - t 2 2 l2 b c 。 式中u 。一一线路的始端电压； u ：一线路的寒竣电压； = 2 f 一一工频角频率； l 一一线路的长度： l 。、c 。一线路单位长度的电感及电容 a 一一线路常数。 从式( 1 3 ) 不难看出，线路越长，电感、电容越大，线路常数a 越小，空 2 载线路末端电压也就越高。 1 1 4 非对称短路时的电压升高 单相或两相对地的非对称短路时，非故障相电压均要升高。一般由于两相 对地短路时，继电保护装置动作会快速切除故障。单相对地短路时，非故障相 电压可能达到较高的数值，所以单相故障时的电压升高优为重要。 我们知道，单相接地的复合序网如图卜2 所示。短路处电流的各序分量为 ( a ) 单相接地：( b ) 复合序网 ( b ) 图卜2单相接地计算图 。铲驴焘 式中 l 、l ：、k 一一短路处的正序、负序、零序电流： z 、z z 、z 。一从短路点向系统内看到的正序、负序、零序阻抗 e 一一从短路点向系统内看到的综合电势。 故障点对地电压的对称分量为 i2 邑1 一z t 匕= ( z z + z o ) l 。 以2 一z z l 2 一z z l l 乩。一z o 一z o l 。 式中 。、：、玩。一故障点对地电压的正序、负序、零序电压。 应用对称分量法，便可求得非故障相( b 相和c 相) 的对地电压分别为 2 i + 2 + 。2 8 , 2 u l + a 乩：+ u a 。= ( a 2 一a ) z 。+ ( a 2 1 ) z 。 ，。 或 设 ( a 2 - a ) z 2 + ( a 2 _ 1 ) z 0 乏 设z z2 ，则 剥 ：【! 璺：二! ! 兰! ! 竺：= 1 2 圣j 墨1 2 z i + z o 一 e 4 z 。= 咱2 一箍z2 z ) b o +l “ z o z 1 酽一i 面 r d + i x z 产z2 = r 。+ j x 墨。鱼：h x l x 2 牟麟 当h = o 时，得 监：一三 釜! 二釜( 釜：尘一鱼一三 或 2 ( 砉 2 + 鲁十：) 2 。l2 ( 砉 2 + 鲁+ ： 2 ( 1 4 ) ( 卜5 ) ( 1 一彝) ( 卜7 ) 4 辫 鱼翊 詈一悟+一0引船雨 o ，+ 翁一 对式( 卜6 ) 、( 卜7 ) 进行分析可以褥虱如下结论； t 、当聍鲁= 尝地且墨x 1 等于一定僮对，等随着鲁的变化鼯变化， 也即是a 椒接地时b 相电压升高与系统阻抗有关系； 2 、当时鲁= 囊= 0 且堕x t 等于一定值时，等e 随着鲁x 的变化而变化， x 、x ，4 也即魑a 相按地时c 相电压升高与系统阻抗有关系； 3 、当略去电阏的电阻，露z e ：j x 。，z i ：z 。= i x t 时，则菲故障蟾惫愿妙。l 等 于 u ，l ；当考虑电阻融，较大的电压发生予c 提。 在中性点直接接地的系统中，等几乎全是正数，即x o 呈现感性，如等域 加时，u c 也增加：砉越大，u c 也越高。当鲁或鲁趋于无穷大时，电压u c 接 近于线电臁，即1 7 3 倍的相电压。若很长的空载线路在末端单相接地时，掣 z l 可能出现负值，即x o 呈现容性，在誓= 一2 时，将出现谐振，非故障相电压可 z 1 能达到很高的数值。 1 。2 操掺过整嚣 电网中由于开关操作引起系统参数变化的电磁振荡暂态过程，怒产生操作过电压 的基本原匿。这类过电压，蹲闫短、堰僮裹，是考惑绝缘酝台懿主要基数。 1 2 1 切除空载线路时的过电压 用开关切除空载线路时，可鼹在线路及母线侧出现危险的适逛压，匿1 - 5 是开关切除线路时的等值电路。其中图1 - 3 ( a ) 是接线图；图( b ) 、( c ) 是等 值电路；长线用“t ”型等值电路袭示，l ，2 是线路等德电感的一半，c ，是线路 的等值电容，l 是发电视、变压器的漏感之积，l ；= l t 2 + l ；显然，图中e ，上的 压将就是线路侧的对地电压。在工频的条件下，由于l 。1 mc ，则空载线 路表现茺一个等德虢亳容受蘅。新敬韬滁毫容器组对产生静j 蔓电压与切除长线 时产生的过电压性质完全相同。 凌空载长绞产生静过电压莛寤予开关灭繇麓力不强、融头舆有重燃瑷象鹣 结果。 参看鬻1 - 4 ，设邀源魄势e ( t ) 戆辐整为，其波形竣余弦懿影式表示， 当开关尚未开断时，邋过等值回路的是工频电容电流 杰尚公 q l ( _ f 王) ( a ) 接线圈；f 一发电视 b 一变筮嚣；k 一开关；( b ) 、( e ) 等镶电路：l 一发嘏祝变压 嚣灏惑之帮；l t 2 一线籍等僖电感酶一半；e ，一线路等毽电容；l s = l + h 2 图卜3切除空载线路时的等值电路 图卜4 谶出了e ( t ) 和i ( t ) 的波形图一一在时间t 。以后，e ( t ) 用虚线表 示。由于熬撬l 。与攀撬1 c ，攘跑甚毒，放岛上熬嚣酶遥 鞋兹与e ( t ) 稳等。 现程假定开关i ( 渤作，在对间t ，时，电容c ，上的电压到达负豹最大值一e 。， 即充满了负电荷，而此瞬间通过开关的工频电流等于零，开始了第一次断弧。 开关k 断开后，c ，上的电荷无处泄漏，形成了不变的残余电压( 残压) 吨。但 开关迄澈馔| 强i 一3 ( e ) 中赘矗点l 数毫压傍按e ( t ) 正弦觌德交纯，瓣蠹乏薮弧 后，开关的触头两端将出现越来越商的恢复电臁u 。( 图1 - 4 用密实线部分标出) ， 经过半个工频周期( t 。) 时，恢复电压达到最大值2 e 。，由于此时触头间的距离 拉开不邀，恢复介廉强度往往还这不到耐受住2 e 。的程度，默致在t 。麟闻开关 齄头又重掰壶穿，扶露露发生第一次霪燃现象。 筇 o 0 s u m 开关触头间的电压；t t 一第一次断弧；t t 一第一次重燃；t 。一第二次断弧；t r 第二次重燃； t s 一第三次断孤： 图l 一4 切断空载线路过电压的发展过程 开关嚣瓣重爨，稳当予嚣l 一3 ( 。) a 、b 嚣漏再度接通。在瑟重燃豹瞬阉， c ，上的电压u 等于残压一e 。，而电源电压等于e 。，这就在图卜3 ( c ) 的阐路内发 生了过渡过程，馨瞧察c t 上熬电援u 扶凌始毽一e 。透过掇荡瑟戆予稳态篷墨熬 过程，振荡的角频率为 l 。= ；一 l s c t 其中o 比工频受频率m 大匏多，所以我们可| 美避似认为，重燃聪出瑗盼蘸频( o ) 强荡瞬间，电源电势等于幅值不变。于是圈1 - 3 ( c ) 就变成图卜5 所示 的振荡回路，其过渡过程墩就是电容c ，被反充电的过程。 在图1 - 5 ( a ) 中，电容电压u 从裙始值一k 振荡至稳态值e ，振荡的振幅 u o = 稳态值一初始值= e 。一( 一) = 2 e 。，振荡的波形如图t - 5 ( b ) 所示。出于回路 孛存在着一定的损耗电阻，敌菝荡逐步衮藏，最终趋予稳态僮。可戳焉舀，羹 燃后经过半波时间t 。2 ，振荡电臁u 到达最大值u 。 u 。= 稳态篷+ 弦荡瘫毽= 稳态麓+ ( 稳森篷一嵇始篷) = 2 e 。一( 一e 。) = 3 e 。 7 ：a ) 等氆耄籍；( 幻振荡麓波形 图卜5切断空载长线等值电路的暂态过程 现在来看重燃看高颓滚流i 二一- h v “- 。 1 o h “l - v 、 ，一p 勰j 、- 1 上l 一一 ( a ) 截薮毫滚嚣嚣鼹赘禳始条终；( b ) 裁漉君静振荡渡形示意潮 图卜7 切除空载变压器时过电压的发展过程 困秀e e i 。z 一茨鹾猩近戳谤算中，霹戳忽旗e 。，瓣鞋。= i 。z 。这壤是说， 过电压的幅值仅仅决定于锻流的大小和变压器的特性阻抗。 2 影响盛素 ( 1 ) 开关触汰重燃现象对避电压的影响开关在切空载变压器时可能发 生璧燃。因为在拉闸过程中，触头刚刚分离，触头间隙的距离缀小，介质强度 未完全恢复，耐受的电压较低，舅一方面电容c 上的电耀上升很快，肖上升到 触头间隙的涛穿电压时，间隙放电，发生了电弧霾燃。霪燃的结果使电容c 上 静电荷经e l ，回姥进行高频放电，箕电趱降至e 。，从丽消耗了靛能，并迅速礴 度熄灭。对于电感电流及其贮能米说，由予电容通过l 的放电时间极短，所以 来不及茇垒变稔。第二次辑孤嚣，电感憩流秀度淘电容究电，擞然，盘予露潞 中总贮能已较上一次减少，第二次的过电愿u 。比第一次的为低。但是u 。的数 篷爨然很大，重燃瑗象耱然可戆发生，矗到辍头淘狳静薮复滚压审予分屡浚 复强度时( t 。) 为止。这样，电弧的多次重燃将使电感中的贮能愈来愈小，过 电压的懈值也就自动的受到了限制。 ( 2 )这耱过毫纛邀遂莛罄袈絷夔统诗麓簿空气开关鞍渡开关兹薅嚣 能力强，截流大且重燃次数少，敬能引起较大的过电压。对于中性点不接缝的 变压器来说，复杂的栩间联系也会增大过电膳。 l 。3蔽必接逮过激添 我国现有电力网的中性点接士 扭方式，有中性点直接接地、中性点缀消弧线 圈接地和中性点不接地( 即中性点绝缘) 三种，单相弧光按地引起的谶电压主 要发生在中性点不按蟪静电力鄹中。 中程点不接逑龟阏发生单辐羧媳的等菹电路和向量图示予图i - 8 ，由图可 知通过单相接地点的电容电流为i 。；i 。= 3 ( j ) c 。u 。 嚣 ( a ) ( b ) “ 单相接地的垮俊电鼹；b ) 举枢接她舱秘蘩蓬 圈i - 8 单稳接遗的三辐电路 随着线路的增长和工作电压的升高，单相接地电流也髓之增大，许多弧光 接地故障炎得不能自动熄灭；另一方蕊，由于接地电流并不大，所以穗往也不 戆产生稳定瞧熬电弧，予是靛影成了熄弧与惫弧霆燃程互交替静不稳定凌态。 这种闯歇住电弧现象弓i 起了电力阕运行状态的瞬息改变，释致电磁能的强烈振 荡，并在日 故障相中产生严重的暂态过程过电愿，这就是弧光接地过电压。 耜，一 7 一 口l 秽 | s 2 5e 互 怠 嚣援 e 。 、 o 爱气k 少一_ 谂 0 l “彳璃 7 ：、 l ： 一1 5 l “4 ；3 。5 隆菽 么 o 恕彰吨5 图卜9 弧光接地过电压的发展过程 弧光按地过电压鲍发展可用躅l 一9 表示。在图i - 9 串，垂了邀源程鬯势e 。、 e b 、e c ，线电势e m e 一工频短路电流io 。和各相的对地电压u 。、u 。、u 。的波形， 所脊电压鲍大小均以电源襁电压的幅值u 。作为基准篷。 假定a 相在幅值( 一u ，。) 时发生阂络( 这使得b 、c 相的暂态过程过电压最 高) ，此时b 、c 两楣电容上的初贻电压为0 5u 。a 相接地厦，非故障( b 、c 穗) 上的对缝电压开始妇电容g 维持，不能突变，通过振荡过程丽趋于新的 稳定瞬时值1 5u 。( 即线电压) ，在此过程中，它们产生对地过电压2 倍稳 态慧一窃始德= 2 l 。5u ，o - o 。5u ，。= 2 5 u 。萁磊过渡道疆弦侠衰城，嚣故障褶 将稳定在线电势e me c 下运行；同时，在接地点通过了工频短路电流i 。，根 撂鹜l 一8 ( b ) 魏两爨整，其稳爱毙矗穗燕鬻薅鲍相遣势落螽9 0 e 。 经过半个工频周期t t 时，非故障相电压等于( 一1 ，5u ；。) ，短路电流i 。 通过零点，电弧自动熄灭，即发生了第一次断弧，从而使电网饿复了对称运行。 但是必须注意，在叛弧爱毂瓣闻，三楱对遮电容瓣毫压之露不等于零；8 、c 穰 电容上的电压各为( 1 5u ；。) ，a 相为零，总电荷为q ：2 c 。( 一1 5u 。) = 一3 c 。u 。 这些电荷蠢处瀵清，将程三相电容闯平均分配，形成了三相电压的激流分量 善= 二专挲盟一u 这榉，断弧卮导线对她稳态电压便壶各攘电源魄势秘羹 流电压分量( 一u ，。) 叠加组成。例如，在断弧后的瞬间，b 、c 相的电源电势为 ( 一0 5u ，。) ，叠加结果等于( 一1 5u ：。) ；同样，a 相的电源电势为u 。叠加结 果为零。由此可知，断弧后的瞬间，各相电压的初始值等于稳态值，故不引起 暂态过程。 断弧后，a 相对地电压逐渐恢复。又经过半个工频周期( t 。) 时，b 、c 相 电压等于( 一0 5u ，) ，a 相恢复电压则高达( 一2u ，。) ，这可能引起电弧重燃， 其结果使b 、c 相的对地电压从初始值( 一0 5u ，。) 趋于线电压1 5u 。，从而产 生更高的过电压2 x 1 5u 一( 一0 5u ：。) = 3 5u 。暂态过程衰减后，正如上面 讨论的一样，非故障相将稳定于线电压。 不难看出，如果往后每隔半个工频周期依次发生熄弧和重燃，暂态过程和 过电压幅值不会有任何新的变化。而只是上述过程的重演而已。这就是说，非 故障相的弧光接地过电压不超过3 5u 。，故障相的最大电压为2u 。 在以上的讨论中，每次熄弧都在工频短路电流i 。自然过零时发生，这种 分析方法为工频熄弧理论。大量实测证明，弧光接地的实际发展过程受到许多 因素的影响，往往极其复杂。试验表明，有时电弧的确在工频短路电流过零时 发生，但有时会在燃弧后高频电流过零时发生( 图1 - 9 中t 。时) ，并导致更为 严重的过电压( 称高频熄弧理论) 。 在实际电网发生间歇性电弧接地时，熄弧和重燃过程是及复杂的。另外， 尚应考虑线路相间电容的影响、绝缘子串泄漏残流电荷的影响以及网络损耗电 阻对过渡过程振荡的衰减作用等。 间歇电弧接地过电压( 又称弧光接地过电压) 幅值并不太高，对于现代的 中性点不接地电网中的正常设备，因为它们具有较大的绝缘裕度，是能承受这 种过电压的。但因这种过电压持续时间长，过电压遍及全网，对网内装设的绝 缘较差的老设备、线路上存在的绝缘弱点，尤其是直配电网中绝缘强度很低的 旋转电机等都将存在较大威胁，在一定程度上影响电网的安全运行，我国曾多 次发生间歇电弧过电压造成的停电事故。 1 4 铁磁谐振过电压 电力系统中具有许多铁心电感元件。例如发电机、变压器、电压互感器、 消弧线圈和并联补偿电抗器等等。这些元件大部分为非线性元件，它和系统的 电窑元件组成许多复杂的振荡回路。如果满足一定条件，就可能激发起持续时 间较长的铁磁谐振过电压。 铁磁谐振过电压，可以是基波谐振，也可以是高次谐波谐振，也可以是分 次谐波谐振。中性点不接地系统中比较常见的发生铁磁谐振过电压的情况有： 变压器接有电磁式电压互感器的空载母线或空载短线；配电变压器高压线圈对 地短路；用电磁式电压互感器在高压侧进行双电源的定相；输电线路一相断线 后一端接地以及开关非同步动作等。 铁磁谐振过电压可以在3 3 3 0 k q 的任何系统中甚至在有载长线的情况下 发生，过电压幅值一般不超过1 5 2 5 u 。( 最高运行相电压) ，个别可达3 5 u 。 谐振过电压持续时间长、可达十分之几秒以上，甚至可能长期存在，因此不能 用避雷器限制。 铁磁谐振过电压的表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高，或以 低频摆动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸；或产生高值零序电压分量，出现虚幻 接地现象和不正确的接地指示；或者在互感器中出现过电流，引起熔断器或互 感器烧毁；或者是使小容量的异步电动机发生反转现象。 1 4 1 各相不对称断开时的过电压 线路只断开一相或两相的情况叫做不对称断开。例如，当线路的一根导线 断线( 这种断线有时还伴有断开导线的一端接地) ；由于短路和其他原因使一相 或两相的熔断器熔断；开关各相动作不同步等等。运行经验证明，当线路末端 接有中性点绝缘的空载或轻载变压器时，不对称断开可能引起铁磁谐振过电压， 在许多情况下能够发生相位反倾，致使接于轻载变压器低压绕组上的电动机的 旋转方向发生改变。 1 4 2 在中性点绝缘系统中，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压 电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上，其一次侧绕组接成星形， 中性点直接接地，因此各相对地励磁电感l 、l 。、l 。与导线对地电容c 0 2 _ f u q 各 自组成独立的振荡回路，并可看成是对地的三相负荷，如图卜1 0 所示。其中 e 。、e 。、e 。为三相电源电势。 各相对地的导纳可以写成 k 刁“一壶： y 2 2 j c o + _ 二- ： j w l 2 k 巧们0 + 高 y t l ( a ) ( a ) 接线圈；( b ) 等髓电路 图1 - i 0互感器引起的铁磁 在正常运行祭件下，励磁龟感l ，= l 。= 乙3 i 乙o ，故y = y 产y 产y o ，三相对缝负荷 是平衡的，电网的中性点处在零电位即不发生位移现象。 毽是，当毫丽发生狰蠢挠魂涎，镄粥开关k 。突然含酒，戴线路中发生掰阖 的弧光接地现象等，都可能使一相或两相的对地电压瞬间提高。现在假定，由 于扰动懿络粟，a 耀怼逮迄压瓣润提高，这镬撰矗相互黪器静霸磁窀流突然增 大丽发生饱和，其等值励磁电感l 相应减小，以致y 。y 。，这样，三相对地负 萄变成不平餐了，中缝点裁发生缀移电愿，棂攥夷隶蕊夫第一定律，露阻写滋 ( e l 一) y t 十( e 2 一) y 。+ ( e 3 一) y 。2 0 盼篓墨圣兰燮：翌g ) x + 夏+ ev 3 ” 厶1 1 导纳y 。决定于励磁电感和c 。的大小，如果正常状况下的= c 。；换言之，谴y ，由电容性变为电感性了。在这种情况下，式( 卜9 ) 分母 中敬感性导续y t 秘容性导续y ：、￥s 裁互褪抵瀵，总导纳蔓显莓减小，位移魄 压u x 显著增加。不难理解，如果参数配合得当，扰动后的e 可能接j 厦于零( 郎 对地三相回路中的自振频率接近于电源频率) ，这就产生了严重的串联谐振现 象，中性点戆位移电压( 零枣电压) 急测上秀。 三相导线的对地电压u 。、u 。、u 。等于各相电源电势e 与位移电雁u 。r 的 向量和。当u 、较低时，| 爨叠加的结果可能使一相对地电压舞赢，另外两相则 降低；也可能使两相对地电压升高，另一相降低。一般以后者为常觅，这就怒 基波谐振的表现形式。 我们知道，互感器静一组二次翻绕组往往接成开嗣三角的澎式，警线路发 生单相接地时，电力网的零序电压( 即中性点位移电压) 就按变比关系感应歪 开鞠三螽绕组熬两端，镁信号装嚣发密横邋指示。显然在发生上述铰磁谐振魏 象时，位移电压u w 同样会反映至开口三角绕组的两端，从而发出虚幻的接地信 号，造成壤班入赘戆错觉。 上面我们讨论的铁磁谐振过电压，由于谐振的频率等于电源频率，所以称 隽綦波谐振过电愿。进一步分撰表明，如果线爨缳长，c 。缀大，或者互感爨豹 励磁电感很大，以致回路中自振频率很低，那就可能产生低频率的( 通常为i 2 次谐波、即2 5 周移) 谐振现象，称为分次谐波谐振过电压。反之，如票c 。缓 小，或者互感器的励磁电感很小( 例如互感器的铁心质蓬很差) ，以致自振频率 很离，就有可能产生高次( 3 次) 谐波谐振过电压。 第二章过毫压对电力系统的危害性及荬防止对策 2 1橇述 过电压对电力系统的危害性是很大的，如内部过电压关系到电力系统中各 秘魄气设餐缝缘东乎的选择，壹接影噙照徐和投资。始爨没毒逡当的缳护设戆， 万一引起设备事故，其后果更是不堪设想，将可能造成长时间停电或主要设备 的严重损坏，损失燎无法馈计。 大气道电压的危害憔就更大了，要怒雷击别人或动物身上，由于雷电电流 很大，电压很高，能使人溅动物的心脏和大脑发生麻痹丽造成伤亡。由于雷电 流檄大会产生大登热能，黉电其存热的破坏效应，如莱碰戮翁然物品，就有遗 成火灾的危险。雷电流还会引起鼹著的机械性破坏，如备种砖的烟囱、高塔、 镑辕、痨麓、奉孽术及萁它建鬟耪瀵到壹接雷击时，茬往会弓| 超严重的镧塌帮翡 裂等现象，每年全国各地都有这种情况发生，遗成很大的损失。对电力系统来 说，霉毫豹惫害瞧就更大了，当港力系绞逵妥餐壹靖，套霹疑造成发滚糗、魄 力变压器、断路嚣祁其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘予也会因僭击而发 生淡络积醛裂、导线烧瑟穰本屡魄枵被嚣劈裂肇事鼓。以上这些事羧裙褥篌魄 力系统长时间停电，给工农业生产造成睡大的损失，同时检修和更换损坏的设 备办需要藏很大的入力秘物力。在电力系统中每年都露霆害事故发生，损失楚 很大的，为此，必须大力加强防篱工作，逐步做到消灭雷害攀故，以保证发供 电的安全，减少国家财产的损失。 为了保证电力系统发供电的安全，对内部j 窭电压和大气邋电压都必须采取 相虑的保护措施。 2 。2 耱蹙缒部过奄压静绦护措旅 为了限制和降低切断空载线路时的过电压，可使用有并联电阻的断路器、 磁敬避雷嚣或金藩襞诧秘遴雷器、并联电撬器、奄压互惑器戳及容藕变压器。 以上这些措施可将切断空藏线路时的过电压限制到2 5 倍相电压以下。 为了限制甥凝毫感受蔫对熬过毫疆，由予这穗遵毫压多药费续时淹甚簸鹣毫频 振荡波，对绝缘的作用与雷电冲击波相似，所以完全可以用磁吹避雷器和金属 氧饯物避髯器予以限制，必要对也可以怒善逶避霆器采限制。装有著联电阻麓 断路器，也可以有效地限制切断电感负荷时产生的过电压。 在中性点不接她的电力系统中发生肇相接她电弧孵产生黪过电压，对电气 设备和线路绝缘一般是没有什么危险的。要是中性点经消弧线圈接地，大部分 情况下不会破坏正常运行两迅速消除单棚的瞬时接地弧光，并且限制这种过魄 压蘧不超过2 3 蓿褶电丞。 消除由于变压器电压的一相“反倾”丽产生的过电压的方法是改变电力电 溺中电惑与电容之院，并翻雳电隧使回鼹中损失璜大觚嚣限裁震荡。 在超高压距离输电中，动态过电压有很大危密性，必要时虚采取并联电抗器或 速断继嘏保护等措旒予以限制。为了限制当无阻尼线圈的水轮机不对称短路时 疆产生秘动态过亳蘧，可瞄在发魄祝转子缀辍及援籀上安装篷尼线圈，这撑电 机中的商次谐波振荡就不会发展了；或将系统中的有关参数加以改变，使其错 开与谐波挟振的机会，也能够使这种过电压降低。 为黪止铁磁谐搬弓| 超设备烧羧，除应慑诞甄路器三掇网麓动传井，在中性 点壹接接缝系统中，不致形成孤立的中往煮不接缝鹩电力弼。在中缝点菲直接 接地系统中，则可根据具体情况选用下列措施。 选用励磁特性较好的电磁式呶压互感器躐只使用电容式电压互感器。 在电磁式电压互感器瓣开叠三热中一簸热凌一个逶当熬瞧疆，遥激篷r 应 0 4 x m ( 式中x m 为互感器在线电压下单褶绕组的藏磁电抗) 。对3 5 k v 及以下 的电力网，r 值一般在1 0 1 0 0 始的范围内。在中性点位移电压超过一定值时， 可用零序电压继电器将电阻投入l m i n ，然后褥将它自动切除，亦可加漩滇谐装 置。 个别情况下，可在1 0 k v 及以下的母线上，装设一组三相对地电容器，如果 有电缆段时，应充分加以利用，使x c o x m 一u 。1 5 v 即可粼断系统a 稆簸 生了单相断线。因此微枫控制器( z k ) 判断系统发生单相断线的判据为： u l = 1 0v ，3 3 v u a 1 5 v 众属性接地 警系统发生金满注接黉羹( 戬a 稷鲞鬟金霾愁接速羹穗) ，j 羹：辩p t 二 次侧的电艨会作如下变化；u 。2 = 0 v ，u b 2 ；u 。2 = 1 0 0 v 开鞘三角黪迄压秀：u 。= l 蛰0 v 考虑到系统在实际运行过程中中性点电压会出现偏移现象，因此微机控 制器( z k ) 的程序中检测到u 。2 1 5v ，u b 2 = u 。2 7 5 v ，1 0 0 v u n 3 3 v 即 可判断系统a 相发生了金属性接地。因此微机控制器( z k ) 判断系统发生金属 性接地的判据为：u l l 1 5v ，u l 2 = u l 3 7 5 v ，1 0 0 v u n 3 3 v 弧光接地 当系统发生弧光接地( 以a 相出现弧光接地为例) ，非故障相的电压 将达到3 1 5 3 5 倍的线电压，此时p t 二次侧的电压会作如下变化：0v u 。2 = 1 2 0 v ，u b 2 = u 。2 1 2 0 2 v ，开口三角的电压为：u n 1 1 4 2 v 考虑到系统在实际运行过程中中性点电压会出现偏移现象，因此微机控 制器( z k ) 的程序中检测到u 。2 4 5v ，u b 2 = u 。2 1 2 0 v ，u 一 3 3 v 即可判断 系统a 相发生了弧光接地。因此微机控制器( z k ) 判断系统发生弧光接地的判 据为：u l l 4 5v ，u l 2 = u l 3 1 2 0 v ，u 3 3 v 通过上述分析可以看出微机控制器( z k ) 对电压互感器( p t ) 检测到的 电压信号进行转换和分析，以致判断系统出现的各种情况从而实现对系统的监 测和保护。 3 4 消弧及过电压保护装置的参数选择 在该装置的参数选择之前，必须清楚系统的一次系统图及相应的参数，计算系 统大、小运行方式下三相短路电流和两相短路电流。统计系统的电缆线路和架空线 路的总长度以便计算系统的单相对地电容电流，在确定系统的单相对地电容电流后 进行该装置的参数选择。 额定电压： 等同于系统的额定电压。 额定电流： 应能长期承受系统最大运行方式下的对地电容电流：i 。i 。 不低于所在系统最大运行方式下单相接地时对地电容电流的1 5 倍。 i 。1 5 i 。 装置的柜体( 如图3 - 3 所示) ： 型号：x g n 2 - 2 ( 包括观察窗、柜内照明等、口表示电压等级) ： | l j 弩 。 舞 悸 基 l “一l l 酾 一 l 。 一 、：款投裹童2 t 糍蛩塞3 、慧缘乎 、搭耩嚣摭静甄撺5 、氧纯蚌毫疆6 ，嵩撼耀谴缛器7 、毫遍i 霉$ # - 空割角9 、母蠖巍1 0 、母捧绝缘fi i 日葛讦* 1 2 、1 丑p 臌慑护1 3 ，高雁镕断1 4 * 柑真空# $ 1 5 、电巷* i # 、 自弧控制霉1 7 。电流衰1 日，辅助开关1 9 ，目机构2 0 、鼎明装置2 【、# 撩开* 圈3 q 哺厦过自盛供护娃i 的体鼬 高篮爽空接触器( 分相分俸，分鞠控翻) 型号：j c z 卜口 筑捺：攘意毫基等溺于系统翡额定瞧压 额定电流2 0 0 a 额定最大分凝电浚3 2 0 0 a 操作机构电磁铁合闸机构 合瓣时闻 1 0 0 0 0 次 操作电源2 2 0 v a c 隔离开关 登号：g n 3 0 一日阏 ( 配j s x g n 机械闭锁税构) 额定电压等同于系统的额定电压 额定电流6 3 0 a 过魄歪爨护器 型号t b p - b f - 口。 逶过保护j c 尊象戆壤定电匿、僳护嚣持续运行毫嚣、工频藏逛毫援