（电力系统及其自动化专业论文）中低压电网内部过电压治理研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ew a yt oe l i m i n a t e t h ei n t e r n a lo v e r - v o l t a g ei np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h en e u t r a li n d i r e c t l y g r o u n d e dp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mu n d e r35k vh a s w i d e l yu s e di no u rc o u n t r y t h ei n t e r n a lo v e r v o l t a g ef r e q u e n t l yo c c u r si nt h es y s t e m a n dl o t so ff a u l t sh a v eb e e nc a u s e d s o ，i ti sp r a c t i c a l l yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h e p r i n c i p l e sa n dt h ec a u s e so ft h ei n t e r n a lo v e r - v o l t a g ei np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a n dt of i n dw a y st oe l i m i n a t ei t t h i sp a p e ra n a l y z e sv a r i o u sk i n d so ft h ei n t e r n a l o v e r - v o l t a g ea n dd e t e r m i n e sw h i c ho n ew o u l db ei nm a i nc a s e s ，t h e ng i v e sa p r o f o u n da n dp e r t i n e n ta n a l y s i st of i n dw a y sf o rt h es o l u t i o no ft h ep r o b l e m ，w h i c h h a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e g u i d a n c et ot h ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a st h e k e y - i m p o r t a n tw a y st oe l i m i n a t et h eo v e r - v o l t a g e ，t h ei n t e g r a lo fi n c r e m e n tc u r r e n t ， a n dt h em e t h o do fs i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gd e t e c t i o nb ym e a n so ft h ei n c r e m e n t i n t e g r a lh a v eb e e np u tf o r w a r d i ti sp r o v e dt h r o u g hs i m u l a t i o nt h a tt h ew a y sv e r y h i g h l ys e n s i t i v ea n dc a np r e c i s e l yi n d i c a t et h ef a u l tf e e d e r k e y w o r d s ：p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，i n t e r n a lo v e r - v o l t a g e ，e l i m i n a t i o n ，g r o u n d i n g ， f a u l td e t e c t i o n 插图清单 图1 1 单相接地故障2 图1 2 单相接地复合序网3 图1 3 单相接地时健全相电压与x 0 x 1 的关系4 图1 4 单相接地故障简化图5 图1 5 电弧接地过电压的发展过程5 图1 6 消弧线圈谐振等效电路一6 图1 7 考虑损耗时的消弧线圈谐振等效电路7 图1 8 铁磁谐振回路。8 图1 9 铁磁谐振伏安特性曲线一8 图1 1 0c 相断线并接地系统电路图。9 图1 1 l 简化的断线谐振等值回路一9 图1 1 2 正常运行时电压互感器和线路电容等值电路1 0 图1 1 3b 、c 相电压互感器饱和时的系统等值电路1 0 图1 1 4b 、c 相电压互感器饱和时的向量图1 0 图1 1 5 三相电压互感器饱和时的系统等值电路1 1 图2 14 t v 接线方式的电压互感器1 6 图2 2t v 中性点串接非线性电阻1 6 图，2 3 考虑回路电阻时的非线性谐振伏安特性1 7 图3 1 消弧线圈补偿电网系统图2 0 图3 2 补偿电网零序等值电路图2 0 图3 3 化简后的零序等值电路图o 2 1 图3 4 进一步化简的零序等值电路图2 2 图3 5 零序等值电路图2 4 图3 6a 相经电阻r d 接地后的复合序网2 5 图3 7 综合增量积分选线原理图2 8 图3 8沿面污秽放电电压与电流关系图3 0 图4 1t v 开口三角串接电阻消谐回路图3 4 图4 2电容式消谐回路3 4 图4 3开口三角并接电阻时a 相接地t v 原边和副边的电流电压向量图3 5 图4 44 t v 消谐效果仿真验证电路图3 6 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 金理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： 、 事妨 签字日期秒扩年白7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保田、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。本人授权金胆王些太堂可 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) 一张事嘶 签字日期：汐髟年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 、 导师躲p 1 畸， 签字日期：d 扩年厂月7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学与合肥电气工程学院给我这个学 习和提高的机会，并衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给 予悉心的关怀和全面的帮助。导师渊博的学识、开阔的视野、敏锐的思维、严 谨的治学态度使我受益匪浅，激励我奋发学习，深入钻研。研究生期间，导师 在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心的感谢和深 深的敬意。 作者：房贻广 2 0 0 7 年1 2 月 第一章中低压电网内部过电压分析 电力系统内部过电压实质上是由电网内部能量转化或传递所产生的电网电压 升高，归纳起来有三类，分别是工频过电压、操作过电压和谐振过电压。鉴于中低 压系统中性点不直接接地，加之设备的外绝缘水平耐受过电压的倍数较高，中低压 电网过电压治理有其自身的特点，并非所有类型的过电压都是中低压电网安全运行 的主要问题。为了明确中低压电网中过电压治理的工作重点，特采用表格的形式对 各种过电压现象进行分析比较，见表1 。 表1 1 内部过电压类型及分析说明 是否 类别过电压类型 有关分析说明 关注 空载长线路线路长度为3 0 0 公里时，末端电压是首端电压的1 0 5 倍，线路 中的电容效长度为1 0 0 公里时，末端电压是首端电压的1 0 0 6 倍。中低压 否 应 线路一般不超过1 0 0 公里，此类过电压可以忽略不计。 工频不对称短路单相接地或两相接地时，如果系统的另序电抗与正序电抗之比 过电引起的工频在1 和2 0 的范围内，将会引起非故障相电压大幅度的升高。是 压电压升高 突然甩负荷3 5 k v 和1 0 ( 6 ) k v 电网一般距离发电机较远( 电气距离) ，突 引起的工频然甩负荷导致发电机空转的机会很少，中低压电网中由于这种否 电压升高原因引起的电压升高可以忽略不计。 电弧接地过电弧接地过电压遍及全网，并且可以持续较长时间，对网内设 电压备存在较大的威胁，尤其是绝缘薄弱点。经验证明。由这种过 是 电压所造成的设备损坏和大面积停电事故较多，应予以足够的 重视。 空载变压器空载变压器的分闸过电压主要是截流变压器励磁电流引起的。 的分闸过电这种过电压可用避雷器限制。此外，由于现代变压器都采用冷 操作压轧硅钢片，其励磁电流较小，同时又采用纠结式绕组，大大增 否 过电加了绕组的电容，开断这种变压器的过电压倍数一般不超过 压 2 。对于中低压电网，由于受电侧的变压器容量较小，过电压 倍数更低一些。可不予关注。 操作空载长当断路器的灭弧能力不够，电弧在触头间重燃时，切空线会引 线路的过电起过电压。目前，随着真空断路器以及六氟化硫断路器的广泛 压c 断开空载 应用，切空线重燃现象已经可以基本消除，只是重合空线引起 否 长线路、合上空的过电压现象依然存在。对中低压电网来说，重合空线过电压 载长线路、重合 倍数不高，再加上线路的绝缘水平是按照3 4 倍的相电压设计 空载长线路)的。已经足以承受此类过电压。 线补偿网中性点经消弧线圈接地电网在正常运行时，由于全补偿而造成 性 络的线线形谐振，从而引起中性点电压偏移显著增大，三相电压严重 谐性谐振不对称，相对地电压可能升高到较高的数值。 是 振 断线谐断线、非全相、不同期、熔断器不对称熔断，造成系统非全相 谐振 振过电运行时，可能组成多种多样的串联谐振回路。在一定的参数配 是 过电压合和激发条件下可能出现铁磁谐振，导致铁心发响、负荷侧变 压 铁 压器逆相序等，严重时绝缘闪络、避雷器爆炸等。 磁 电压互在中性点不接地系统中，由于电压互感器饱和而产生的内部过 谐 感器饱 电压事故最为频繁。这种过电压的表现可能是两相或三相对地 振 和过电电压升高或相电压以每秒一次左右的低频摆动，或引起绝缘是 压 破坏和避雷器爆炸、或引起虚幻接地现象，还可在电压互感器 中引起过电流使熔丝熔断或电压互感器烧坏。 参数谐振 由于谐振能量是由改变电感参数的原动机提供的，中低压电网不存在改否 过电压变电感参数的原动机，一般不会出现参数谐振。 根据表1 1 的结果，需要关注的过电压类型有“电弧接地过电压”、“铁磁谐振过电 压 等，下面进行详细分析。 1 1 不对称短路引起的工频电压升高( 仅讨论单项接地) k 图1 1 单相接地故障 从朴素的观点出发，一般认为 在中性点不接地电网中发生单项 接地故障时，健全相电压将上升 3 倍，但事实上，如果系统的零 序电抗与正序电抗之比在“一l 和 “一2 0 的范围内，将会引起非故 障相电压大幅度的升高。这主要是 因为电力系统三相之间既有电的 联系，又有磁的联系，三相之间不 完全独立造成的。 我们来分析图1 1 所示的单相接地故障，系统在k 点发生单相接地短路。 根据边界条件，故障点a 相电压o a = 0 ，非故障相电流i b = o 和i c = 0 ，按照 对称分量关系可作出图1 2 所示的复合序网。其中，z 。、z 。和z o 分别为在图1 1 中 的k 处，将故障点解开，而在导线对地间分别加以正序、负序和零序电压，同时令 系统原有的电动势为零时测得的阻抗值。而色。为解开k 处故障点后，在k 处测得的 正序电动势，即正常运行时k 处a 相相电压杰a ；d 。和i 。、o ：和i 2 、d 。和i 。分别 为故障点的正序、负序、零序电压和电流。 i l - i z “。= 可鲁瓦 m 1 ) o l = 色a i l z l 她a 一番舞 她a ，寿 仆2 ， u 2 = 一1 2 2 2 ：一 皇圣2 ( 1 - 3 ) 图1 2 单相接地复合序网 z i + z 2 + z o 0 0 - - - - 。o z o = 一番c 4 ， 由此可得非故障相的电压为：， o b = 口2 卟础2 - i - u o - 地等铲 o c - - 础i + 0 r 2 0 2 + u o = 望筹学 式中 如2 4 0 0 一，譬 ( 1 - 5 ) ( 1 石) 删2 0 0 一一扣孚 忽略z l 、z 2 和z o 中的电阻分量，单用电抗分量x l 、x 2 和x o 来代表，同时考 虑对于电源容量很大的中低压电网来说，有x l x 2 ，则式( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 可简化为： o b - 段p 剡= 以p 剥 也卜拦瓮一，孚 吣色a 坚警h 鲤铲 吨卜舞瓮+ ，孚l u b = u c = e a 式中k = = k e a = k u p ( 1 7 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) k 越大，则单相接地时，健全相的电压就越高。系数k 只是由x o x l 决定，按 照式( 1 1 0 ) ，可画出健全相电压 与x o x l 的关系曲线，见图1 3 。( 说 明：由于在x o x 1 为2 时，过电压 倍数为无穷大，无法画出，作图时 附近未取数据) 下面讨论x o x l 各种范围对k 值的影响。 由于x o x l 的值由x 1 和x o 共 同决定，而x l 为系统的正序电抗， 是感性的，一直是正值，所以x o x 1 值的正负是由x o 决定的。如果电 网中性点不接地，即电网中性点 籁 逛 趟 锄 捌 j 一一一一一一一一一 一2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 5051 01 52 0 x 0 x l 图1 3 单相接地时健全相电压与x 0 x 1 的关系 z 斗o o ，则x o 将由导线对地的电容c l l 决定，x o 是容性的。此时，x o x l 将处于负 值范围。从图1 3 可以看出，如果x o ) ( 1 落在( 1 ) ( 2 0 ) 的范围内，单项接地时， 健全相的电压会上升很多，这是非常危险的。 1 2 电弧接地过电压 我国实测电弧接地过电压倍数最大为3 2 ，绝大部分小于3 0 。由于这种过电压 的幅值低于一次设备设计选型时所考虑的过电压倍数4 0 ，理论上一次设备的绝缘 能够承受这种过电压。但由于这种过电压持续时间较长，而且遍及全网，对网内设 震 图1 4 单相接地故障 c 备存在较大的威胁，尤其是绝缘 薄弱点容易被击穿。经验证明， b 由这种过电压所造成的设备损坏 和大面积停电事故在我国时有发 a 生，需要予以足够的重视。 单相接地常以电弧接地的故 障形式出现。当接地电流较小时， 电弧能够自动熄灭。接地电流较 大时，往往电弧不能够自熄，又 不能稳定燃烧，会出现熄弧与重燃交替进行的现象，使系统中电感、电容间产生电 磁振荡，造成遍及全系统的电弧接地过电压。 电弧的熄灭与重燃时刻是决定最大过电压的重要因素。单相接地时流过弧道的 电流有两个分量：工频电流( 强制) 分量和高频电流( 自由) 分量。一般假设在电 源相电压为最大值时燃弧，由于燃弧瞬间出现的自由振荡频率远远高于工频，故可 以认为接地瞬间弧道中的电流以高频电流为主，高频电流迅速衰减后，剩下的主要 是工频电流。在分析电弧接地过电压时有两种假设：以高频电流第一次过零时熄弧 为前提进行分析，称为高频电 流熄弧理论，因高频电流过零 时，高频振荡电压恰为最大值， 熄弧后残留在非故障相上的电 荷量较大，故按此分析，过电 压值较高；以工频电流过零时 熄弧为条件进行分析，称工频 电流熄弧理论，按此分析，熄 弧时残留在非故障相上的电荷 量较少，过电压值较低，但接 近于电网中的实际测量值。虽 然两种理论分析所得的过电压 值大小不同，但反映过电压形 成的物理本质是相同的。为了 掌握其物理本质，寻求有效的 方法治理电弧接地过电压，下 a 相 i - - 2l t 1 ：5 k 相；e 咀1 亟5肾。5 ) 5 拭 一 0 彩与 ：t l i 瓯寥“。僵终 夕乡r o 渺一 i 面采用工频熄弧理论，对其进行分析。 一般情况下，有： 图1 5 电弧接地过电压的发展过程 过电压= 稳态值+ 振荡幅值= 稳态值+ ( 稳态值一起始值) _ 2 倍稳态值一起始值( 1 1 1 ) 参看图1 4 ，a 相发生电弧接地。设三相电源相电压为e a 、e a 、e c ，各相对地 电压为u a 、u b 、u c 。假定a 相电压在幅值( u m ) 时对地闪络( 图1 5 中t = - 0 时刻) ， 令u m l ，则当t = 0 一时，b 、c 相对地电容c o 上的初始电压为0 5 ；当t = 0 + 时， 作用在b 、c 相对地电容c o 上的电压将上升为e 。b = e c = 1 5 。按照式( 1 1 1 ) ，在 此过渡过程中出现的最高振荡电压幅值将为2 1 5 0 5 = 2 5 。其后，过渡过程很快 衰减，b 、c 相对地电容上的电压稳定到线电压c a b 和c c a 。经过半个工频周期， 在t = t l 时，b 、c 相对地电容上的电压将等于( 1 5 ) 。由于通过接地点的工频接地 电流i i d 的相位角滞后e a9 0 0 ，这时i j d 通过零点，电弧自动熄灭，即发生第一次工 频熄弧。注意到在熄弧瞬间，b 、c 相对地电容上的电压各为( 1 5 ) ，而a 相对地 电容上的电压为0 ，电网储存电荷q = 2 c 。( 一1 5 ) = 一3 c 。，这些电荷无处泄漏，将 在三相对地电容间平均分配，形成直流电压分量q 3 c 。= - 3 c 。3 c 。= 一l 。因此， 电弧熄灭后，导线对地电容上的稳态电压应由各相的电源电压和直流电压( 1 ) 叠 加而成，由于在电弧熄灭后的瞬间，b 、c 相的电源电压e b 、c c 为( o 5 ) ，叠加结 果作用在b 、c 相对地电容上的电压仍为( 1 5 ) ：而在电弧熄灭后的瞬间，a 相的 电源电压e a 为1 ，叠加结果作用在a 相对地电容上的电压仍为零。即各相对地电 容上的起始值与稳态值相等，不会引起过渡过程。 熄弧后，相对地电压逐渐恢复，再经过半个工频周期，在饩2 时，b 、c 相对 地电容上的电压变为( o 5 ) ，a 相对地电容上的电压则高达( 2 ) ，这时可能引起 电弧重燃，其结果使b 、c 相对地电压从起始值( 0 5 ) 趋于线电压瞬时值1 5 ，过 渡过程最高电压为2 1 5 一5 ) = 3 5 过渡过程衰减后，b 、c 相将稳定在线电压运 行。 。 其后，每半个工频周期依次发生熄弧和重燃，其过渡过程与上述过程完全相同。 据此，可得非故障相的最大过电压为u b m = u c m = 3 5 ，故障相的最大过电压u a m = 2 。 1 3 消弧线圈补偿网络的线性谐振 l 图1 6 消弧线圈谐振等效电路 为了减少单相接地时流过接地点的电流值，中低 压电网的中性点往往接有消弧线圈。如果消弧线圈按 照全补偿的要求选取其参数，则正常运行时会引起很 高的谐振过电压，分析如下： 对于中性点没有消弧线圈的电网，正常运行时， 由于三相对地的电容量不完全一致，中性点会有一定 的电压偏移，即电网会出现一定的零序电压u o ，其大小为： - 6 一 u o2 一k c o e a 式中k c o = 里精，c a 、c b 、c c 分别为a 、b 、c 相导线对地电 容值。【l 】 k o 为导线对地电容的不对称系数，架空线一般为0 5 1 5 。 当中性点和地之间接入消弧线圈后，中性点的电位可按照图1 6 求得，即： o 。：一k c o l 羔a ：k c o 色a ( 1 - 1 2 ) 一宏+ j 乩 焘。笳。 可见，当消弧线圈完全补偿时，上式的分母将为零，于是中性点的电位将趋近 于无穷大。也就是说，消弧线圈完全补偿将导致中性点电位在正常运行时有很大的 偏移，零序电压很高。 实际上，消弧线圈l 并不是在完全补偿状态，根据上式，令 国( c a + c b + c c ) 一 。= j 弋i i 矛来表示消弧线圈离开完全补偿的程度，称为脱谐 则有o 。：坠厶 d ( 1 - 1 3 ) 实际电力系统中，系统对地电容存在泄露电导，消弧线圈也存在电阻损耗，考 虑这些因素后，中性点电位的计算公式为：e 吣揣； m 式中 d = 等， 为回路的阻尼 率。 可见，完全补偿会造成电网电压大幅度 升高，阻尼电阻会降低谐振幅值。 3 c o 三i 图1 7 考虑损耗时的消弧线圈谐振等效电路 1 4 铁磁谐振 图1 8 是由线性电容和铁心电感组成的谐振回路，由于铁心的饱和程度会随着 电流的增大而增大，电感l 会随着电流的增大而逐渐降低，因此回路中电感的伏安 特性曲线，即 蚪i 划1 色l 图1 8 铁磁谐振回路 川= i - j 扎i l 在两者的交点b 处，：l o c i = 1 0 l i ，即满足谐振条件乩= 1 们。曲线3 是i d c i 和i d l 的差值，即回路的总压降，也就是电源的电压值。可写成： i a u = 0 l i - i o c l u 由图示1 9 不难看出： ( 1 ) 由于电感的伏安特 性是逐渐趋向饱和的，所以只 要在电压不高、电流不大时回 路呈感性，也就是说铁心还没 有饱和时，电感值l 。满足 u l u c 。 4 1 即乩 上， 图1 9 铁磁谐振伏安特性曲线 。 以 或击， 则两条曲线必有交点b ，因此铁磁谐振不像线性谐振那样有严格的c 值，而 是在满足上式的很大的参数范围内都有可能发生。这是铁磁谐振的第一个性质。 ( 2 ) 按电路理论，电抗与电容电压之间的差值必定等于电源电压。因此， 当电源电压由正常的工作值e 开始不断增大时，电路的工作点将沿曲线3 的o a 段上升。但当电源电压超过m 点的值u o 以后，工作点不是沿m d 段下降，而是 突然跳到n 点，并沿着n - e 段上升，工作在n - e 段时，电感和电容上的电压值就 突然增大了很多，形成了谐振过电压。由此可知，要产生铁磁谐振，除了电路中 的参数满足上述要求以外，还需要有某种“激发”因素，使电路工作点上升到n 点以上。需要“激发 才会出现谐振，是铁磁谐振的第二个性质。 ( 3 ) 当铁磁谐振发生以后，如果电源电压降低，则电路的工作点将沿着n d 段下降，因为n d 段完全满足电路理论的要求，当电压恢复到正常值e 时，电路 将稳定工作在c 点，此时仍然属于谐振过电压的状态。因此，激发过后电源电压 降到正常值时，铁磁谐振过电压仍可继续存在。谐振状态可能“自保持是铁磁 谐振的第三个性质。 ( 4 ) 在铁磁谐振时，l 和c 上的电压不会像线性谐振那样趋于无穷大，而 是有一定的数值。铁磁谐振过电压幅值一般不会很高，但电流却可能很大，这是 铁磁谐振的第四个性质。 ( 5 ) 铁磁谐振发生前，即在m 点以前，感抗大于容抗，电路是感性的。但 在谐振发生以后，即突然变到1 1 点以后，容抗已大于感抗，此时电路变为容性。 可见，产生铁磁谐振时，电流的相位角将有1 8 0 。的转变，这叫做电流的“翻相”。 “翻相”的现象是铁磁谐振的第五个性质。 ( 6 ) 由于铁心的非线性特性，铁磁谐振发生后，电路中的电流除了工频分 量外，还有高次谐波和分次谐波。谐振电流中具有各次谐波( 主要是3 次和1 3 、 1 2 次谐波) 是铁磁谐振的第六个性质。 下面分析几种典型的铁磁谐振现象。 1 4 1 断线谐振过电压 断线、非全相、不同期、熔断 器不对称熔断，造成系统非全相运 行时，可能组成多种多样的串联谐 振回路，可能出现铁磁谐振。这一 类铁磁谐振过电压称为断线谐振 过电压。 断线谐振过电压的典型情况 1 5 z b - 冒l + i l 一 图1 1 l 简化的断线谐振等值电路 f 图1 1 0c 相断线并接地系统电路图 是单根导线断线并且受电侧掉落在地上，如图 1 1 0 所示。此时，受电侧变压器处于空载或轻载 状态，其励磁电感与系统的等效电容构成串联谐 振回路，在电源能量的激发下发生铁磁谐振。 对图1 1 0 进行等值化简，可得图1 1 1 的等 值电路，再进一步化简，可得到与1 5 l b 串联的 等值电容和等值电势，从而构成了串联谐振回路，l b 为受端变压器的高压侧绕组的 励磁电感。经过推导，线路电容适中时，很容易诱发断线谐振。 断线谐振后，受端变压器高压绕组电感上的压降由于谐振原因反相，从而导致 负载变压器的相序反转，如果接有小容量的电动机则会出现反转。 1 4 2 电压互感器饱和过电压 电磁式电压互感器在电网中普 遍使用，由于其低压侧负载很小，接 近于空载状态，分析时可用其励磁电 感来取代。在正常工作时，互感器的 励磁电感是很大的，当回路受到“激 发 后，励磁电感会因为饱和而突然 减小，由此可引起过电压。 ( 1 ) 互感器不对称饱和引起的过电 压 图1 1 3b 、c 相电压互感器饱和时的 系统等值电路 图1 1 2 正常运行时t v 和线路电容等值电路 运行中的电磁式电压互感器一般 接在相地之间，与线路对地电容并联， 由于互感器的励磁电感很大，与线路并 联后的综合阻抗一般为容性。如果受到 “激发”而导致饱和，则流过电压互感 器的电感电流将增大，电压互感器的感 抗将大幅度减少，从而导致与线路并联 后的综合阻抗为感性。这样就使得系统 参数严重的不对称。例如，a 相接地引起b 、 c 两相电压升高，导致b 、c 相电压互感器饱 和，如图1 1 3 。 此时，系统中性点0 的电位将会有很 大的偏移。根据向量图分析，只有o 位于 线电压的三角形之外，才能满足 i 。+ i r + i c = 0 的要求。也就是说电源中性 c 点偏移的幅值超过了线电压。强簪：= - t 。f o ，： 图1 1 4b 、c 相t ，饱和时的向量图 ( 2 ) 三相互感器饱和引起的过电压 三相互感器同时饱和也能够引起系统的过电压，如变压器对空母线进行冲击时 就容易出现谐振过电压。 此时，三相对地阻抗均已经变为等值电感，过电压产生的原因是由于中性点存 在着对地的电容，例如中性点套管电容和变压器绕组的等效电容等。此时，电压互 感器的电感与中性点电容等构成串联谐振回路。如图1 1 5 。 图1 1 5 三相电压互感器饱和时的系统等值电路 从上述分析可以看出，在中 性点不接地的电网中，直接连接导 线与大地之间的电压互感器经常 受到“激发 而导致电感瞬间下降。 最常受到的“激发 有两种情况， 第一种是单相经电弧接地，导线对 地突然发弧，这时健全相电压升 高，健全相的电压互感器饱和，使 系统参数不对称，导致中性点电压 发生较大的偏移；第二种是刑只带 有电压互感器的空母线合闸送电，这时会引起电压互感器和中性点电容之间发生串 联谐振。由于电压互感器的饱和引起的谐振能够自保持，所以发生谐振后往往不能 够自行消失。 第二章内部过电压治理措施研究 根据上述理论分析，中低压电网内部过电压治理应主要做好三项工作：( 1 ) 设 法减少内部过电压的产生，防止短暂的过电压引起绝缘损坏或激发铁磁谐振：( 2 ) 在发生电弧接地的情况时，努力缩短电弧接地过电压的持续时间：( 3 ) 在系统处于 铁磁谐振时，采取有效措施消除铁磁谐振。 2 1 防止单相接地工频过电压的措施 ( 1 ) 避免人为增加系统对地电容，设法减小系统对地电容值 单相接地引起工频电压升高，其主要原因是系统参数配合不恰当，使得x 0 x l 在( 一2 ) “( - 2 0 ) 的范围内。通常，实际电网中一般都有( x 。) 2 6 x ，所以不会 出现此类电压升高。但由于城市电缆线路增多，线路对地电容量增大，容抗变小， 此时应注意验算x 0 x 1 不要落在( - 1 ) 。( - 2 0 ) 之间。 为了防止零序容抗过小，应避免人为加大电网的对地电容。例如，应避免在三 相导线与地之间加电容器，或在中性点上加装电容器；也不提倡采用电容式电压互 感器。 增加系统对地电容，还会带来其他问题。如，增加系统对地的零序电容后，如 果发生电弧接地，则熄弧瞬间存储在健全相上的电容电荷经过一次绕组泄放， 由此会引起t v 一次绕组中流经较大的电流，且具有直流分量的性质，会加剧t v 饱和。 这里要特别指出，有些文献认为“在相对地之间加装电容器是防止铁磁谐振的 有效措施”，其理由是，根据p c t c r s o n 理论，当x r x 。0 0 1 时不容易发生谐振。 事实上单相接地引起的电压升高会进一步引发系统的低频谐振，在1 v 绕组中引起 较大的低频饱和电流。文献【l o 】通过仿真验证了在母线上装设中性点接地的三相星形 电容器组，并不是一种合适的消谐措施。同时还指出，实际运行中，这种运行方式 下的t v 高压熔丝经常熔断，半年内a 相熔丝熔断达1 5 次，b 相1 次，c 相5 次。 所以要避免人为增加系统对地之间的电容。 ( 2 ) 装设消弧线圈，并使其工作在过补偿方式 防止单相接地工频过电压，最有效的方法是在中性点加装消弧线圈，并使消 弧线圈工作在过补偿方式。这样系统零序电抗为正值，不可能引起单相接地时的工 频电压升高。即使是完全补偿状态，单相接地时也不会引起过电压现象。根据图1 3 可知，如果消弧线圈完全调谐，则消弧线圈与线路电容并联后的电流和为零， x 。一o o ，此时发生单相接地，健全相的电压将上升3 倍，即上升到线电压。 经典的理论认为，消弧线圈的作用仅仅是消除电弧，从这一点出发，规定了 3 1 0 千伏的电网当电容电流大于3 0 a 时中性点应接入消弧线圈；3 5 千伏电网当电 容电流大于1 0 a 时应使用消弧线圈。言下之意就是电容电流小于上述数值时，就可 以不用消弧线圈。这种认识导致实际工作中存在着很多中性点不接地系统。正因为 如此，中低压系统出现了很多过电压问题，造成很多事故。消弧线圈的费用并不高， 节省消弧线圈的费用得不偿失。 2 2 降低补偿网络线性谐振幅值的措施 ( 1 ) 设置合理的脱谐度 根据式( 卜1 3 ) ，如果脱谐度u 接近于零，则谐振电压u 。就会很大。正常运行 时，使消弧线圈的电感值远离谐振点，从而增加脱谐度，这样谐振电压就会减少。 这一点已经在实际工作中得到很好的应用。有些可自动调谐的消弧线圈，正常情况 下远离谐振点，需要消弧时才短时调谐到接近全补偿状态。 需要说明的是，正常运行时消弧线圈应工作在过补偿状态，以免线路跳闸后， 系统电容减小的情况下，形成新的谐振点。从防止单相接地工频电压升高的角度出 发，过补偿也能够保证系统的零序阻抗为感性，从而避免单项接地时的过电压。 ( 2 ) 设置合适的阻尼电阻 为了减少正常运行时消弧线圈补偿网络的谐振电压，除了增加消弧线圈的脱谐 度外，还可以在中性点增加阻尼电阻，根据式( 1 - 1 4 ) ，阻尼电阻能够增加回路的 阻尼率，从而降低谐振电压的幅值。 ( 3 ) 减少系统参数的不平衡度 在中性点不接地的系统中，系统参数不平衡会引起较高的零序电压。如果此时 接入消弧线圈，则消弧线圈谐振会进一步放大这一不平衡电压。谐振引起的电压升 高与不平衡度成正比例，参见式( 1 1 3 ) 、( 1 1 4 ) 。设法调整三相对地的参数，并尽 量使之平衡，这样能够有效降低这一类谐振过电压的幅值。 2 3 减小电弧接地过电压的措施 ( 1 ) 设置消弧线圈 第一、消弧 线路接地时，消弧线圈的电感电流抵消了线路的电容电流，使流经电弧的电流 减小，从而达到熄弧的目的。这是消弧线圈的主要作用，“消弧线圈”也由此而得 名。对空气击穿性质的放电，当电流过零熄灭后，由于消弧线圈的补偿作用，不会 再次燃弧，接入消弧线圈有明显的熄弧效果；对于绝缘子沿面放电，如果属于受潮 绝缘降低，则能够因燃弧加热蒸发水分，使绝缘恢复，进而达到熄弧的目的。 第二、稳定电弧 消弧线圈消弧并不能够适应所有的接地情况。对于绝缘子本身绝缘介质的损 坏，或由于电弧太强而引起绝缘永久损坏，消弧线圈补偿不会达到熄弧的目的；对 于电力电缆绝缘介质击穿，消弧线圈补偿同样不能消除接地故障。这种情况下，消 弧线圈补偿反而会使电弧( 或接地电流) 不稳定，使过电压现象持续。解决这一问 题的办法就是：在消弧不成功时，增加电流稳定电弧。因为稳定燃烧的电弧不会引 起过电压，从而可以有效保护电网中其它部分的绝缘，避免进一步发展为相间短路。 所以，消弧线圈的作用不仅仅是消弧，还应该增加“稳定电弧”这一功能。采 用有载调节消弧线圈，在接地故障初期，实现常规补偿功能，促使接地点的电弧熄 灭；在消弧不成功时，进一步增加补偿电流，稳定接地点的电弧。 目前，有载调节式消弧线圈已经在现场普遍应用，完全可以实现上述功能。 第三、为电荷提供泄放通道 从理论分析可知，电弧接地过电压的物理本质是，熄弧时系统对地电容存储的 电荷无泄放通道，导致重燃时，电路过渡过程的振幅加剧，出现较高的过电压现象。 线路电容存储的电荷为直流性质，消弧线圈能够为电荷提供泄放的通道，一定程度 上可以降低过渡过程中的振荡幅度，从而降低过电压的水平。消弧线圈工作在过补 偿状态，其阻抗比较小，更有利于电荷的泄放。 实际系统中，如果没有装设消弧线圈，则电弧接地过程中系统对地电容上的电 荷经电压互感器一次绕组泄放，形成直流性质的电流，很容易引起电压互感器饱和。 从这方面考虑，也有必要在中性点设置消弧线圈。 ( 2 ) 准确选线并尽快切除故障线路 准确选线并切除故障线路是从根本上消除电弧接地过电压的措施。 但是，目前没有很好的选线方法，现场应用的选线装置大都存在选线不准的问 题。因此选线的结果只能够作用于“信号 ，不能直接去跳闸。为了寻求更加可靠 的小电流接地选线方法，并期望实现直接跳闸的功能，第三章将详细讨论这一问题， 并提出一种更好的故障选线方法。 ( 3 ) 采用自动重合闸 为了实现“接地选线直跳 功能，同时又考虑中低压电网故障选线的实际问题， 有必要采用自动重合技术弥补选线不准造成的误跳闸，减少对供电可靠性的影响， 降低选线判别的难度，同时还可以结合跳闸，对选线结果进行进一步的判断。文献 n 刀提出了中低压电网的自动重合闸技术，并对选线结果中的“第一、第二、第三备 选线路”分别实施跳闸和重合，并在馈线跳开期间，对选线结果作进一步的判断。 这样不仅可以尽快找出故障线路，还能够迅速熄灭配电线路的电弧，使配电线路很 快恢复正常运行，防止电弧接地过电压长期存在。 2 4 减少铁磁谐振过电压的措施 ( 1 ) 避免人为增加系统对地电容 电压互感器饱和过电压在中低压系统中最为常见，当乩。和1 们的值相差很 大时，谐振发生的可能性将减少。如果电容很大，则1 们很小，使得图1 9 中 的曲线1 的口角很小，此时u 0 将变大，产生铁磁谐振所需要的电源电压升高等 “激发”因素越大，出现谐振的可能性就减少；相反，如果电容很小，满足不 1 了c 时，曲线u 。和u 。没有交点，就不可能产生谐振。 彩l o 由于加大系统对地电容会引起单项接地时的电压升高，不宜采用增加系统对 地电容的方法来避免铁磁谐振。此外，加大对地电容，在单相接地恢复时和电弧 接地息弧时，还会使t v 一次绕组流过较大的直流电流，加剧t v 饱和。从这方面 考虑，同样不应该人为地增加系统对地电容。 ( 2 ) 选用励磁特性好的t v 这是从根本上减少t v 铁磁谐振的措施，铁芯谐振的根本原因在于铁芯的励 磁特性不好。解决铁磁谐振问题，关键在于选用伏安特性好的t v 。在电压互感器 产品设计与生产标准中明确规定，供给中性点非直接接地系统( 6 0 k v 及以下系统) 中使用的t v ，应选用额定电压因素为1 9 、额定时间为8 h 的电压互感器。 ( 3 ) 用户侧电压互感器不接地 在电压互感器并联台数增多时，电压互感器励磁特性会变差。所以应尽量减 少系统中直接接地的t v 台数。为减少t v 饱的可能性，用户侧的电压互感器应采 用相间接线的方式，中性点不接地。 ( 4 ) 中性点接入消弧线圈 1 发生谐振的条件是c 。人们不能随意减小系统中的电容，但可以改变 功l o 中性点对地的阻抗。如果在中性点增加消弧线圈，使k 变小，则可以破坏谐振条 1 件。如果消弧线圈处于过补偿状态时，则有c 0 ，则f o 超前l ) a 为9 0 度( 即滞后l ) 。9 0 度) ； 反之，a il 0 ，则f o 滞后l ) a 为9 0 度( 即超前i j i 。9 0 度) 。利用上述关系，可以 构成电流综合增量功率方向原理的选线判据。 3 3 综合增量幅值积分判别原理 对于非故障支路j ， i q 咄鼍也一。 即上：旦 u 洲u 只考虑模值，有 上止：上山 i u 咖li u l 对匕式进行积分，等式仍成立 l iqi d t ，i u 州阻 i i 阻 t l t 2 ukp t 事实上，有以下等式成立： 吐 i iqi d t t l 珥 川i 阻 = ! ! 一 “ uk l t t ， “ = 门uk i t ，则对于非故障支路有： 廿 乜 ，l iql d t= jl i 毛 j t ( 3 1 2 ) 也就是说，消弧线圈调整参数前后，如果分别对母线的零序电压、电流绝对值 进行积分，当两个零序电压的积分值相等时，对应时段的非故障线路的零序电流绝 对值积分也相等。对于故障支路，则不然，零序电流增量为i o j = 等| l 。l ， 调整前后故障支路零序电流绝对值的积分不相等。零序电流绝对值的积分能够明显 区分故障支路和非故障支路。由此，可以构成综合增量幅值积分原理的选线判据。 3 4 综合增量幅值积分原理的选线判别继电器 从式( 3 1 2 ) 可知，对于非故障线路，在母线零序电压绝对值积分相等的情况 下，电流绝对值的积分也是相等的。如果不等，则可以断定为故障线路。于是，得 到综合增量积分原理的选线继电器原理图如下：( m a t l a b 仿真用原理图) t p 晰 u 口r - j n 啡 嘲 u 伫fj 令 图3 7综合增量积分选线原理图 图中，i o 、u o 分别为支路零序电流和母线零序电压：r e l a yi m 为浮动的继电 器门槛，其大小依据消弧线圈支路的综合增量积分值确定；t i m e r 0 1 和t i m e r 0 2 分 别为消弧线圈调感前的积分控制时限和消弧线圈调感后允许的积分时限。由于继 电器能够通过电压积分自动判断调感后的积分时间，一般，t i m e r 0 2 的时限远大于 t i m e r 0 1 的时限。 当t i m e r 0 1 给出允许信号时，进行调感前的积分，此时i o 整流后，经s w i t c h 0 1 送入i n t e g r a t o r 0 1 积分器；同时，u o 整流后，经s w i t c h 0 4 送入i n t e g r a t o r 0 3 积分器。 当t i m e r 0 2 给出允许信号时，进行调感后的积分，此时1 0 整流后，经s w i t c h 0 2 、 0 3 送入i n t e g r a t o r 0 2 积分器；同时，u 0 整流后，经s w i t c h 0 5 、0 6 送入i n t e g r a t o r 0 4 积分器。 调感前后零序电压积分值的差值，即i n t e g r a t o r 0 3 、i n t e g r a t o r 0 4 的差值，送到 触发器r e l a y 0 2 中，一旦调感后的零序电压积分值与调感前的相等，立即给出信号， 闭锁s w i t c h 0 3 、0 6 ，停止零序电流、电压积分。此时，a d d 0 1 输出为零序电流积 分差值，取绝对值后，送到带有浮动门槛的触发器r e l a y 0 1 ，如果大于浮动门槛值， 则r e l a y 0 1 触发器动作，给出故障支路的选线信号，如果小于浮动门槛，则不动作， 说明是正常支路。 按照上述原理图搭建的继电器，通过仿真验证，证实有很高的灵敏度，选线 准确率1 0 0 ，不但适用于稳定接地的情况，还适用于间歇性接地和高阻接地， 特别对调感时有过渡过程的情况，能够充分利用其直流分量，进一步提高其性能。 由于综合增量积分继电器的构成简单，判据中不需要各支路相互比较，能够 自成体系，因此，可以通过简单的电路，构成各支路的选线模块，分散安装于开 关柜上，减少电流电缆的长度，从而减少电流互感器的二次阻抗，进一步提高了 零序电流测量的精度。 3 5 综合增量积分原理的适用性 对电流的幅值进行积分，实质上是计算通过故障点的电量。综合增量原理实质 上相当于计算消弧线圈