（船舶与海洋工程专业论文）船舶中压电力系统中性点接地与过电压研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特j l l l j t l 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 含为获得武汉理工大学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。 签名：二皿日期：虬 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 答名) ：红导师( 签名) 辩喝日期扣 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电力系统中性点接地方式的选择是一个综合性的课题，正确的接地方式的 选择具有越来越重要的实际意义。因为它直接影响到供电可靠性、线路与设备 的绝缘水平、继电保护、通信和信号系统的电磁干扰等方面。 近年来随着船舶业的蓬勃发展，船舶负荷不断增加，船舶中压电力系统的 运用越来越广泛。传统的4 4 0 v 船舶电力系统采用的是中性点不接地的方式，该 种接地方式在发生单相接地故障时可能产生稳定的或间歇性的电弧，不利于抑 制系统过电压 2 1 。而在船舶中压电力系统中，中高压发电机的广泛应用，特别是 在船舶上大量采用电缆线路，使得系统电容电流大幅度增加，使得谐振过电压 和弧光接地过电压问题更为突出，而且中高压发电机的绝缘要求非常高，很显 然传统的中性点不接地的运行方式不再适合于船舶中压电力系统中，所以选择 一种适用于船舶中压电力系统的中性点接地方式至关重要。 本论文从电力系统内部过电压的角度出发，寻求合理的中性点接地方式。 论文的主要工作包括：介绍电力系统中常见的几种中性点接地方式，从适用范 围、经济性等方面进行综合比较。介绍船舶中压电力系统的构架以及内部过电 压问题；在p s c a d e m t d c 中建立仿真模型，确定变压器的模型，线路的模型 并确定主要的模型参数。在对中性点经高阻接地的系统进行相应的仿真时，根 据现有的系统参数，通过理论计算得出合适的接地电阻的阻值，确定接地参数。 为实际的船舶中压电力系统的接地设备选型提供理论参考；对铁磁谐振过电压 进行仿真分析。铁磁谐振过电压的种类很多，主要是对p t 谐振过电压和断线谐 振过电进行仿真分析。分别在三种不同的中性点接地方式下( 中性点不接地、 中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地) 进行仿真分析。从仿真结果可知， 中性点经高阻接地能快速、有效地抑制p t 谐振过电压和断线谐振过电压；对弧 光接地过电压进行仿真分析。在实际运行中，主要是间歇性弧光接地过电压， 故本文仅是针对间歇性弧光接地过电压进行仿真分析。实际运行中的数据显示， 根据工频理论分析得出的过电压值更接近实际值，故本文在工频电弧模型上搭 建典型模型。分别在三种不同的中性点接地方式下( 中性点不接地、中性点经 消弧线圈接地、中性点经高阻接地) 进行仿真分析。从仿真结果可知，由于高 阻值电阻能快速、有效地泄放系统能量，使得电弧不易重燃，对弧光接地过电 压有明显的抑制作用。 武汉理工大学硕士学位论文 结合本论文的理论计算和仿真分析，中性点经高阻接地的方式适用于船舶 中压电力系统。该种接地方式可以将故障电流控制在允许的范围内，并且能有 效抑制系统过电压。当发生事故时，能将事故的范围降低到最小范围，将事故 可能造成的损失降低到最小的程度，保证供电可靠性，保证设备与人员的安全， 是较理想的中性点接地运行方式。 关键词：船舶中压电力系统；中性点接地；断线过电压；铁磁谐振过电压； 弧光接地过电压；p s c a d e m t d c n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e u t r a lg r o u n d i n go fp o w e rs y s t e mi sac o m p r e h e n s i v es u b j e c t , t h ec o r r e c t c h o i c eo fg r o u n d i n gh a sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b e c a u s ei t d i r e c t l ya f f e c t st h er e l i a b i l i t y , t h ei n s u l a t i o nl e v e lo fl i n e sa n de q u i p m e n t , r e l a y p r o t e c t i o n , c o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fs i g n a ls y s t e m r e c e n ty e a r s ，s h i pl o a di si n c r e a s i n g , t h eu s eo fm e d i u mv o l t a g ep o w e rs y s t e mi s m o r ew i d e l y c o n v e n t i o n a l4 4 0 vp o w e rs y s t e mi su s e di ns h i pu n g r o u n d e dw a y , t h i s k i n do fg r o u n d i n gi nas i n g l ep h a s eg r o u n df a u l to c c u r r e dm a yh a v es t a b l eo r i n t e r m i t t e n ta r c ，i sn o tc o n d u c i v et os u p p r e s ss y s t e m so v e r - v o l t a g e i nt h em e d i u m v o l t a g ep o w e rs y s t e mo fs h i p ，t h eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r sa r em o r ew i d e l yu s e d ，i n p a r t i c u l a rt h ee x t e n s i v eu s eo fc a b l el i n e s ，m a k i n gt h es y s t e mas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei n c a p a c i t i v ec u r r e n t , o v e rv o l t a g ea n dr e s o n a n tg r o u n d i n ga r co v e r - v o l t a g ep r o b l e m b e c o m es e r i o u s ，a n dt h ei n s u l a t i o nr e q u i r e m e n to f h i g h - v o l t a g eg e n e r a t o ri sv e r yh i g h , i ti sc l e a rt h a tt h et r a d i t i o n a lu n g r o u n d e do p e r a t i o nm e t h o di sn ol o n g e rs u i t a b l ef o r m e d i u mv o l t a g ep o w e rs y s t e m si nt h es h i p ，c h o s i n gas u i t a b l en e u t r a lg r o u n d i n g m e t h o df o rm e d i u mv o l t a g ep o w e rs y s t e m si se s s e n t i a l i nt h i st h e s i s ，t h ei n t e r n a lo v e r - v o l t a g ef r o mt h ep o w e rs y s t e mp o i n to fv i e w , t o s e e kar e a s o n a b l ew a yo fn e u t r a lg r o u n d i n g t h em a i nw o r ki n c l u d e s ：i n t r o d u c t i o nt o s e v e r a ln e u t r a lg r o u n d i n gm e t h o & o fc o m m o np o w e rs ) ，s t e m ，f r o mt h es c o p eo f e c o n o m i ca n do t h e ra s p e c t so fac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n s h i p si n t r o d u c e di nt h e f r a m e w o r k o fp o w e rs y s t e mv o l t a g ea n di n t e r n a lo v e r - v o l t a g ep r o b l e m s ；i np s c a d e m t d cs i m u l a t i o nm o d e lc r e a t e dt od e t e r m i n et h em o d e lo ft h et r a n s f o r m e r , t h el i n e m o d e la n di d e n t i f yk e ym o d e lp a r a m e t e r s i nh i g i li m p e d a n c ee a r t h e dn e u t r a lp o 缸 c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ns y s t e m s ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ee x i s t i n gs y s t e mp a r a m e t e r s ， c a l c u l a t e db yt h ea p p r o p r i a t et h e o r e t i c a lg r o u n d i n gr e s i s t o r , d e t e r m i n et h eg r o u n d p a r a m e t e r s p r o v i d eat h e o r e t i c a lg r o u n d i n gr e f e r e n c ef o rt h eg r o u n d i n ge q u i p m e n t s s e l e c t i o no ft h em e d i u mv o l t a g ep o w e rs y s t e mo fs h i p ；o fm a g n e t i cr e s o n a n c ei n v o l t a g es i m u l a t i o n f e r r o r e s o n a n c eo v e r - v o l t a g eh a sm a n yd i f f e r e n tt y p e s ，m a i n l y s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ep tr e s o n a n c eo v e r - v o l t a g ea n do v e r c u r r e n td i s c o n n e c t i o n a tt h r e ed i f f e r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gm o d e s ( n e u t r a l ，n e u t r a la r cs u p p r e s s i o nc o i l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 g r o u n d i n g ，h i g hr e s i s t a n c eg r o u n d i n gt h en e u t r a lp o i n t ) f o rs i m u l a t i o na n a l y s i s f r o m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s , t h eh i g hr e s i s t a n c eg r o u n d i n gt h en e u t r a lp o i l l tc a nb eq u i c k l y a n de f f e c t i v e l yi n h i b i tt h ep tr e s o n a n c eo v e r - v o l t a g ea n dd i s c o n n e c t i o no v e r - v o l t a g e ； o nt h eg r o u n do v e r - v o l t a g ef l r ci ss i m u l a t e d i na c t u a lo p e r a t i o n , m a i n l yi n t e r m i t t e n t a r c e a f t h o v e r - v o l t a g e ，s o t h i si s o n l y f o rt h ei n t e r m i t t e n ta r co v e r v o r a g et o s i m u l a t i o n a b o v et h e a c t u a lo p e r a t i o no ft h ed a t a , t h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s e do n f r e q u e n c yo v e r - v o l t a g ec l o s e rt ot h ea c t u a lv a l u e s ，s ot h i sm o d e li nt h ef r e q u e n c ya r o t ob u i l dat y p i c a lm o d e l a tt h r e ed i f f e r e n tn e u t r a lg r o u n d i n gm o d e s ( n e u t r a l ，n e u t r a l a r cs u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d i n gh i g hr e s i s t a n c eg r o u n d i n gt h en e u t r a lp o i n t ) f o r s i m u l a t i o na n a l y s i s f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s , t h em o d eo fg r o u n d i n gw i m1 1 i g h r e s i s t a n c ec a nb eq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yd i s c h a r g ee n e r g yo ft h es y s t e m , m a k i n g d i f f i c u l tt or e - i g n i t et h ea r c ，o nt h eg r o u n do v e r - v o l t a g ea r cs i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e d c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c hp a p e r , n e u t r a lg r o u n d i n gw i ml l i g hr e s i s t a n c ei s s u i t a b l ef o rt h em e d i u mv o l t a g ep o w e rs y s t e mo fs h i p t h i sm e t h o do fn e u t r a l g r o u n d i n gc o u l de f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es y s t e mv o l t a g e , c o n t r o lt h ef a u l tc u r r e n t w i t h i nt h ea l l o w a b l er a n g e , e n s u r ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , m i n i m i z ei n s u l a t i o n a c c i d e n t s ，i sa l li d e a ln e u t r a lg r o u n d i n gm e t h o d k e y w o r d s ：n e u t r a lg r o u n d i n go fv e s s e lp o w e rs y s t e mm e d i u mv o l t a g en e t w o r k , b r e a k o v e r - v o l t a g e ，f e r r o r e s o n a n e eo v e r - v o l t a g e ，舡cg r o u n d i n g o v e r - v o r a g e ，p s c a d e m t d c i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题提出1 1 2 中性点接地方式的国内外现状2 1 3 电力系统中的内部过电压3 1 4 论文主要工作及章节安排3 第2 章电力系统内部过电压分析5 2 1 铁磁谐振过电压产生及机理5 2 1 1 断线谐振过电压6 2 1 2f r r 谐振过电压1 1 2 2 弧光接地过电压j 1 5 2 2 1 工频熄弧理论分析过电压发展过程1 5 2 2 2 按高频熄弧理论分析过电压发展过程1 7 2 2 3 弧光接地过电压的影响因素1 8 2 2 4 防止产生弧光过电压的措施1 9 2 3 本章小结1 9 第3 章船舶中压电力系统概述2 1 3 1 船舶中压电力系统的供配电网络结构2 1 3 2 船舶中压电力系统的保护2 3 3 2 1 短路保护2 3 3 2 2 过载保护2 4 3 2 3 单相接地与绝缘保护2 4 3 3 系统中性点接入方式及接地参数2 4 3 3 1 中性点不接地方式2 5 3 3 2 中性点经消弧线圈接地方式2 5 3 3 3 中性点直接接地方式；2 7 3 3 4 中性点经电阻接地方式2 7 3 4 单相接地故障电流的计算3 1 3 5 各种中性点接地方式的比较3 3 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 6 中性点接地的选取原则3 4 3 7 本章小结3 4 第4 章船舶中压电力系统铁磁谐振过电压仿真3 5 4 1p s c a d e m t d c 简介3 5 4 2 变压器饱和特性3 6 4 3 不同接地方式下断线谐振过电压仿真分析3 6 4 3 1 中性点不接地系统的仿真分析3 7 4 3 2 中性点经消弧线圈接地系统的仿真分析4 0 4 3 3 中性点经高阻接地系统的仿真分析4 1 4 4p ，i i 铁磁谐振过电压4 2 4 4 1p t 饱和特性4 2 4 5 不同接地方式下p t 铁磁谐振过电压的仿真分析4 3 4 5 1 中性点不接地系统的仿真分析4 4 4 5 2 中性点经消弧线圈接地系统的仿真分析4 5 4 5 3 中性点经高阻接地系统的仿真分析4 7 4 6 本章小结4 7 第5 章船舶中压电力系统弧光接地过电压仿真4 8 5 1 弧光接地过电压模型4 8 5 2 不同接地方式下的弧光接地过电压的仿真分析5 0 5 2 1 中性点不接地系统的仿真分析5 0 5 2 2 中性点经消弧线圈接地系统的仿真分析5 1 5 2 3 中性点经高阻接地系统的仿真分析5 2 5 3 本章小结5 5 第6 章全文总结与工作展望5 6 参考文献5 8 致谢6 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题提出 第1 章绪论 随着船用设备功率的不断增加，低压电站的容量已经不能满足船舶总功率 增加的需要，提高船舶电力系统的电压等级，6 6 0 0 v 的中压电力系统越来越多地 运用在船舶上。电力系统电压等级的提高对减少电气设备的重量、尺寸和经济 指标是非常有利的。相较于低压电力系统，中压电力系统在发电机组、电网保 护以及电缆的选择与敷设等方面有一些特殊要求。电力系统中性点的接地方式 涉及到系统的运行方式和运行中的安全问题【l 】。 在很长一段时间内，主要采用的是中性点不接地方式。中性点不接地系统 的特点是当系统发生单相接地时，允许继续运行2 h 。它具有较高的供电可靠性， 是这种接地方式经久不衰的主要原斟5 1 。但是中性点不接地系统发生单相接地故 障时，接地电流在故障处可能产生间歇性的或稳定的电弧。接地电流一旦大于 3 0 a 时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这可能引起多相相间短路甚至 烧毁电气设备。当接地电流小于3 0 a ，而大于5 - 1 0 a 时，此时电力系统中的电 容和电感将形成谐振回路，这就导致了间歇性电弧的产生。间歇性电弧比较容 易引起弧光接地过电压，其幅值可达( 2 5 3 ) u ，将危害整个电网的绝缘安全。 中性点接地方式涉及到单相接地( 短路) 电流的大小和设备的绝缘水平，解决 单相接地( 短路) 电流的大小又涉及设备的绝缘水平 9 1 。这些问题都反映到过电 压的问题。电力系统过电压分为雷击过电压和内部过电压，雷击过电压与雷击 活动强度有直接关系，与设备电压等级无关。故本文从电力系统内部过电压的 角度来探讨中性点的接地方式的选择。通过对陆地上的中压电力系统的研究， 结合船舶电力系统的特殊性，提出对中压船舶电力系统中性点接地方式的选择 的意见和建议，为日后的研究提供参考。 船舶电力系统比较特殊，其接地实际上就是连接到船体，而船体是一个钢 结构，是一个良导体。设计不当极有可能造成人员的伤亡和设备的损坏。陆地 上的电力系统在接地方式方面的研究相对比较成熟，1 0 k v 的中压配网与船舶中 压电力系统有相似之处，可以借鉴。但是基于船舶的特殊性，比如常年在海上 航行受到海水、风暴等侵袭，线路更容易腐蚀，所以在绝缘方面更要着重考虑。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 中性点接地方式的国内外现状 在中压电力系统中，大部分为小电流接地方式，即中性点不接地或经消弧 线圈或电阻接地系统。 我国在船舶中压电力系统方面，主要采用的是中性点不接地的方式。该种 接地方式最大的优点是能带故障运行两小时，可以保障电网供电的连续性。但 是随着船舶负荷的增加，接地电流明显增加，内部过电压增大，产生弧光接地 过电压的可能性增加，并且电网供电的可靠性不再依靠带故障运行的时间，而 是侧重于电网的保护。显然中性点不接地方式不再适用于现在的中压船舶电力 系统。中性点经电阻接地广泛用于船舶中压电力系统。中性点经电阻接地分为 经小电阻接地和经高阻接地。中性点经小电阻接地，对故障比较敏感，一旦发 生单相故障，保护装置会迅速动作，切断故障线路。中性点经高电阻接地可以 有效地抑制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压。综合各个方面考虑，中性点经 高阻接地更适用于船舶中压电力系统。 另外，消弧线圈并联电阻接地方式正在逐渐成为i o k v 电网的发展方向。当 电网的零序电压超过整定值并在此时发生单相接地故障时，控制器按预先设定 的脱谐度调节消弧线圈到补偿状态。在故障初期退出并联电阻，以充分发挥消 弧线圈减慢故障恢复电压的上升速度的作用和补偿故障电流的作用，提高瞬间 故障自恢复概率旧。经过一段时间内接地未消除再投入并联电阻，一是为消除可 能存在的因串联谐振引起的虚假接地现象；另一则是利用并联电阻抑制弧光过 电压和断线谐振过电压 以美国为主的部分国家采用中性点经销电阻接地方式，用以协防线路上的 过剩电荷，来限制弧光接地过电压。在单相接地时，通过检测流过接地点的电 流的大小来启动零序保护动作，切除故障线路。 德国、前苏联和瑞典等国的中压电网长期采用中性点经消弧线圈接地方式。 简单地讲，消弧线圈其实就是具有气隙铁芯的电抗器。当发生单相接地故障时， 消弧线圈与接地故障相构成了另一个回路，接地电流中增加了一个感性电流。 装设消弧线圈的容性电流与该感性电流的方向刚好相反，相互补偿，故障电流 随之减小，使电弧易于自行熄灭，从而提高了供电可靠性，避免了由此引发的 各种危害。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 电力系统中的内部过电压 在电力系统中，由于断路器故障、操作或者其他原因，系统参数会发生变 化，引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递所造成的电压升高，称为电力系 统内部过电压。 内部过电压分为两大类，即因操作或故障引起的瞬时电压升高，称为操作 过电压；在瞬间过程完毕后出现的稳态性质的工频电压升高或谐振现象，称为 暂时过电压。暂时过电压虽具有稳定性，但只是短时间存在或不允许其长期存 在。相对于正常运行时间，它是“暂时 的。在本文中主要分析铁磁谐振过电 压和弧光接地过电压【1 1 。 电路中电感元件因带有铁芯会发生饱和现象，电感参数不再为常数。电感 值而是随元件上的电压或电流的变化而变化。这种含有非线性电感元件的电路， 在满足一定条件时，会产生铁磁谐振【钔。在不同条件作用下，非线性振荡回路可 产生三种谐振状态：工频谐振、高频谐振、分频谐振。铁磁谐振过电压容易造 成互感器烧毁机器熔丝熔断、t v 烧毁、避雷器爆炸或绝缘子闪络等事故。 在单相接地故障中，绝大部分为电弧不稳定，处于时燃时灭的状态，这种间歇 性电弧接地使系统工作状态时刻在变化，导致电容电感元件之间的电磁振荡， 形成遍及全系统的过电压，这就是间歇性电弧接地过电压，也称弧光接地过电 压。弧光接地过电压通常发生在3 5 k v 及以下的电网中，这类电网中性点是不接 地的。一旦发生单相故障，在短路点流过故障电流，此电流是电容电流，且呈 周期变化。( 因为相与相之间，相与地之间是相间电容和相对地电容。) a 、b 、 c 三相电压不对称，线路产生电磁振荡，根据电工理论：过电压数值= 稳态+ ( 稳 态初始) 。可以大概计算出产生过电压。弧光接地过电压会损坏设备绝缘，造成 大面积停电。可以采用消弧线圈补偿短路点的容性故障电流。 在实际运行中，因弧光接地过电压造成事故例子不在少数，如母线绝缘子、 断路器对地放电，引发短路。同时，这种过电压持续时间可能很长，若不采取 措施，可能危及设备绝缘，引发相间短路，使事故扩大。 1 4 论文主要工作及章节安排 由于在船舶中压电力系统中大量采用电力电缆，使得系统过电压的问题更 加突出，过电压问题严重影响着设备和人身的安全性。系统过电压主要有雷电 3 武汉理工大学硕士学位论文 过电压( 外部过电压) 和系统内部过电压，本文仅是从系统内部过电压的角度 进行中性点接地方式的研究。主要是对系统有很大影响的断线过电压、铁磁谐 振过电压和弧光接地过电压进行了理论计算和仿真研究。系统中最常见的故障 是单相接地故障，故本文是在单相接地故障下，研究不同接地方式对电力系统 过电压的影响以及抑制的情况。 论文一共分六章。第1 章主要介绍课题的提出与意义，介绍了传统接地的 优缺点，中压电力系统接地方式的特殊性和船舶电力系统的特殊性。阐述了中 性点接地方式国内外现状对比以及中压电力系统中存在的过电压问题，提出了 课题研究的主要工作。第2 章详细介绍了铁磁谐振过电压的产生与机理，又着 重讲述了p t 谐振过电压的基本原理；详细介绍了断线谐振过电压的基本原理； 详细介绍了弧光接地过电压的产生与机理，并且介绍了研究弧光接地过电压的 两个基本理论。第3 章简单地介绍了船舶中压电力系统的结构；系统中常用的 中性点接入方式的介绍，选取原则及接地电流计算；实体的船舶中压电力系统 的相关信息。第4 章主要对铁磁谐振过电压进行仿真研究，铁磁谐振过电压主 要从断线谐振过电压和p t 谐振过电压这两个常见的铁磁谐振过电压进行研究。 首先从理论上分析计算p t 谐振过电压和断线谐振过电压，然后在 p s c 觥m t d c 中建立相应的仿真模型，根据船舶中压电力系统的特殊性进行 参数设置，并进行仿真分析。分析影响铁磁谐振的主要因素和不同接地方式对 铁磁谐振过电压的影响。第5 章主要对弧光接地过电压进行仿真分析，弧光接 地过电压主要分析的是间歇性弧光接地过电压。在p s c a d e m t d c 中建立仿真 模型，在不同的接地方式下研究，研究其对间歇性弧光接地过电压的抑制情况。 第6 章全文总结，全面分析了船舶中压电力系统的内部过电压问题以及不同的 接地方式对过电压的影响，并提出了本文尚未解决的问题，进一步提出针对这 些问题的解决方法以及技术方法方面的精进。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电力系统内部过电压分析 2 1 铁磁谐振过电压产生及机理 在振荡回路中，谐振就是指一种周期性的或者准周期性的运行状态。某一 或几个谐波的幅值急剧上升是其特征。在通常情况下，在电力系统中的某些设 备上会发生串联谐振的现象，以至于威胁到设备的绝缘保护，对于像电压互感 器这样的小容量电感元件，谐振会使其产生非常大的过电流，这甚至会导致电 感线圈和它的保险丝因过热而烧毁。 铁磁谐振是指发生在含有铁芯电感元件的串联振荡回路中的振荡。为了监 测发电、变电站母线对地电压，母线上通常接有电压互感器，该电压互感器的 作用是检测变电站或发电站母线对地电压。电压互感器的一次侧为星形连接， 通常中性点直接接地。在中性点不接地系统中，当接地故障或非同期合闸消失 后，电力系统中由于瞬时的冲击，系统的对地电容与电压互感器的励磁阻抗形 成非线性谐振回路。不同的外界激发条件和回路参数，可能产生分频( 1 2 、1 3 、 1 5 、2 3 次等) 、工频( 基波) 或高频( 2 、3 、5 倍等) 铁磁谐振过电压【1 2 1 。 以3 次谐波为例，分析高次谐波谐振的基本现象。当发生3 次谐波的高频 铁磁谐振时，则中性点出现较高的3 次谐波电压。工频电压三相与该3 次谐波 电压叠加后，可能出现其中一相明显升高或者三相对地电压同时升高。与此同 时，零序电压的两端往往也会出现过电压，较高的高频谐振过电压将会引发避 雷器爆炸或者电压互感器的绝缘破坏。 三相对地电压表示为两相高，一相低，线电压正常，并伴有虚假接地现象， 这就是基波谐振的基本现象。接地故障相的电压与中性点的位移电压相位相反， 零电位必须移到线电压三角形以外，所以故障相的相电压值降得很低，但不会 降为零，并且其相位与原来的相位方向相反；其余二相对地电压升高，过电压 倍数在3 2 倍相电压以内，其值将超过线电压，伴有接地信号，产生虚幻接地现 象；一般情况下，零序电压两端也会出现过电压现象。 过电压倍数较低，三相对地电压的值有周期性的摆动，线电压正常，过电 流很大，这是分次谐波谐振的基本现象。分频的零序电压出现在电压互感器零 序电压绕组。因频率的降低，电压互感器的电感值急剧下降，铁芯严重饱和， 这将会在电压互感器中引起低频过电流。该低频过电流远远高于额定励磁电流， 5 会烧毁电压互感器，甚至爆炸，危及人身安全。 2 1 1 断线谐振过电压 断，严重时 断线谐振过电压泛指由于导线因故障折断、断路器非全相动作或严重不同 期、熔断器一相或两相熔断等原因造成电力系统非全相运行的现象。只要电源 侧或负荷侧有一侧中性点不接地，断线可能组成复杂多样的非线性串联谐振回 路，出现谐振过电压。 断线谐振过电压会导致系统中性点位移及绕组、导线对地产生过电压，严 重时使绝缘闪络、避雷器爆炸、小电机产生反转现象。还有可能将过电压传递 到低压侧，造成危害。 ( 一) 中性点不接地系统中发生单相断线故障时产生谐振过电压 图2 1中性点不接地系统单相断线接线图 设有一中性点不接地系统，a 相导线断开，线路末端接有空载变压器，如图 2 1 所示。线路长度为，导线折断处至电源短距离为纠( x = 0 1 ) ，线路对地电 容及相间电容分别为c 0 、c 1 ，a 相电源侧导线对地电容为c o = x c o ，a 相电源 侧导线相间电容为c 厶= x c , ，a 相负载侧导线对地电容为c o = ( 1 一工) g ，a 相 负载侧导线相间电容为= ( 1 一曲c l ，。忽略电源内阻抗和线路感抗。 由等值电源定理可以得知：从外部来看，任何一个复杂电路都可以转化为 由等值的电势和内阻串联，组成一个简单的等值电路。上图中，q 看作为负载， 等值电势应为a 点与地面之间的电压值，也就是a 点与o 点间的电压。b 相和 c 相的负荷是对称的，所以0 点的电位应是，；的中点，从向量图可以得知： 6 缸”邑一。丽c o ( 2 1 ) = 1 s z , 吾- 1 5 q e ( 2 _ 2 ) l + 其中 万= 旦正芋 为线路正序电容与零序电容的比值 c = 裂+ 2 c 坯= j 1 c 。眙+ 2 万x l z ) 】= k c o 三= 1 5 l r 简单的等值串联谐振回路。如图2 - 3 所示： 图2 3中性点不接地系统单相断线简化等值图 7 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 在简单单相等值电路中不发生基波谐振的必要条件：础1 国c 。 如果负载侧导线接地并且同时发生单相断线故障，也就是说短接了a 相对 地电容g ，如果电源侧导线接地并且同时发生单相断线故障，则将q 短接，此 时2 c 0 也就直接接在电势两端，所以2 g 可以忽略不计。随着非全相运行的断线 故障的具体情况的不同，都有相应的简单的等值串联谐振回路和等值的单相接 线图，其等值参数q 、k 的计算式参看下表2 1 。 表2 1 典型断线图及其等值电路 序 串联等值电路参数 号 艇线系统接线豳单相电路 e c e ：耐1 惑鞫屿 1 5 瓿 l蓠a “功 1 一冀哆t 赫+ 曲， 中i a 1 2浑魏 一 车卜 s 如1 霉( 1 + 撕 之 l 十捕 3 ” _ 暑 蕊夏 受气 牵参：摄卜 s 岛l + s 毒+ 域l - - z ) + 缸+ z 氓1 一1 ) 3 淑砖群鞫峨 1 啦 麓 2 ( t 一善h l 善 1 十夏； 3 s 篱i翻恤 1 5 氩l 一曲( l + 2 a 。 硒 3 q 一 乏喊稀辛l 嘶碍 2 f l - - z ) f 2 4 - 由 乏醚 耋 1 波 s 袒 3 i ： i 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 二) 中性点直接接地系统中发生单相断线故障时产生谐振过电压 设a 相断线，将g 看作负载，直接接于电源上的，c o 、q 忽略不计， 右侧电路部分与a 相的电势没有关系，也可忽略不计。由此得出单相等值电路。 简化后的谐振电路，等值电势e 及电容c 分别为： 1 e = 1 5 乜而1 ( 2 - 6 ) c = c j ( 1 一x x l + 2 万) ( 2 7 ) 因此，在中性点直接接地系统中也会出现铁磁谐振，主要是当中性点不接 地的变压器的断路器拒动或断线而引起的，造成事故。 运用消弧线圈来对电网进行补偿，负载变压器的励磁电感在谐振回路中起 主要作用。因此，无论是欠补偿还是过补偿消弧线圈，发生断线故障时都有可 能激发起铁磁谐振，引起铁磁谐振过电压。 当系统发生谐振，将会导致负载变压器三相对地电压呈现出现不平衡的状 态，主要表现为：一相高两相低，两相高一相低，甚至三相电压同时升高。 谐振过电压的出现会导致系统中性点偏移，负载变压器的相序反倾，绕阻 电流急剧增大，绕阻两端即导线对地产生过电压。谐振后的电压向量图如下图 2 - 4 所示： 图2 4 断线后谐振反倾的相量图 9 武汉理工大学硕士学位论文 a 点接地，等值电动势等于1 5 e a ，“s 点位于向量b 、c 连线的中点。假 定u l = 2 e a ，u l 与1 5 e a 相位相反，所以a 点应位于2 e a 处，也就是s 点的 下方。y n y gu 。：寻c ，。；e 。，由此可以确定中性点“o 的位置；连接o b 和o c ，就可以得到负载变压器b 相、c 相的绕组电压。断线相导线的对地电压 就是a 点与a 点之间的电位差，其值为：u c 。= 3 5 e a 。由此可知，当系统发生谐 振后，不仅在断线相出现了严重的过电压，负载变压器的o a 、o b 、o c 电压相序 完全相反( 反倾) ，这会造成连接在负载变压器上( 或其低压侧) 的小容量的电动机 发生反转。 ( 三) 避免发生断线铁磁谐振的条件 u c = s ( i ) 和u l = 厂u ) 两曲线无交点，可避免发生基频谐振，即等值回路中 的容抗x c 应大于初始励磁电抗置。，也就是等值电容c 应当足够小，线路很短。 在上文中所列举的三种断线故障中，中性点不接地系统发生单相断线故障且负 载侧导线接地时，等值电容较大，尤其当断线发生在负载端时( x - 1 ) 电容c 最 大，意味着电力系统中电力电缆需要足够短才能满足发生谐振的条件。 c = 与 【4 + 5 x + 2 万( 1 - - x ) 】= 3 g ( 2 8 ) 3 ：_ o c o5 赢i i 2 - 9 ) c ! )o(2-10 4 5 6 _ o x 。 其中x 。= c o l r o 为饱和的变压器励磁电抗，可根据变压器的额定容量( 单 位m v a ) ，空载电流对额定电流的百分数i o ( ) ，额定线电压u ( 单位k v ) ， 不难计算出励磁阻抗： x 。= 分( 单位f 2 ) ( 2 一i i ) 设每公里长导线对地电容为q ，以p f 计，有： ， 勘，三相 导纳呈容性，且有e o = o ，无过电压。 当系统受到扰动时，电压互感器受到激磁涌流的激发，三相绕组饱和，但 是饱和的程度有所不同，这就导致了三相导纳不同的数值和性质，即 匕匕乓，三相的电位失去平衡，这必然导致中性点电位偏移，即疡o ，偏 移电压有可能是谐波频率，也可能是工频，如图2 7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 丝! 丝! ( 2 1 6 ) 2 c o c l c o l2