（电力系统及其自动化专业论文）配电网消弧及铁磁谐振监测与控制技术的研究.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文 摘要 中性点接地运行方式直接关系到配电网供电的安全性、可靠性与经济性。本文 通过对配电网常用三种中性点接地方式进行分析和研究，根据其运行特点和存在的 问题，结合具体的配电网运行现状，提出了配电网中性点接地方式的选择观点。 对于中性点不接地系统，铁磁谐振及电压互感器高压保险熔断问题一直困扰着 现场运行人员。本文在深入研究分析的基础上，找出问题的根本原因，提出具体解 决方案，并在现场进行了实际运行检验。 对于中性点经消弧线圈接地系统，针对影响消弧控制效果的接地电容电流检 测这一技术难点，提出了新的基于电网自然参数的注入信号法系统接地电容电流检 测方法，并结合课题组的科研项目以工控机为平台，设计了基于直流偏磁式消弧线 圈的消弧控制器。 论文取得了多项研究成果，具有较强的工程实用性。 关键词：配电网，中性点接地方式，铁磁谐振，消弧线圈 a b s t r a c t n e u t r a lp o i n tt r e a t m e n t si sr e l a t e dw i t hs e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m yi n d i s t r i b u t i o ns y s t e md i r e c t l y t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h r e em a j o rn e u t r a lp o i n t t r e a t m e n t s a c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o b l e m s ，t h i sp a p e rb r i n g sh o wt o s e l e c ti nt e r m so fr e a l i t yo fd i s t r i b u t i o n i nt h ei s o l a t e dn e u t r a l s y s t e m ，v o l t a g e t r a n s f o r m e rf e r r o r e s s o n a n c ea n d f u s e - - b l o w - - o u ti sas e v e r ep r o b l e mw h i c ho b s e s s e so p e r a t o r t h i sp a p e rs t u d i e st h e i rt r u e r e a s o no nb a s eo ft h e o r e t i ca n a l y s i s i tb r i n g sp r a c t i c a b l ep r o g r a m m ew h i c hh a so p e r a t e d f i e l ds e r v i c e i nt h er e s o n a n te a r t h e dn e u t r a ls y s t e m ，t h i sp a p e rb r i n g sn e wc a p a c i t a n c ec u r r e n t d e t e c t i o nb a s eo ne l e c t r i cn e t w o r kp a r a m e t e r , w h i c hi s a g a i n s t t h ed i f f i c u l t yi n e x t i n c t i o no fa r cc o n t r o l l i n g a n di td e s i g n sm a g n e t i cb i a s i n ga r c - s u p p r e s s i o nc o n t r o l l e r b a s eo ni n d u s t r i a lc o m p u t e r t h e p a p e rh a so b t a i n e daf e wa c h i e v e m e n t sa n di th a su t i l i t yi np r o j e c t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o n s y s t e m ，n e u t r a lp o i n tt r e a t m e n t ，f e r r o r e s s o n a n c e ， a r c s u p p r e s s l o nc 0 1 华j 匕电力人学硕七学位论文 声明尸明 本入郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电霹消弧及铁磁谐振监测与控制技 术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取雩罨的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名：到盐 e l 期：量望2 蒸生王嚣 1 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华= l 艺电力大学有关保熬、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体主发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日 期：星皇2 芷塾3 耳| 1 困 日期： 华北电力人学硕士学位论文 1 1 配电网发展概述 第一章绪论 现代电力系统是一个超大规模的系统，通常把它分成三个子系统：发电系统、 输电系统和配电系统。其中作为发电系统的大型发电厂往往远离负荷中心，发电厂 发出的电能一般要通过输电系统的高压或超高压输电网络送到负荷中心，然后在负 荷中心由电压等级低的网络把电能分配到不同电压等级的用户，配电系统就是这种 在电力网中主要起分配电能作用的网络。配电网主要供给一个地区的用电，因而又 称为地方电力网。【i j 配电网相对于区域电力网络来说，它的电压等级和供电范围均要小一些，在整 个电网中处于末端，是连接发电系统、输电系统和用户的中间环节。它包括配电变 电站、一次配电线路、配电变压器、二次配电线路等。它在结构上最大的特点是作 为电力网的未端而直接和用户相连，能敏锐地反映着用户在安全、优质、经济等方 面的要求。一旦配电网设备发生故障或进行检修试验就会同时造成系统对用户供电 的中断，配电网的可靠性实际上是整个电力系统结构及运行特性的集中反映。据不 完全统计，用户停电故障中8 0 以上是由电力系统中配电环节的故障引起的，也就 是说配电网对用户供电可靠性的影响最大，且配电设备数量大、分布面广，对系统 投资和停电损失的影响不容忽视。【2 】 目前配电网在各国、各地区电力系统中都有稳定的发展，尽管由于历史及技术 原因各国、各地区其运行要求及发展方向都有所不同，但都可归结为以下几点： ( 1 ) 一次设备技术性能、可靠性高，不检修周期长。 ( 2 ) 利用先进的电子技术，对设备进行自动化控制，以实现机电一体化。 ( 3 ) 一次与二次控制设备相结合，以提高配电网供电可靠性。 ( 4 ) 快速故障定位，采用智能化设备，对故障线路自行判断和隔离，以最快、 最简单的方式恢复正常供电。 ( 5 ) 加强配电设备数据库管理和负荷管理，在调度中心对负荷潮流进行控制 和调配。 ( 6 ) 利用计算机网络技术，加强电力企业各部门之间的信息共享，由配电自 动化( d a ) 发展为配电管理自动化系统( d m s ) 。p j 我国配电网按传统观念分为城网和农网。城网的短路容量大，在2 0 0 3 0 0 m v a 左右，供电负荷相对集中，供电环境比较好；而农网短路容量较小，一般在 1 0 0 2 0 0 m v a ，供电范围大，线路路境较差，威胁供电安全的不利因素较多。 近1 0 年来，我国各地普遍重视起配电网的发展和改造工作，有目标地投入了 第一章绪论 大量资会和人力，配电网建设成绩显著。随着电力系统的发展及“城乡电网改造 的进行，配电网络迅速扩大，配电网技术有了长足的进步，彻底扭转了“重发、轻 供、不管用”的旧观念。配电网的建设、管理和技术发展越来越受到重视，配电网 新设备、新技术的应用，对网络建设、技术管理提升到了一个前所未有的高度。这 对满足r 益扩大的城乡人民生产、生活用电的需求，促进社会进步起了很大的作用。 我国配电网近年来的发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在城乡配电网的发展建设上，完善了变电站的布局和配电线路的建设， 使电源和线路分布更趋于合理。在城市电网发展了环网供电，对重要用户建设了双 回路保证了供电的可靠性和灵活性。对农村电网，国家投巨资增加了变电站，完善 了配电线路、配电设备，大大提高了通电率，满足了城乡人民的生产、生活用电需 要。 ( 2 ) 对配电网中性点接地进行了广泛的研究和整改，使之更适应于配电网的 发展。 ( 3 ) 应用先进的配电设备和技术。在“城乡电网改造 中，配电设备向无忧 化、免维护、小型化和紧凑型方面发展。新技术、新设备在配电网中广泛应用，对 提高配电网运行的可靠性和灵活性方面起了较大的作用。 ( 4 ) 配电网的降损节能有了长足的进步。随着高能耗变压器的改造、节能产 品的应用，以及对不合理的网络结构的治理、整改和无功优化、自动无功跟随器补 偿装置的采用，较大地降低了配电网的损耗，提高了经济效益。 ( 5 ) 加强对供电设备的运行维护和技术管理，使电能质量有了较大的提高。【4 】 作为直接面向用户，将电能输送给负荷的我国配电网，其运行的根本要求是供 电的安全性、可靠性与经济性，而这一点是与系统的中性点接地方式息息相关的， 也正是上述五个方面中的第二项研究发展内容。 配电网中的电源、变压器等，一般都是三相的，或星接或角接，都存在着一个 电气中性点。中性点与大地间电气连接的方式，称为电网中性点接地方式，也可称 为电网中性点运行方式。 自2 0 世纪末我国开始对配电网中性点接地方式进行研究，把中性点接地方式 与我国的国情结合起来进行全方位的深入研究。 1 2 配电网中性点运行方式概述 配电网中性点运行方式一直是配电网研究中的一个重要内容，中性点接地方式 及其接地技术是一个涉及配电网安全经济的综合系统工程问题。十多年来，随着电 力工业的快速发展，我国城乡电网不断推进建设与改造，系统中性点接地技术和各 种不同形式的接地方式也在实践中得到了改进和完善，但是伴随着电网规模的扩大 2 华北电力人学硕十学位论文 和运行规模的某些不利变化，每年仍发生大量的瞬时性或断续的单相接地故障，配 电网由于绝缘损坏、弧光接地或绝缘导线雷击断线故障引起的过电压、熔丝熔断现 象也经常发生，影响系统绝缘寿命和供电可靠性。这类问题在大型工矿企业的配电 网也普遍存在。接地方式的选择对电网供电的可靠性及安全性至关重要。【5 】 配电网的中性点接地方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性 点经低阻接地三种，其中前两种属于非有效接地方式，低阻接地属于有效接地。【6 j 电网正常运行时，并不对中性点的接地方式做出任何反应。而当电网发生异常 情况，特别是发生单相接地故障时，在故障相与非故障相上出现的异常电流、电压 将因中性点的接地方式不同而不同。1 7 j 目前，我国中压电网中城市工矿企业送配电网络的中性点，多采用不接地或经 消弧线圈接地，近1 0 年来在城网和少数的工矿企业送配电网络中也采用了电阻接 地。采用非有效接地方式的系统，当系统中的一相与地之间有任何接触都不会使负 荷立即停电，这是一个无可争议的优点。当然这个优点的重要意义随着城网及工矿 企业的类型的不同而有所不同，不同的中性点接地方式与网络中的各类电气设备的 安全与否密切相关。【6 j 1 2 1 中性点不接地系统 中性点不接地系统，当系统发生单相接地故障时，其系统的相地间短路是通过 相关导体的对地电容形成通道，总电流值等于非故障线路导体对地电容电流的总 和，流过故障点的电流为线路的电容性电流。在规模不大的架空线路网架结构中， 这个值相当小，对用户的供电影响不大，也允许继续运行一段时间。【4 】 在系统发生单相短路时，故障点流过的故障电流为： i c = 3 c o c u 一 ( 1 一1 ) 其中国= 2 n f ，为电网运行频率，c 为每相对地电容，为相电压。 从上式可以看出，在系统容量不大时，对地电容c 很小，故障点不会产生大的 短路电流。 因此，中性点不接地系统有以下两个优点： 1 单相接地故障电流很小，仅与非故障相形成电容电流，大小决定于线路长 度。 2 能及时发现故障，利于选线。 我国早期的城市配电网以及现在的农村电网广泛采取中性点不接地的运行方 式，主要原因就是基于不接地系统所具备的上述优点，其可带故障运行一段时间的 特点对提高我国不发达时期配电网的可靠性起到积极的作用。 但是，中性点不接地系统也有其特有的运行问题。 1 第一章绪论 第一，铁磁谐振及电压互感器高压保险熔断现象。铁磁谐振及电压互感器高压 保险熔断现象是中性点不接地系统的中一个非常普遍的现象。这个问题一直困扰着 现场运行人员，对电力部门的生产运行有很大影响，尤其在气候恶劣的情况下，更 为严重。发生铁磁谐振时会产生过电压或过电流，过电压对电气设备的绝缘构成威 胁，过电流可能引发p t 爆炸；而p t 高压保险的熔断，则直接影响系统的计量、保 护等工作。所以，铁磁谐振及p t 爆保险现象，既影响系统的安全运行，又给系统 带来经济损失。 数十年来国内外的专家学者对铁磁谐振进行了大量的研究，包括理论分析、各 种试验以及逐步利用计算机进行仿真等从各个不同角度解释p t 铁磁谐振的现象及 其变化规律，并提出一系列抑制铁磁谐振的措施，研制相应的装置，在系统运行中 也取得了一定的效果。但现场运行的结果表明，这些措施都没能从根本上解决问题， 都有一定的局限，普遍的都是在发生铁磁谐振现象后的一种补救性措施。【4 】 第二，随着线路长度的不断增长，电容电流也在增大，带故障长时1 8 j 运行存在 使故障扩大成两点或多点故障的可能，会造成长时间停电的严重后果。而且，当接 地电流超过一定值时，容易产生弧光接地过电压，损坏设备，使系统的安全性受到 很大的影响，对系统绝缘水平要求更高。 中性点不接地系统弧光过电压的产生分两种情况，一种是系统对地电容电流小 于系统的熄弧临界值，此时接地电流由于能在电流过零时可靠熄灭，不形成间歇性 的接地电弧，也就不容易产生弧光接地过电压；另一种情况是系统电容电流大于系 统的熄弧临界值，此时接地电弧在电流过零时短暂熄灭，在峰值附近重燃，形成时 断时续的间歇性电弧。由于系统是由电感、电容和电阻等元件组成的网络，电弧间 歇性的熄灭与重燃会导致网络强烈的电磁振荡，产生严重的过渡过程过电压，且过 电压持续时间长，遍及全网，会使系统中绝缘弱点发生击穿，此时过电压的幅值可 高达3 5 玑，因而弧光接地过电压会对系统构成较大的危害。【6 】 1 2 2 中性点经消弧线圈接地系统 中性点经消弧线圈接地方式，也称为谐振接地方式。对中性点经过消弧线圈接 地系统，其感抗值与输电线路的对地电容的容抗值一般设置成相等或差值很小，线 路对地间的分布电容电流由消弧线圈产生的电感电流来补偿，从而使电弧很小或熄 灭。【6 1 中性点装设消弧线圈的目的，一个是为了自动消除电网的瞬间单相接地故障， 尽量减少弧光接地过电压；另一个是当系统发生永久性( 金属) 单相接地故障时， 可以使电网在一定时间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线路。 这样，中性点采用谐振接地方式的电网便具有很高的运行可靠性。 4 华北电力人学硕士学位论文 消弧线圈能使单相接地电弧自熄灭，是基于以下两个原因，一是消弧线圈的电 感电流补偿了电网的接地电容电流，限制了接地故障电流的破坏作用，使残余电流 的接地电弧易于熄灭；二是当残流过零熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度 及其幅值，避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭。【5 】 如果单纯从熄灭故障点电弧的角度考虑，消弧线圈在谐振点状态下运行最为有 利，既消弧线圈的电感等于线路对地电容。但现实问题是，对于实际运行中电网， 特别是中压电网，线路导线的换位情况欠佳，电网的三相对地电容互不相等，因此 中性点对地必然存在一定数值的残余电压，当消弧线圈投入运行后，电网的三相对 地电容与消弧线圈的电感便会构成串联谐振回路。如果消弧线圈恰好在谐振点运 行，此时便会出现电压谐振问题，使电网中性点发生显著位移，严重破坏电压的对 称平衡，若长期运行，易损害电气设备，酿成事故。这是消弧线圈接地系统一个最 直接的问题。 此外，系统中偶然的接地故障不可避免，而是否引起电气设备的故障或火灾， 则直接与通过接地点的故障电流的大小有关。【7 】 可见，出于系统故障时的消弧效果考虑，消弧线圈应工作在谐振点上；而出于 系统正常运行时的安全考虑，消弧线圈应工作在远离谐振点处。另外，可靠、有效 地熄弧，前提是快速、准确地系统接地电容电流检测；而谐振接地在提高了系统安 全、可靠性的同时，使故障选线又变得更加困难。这些相互矛盾的问题，需要优异 的消弧控制技术去解决。 近年来国内对自动跟踪补偿消弧装置在配电网中的运行，进行了大量的研究， 在配电网中得到大量采用，并逐步完善。自动跟踪消弧线圈接地方式，可以自动清 除大部分架空线路的接地故障，对发生在该系统内的瞬间故障，也能作记忆、跟踪， 对促进配电网的技术进步、过电压治理、提高配电网供电可靠性方面发挥了重要的 作用。f 6 】 但是，目前国内应用的各种消弧控制技术，在接地电容电流检测及消弧控制方 法上都存在一定的缺陷。 1 2 3 中性点经低阻接地 中性点经低阻接地系统，在发生单相接地时，通常保护装置动作并立即跳闸， 同时由于故障线路的接地电流较大，使得故障选线可以很方便的实施。这种接地方 式可以有效地降低单相接地时非故障相的过电压，消除弧光接地过电压和一些谐振 过电压，对以电缆为主的系统可以选择较低的绝缘水平，以利于节约投资；并能采 用零序电流保护迅速选择故障线路，瞬时跳闸切除故障点，避免使单相接地故障发 展为相间故障。但其供电可靠性需另行考虑措施来保障，且接地阻值的选择要配合 5 第一章绪论 继电保护来整定。目前，我国在少数城网和企业中采用了低阻接地系统【“1 0 】 其他中性点接地运行方式，在中压电网中很少采用。 综上所述，中性点不接地和经消弧线圈接地系统，单相接地故障电流小、有利 于故障自恢复、电磁兼容性好，但过电压水平高，接地故障检测困难。中性点经低 阻接地有利于限制过电压水平，接地故障易于检测，但电阻值较小时故障电流较大， 对电磁兼容性和人身设备安全应给予重视。 将三种接地方式的运行特点进行对比，如表l ： 表1 三种中性点接地方式的运行特点 t a b l e1t h eo p e r a t i o n a lf e a t u r e so ft h r e en e u t r a lp o i n tt r e a t m e n t 接地方式不接地消弧线圈低阻 单相接地l u 流很小最小1 0 0 1 0 0 0 a 非故障相电压最高为旭国( o 8 压) 乩 弧光接地过电乐 ( 压3 5 ) 2 5 乩以下2 8 u d 以下 操作过电压 ( 4 - - 4 5 ) 虬不大于4 ( 暂无数据) 第一次故障跳闸不跳闸不跳闸跳闸 重复故障可能性大小 较小 人身安全差尚可好 多点故障经常经常很少 故障损欠小小 中等 继电保护配合困难差好 运行维护 简单复杂相对简单 连续供电较好最好差 综合费用 最低中等 亡广 间 1 3 本论文工作 本论文围绕着与中压配电网运行性能息息相关的中性点运行方式及常用中性 点运行方式中存在的技术问题，展开了论文工作： 首先深入分析了配电网各种接地方式的运行特性，对配电网中性点不接地、经 消弧线圈接地及经低阻接地系统做了详细分析和比较，在线路故障、保护和过电压 方面进行了深入的探讨，并结合我国的具体情况对配电网中性点运行方式的选择提 出了自己的观点。 其次，我国配电网普遍采用及正在推广的中性点接地运行方式为中性点不接地 和中性点经消弧线圈接地。本文对中性点不接地系统中长期困扰现场运行人员的铁 华北【乜力人学硕 学位论文 磁谐振相关问题，进行了深入分析，在此基础上提出了相应的解决方案，完成了方 案的设计计算并投入现场应用，取得了理想的效果。 本人作为主研的“铁磁谐振谐振及电压互感器高压保险熔断问题的研究”通 过了中国电机工程学会的科技成果鉴定，鉴定结论为：国际先进。同时，研究成 果提出一项发明申请及实用新型专利申请，并获得华北电力大学年度科技成果一 等奖，现已申报中国电机工程学会科学技术奖。 第三，在深入研究分析的基础上，针对中性点经消弧线圈接地系统中影响消 弧控制效果的接地电容电流检测这一技术难点，提出了新的基于电网自然参数的 注入信号法系统接地电容电流检测新方法，这种检测方法是以电网本身的对地电 容和消弧线圈电感参数为基础，不受其他因素影响，检测精度高；并结合课题组 的科研项目设计了基于直流偏磁式消弧线圈的消弧控制器。 第二二章中性点运行方式分析 第二章中性点运行方式分析 三相交流配电网的中性点在正常运行情况下接近大地电位，一般可认为是地电 位( 零电位) ，这个中性点电位是不固定的【l 。例如中性点不接地的电网，当三相 对地电容不对称时，在正常运行情况下电网中性点不是零电位。这时出现的中性点 与大地电位差称为不对称电压。当三相中的任何一相发生接地时，中性点电位将产 生位移，与大地之间出现较大的电位差，这个电位差称为位移电压。人们利用这一 现象，将中性点通过不同方式与大地相连接，以便达到电网建设投资少、运行可靠 性高的目的。【1 2 】 在电力系统发展的初期，一般是以中性点不接地方式运行的，因为中性点和地 连接起来对于正常的电力传输并无作用，而不接地系统可带故障运行的优点使其被 广泛采用，如雷击等造成的瞬时故障也可以自行恢复。但是随着线路长度的增加和 电力系统标称电压的提高，故障电流逐渐增大，电弧接地故障难以自行消除，存在 发展成为两相故障的可能性。到1 9 l o 1 9 2 0 年间，为了解决这个问题，选择了两 条不同的途径：一种是中性点改为经消弧线圈接地方式，通过减少故障点电流，降 低建弧率；另一种是采用中性点直接接地或低阻接地方式，发生接地故障时，继电 保护装置及时动作，断路器快速将故障切除。 不同的中性点接地方式对电网的绝缘水平、过电压保护元件选择、继电保护方 式等会产生不同的影响。所以，电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问 题，它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电 保护、电磁环境及接地装置等问题有密切的关系。【1 3 】 2 1 中性点接地方式的划分及特点 2 1 1 中性点接地方式的划分 中性点接地方式的划分，主要有两种类型：其一是按中性点与地之间连接元件 的类型，分为中性点直接接地，中性点不接地，中性点经电阻接地，中性点经电抗 接地( 既谐振接地) ；其二是按照系统接地电流( 或等效零序阻抗) 的大小，分为 中性点有效接地( 大电流接地) 系统，中性点非有效接地( 小电流接地) 系统。 国内外电力系统中性点接地方式的划分各有特点。例如，美国与加拿大根据自 己的国情规定，单相接地短路电流值处在三相短路电流的0 , - - , 2 5 范围内，为小电 流接地系统；在2 5 - - - 1 0 0 范围内，为大电流接地系统；而接地电流大于1 0 0 并 小于1 5 0 时，为非常大电流接地系统。但是在实际应用中，这样的划分存在一些 问题。因为例如在中压范围内，我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式， 华北电力人学硕+ 学位论文 其单相故障接地电流能够自行熄灭，是一个突出的特点，这应当是进行小电流接地 系统范围界定的必要与充分条件。而像美国、加拿大的划分方法，势必有一部分单 相故障接地电弧不能自行熄灭的系统也被划分在小电流接地系统之中了。显然，这 种划分方法是不大合理的。1 6 1 电力系统一般根据单相接地故障时接地电弧是否能够自行熄灭将中性点接地 方式分为大电流和小电流接地方式两大类，采用大电流接地方式的系统称之为大电 流接地系统，采用小电流接地方式的系统称之为小电流接地系统。 电力系统中性点与地的连接方式虽有多种表现形式，但根据上述原则，较普遍 的采用如下划分方式：凡是需要断路器遮断单相接地故障的，属于大电流接地方式； 凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭的，属于小电流接地方式。 在大电流接地方式中，主要有中性点有效接地方式；中性点全接地方式，即非 常有效接地方式。此外，还有中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。 在小电流接地方式中，主要有中性点不接地方式；中性点经消弧线圈接地方式 ( 谐振接地方式) ；中性点经高电阻接地方式。【1 4 】 2 1 2 中性点接地方式的特点 不同的电力系统中性点接地方式，有不同的运行特点。 大电流接地系统的特点主要有以下三点： ( 1 ) 当发生单相接地故障时，由于采用中性点有效接地方式存在短路回路， 所以接地相电流很大。 ( 2 ) 为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相，因而供电可靠性低。 ( 3 ) 由于故障时不会发生非接地相对地电压升高的问题，对于系统的绝缘性 能要求也相应降低。 小电流接地系统的特点主要有： ( 1 ) 由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故障点不会产生 大的短路电流。因此，允许系统短时间带故障运行。 ( 2 ) 此系统对于减少用户停电时间提高供电可靠性非常有意义。 ( 3 ) 当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，容易引发各种过 电压，危及系统绝缘，严重时会导致单相瞬时性接地故障发展成为单相永久接地故 障或两相故障。 中性点不接地方式，结构简单，投资少，运行方便，不需任何附加设备，在我 国普遍使用于农村1 0 k v 架空线路供电网络。该接地方式在运行中，若发生单相接 地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电流，其值较小，不采用特殊设施。 只是需装设绝缘监察装置，以便及时发现单相接地故障，迅速处理，避免故障发展 9 第一二章中性点运行方式分析 为两相短路，而造成停电事故。若是瞬时故障，一般能自动消弧，非故障相电压升 高不大，不会破坏系统的对称性，规程规定可带故障连续供电两小时，从而获得排 除故障时间，相对提高了供电可靠性。 采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线 圈，在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补 偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时， 按规程规定电网可带单相接地故障运行两小时。对于中压电网，因接地电流得到补 偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可 靠性，大大高于中性点不接地方式。 中性点经低阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与 系统对地电容构成并联西】路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振 的阻尼元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。在中性 点经低阻接地方式中，一般选择电阻的阻值较小，在系统单相接地时，控制流过接 地点的电流在5 0 0 a 左右，也有的控制在l o o a 左右，通过流过接地点的电流来启 动零序保护动作，切除故障线路。 2 2 中性点不接地方式分析 2 2 1 中性点不接地方式 中性点不接地是我国早期城市配电网以及现在乡镇农村配电网中性点的主要 运行方式。中性点不接地系统实现很简单，在电源中性点处不附加任何装置。国际 上有些文献将这样的接地方式称为中性点对地绝缘，这种说法容易使人误解为中性 点的零序阻抗是无限大。而通常所讲的中性点不接地，实际上是经过集中于变压器 中性点的等值电容( 绝缘状态欠佳时还有泄露电阻) 接地的，其零序阻抗多为一有 限值，而不一定是常数。如在工频零序电压作用下，零序阻抗可能呈现较大的数值， 因此零序电流数值较小；而在三次或更高次谐波的零序电压作用下，零序容抗锐减， 高次谐波电流骤增，有时甚至在正常运行情况下引起通信干扰。显然，如果用中性 点绝缘的概念对这一现象就解释不通了，而必须用中性点经容抗接地这一概念来说 明。所以，中性点不接地这一概念在实际意义上并不等同于中性点绝缘。 中性点不接地系统最主要、最显著的一个优点就是在发生单相接地故障后，三 相之间的线电压仍可保持平衡，可持续供电一段时间，从而极大地提高了网架结构 不够坚强的网络的供电可靠性。除此之外，其它优点还包括，流过故障点的电流为 线路的电容性电流，这个值非常小，大小仅决定于线路的长度，在这种情况下，如 华北电力大学硕士学位论文 雷击绝缘闪络瞬时故障可自动消除，无需跳闸；接地电流小，降低了地电位升高， 减小了跨步电压和接触电压，减小了对信息系统的干扰，减小了对低压网的反击等， 并且节省了接地设备，接地系统投资少。 中性点不接地系统主要有两个缺点：与中性点低阻接地系统相比，产生的过电 压高( 弧光过电压和铁磁谐振过电压等) ，对弱绝缘击穿概率大；在间歇性电弧接 地故障时产生的高频振荡电流大，达数百安培，可能引发相间短路等。同时，随着 线路长度的不断增长，电容电流也在增大，带故障长时间运行存在使故障扩大成两 点或多点故障的可能。 2 2 2 单相接地故障电流 上面已经说明过，在中性点不接地系统中，实际上是经过集中于变压器中性点 的等值电容接地，其零序阻抗为一有限值，从而给单相接地故障电流提供通路。对 于不接地系统，这个故障电流很小，通常只有几十安培，远小于正常的负荷电流， 一般不会对线路、电缆或其他设备造成破坏。根据戴维南定理，中性点不接地系统 可以简化为图2 1 所示， i j d 图2 - 1 单相接地故障等值电路 f i g 2 1e q u i v a l e n c ec i r c u i to fs i n g l e p h a s ee a r t h i n gf a u l t 其中节点0 表示变压器的中性点，线路阻抗比线路对地电容3 c o 小得多，故忽 略不计，由图2 1 可得： j a = u 工# 2 溉6 ， ) 4 3 j c o c o u o - 3 石| ( j ) = 高6 妒 2 ， 式中，匕一一单相接地电流，a 。 缈一一电源角频率，r a d s ； c o 相对地电容，f ； 第二章中性点运行方式分析 玑故障前的相电压，v ； 心一一故障点的接地电阻，q ； 玑一一中性点电压，v 。 当系统发生单相金属接地时，r d = 0 ，则有： i j d = 3 j c o c o u ，u o = 一u 一 ( 2 - 3 ) 由以上两式可知，当不接地系统中发生单相金属接地时，短路电流大小仅由线 路对地电容决定，同时中性点电压上升到相电压。 2 2 3 工频过电压分析 在电力系统中，由于内部或外部的原因，使电压突然升高，超过或远远超过电 气设备的运行额定电压，即称为过电压。按照所形成的原因，可以分为内部过电压 和外部过电压；内部过电压包括工频过电压、操作过电压和谐振过电压，外部过电 压即雷电过电压。 由图2 2 可以看出，在系统发生单相接地故障时，故障相的电压为零，非故障 相的电压上升到原来的3 倍，此时三相对地的电压是不对称的，但是三相之间的 线电压仍然保持对称，对三相负荷没有影响，所以，这种过电压不需要采取特殊措 施进行防护。 e a u c ( a ) 正常时( b ) 故障时 ( a ) n o r m a lstate(b)fault s t a t e 图2 2 对称网络电压相量图 f i g 2 - 2v o l t a g ep h a s o rd i a g r a mo fs y m m e t r i c a ln e t w o r k u b 华北i h 力人学硕十学位论文 2 2 4 间歇电弧过电压 中性点不接地系统电弧过电压的产生分两种情况，一种是系统对地电容电流小 于系统的熄弧临界值，此时接地电流由于能在电流过零时可靠熄灭，不形成间歇性 的接地电弧，也就不容易产生弧光接地过电压；另一种情况是系统电容电流大于系 统的熄弧临界值，此时接地电弧在电流过零时短暂熄灭，在峰值附近重燃，形成时 断时续的间歇性电弧。由于系统是由电感、电容和电阻等元件组成的网络，电弧间 歇性的熄灭与重燃会导致网络强烈的电磁振荡，产生严重的过渡过程过电压，且过 电压持续时间长，遍及全网，会使系统中绝缘弱点发生击穿，此时过电压的幅值可 达3 5 u 。，因而弧光接地过电压会对系统构成较大的危害。 显然，相对于工频过电压，间歇性电弧产生的过电压对系统的危害是最大的。 中性点不接地系统中，瞬时接地故障产生的接地电弧一般都是可以自行熄灭的。间 歇电弧是熄弧后电弧的再次重燃。而熄弧后是否会重燃，主要取决于电弧间隙抗电 强度恢复速度与间隙两端电压恢复速度。 间歇电弧接地过电压形成的原因是熄弧时电网对地电容中电荷受到累积，因而 电网中性点出现位移电压，位移电压和过电压的大小随熄弧和重燃的时刻不同而 异。间歇电弧的产生过程是极其复杂的，理论分析也只是对这种极其复杂但具有统 计性的接地电弧进行理想化后的解释。长期以来，对间歇电弧过电压危害的理论分 析主要基于高频理论、工频熄弧理论，以及电弧间隙绝缘恢复速度和电压恢复速度 的相对关系理论。根据这三种理论分析，在发生间歇电弧过电压时，正常相最大过 电压至少为3 1 u 。，故障相最大过电压为2 u 。，中性点最大过电压为u 。，其中u 。为 电源电动势幅值。可见，间歇电弧过电压可以达到相当大的数值，这对系统的危害 是显而易见的。 影响间歇电弧的主要因素有相间电容的大小、电网的损耗电阻和电网的泄露电 阻等。特别是电网相间电容的存在，以及为提高功率因数而装设的电容器组，将会 使间歇电弧过电压的最大值减小。这是因为，在电弧熄灭的瞬间，电网储存的电荷 不仅要在电网对地电容上分配，而且要在相间电容上分配，电网对地直流电压数值 就减小，从而使过电压的幅值降低。 限制间歇电弧危害的措施除了人为地增大相间电容以外，更有效的手段就是改 变中性点的接地方式。这说明间歇性电弧过电压是中性点不接地系统中一个主要的 危害，是这种接地方式的一个弊端。另外，铁磁谐振产生的过电压也是中性点不接 地系统一个特有的不足，将在后一章作详细分析。 第一二章中性点运行方式分析 2 3 中性点经消弧线圈接地方式 在中性点不接地系统中，已经讨论过，其可自动熄灭电弧的优势逐渐丧失是因 为系统规模扩大引起电容电流的增大并且超过一定值，这时接地电弧就不再能够可 靠地自行熄灭，增大发生两相故障的可能性，也会产生间歇接地过电压。 如能在故障时，自动在故障点接入一个电感性电流，则能使电感电流和电容电 流因为相位相反而自行抵消，合成电流为零或者变得很小，然后自行熄灭电弧。产 生这个电感性电流的电压就是故障发生时在电网中性点上出现的位移电压。故障点 电容电流超前电网中性点位移电压9 0 。，此时若在中性点上接上一个电感线圈，通 过电感线圈的电流，经大地由故障点流回中性点。在故障点，与电容电流，r 汇合， 其相量和接近于零，即可达到消弧的目的，使电网迅速恢复正常。这就是消弧线圈 提出的初衷，在1 9 1 6 年由德国工程师p e t e r s e n ( w p e t e r s e n ) 首先提出并应用的， 因此消弧线圈也被称为p e t e r s e n 线圈( p e t e r s e nc o i l ) 。 实际中使用的传统消弧线圈一般采用一个带有若干气隙的铁芯，气隙的目的是 使铁芯的励磁特性不易饱和，在工作段上呈现直线状。线圈绕在铁芯外面，带有若 干个分接头，可以在无电的情况下切换。根据电网的大小、线路的多少，对应不同 的电容电流，按照运行需要，调节消弧线圈适应不同的运行状况。 中性点经消弧线圈接地系统，也称为谐振接地系统。谐振接地的目的，主要是 为了自动消除电网的瞬间单相接地故障。当发生永久性接地故障时，也可以使电网 在一定时间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线路，使系统有更 高的供电可靠性。 消弧线圈在谐振系统中的主要作用，主要有以下两方面： ( 1 ) 消弧线圈的电感补偿了电网的接地电容电流，限制了接地故障电流的破 坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭。 ( 2 ) 当残流过零熄弧后，能够降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免 接地电弧的重燃并使之彻底熄灭。 通过以上两点可以看出，消弧线圈是在不接地系统已经不能满足安全、可靠运 行的趋势下，从减小接地电流和降低故障相电压恢复的初速度两方面，来弥补不接 地系统的不足，从而提高系统的安全性和可靠性。 2 3 1 补偿方式 补偿电网的电流谐振等值回路如图2 3 所示，其中r 为补偿电网的等值全损耗 电阻，三为消弧线圈的调谐电感，c 为电网三相的对地电容。 华北电力大学硕+ 学位论文 s 图2 3 补偿电网的电流谐振等值回路 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fc u r r e n tr e s o n a n c ei nr e s o n a n te a r t h e dn e u t r a ls y s t e m 根据等值回路，可以求出残余电流的大小和方向，残余电流用，占表示， j6 = c o c u o + u _ 眦_ l 。_ i r 七j 心c - - i l ) = ，c p + i v ) ( 2 4 ) 式中，砜为中性点位移电压，前面已经讨论过，在发生单相接地故障时， u o = 乩，单位：k v ；i 矗为残流中的有功分量，i r = u 。r ，单位：a ；l 为消弧 线圈的补偿电流，1 ，= u o 础，单位：a ；d 为补偿电网的阻尼率，d = i r i c ；，为 补偿电网或消弧线圈的脱谐度，= ( ，f 一1 。) i c ；而1 ，= l k ，k 为补偿电网或消弧 线圈的合谐度。 其中脱谐度1 ，即为残流，占中的无功分量( ，f 一，。) 与补偿电网的电容电流k 之 比，其符号的正负和数值的大小，表示电流谐振等值回路的不同工作状态和偏离谐 振的程度。根据脱谐度1 ，将补偿划分为三种类型： ( 1 ) 全补偿( v = 0 ) 。当电流谐振回路恰好在谐振点工作时，因1 ，= 0 ，c = i p 此时，电容电流与电感电流大小相等，方向相反，彼此完全抵消，故i 占= i r ，残 流中仅含有功分量，不仅值最小，且其相位与零序性质的中性点位移电压砜同相。 ( 2 ) 欠补偿( 1 ， 0 ) 。当电流谐振回路在欠补偿状态下工作时，因， 0 ，i c i 此时，厶中不仅含有有功分量，同时含有容性无功电流分量，其值较大，同时l 的 相位超前于“。 ( 3 ) 过补偿( ， 0 ) 。当电流谐振回路在过补偿状态下工作时，因v 0 ，i c i ， 此时，占中主要为感性无功电流分量，其值同样较大，且其相位滞后于。 由以上分析可知，脱谐度1 ，的绝对值越大，回路的工作状态距离谐振点或偏离 谐振状态越远；反之，若1 ，的绝对值越小，回路的工作状态距离谐振点或离谐振越 近；脱谐度v 为零时，回路恰好工作在谐振点。同时，v 值为正时，残流呈现容性； 1 5 第二章中性点运行方式分析 v 值为负时，残流呈现感性；v 值为零时，残流为纯阻性。而阻性、感性和容性电 弧电流的熄弧情况并不相同，现分析如下： ( 1 ) 有功电流的熄弧，相当于图2 3 中只有尺存在时断开隔离开关s 的情况， 有功电流，詹与电源电压砜同相。当电流过零熄灭后，恢复电压与电源电压相同， 此时恢复电压的初速度一般为( 0 1 o 2 ) k v 筇，数值较低，电弧一般难以重燃。 ( 2 ) 电感电流的熄弧，相当于图2 3 中只有存在时断开s 的情况，电源电压 砜的相位超前电感电流，9 0 。当电流过零电弧熄灭后，电感三的振荡频率可以很 高，它叠加在电源电压的正弦波上面，一般恢复电压的初速度可达到( 1 2 ) k v 闺， 数值较高，电弧容易重燃。 ( 3 ) 电容电流的熄弧，相当于图2 3 中只有c 存在时断丌s 的情况，电源电压 砜的相位滞后电感电流，9 0 。当电流过零熄灭后，电容上保持有等于电源幅值 的电压，此时恢复电压的波形近似于余弦曲线，恢复电压的初速度不大于0 1 k v i s ， 数值较低，不易重燃。 比较以上三种情况可知，在欠补偿情况下的容性残流熄弧最为容易，过补偿情 况下的感性残流熄弧最为困难，而且距离谐振越远，两者之间的差别越明显。虽然 欠补偿状态下的熄弧更为有利，且电弧接地过电压略低，但是由于在欠补偿状态下 发生断线故障一般比较危险，而且欠补偿状态还会在切除故障线路造成0 被人为减 小时，谐振点移动到敏感的全补偿谐振点，造成严重的谐振过电压事故。所以，补 偿电网中的消弧线圈通常在过补偿状态下运行。 2 2 2 降低恢复电压上升速度暂态分析 消弧线圈在系统中的优越性除了补偿容性的接地电流以外，就是降低故障相电 压的恢复速度及其幅值，从而使电弧彻底地熄灭。消弧线圈在消弧过后的等值电路 如图2 4 ， s i6 r 图2 - 4 熄弧后电压恢复等值电路 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fv o l t a g er e c o v e r ya f t e re x p u l s i o no f a r c 流过开关s 的电流代表残余电流。当电弧熄灭时，相当于开关s 打开，此时m 、 r 两点之间的电压相当于弧隙的恢复电压。m 点的电压取决于实际电网故障相电压 华北电力大学硕十学位论文 的变化情况。如果熄弧时该相的初始角为伊，电源电压的幅值为u 。，则： “一( f ) = u 。p ( 删+ 矿 ( 2 5 ) 而电感上的电压