（电力系统及其自动化专业论文）配电网高电阻接地方式研究及工程应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ， t h ep r o b l e mo f s i n g l e g r o u n d e df a u l th a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mp e r f e c t l y ， p e o p l eh a st h o u g h to u t1 0 t so f w a y s b u tt h o s ew a y sa r en o ta sw h a tp e o p l ee x p e c t e d 0 nt h e b a s eo ft h i s ，an e wm e t h o d 一一n e u t r a lp o i n tw i t hh i g h r e s i s t a n c e g r o u n d i n gisi n t r o d u c e d f i r s t，w ei n t r o d u c et h ec h a r a c t e r so fa llk i n d sg r o u n d i n g w a y s ：n o n g r o u n d i n g ，c o m p e n s a t e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d n e u t r a lp o i n tw i t hh i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n g t h e ng i v e so u t t h es h o r t c o m i n g sa n da d v a n t a g e so fe a c hw a y s e c o n d ， f o rt h en o n c e n t r ep o i n ts y s t e mw es t u d yt h es t e a d a n dt r a n sie n ts t a t eo ft h ef a u ltc u r r e n t a tt h es a m eti m ew e a n a l y s i st h eh i g h v o l t a g ea f t e rap h a s ef a l1t ot h eg r o u n d f o r t h em e t h o do fn e u t r a l p o i n tw i t hh i g h r e s i s t a n c e g r o u n d i n g ， w ea n a l y s ist h ee f f e c to fr e s is t a n c e w h e nap h a s e f a l1t og r o u n d ，t h ef a u l tc u r r e n ta n dt h et h ev 0 1 t a g eo ft h e c e n t r ei se m p h a s i sa n a l y s i s e d 工nt h i sp a p e rw ea l s oa n a l y s i s p h e n o m e n o no fa r c s u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d i n ga f t e ra d d i n g r e s is t a n c et ot h ec e n t r ea n dw eg i v es o m em e a s u r e st op r e v e n t t h eh i g h v 0 1 t a g eh a p p e n i n g b a s e do nt h ea b o v e ，w ea n a ly sist h ew a yo fo ft h en e u t r a l p o i n tw i t hh i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n g f i r s to fa 1 1 ，w ea n a l y s i s t h ea i ma n dt h ee f f e c to fr e s i s t a n c ec o n n e c t e dt oc e n t r e a l s o w ec o m p a r ei tw i t ht h et w oo t h e rw a y sw eh a v ei n t r o d u c e d ， t h u s w ec o n c l u d et h a ta d d i n gh i g hr e s i s t a n c et ot h ec e n t r ei sag o o d w a yt os o l v et h ep r o b l e m 【k e y w o r d 】 g r o u n d e dm o d e h i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n g n 1111 3 1 n g 上e p n a s eg r o u n q e a 学位论文独创- 陡声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 浆研究成果。尽我掰知，除了文中特别加以振注和致谢的地方终，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中 乍了明确的说踢劳袭示了谢意。 签名： 棼幽细 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中翻科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容裙一致。除在保密麓内的保密论文外，允诲论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分固容a 论文的公布( 包 括刊鼗) 授权东南大学研究生院办理。 签名：鹅签名： i 蜀期： 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 第一章绪论 1 1 国内配电网中性点接地方式的现状 我国1 0 k v 配电网过去一直沿用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，这对以架空线路为主的电 网是有利的，其线路因外力或雷击造成暂时单相接地的机率高，允许带故障继续运行2 小时，可以提 高供电的可靠性。近几年，电网迅速发展，尤其是城市电网、大型发电厂厂用电系统及大型厂矿企 业的用电系统电缆线路急剧增加，接线日趋复杂，因此需根据实际情况因地制宜地采用其他接地方 式，实际上，发生单相接地时，在任何接地电流情况下，中性点不接地电网都可能发生间歇电弧， 从而在全网激发间歇电弧过电压或由弧光接地而产生的谐振过电压，使系统中存在绝缘弱点的设备 绝缘击穿，相间短路，造成严重后果。例如湖北省鄂州供电局泽林变电所( 2 2 0 k v 1 0 k v ) 1 0 k v 系统实 测电容电流仅3 1 8 a 1 9 9 0 年9 月4 日、9 1 年5 月2 2 日先后两次因线路一相接地，引起母线铁磁谐振， p t 损坏，母线短路，电抗器出线瓷瓶损坏，主变差动动作，全站停电。据统计配电网的过电压或绝 缘事故约占电力系统事故的7 0 8 0 许多年以来，我国电力工作者在低压配电网中性点接地方式方 面作了许多有益尝试。 1 2 国内配电网中性点接地方式的分类 随着电力系统的发展，特别是电力电缆的广泛应用使得线路的对地电容电流变的越来越大，当发 生单相接地故障时，流过接地点的电容电流也变的越来越大，影响了电力系统的正常运行因而需要 对电力系统现在的接地方式进行分析，找出其优点和缺点，从而找出一种解决方法 我国电力系统常用的系统接地方式有四种：中性点直接接地，中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地，中性点不接地，中性点经过电阻接地。 我国国家标准电工名词术语中，把上述四种接地方式归结为三类接地系统n 1 ，即中性点有效接 地系统、中性点非有效接地系统和谐振接地系统。中性点直接接地或经低值阻抗接地的系统，称 为有效接地系统；中性点不接地、经高值阻抗接地或谐振接地，称为中性点非有效接地系统；中性 点经消孤线圈( 消弧电抗器) 接地，称为谐振接地系统： l 、中性点有效接地系统 通常该系统的零序阻抗与正序阻抗的比值x o ) ( 1 3 ；零序电阻与正序电阻的比值民) ( 1 1 。该 系统也称为大接电流系统。中性点直接接地是有效接地系统之一。 2 、中性点非有效接地系统 通常该系统的零序电抗与正序电抗的比值x o x 】 3 。零序电阻与正序电抗的比值凡) ( 1 1 。该 系统也称为小接地电流系统。 3 、谐振接地系统 该系统是中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地的系统，其零序阻抗与正序阻抗的比值趋于无 穷大。 4 、电阻接地系统 该系统中至少有一根导线或一点( 通常是变压器或发电机的中性线或中性点) 经过电阻器接地。 高电阻接地的系统设计应符合r 0 x c o 的准则，以限制由于电弧接地故障产生的瞬时过电压。一 般采用接地故障电流小于1 0 a “。r o 是系统等值零序电阻，x c o 是系统每相的对地分布容抗。低电阻 接地系统为获得快速选择性继电保护所需的足够电流，一般采用接地故障电流为1 0 0 一1 0 0 0 a 。对于 一般系统，限制瞬态过电压的准则是r o x o 2 。其中x o 是系统等值零序感抗。 2 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 1 3 各种接地方式的比较 1 中性点经过高阻接地的优点”1 ： ( 1 ) 能抑制高幅值弧光接地过电压。 ( 2 ) 能消除各种因电磁式电压互感器饱和谐振过电压及电源侧断线谐振过电压。 ( 3 ) 无需改变高电阻值。 ( 4 ) 允许带接地故障长期运行( 电阻需冷却) 。 ( 5 ) 无间隙m o a 运行在这种电网的电源侧是安全的。 2 中性点经高电阻接地方式的缺点： ( 1 ) 在带接地故障运行时，电阻消耗能量大，需要较好的通风环境。 3 中性点经消弧线圈接地方式主要优点： ( 1 ) 消弧线圈补偿单相接地时故障点的电容电流，降低故障点电压上升速率，使电弧及时熄灭，从 而防止产生弧光接地过电压以及电弧发展成两相或三相短路。 ( 2 ) 中性点经消弧线圈接地后，能有效地防止p t 饱和引起铁磁谐振过电压。由于消弧线圈的电感值 l d 远比p t 的励磁电感l 为小，回路的零序自振频率决定于l d 和3 c o ，p t 引起的谐振现象也就不可能发 生。 ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地，能有效地防止p t 绕组中出现的低频饱和电流。当配电线路较长，单相 弧光接地，其线路上的残余电荷要通过中性点接地的p t 绕组对地放电，在p t 绕组中产生低频饱和电 流。线路越长，低频饱和电流越大，严重时造成p t 熔丝熔断和p t 烧毁：或者激发分频及低频谐振。系 统中性点经消弧线圈接地后，电容电荷被消弧线圈电感所转移，显然不会发生上述情况。 ( 4 ) 中性点经消弧线圈接地能限制由下列类型配电变压器故障引起的中性点位移。随着电网的扩大， 6 一1 0 k v 电网中配变数量增多，由于长期运行后绝缘老化或制造质量原因，往往由其内部某个绝缘弱 点发展成为绕组的匝间短路并发展为对地闪络。 对于图1 1 与图1 2 所示的故障，由等效电路图可知，这和p t 引起的铁磁谐振的等效电路完全一 样。如果参数配合在一定范围内，就有可能发生铁磁谐振现象，使电源中性点严重位移。中性点经 消弧线圈接地显然能限制这类过电压。而在这里，用别的措施是无法或很难实施的。 4 中性点经消弧线圈接地的缺点“。： ( 1 ) 切合电缆线路时的电容电流变化较大，需要及时调整消弧线圈的调谐度，因电网中电缆增多， 电容电流很大，要求消弧线圈容量随之增大，很不经济。 ( 2 ) 由于单相接地电流得到补偿而变小，实现单相接地选线比较困难。 ( 3 ) 当补偿度或脱谐度不当时易激发谐振。 5 中性点不接地方式： 中性点不接地方式的最大优点是实现起来简单，不需要在中性点接任何装置，但它较严重的缺 点表现在： ( 1 ) 发生间歇电弧接地时，会产生高幅值过电压： ( 2 ) 在单相接地的暂态过程中，会产生较大的过电流： ( 3 ) 易激发谐振过电压。 3 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 c 圈1 1 ( a ) 配电变压器故障幽 e 【b ) 等效电路圈 。 ； 、 “，图l 一2 ( a ) 配电变压器故障 錾l( b ) 等效电路图 1 4 本文的主要工作 本文主要论述了现行电力系统中性点的接地方式，为了寻找一种较好的接地方式。首先介绍了 各种接地方式：中性点直接接地，中性点经过消弧线圈接地和经过电阻接地。并给出了每种接地方 式的优点和缺点。通过比较，可以看出，中性点经过电阻接地有利于防止电弧重燃和降低系统过电 压以及有利于选出故障线路。为了更好的说明高电阻接地的优越性，本文对中性点经过高电阻的接 地给予了充分的论述，从正常运行时的电压和电流的情况，到发生单相接地故障时电压和电流的情 况都一一做了分析，通过一系列的分析后给出了中性点接地的电阻值选取准则。如皋供电公司结合 本地的实际接线情况采用中性点经过高电阻的接地方式，通过m a t l a b 仿真来确定中性点接地电阻的 大小，然后通过现场的试验和软件仿真来检验所确定的电阻值是否合适，最后证明所选的电阻值是 合适的。现在如皋供电局的中性点经过高电阻的接地方式已经运行一段时间，现场运行状态良好， 因而具有推广的价值。 4 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 第二章中性点不接地系统 中性点不接地系统实现起来很简单，在电源中性点处不需附加任何装置。一相接地后，其线电 压仍保持平衡，可继续供电一段时间，这是该接地系统的优点。但它有较严重的缺点，即发生电弧 间歇接地时，会产生高幅值电压，同时会产生较大的容性电流。 中性点不接地系统是中性点非有效接地系统的一种，实际上可以视为经容抗接地的接地系统。 该电容是由电网中的电缆、架空线路、电机、变压器等所有电气产品的对地耦合电容所组成的。当 发生单相接地故障时，流经故障点的稳态电流是单相对地电容电流。此接地方式在我国中压电网中 得到了广泛应用。 2 1 单相接地的故障电流分析 2 1 1 单相接地稳态电流的计算 如图2 1 所示，在中性点不接地系统中，接地故障电流总是通过线路的电容接地，从而给单相 接地故障电流提供回来的通路。对不接地系统而言，通常这个单相接地故障电流仅有几十安培，其 值远小于正常负荷电流，故一般不会对线路、电缆或其他设备造成破坏。但是，该电流的持续时间 不宜太长，需要通过单相接地选线保护及时切除故障线路。在图2 1 中每一回馈线用一组独立的集 中对地电容( c 。或c z ) 做模拟分布电容值。系统中的所有中性点都不接地，因此，系统中任何一点 l 。 。t 工 - ，i 7 ，= ， ， 7 a b c 图2 1 不接地系统的单相故障 的零序阻抗为无穷大。对零序电流而言，线路或其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并 联阻抗小得多，因此可以忽略不计。此时接地故障电流由各相对地的电容构成的回路决定。 根据戴维南定理，可把图2 1 简化为图2 2 ，其中节点0 表示高压中压变压器的中压绕组的中 性点。由于线路阻抗比对地电容3 c 。小得多，故可略去不计。从图2 2 可见，其单相接地电流可按 下式计算： 驴毒主= 焉面x ( 2 1 ) p 士 ：1 jo “。0 “d 一j 3 缈c o 玩= 志( 一如) 2 击也 c 2 吲 5 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 图2 2 等值电路图 式中：单相接地电流，a ； u x 故障前的相电压，v ； r 。故障点的过渡电阻，q ； c 厂相对地电容，f ； ( ) 电源角频率，r a d s ； u 0 _ 中性点电压，v 。 就接地保护而言，关键是确定变电站内故障馈线的电工，的大小及方向。为此，把图2 2 等值为 图2 3 。图2 3 中的3 c j 代表故障馈线的对地电容，两回并联支路的电压均为u o ，其值按式( 2 3 ) 计算。 故： u x u o 图2 3 等值电路图二 虻一t 南一( 铲t ) 志 - 3 ) 式中i ，的方向是从变电站流向故障馈线。 当单相金属接地时，曷= o ，则有： 。竿 d ，川= ，3 缈co 【，x u o = 一u 6 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 2 1 2 单相接地电流的暂态计算 不接地系统中单相接地的暂态过程会使健全相产生高频振荡电压，并使回路中的接地电流急剧 升高，其值远大于金属接地时的稳态电流。图2 4 ( b ) 中电动势e 为故障前的瞬时电压，其值为 e 。s i n ( 缈f + 伊) 。电容上电压和回路中的电流以式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 表示。 3 r o ( a ) 稳态电路( ) ) 钎态i 毫路 毯 3 r o 图2 4 单相接地时的等值电路 = 畦+ “” = 彘如c y 一伊一争笔裟孑p 埘s i n c 州圳 一差妥s i n ( y 一缈) p 砌s i n 哪 一豪s i n ( y 一缈) p 山嘲f f = i + ， = 争眦沙刊一笔舞手s i n 叩 + 生掣p 岫s i n ( 。f 一口) 么s l n 口 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可见暂态电压和暂态电流均由两部分组成1o l ，一是以电源频率9 变化的甜；和f ，称为强迫分 量；另一是以缈l 振荡频率的自由分量。两自由分量间的相角差为口，a ：a r c t a n 孕。式( 2 7 ) 、 d 式( 2 8 ) 中国1 、b 、妒值如下： 7 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 卅。一厂荸， 1 2 瓦iv “e 。 6 ：警：3 叩国；2 2 三。 “ ” 纛簪 当b 很小，缈三，口三时，由前式可得： 班嘉( s i n 卿s 吖+ 云c 唧s i n 吣矿加 卜争( 一半s 劬。唧c o s 吣矿钾 鹾一= 昵一 心。“。乒莎 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中： = 去。= 争 当妒= 要时，砭一= ，幺= 导匕。，故： z国 懈呸嘣+ 呸一= 2 呸一 ( 2 1 6 ) ，一l 。+ 咒。= l 。业 ( 2 1 7 ) 倒 由式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 可见，电容器上最大暂态电压为稳态电压最大值的两倍；而回路中暂 态电流比稳态电流最大值还要大。 2 2 弧接地过电压计算 多数研究者认为电弧的熄灭与重燃的时间是决定最高过电压的主要因素，以高频振荡电流第一 次过零时熄弧来分析电压发展过程的，称为高频熄弧理论；以工频电流过零时熄弧来分析过电压发 展过程的，称为工频熄弧理论；熄隙恢复抗电强度理论认为在过电压的发展过程中，起主要作用的 不是熄灭时间，而是熄弧后间隙的恢复抗电强度。当电流过零后，弧隙抗电强度恢复速度大于电压 r 7 1 恢复速度时，重燃就不会再发生”。设中性点不接地电网发生a 相接地，如图2 5 所示。在图2 5 8 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 中，电源电动势e 。= u 。s i n ( 缈f + 妒) ，毛= u 。s i n ( 缈f + 妒一1 2 0 。) ，e 。= u 。s i n ( f + 缈+ 12 0 。) ， u 。为电源电动势幅值，l 为电源漏电感，r 为电网等值电阻，c ”为线间电容，c x 为每相线路对地电 容。设t 2 时，a 相接地，对应的相角缈f 1 + 伊= 一9 0 。在接地前瞬间，各相对地电压、线电压的瞬 时值为z f 。( f 。) = 一u 。，( f 。) = “。( ) = 0 5 ；甜蚰( ) = 甜。( ) = 1 5 乩；健全相b 、c 的对地电容 c 分别与a 相的相间电容c ”并联，c w 与c ”上原有电荷要重新分配并快速平衡。 图2 5 中性点不接地电网a 相接地 于是使b 、c 相对地电压从0 5 u 。升至开始自由振荡的初始电压u 。， u 。，：旦望三丐 导磐：( o 5 + k ) 【，。 ( 2 1 8 ) “ cn + c m 、 。m 其中：k = c k ( c t + ) 可见，a 相接地，b 、c 相对地电压因为相问电容上的电荷1 5 u 晶的加入，使得相对地电压增大 k u u ，升至u r 值，然后开始振荡，由u 。，过渡至b 、c 相的稳态电压o ) 、o ) 。以b 相对地电 压( f ) 为例： ( f ) = o ) + 4 e 即c o s q f ( 2 1 9 ) 4 = 瓴) 一l = 1 5 一( o 5 + 固= ( 1 一目 ( 2 2 0 ) 式中 4 自由振荡初始振幅q 忽略阻尼作用的自由振荡角频率； 9 ( 2 2 1 ) 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 西自由振荡的衰减系数。 式( 2 一1 5 ) 的前一项是( f ) 的强迫分量，a 相接地，b 相对地电压升为线电压甜幻；第二项是叠 是在“船上的暂态分量，它是衰减的高频振荡分量，其最大值由式( 2 1 9 ) 决定。 以接地瞬时为分析起点，经自由振荡半个周期，t 2 f ： ：互：三，b 相电压瞬时值达到最大。因 2 l 缈l 远远大于工频角频率彩，所以可以近似地认为f 2 时b 相工频电压仍保持原值不变，即： 一生。 。= 1 5 u 。+ ( 1 一k ) u 。pq 令d ：互万，则有p ( 1 一d ) ，故上式可改写为： 国1 ( 2 2 2 ) u 6 。= 【1 5 + ( 1 一k ) ( 1 一d ) u 。 ( 2 2 3 ) 2 3 断线引起的谐振过电压 断线引起的谐振过电压，通常不仅指单纯的线路断线而产生的谐振过电压，而且泛指断路器非 全相动作或严重不同期、熔断器一相或两相熔丝烧断、导线折断或折断导线一端接地等原因而造成 的非全相运行所出现的非线性谐振过电压，严重时可使绝缘闪络、避雷器爆炸、电气设备损坏。 1 断线谐振的分布 在中性点不接地网络中，线路长度为，线路末端接有空载( 或轻载) 变压器，以发生a 相断 线为例，分析如下。 设电源漏抗、线路感抗远小于线路容抗而略去不计，线路导线在电源射处断开，断开处电源侧 导线接地，各相电容示于图2 6 中。将图2 6 ( a ) c ：人为断开，计算断开点( 即口”点) 的对地电压， 需求出单相等值电路中的等值电动势。如图2 7 所示，因b 、c 相电路完全对称，断线相绕组无电流 流通，a 点电位等于n 点电位，设a 相电动势为。，则a 点对地电压为即为1 5 。，即单相等 值电路的等值电动势为1 5 左。 将三相电源短接，去掉与谐振回路无关的电容，即得图2 7 所示的单相等值电路。 为进一步简化电路，将图2 6 中的三，支路断开，得断开两端的电压为： d ：1 5 应。 ! 型( 2 2 4 ) 4 c 品+ 2 c 品 以e 为等值电动势，u 为等值电压，即可得出如图2 7 所示的断线后的最典型的等值l c 串联 回路，其中： c = c ：；+ 2 c 墨三= 1 5 k ( 2 2 5 ) 1 0 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 a l 量 l杰；l k 於 ： 上 i tl ( a ) 图2 6 单相接地电源测接地电路图 ( a ) 三相中性点不接地电路图( b ) 等值电路图 。= 图2 7c j 断开时的电路图 ( b ) 图2 8 断线后的等值电路图 设线路正序电容与零序电容的比值为万，则6 ：兰丝! 兰! ；，一般线咯万：1 5 2 o 。断线后 c v 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 负载侧c 品= ( 1 一x ) c ，c 二= ( 1 一x ) c 。：，代入式( 2 2 1 ) 中得： 北1 5 邑志。1 5 q 邑 ( 2 _ 2 6 ) 式中：d ：三一等值系数。 l+2d 同样可得： c ：坠掣娑坐c ：k c ( 2 2 7 ) k ：! ! 二塑婴 ( 2 2 8 ) 3 式中k 等值系数。 根据不同的断线情况，在有关书籍中列出了对应于图2 8 等值电路的q 、k 计算式，以便查找。 2 谐波参数的分析 产生基波谐振的回路参数需满足缈三 上条件。显然，c 愈大，愈易谐振。针对图2 8 的断线 c 情况，当x = o 时，c 最大，取万= 2 ，根据式( 2 2 7 ) 得c ：昙c 。因此，不产生基波谐振的回路 参数为： ”k 去 式中k 负载变压器初始励磁电抗，鼍k = 以k 。 ( 2 2 9 ) 由负载变压器额定线电压“、额定容量鼠、空载电流对额定电流的百分数，。，可计算x 。r = 羔1 0 5 ( q ) ( 2 3 0 ) 设c 办为每公里线路对地电容值，c = 巳，。于是，可知中性点不接地系统单相断线、电源 侧导线接地时，不产生基波谐振的线路长度，需满足 坚嗌1 0 s ! ( 2 3 1 ) i o sn 5 cd n l b 赫c 砌， 一s 2 ， 7 5 缈c u ：1 0 、 。 满足式( 2 3 2 ) 的线路长度要求，只能判断在图2 6 的断线情况下不会产生基波谐振和分频谐振， 并不能满足不产生高频谐振的条件。如检验是否会产生5 次谐波谐振，则可参照式( 2 2 9 ) 得出不产 生5 次谐波谐振的条件为： 1 2 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 m 砖k 蠢丢 ( 2 3 3 ) 所以：， ! ：墨：=； ( 2 3 4 ) 2 5 7 5 缈c 幽u ；1 0 5 即要比不产生基波谐振的线路长度缩小2 5 倍。 若将图2 6 所示的断线情况改为负载侧导线接地，则等值单相电路的参数就不同了，系数q 、k 值 发生变化。若以上例1 0 k v 电网参数计算，不产生基波谐振的线路长度应不大于3 k m ，说明断线后导线 在负载侧接地要比电源侧接地更易发生基波谐振。 2 4 耦合传递过电压的研究 中性点不接地的电网，会发生耦合传递过电压的情况。如图2 9 所示，为不接地方式。 图中c 。为1 0 k v 每相自感电容( 包括母线、变压器、电动机等) ；c 。：为变压器三相高低压绕组之间 互感电容。当3 5 k v 电网正常运行时，由于三相绕组和导线的电位对称，故对外界感应极小，只有当 三相绕组对地电位都提高时，才会对外界有静电感应。三相总的对地电位也就是网络中性点的电位， 因此，只要中性点出现对地电位( 零序电压) u 。，就不可避免地对外界发生感应，这一感应电压 将通过c 。：传到1 0 k v 侧。例如，3 5 k v 侧发生单相接地时，o 点电位升到u x 。= 3 5 孤y ，那么 1 0 k v 中性点0 将被感应，其电位将从原有零值升高到： 圳n g 煮 _ 3 5 a b c 三丁矿 3 图2 9 耦合传递过电压 ( a ) 接线图( b ) 传递回路 通常1 0 k v 侧对地自感电容c 0 不大，故传递高于1 0 k v 的电压时，继电保护就可能发出“接地” 信号，即出现虚幻接地现象。相反，1 0 k v 侧也有电位升高的情况发生。因为1 0 k v 侧对地有电感l 1 3 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 存在。已知变压器三相高低压绕组之间的互感电容c ，亍2 0 0 0 p f ，则1 0 k v 侧的电容传递电压为 己，：辈。 ! ! ! ! ：14 5 七y ，其幅值为：压14 5 = 2 1 七y ，已接近1 0 k v 侧高压电动机的安 。 3 2 0 0 u + 4 6 7 全冲击电压值，因此有可能对这些电机造成威胁。对于6 3 k v 系统而言，u ：可达2 8 k v ，它远远超出 了电动机的绝缘水平，这时在电机的中性点必须加装对地电容器。通常，只有高压侧传递到低压侧 的过电压才是危险的，因为后者的绝缘强度比前者为低。 2 5 本章小结 本章的主要内容是对中性点不接地系统进行分析，由于中性点不接地方式的最大优点是实现起 来简单，不需要在中性点接任何装置，在实际的配电网中存在中性点不接地的运行方式。但是中性 点不接地的接地方式也存在着缺点，在发生单相接地时，由于系统的电容的存在，使得流过故障点 的电流为容性电流，电流值与系统的对地电容有关，特别是随着电缆线路的增多，导致故障电流很 大，会出现电弧多次熄灭和重燃的现象。所以本章主要分析了在发生单相接地时，流过故障点的容 性电流大小和发生故障时的电流。同时，由于采用不接地的方式，在发生单相接地故障时，也会引 起过电压的现象，在本节中对发生单相接地后系统出现的各种工频电压升高，弧光过电压和谐振过 电压做研究，指出了采用中性点不接地方式会出现工频过电压，弧光过电压和谐振过电压的现象， 对系统产生不利的影响。 1 4 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 第三章中性点经过消弧线圈接地系统 在电网中性点与地之间接入消弧线圈之后，电网发生单相接地，其单相接地电容电流将会得到 有效补偿。如能使故障点的残余电流减至l o a 左右，就可促使电弧不易重燃。因电网的单相接地电 容电流得到消弧线圈的感性电流的补偿。因此，接有消弧线圈的电网，也称之为补偿电网。经消弧 线圈接地的电网，也称为谐振接地系统。 3 1 电网正常运行情况分析 补偿电网的接线图如图3 1 ( a ) 所示。图中c l 、c 2 、c 3 和蜀、9 2 、9 3 分别代表a 、b 、c 三相的对地电容和对地泄露电导，并认为g 。= g ：= g ，。g 上代表消弧线圈的损耗电导。在消弧线圈 退出运行时，电网成为中性点不接地方式。此时，不对称电压口。d 由下式计算： 图3 1 中性点经过消弧线圈接地的示意图 舀，c ， 吒2 靠2 一心 刍! ：刍旦刍 c l + c 2 + c 3 _ _ 厂一吼 卜而乐砖丽 1 5 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 = 禹d 卜。“ ( 3 1 ) 其中t r 。：刍毒旦善逝，称为电网的不对称度，也就是当忽略哦时，网络的不对称电压 c + c ，+ c ， 和正常运行时相电压的比值；d 。：三一称为电网的阻尼率，它是由电导与电容电纳比 ” ，功( c 1 + c 2 + c 3 ) 值所决定的；d 为电网的相电压( k v ) ；c 1 c j c 3 为电网三相对地电容f ；乜= + ，等。 由于三相导线排列的不对称性，三相对地电容c 1 c 2 c 3 是不相等的，最大相差可达1 0 。在这种 情况下，即使不接消弧线圈，电网中性点也会发生位移，称为不对称电压，这对线路运行很不利。 为克服这一缺点，3 5 k v 以上中、高线路均进行换位，以使c ，= c ：= c ，= c ，其相间电容 c ，：= c 2 ，= c 1 3 = c 。导线换位还可使线问互感不同引起的三相导线电抗不平衡状况得到改善。导 线的正序电容c z = c + 3 c 。；导线的负序电容c f = c + 3 c 。；导线的零序电容c 工= c o 。三角形连 接的相间电容等值为星形连接时，其每支路由电容3 巴组成。对于无避雷线的线路，c 。c 得比值 通常为o 2 一o 3 ，较大数值对应于标称电压低的线路；有避雷线时，上述比值大大下降。架空线的o 0 5 1 5 ，个别可达2 5 。其瓯为3 _ 5 。 接入消弧线圈后，中性点位移电压玩可根据戴维南定理，依据图3 1 ( b ) 等值电路计算如下： 矽。：d 。t 上坚兰型塑l _ # 了+ g + ，( c 1 + c 2 + c 3 ) + 3 9 0 ，l 砜的模值为： u 6 d ，+ 巫兰 ，国( c l + c 2 + c 3 ) + 3 9 0 一一k co 。ux 一一kc o ux=-杠 y j ( 、do + dl 、)y j d 小势等2 考繁 ( 3 2 ) ( 3 3 ) d = d o + dl d z2 ：i z i 2 ：芝i 乏2g c 缈三( 1 一y ) 3 4 ( c 】+ c 2 + c 3 )2 三( c 1 + c 2 + c 3 ) 。、。 1 6 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 ，：竺：! ：二里二圭小生，= = = = i 一- 。 ( c l + c 2 + c 3 )，c 式中：d 补偿电网的阻尼率， d = 3 厂补偿电网的脱谐度；t 补偿电网中的电感电流，a ； t 补偿电网中对地电容电流，a 。 ( 3 5 ) 逋雨妥求u o 小大十电刚标称电j 盘的1 5 。在全补偿时，y 2 0 ，此时位移电压u o 仅由阻尼率d 所限制，即： 吣孕 ( 3 - 6 ) 通常d 三1 2 一2 ，故d 5 ，则式( 3 4 ) 变为： 吣怒= 2 0 ( 3 吲 可见，消弧线圈在全补偿状态( 谐振状态) 下，将把中性点不对称电压放大2 0 倍。如有k ，。= 2 5 ， 则u 。= 2 0 k c 。u j = o 5 u x 。此过电压值不算高，但是这时的值将使三相对地电压造成长期较 大的偏移，这对设备绝缘不利，因而是不允许的。为避免这一情况发生，目前国内外自动跟踪消弧 装置都另外串一电阻器，其作用之一就是防止在脱谐度较小时而产生的这种电压位移。其接线电路 图如图3 2 所示。 吾欠绕组蝴 图3 2 经过销弧线圈接地的电路图 电网中性点接入自动跟踪补偿的消弧装置，其作用有三： 1 7 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 ( 1 ) 大大减少故障点的接地电流，在投入宽带补偿装置之后，还可使接地故障点的接地电流降为 零； ( 2 ) 减少电弧熄灭瞬间故障点恢复电压上升速度，使其不易发生电弧重燃： ( 3 ) 降低单相接地故障引起的过电压幅值。 3 1 1 中性点故障时位移电压的计算 次绕组二次绕组 图3 3 接入消弧线圈的电网发生a 相接地 图3 3 示出一个接有消弧线圈的补偿电网发生单相接地时的情况。其等值电路图如图3 4 所示。 如果消弧线圈未串或并联电阻器，则总的接地电流计算公式如下： c 图3 4 图3 1 3 的等值示意图 式中 一虬故障相电压；心接地点过渡电阻； ，缈三消弧线圈电流； 1 8 一去各相对地容抗。 ( 3 8 ) = d j ， 东南大学工程硕士学位论文 一 堡皇堕壹皇里垫些查茎婴壅垄三堡些旦 一一 一 经整理可得： 其中： 。2i 慕赫 j r d + f _ 一，了( 3 国c 一= 了) 么= 去邶钌一寿2 ( 3 9 ) 同时推导得出中性点位移电压为，即： 昏去一去( 3 c 一寺】 叫 式中玩故障相电压，v ；弼接地点过渡电阻，q ： r 消弧线圈有功损耗电阻，q ； c 回路电容，c = c ，+ c z + c ，f ； l 消弧线圈电感，m h ； 缈角频率。 弧线圈串联有阻值为砭的电阻器时，其等效电阻和等效电感按下述分式求出。 首先，将等效为消弧线圈并联的电阻，即 牛譬 1 1 ) 式中 心串联电阻，q ； l 消弧线圈的电感，日： 国角频率，缈= 2 万。 其次，将消弧线圈的电感值l 等效为与电阻并联时电感值，即： 三”：国三+ ! 堡( m h ) ( 3 1 2 ) 式中： 三、心、国符号意义同式( 3 1 0 ) 。 最后，将和上”分别代入式( 3 8 ) 和式( 3 9 ) 中，替代两式中的r 和l ，则消弧线圈串联时 总的接地电流j 名和己，；便可求得。 3 1 2 消弧线圈三大作用的说明： 1 在图 3 4中， 如果设尺d = 0 ，见o ， 则图 3 4可简化为图 3 5 ， r ；= 即刈( 剐，c 雹+ c ：+ c 3 。在图3 5 中消弧线圈的电感电流心鲁其 1 9 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 相位与乏相位相差1 8 0 。，故可减少故障点的电流。在此图中，单相接地时的零序电压在数值上等于 故障相的相电压( 例如虬) 。 流经故障点的接地电流如与上述电路的参数有关，可分为三种情况： ( 1 ) 全补偿 当上：上时，。= ，c ，称为全补偿，此时7 = o ，脱谐度( y ) 的物理意义 j 国【， 系指并联谐振电路中，其调谐的程度达到谐振的程度。当l 一，。= 0 时，则脱谐度表示为： ，：盟 i c 或 ，：竺竖：三：三：! 二壶 国( c + c 日+ c c ) ( 2 ) 过补偿 当国三 七，称为过补偿，此时y 上时，。 o 。 n c ( 3 1 3 ) ( 3 一1 4 ) 图3 5 等值简化电路图 如图3 4 和图3 5 所示，此时流过电容c 2 上的电流和流过c 3 上的电流分别为j 。和j 。，且通 过故障点上的电流j 埘为j 。和乞的向量和，即j 埘= j 。+ j 。，而流过消弧线圈上的电流j 。却与j 一方 向相反且两值相等，称为全补偿。 在以往的概念中，全补偿是禁区，是绝不可及的状态，但是在自动跟踪补偿的系统中却允许全补 偿，国内外消弧线圈的运行技术规程和设计规范中都有明文规定。其理由是因为在这种装置有过去老 式调匝式消弧线圈所不具备的技术措施。即装置按事先设定值作闭环调节，不会出现中性点位移超过 允许值；接有串联电阻器或并联电阻器；自调系统是微电子设备，灵敏度高等等。而且，从限制过电 压幅值来看，还希望全补偿或接近全补偿，其理由将在后文介绍。在一定条件下，该装置也允许欠补 2 0 东南大学工程硕士学位论文 配电网高电阻接地方式研究及工程应用 偿运行。 2 消弧线圈可以减缓恢复电压的上升速度。 如图3 5 所示，流过开关s 的电流代表残余电流。当电弧熄灭时，相当于s 打开，此时m 、n 两 点间电压相当弧隙的恢复电压。朋点的电压取决于实际电网a 相电压的变化情况，如果熄弧时该相 初始角为y ，电源电压最大值为，则： 烈一( f ) = u 。e 八酬叫 ( 3 1 5 ) 而n 点电压的变化规律是一个振荡衰减过程，即： ( f ) = 一p 一研p 他。+ 川 ( 3 1 6 ) 故恢复电压为： 甜o ) = ( 耐+ 例一矿研+ ( 3 1 7 ) 舯万2 盖，2 壶。 当电网在某一脱谐度( y o ) 下运行时，眠氇巧 ( 1 一争，d = 去，故有 “o ) ：( 斛 1 一纠 ( 3 1 8 ) 将式( 3 一1 5 ) 中括号内的指数形式转化为代数式，再取其模量，得恢复电压的包络线甜o ( f ) 的表 汰式为： ( f ) = 将式( 3 一1 7 ) 中的指数项和余弦项展开并略去d 和y 的二次方以上各项，则： 掣l = 衍l ( 3 1 9 ) 詈研= 詈专 c 3 2 。， 当接地点处高频电流( t ) 与电网电容电流( 七) 之比为o 1 时，以最大速度升到峰值电压 的时间为f ：兰生：0 0 6 4 s 。 国一，g 由式( 3 1 7 ) 看出，减小脱谐度就是相应地降低了恢复电压的上升速度。因为自动跟踪消弧装 置可使脱谐度保持在尽量小的合适范围内，因此，它具有良好的消弧作用，这是它受到普遍欢迎的 原因之一。 3 消弧线圈可以降低过电压的幅值 在补偿电网中，当脱谐度在5 的范围内变化时，内部过电压的增长倍数为( 2 5 2 6 ) 倍 相电压；当补偿脱谐度大于5 时，过电压的倍数就急剧增长；当补偿工况偏离谐振点达2 0 时，设 置消弧补偿装置的优越性将不复存在，此时其过电压倍数与中性点不接地电网完全一样。这说明， 2 l 东南大学工程硕士学位论文配电网高电阻接地方式研究及工程应用 具有跟踪补偿的消弧装置可以降低过电压倍数。因此，对改善供电可靠性、减少日常工作量、减缓 系统中各项设备的绝缘老化均有利。2 6 倍相电压是中压电网中最薄弱产品( 中压电机) 在大修理 r 1 0 1 后对电机绝缘水平的要求，大于2 6 倍相电压的过电压值将直接危害电机安全“。 采用自动跟踪补偿的消弧装置，能够降低过电压的幅值，这是因为它串联或并联了电阻器。此 外，此电阻器还可以提高接地选线装置的灵敏度，并为实现自动跟踪补偿要求创造条件。消弧线圈 串联电阻接地方式在欧洲同类产品中也有实际应用。 3 2 补偿电网的中性点故障时位移电压分析 在中性点经消弧线圈接地的网络中，当线路导线断线或断路器跳合触头不能同步动作或三相熔 断器非全相烧断时，都将引起一相或两相的导线对地电容减少，这样会使网络不对称度发生变化， 并大大地超出网络正常( 即未有上述情