（电气工程专业论文）乌海电网弧光接地过电压抑制措施研究.pdf

声明尸刚 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文乌海电网弧光接地过电压抑制 措施研究，是本叭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 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人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： 缸之 日期： m ，6 ，l p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、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，i 同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、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) 作者签名： 导师签名： 日期： 呼 协6 。t 口 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的提出 在电力系统中性点接地方式发展的历程中，由于担心因工频电压升高而引起绝缘击 穿，而采用过中性点直接接地方式：后来因线路跳闸频繁，遂改为不接地方式运行。但 是，当电网的接地电容电流达到某一临界值时，接地电弧就难以瞬间自行熄灭，特别是 由此产生的间歇性电弧接地过电压，作用时间一般较长，且遍及整个电网，在一定条件 下容易造成事故。 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、线路存在 的绝缘弱点，尤其是直配电网中绝缘强度较低的旋转电机、电缆线路的电缆头等都将存 在较大威胁，在一定程度上影响电网的安全稳定运行，我国曾多次发生间歇电弧过电压 造成的停电事故。 乌海电网位于内蒙古西部电网最西端，是内蒙古西部电网的重要组成部分。乌海电 网目前最高运行电压等级为5 0 0 k v ，经双回5 0 0 k v 布乌线与蒙西网联网运行。目前乌海 地区电网直辖2 2 0 k v 变电站5 座，用户自建2 2 0 k v 变电站1 座。直辖1i o k v 变电站1 3 座。直辖3 5 k v 变电站6 座。网内有5 座1 1 0k v 变电站3 5 k v 侧中性点经消弧线圈接地， 2 座2 2 0 k v 变电站3 5 k v 侧中性点经消弧线圈接地。 2 0 0 5 年3 月份以来，由于出现间歇性接地导致乌海地区两次电缆头爆炸，一次消弧 线圈电抗器部分设备烧毁的现象，这些现象不仅造成了相当大的经济损失，而且严重地 威胁了电力系统的安全稳定运行，对工农业生产也产生了一定的影响。所以间歇性电弧 接地过电压的抑制措施的研究是一个亟需解决的问题。 1 2 过电压问题研究现状 弧光接地过电压( 间歇性电弧接地过电压) 是中性点不接地配电网中典型的操作过 电压。这种过电压持续时间长，影响整个电力网络，对设备绝缘和氧化锌避雷器的安全 运行威胁较大。目前对于弧光接地过电压的研究主要为产生的机理，影响因素和抑制措 施。 目前对于其机理分为两种，一种是高频熄弧理论，一种是工频熄弧理论。从工程实 际来看，工频熄弧理论与实际情况较吻合。所以本文依据工频熄弧理论进行分析。 操作过电压的能量来源于系统本身，其幅值与系统的额定电压大致存在一定的 华北电力大学工程硕士学位论文 倍数关系。通常以过电压峰值与系统最高运行相电压幅值之比k 表示其大小。弧光 接地过电压是操作过电压的一种，其过电压倍数与系统结构、设备特性、接地方式 和故障类型、故障点的电弧特性有关。 抑制弧光接地过电压的根本途径是消除间歇性电弧，采用中性点直接接地方式，可 以在发生故障时及时断开故障线路，从而能有效抑制弧光接地过电压。但这种方式在单 相接地故障时会降低供电可靠性，所以我国在3 5 k v 、l o k v 等电压等级广泛采用中性点非 直接接地运行方式，可能会出现弧光接地过电压问题。目前，限制弧光接地电压的主要 措施有： ( 1 ) 采取电网中性点经消弧线圈接地运行方式 由于电网运行方式的多变，如何正确调谐消弧线圈、降低电网的不对称电压、降低 消弧线圈的脱谐度、提高动作成功率以及限制因弧光接地过电压而导致相间闪络等问 题，还都在探讨完善之中。另外在某些情况下，消弧线圈的存在，甚至可使弧光接地过 电压升高，因有消弧线圈的作用，熄弧后原弧道恢复电压上升速度减慢，增长了去游离 时间，有可能在恢复电压最大这一最不利时刻发生重燃，使过电压增大。另外，消弧线 圈本身的存在也会引起内部过电压。目前，上海思源电气、西安森宝电气等公司都在生 产各种型号的自动调谐消弧线圈装置。 ( 2 ) 采取加装相间电容器组的措施 间歇电弧接地过电压主要是由于电弧时燃时熄，造成电网运行状况重复变化，导致 电网中电感电容回路的电磁振荡引起的，而相间电容对电弧过电压有抑制作用，通过加 装一定的相间电容可以实现抑制最大过电压的作用。但是该方法的彻底性、快速性还不 够。 ( 3 ) 系统中性点装设电阻或者变压器中性点装设电阻 近年来，一方面人们的生产生活日新月异，电气化程度逐年升高，这要求电能质量 更加安全、可靠、经济；一方面电网建设迅速发展，中低压配电线路成倍的增长，这种 变化使得采用电阻接地，特别是高阻接地更适合于我国中性点非直接接地系统。中性点 经电阻接地后，可以限制电感电容之间的电磁振荡，从而有效抑制电弧接地过电压。当 中性点经大电阻接地时，故障电流仍然可以限制在较小的水平上，系统不用跳闸，可以 继续运行。 ( 4 ) 故障相投电阻 弧光接地过电压本质上来说是在发生单相接地短路后，能量在电网中的重新分配而 导致的振荡：同时随着故障接地点的电阻增大，由于电阻消耗能量，使得过电压倍数和 中性点电压均较小。所以为了消耗能量，可以考虑投入故障相电阻来消耗能量抑制弧光 接地过电压。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 关于操作过电压的研究手段，有理论分析和数值计算、模拟试验、现场测试和运行 记录大量资料的归纳总结。随着计算机技术的发展，电磁暂态计算程序( e m t p ) 得到了广 泛的应用，同时，性能完善的暂态网络分析仪( t n a ) 以及先进的仪器仪表为模拟试验和 现场测试、记录创造了优越的条件。近年来m a t l a b 发展很快，以其无比的优越性吸引 了越来越多的用户j 、其电力系统工具箱( s i m p o w e r s y s t e m ) 具有良好的人机界面，可以方 便的搭建电力系统模型，观察电力系统各状态量的变化。 1 3 本文的主要工作 乌海电网由于出现间歇性弧光接地导致电缆头爆炸和消弧线圈损坏，这些现象 不仅造成了相当大的经济损失，而且严重威胁到电力系统的安全稳定运行。对乌海 电网弧光接地问题进行分析，并提出相应的抑制措施，是一项重要的工作，为此， 本文主要工作如下： ( 1 ) 分析了小电流接地系统电弧接地过电压的基本原理及高频熄弧理论和工频熄 弧理论： ( 2 ) 以m a t l a b 作为仿真分析工具，搭建了乌海电网顺达变电站和宝山变电站的电 弧接地过电压仿真系统； ( 3 ) 针对故障相投电阻、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈接地三种抑制过 电压的措施，采用m a t l a b 进行了抑制效果仿真和分析； ( 4 ) 结合乌海电网的实际情况，提出了采用中性点经消弧线圈接地抑制电弧接地 过电压的方案。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章弧光接地过电压原理及工频熄弧理论 2 1 弧光接地过电压基本原理 “ 在电力系统中性点接地方式发展的历程中，由于担，t l , 因工频电压升高而引起绝缘击 穿，而采用过中性点直接接地方式，后来因线路跳闸频繁，遂改为不接地方式运行。但 是，当电网的接地电容电流达到某- - t l 盎界值时，接地电弧就难以瞬间自行熄灭，特别是 由此产生的间歇性电弧接地过电压，作用时间一般较长，且遍及整个电网，在一定条件 下容易造成事故。实际的小电流接地系统中，接地过程通常是电弧间歇接地的过程，接 地过程中，电弧频繁的熄燃，自然会产生很多高频分量。中性点不接地系统的电弧接地 过电压最初是德国彼得生( w p e t e r s o n ) 于1 9 1 7 年开始研究的。 中性点不接地系统单相接地示意图及相量图如图2 1 所示。 图2 - 1 单相接地示意图及相量图 中性点不接地电网发生单相接地时，通过接地点的电流i j d 是非故障相对地电容 电流的总和。取电源电势e 的有效值为u x g ，可得： ，2i nc o s 3 0 。十i cc o s 3 0 。= 痂喀粥。c 。s 3 0 。= 3 葩。u 瑶( 2 1 ) 对于6 - 6 0 k v 架空线路，每相每千米对地部分电容约为5 0 0 0 6 0 0 0 p f 。三芯电缆的 接地电容电流约为架空线路的2 5 倍，单芯电缆约为5 0 倍。当一个l o k v 电网的架空线路 总长度不超过1 0 0 0 k m ，它的单相接地电流删将不超过3 0 a 。运行经验表明，此时由于 4 华北电力大学工程硕士学位论文 电动力和热空气的作用，接地电弧被拉长，一般能够在几秒至几十秒内自行熄灭。当电 网总长度更大时，接地电弧一般不能自熄。但不论接地电弧能否自熄，实验证明，在删 为数安至数百安的范围内，都能产生电弧接地过电压。这是因为接地电流每一次通过零 点时，电弧都要有一个暂时性的熄灭，当恢复电压超过其恢复强度时又将再一次发生对 地击穿。当l j d 太大时，这一暂时性熄弧的时间微不足道，可认为电弧是稳定的燃烧。 当，太小时，由于绝缘强度恢复很快，难以再一次击穿，所以暂时性熄弧可以转变为 永久性熄弧。而当i j d 为数安至数百安时，电弧暂时性熄灭约为工频半个周期左右，伴 随着每次的再度击穿，都会引起电网中电磁能量的强烈振荡，使非故障相、系统中性点 甚至故障相产生过渡过程过电压。 以工频电流过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，叫做工频熄弧 理论。以高频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程， 叫做高频熄弧理论。工频理论分析所得过电压值较接近于实际情况。 燃弧条件有：彼得生( w p e t e r s o n ) 理论( 高频熄弧) 、彼得( j ，f p e r t e r s ) 和 斯列宾( j s l e p i a n ) 理论( 工频熄弧) 。这两种理论的区别在于，前者是以高频振荡 电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，叫做高频熄弧理 论；后者是以工频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过 程，叫做工频熄弧理论。“高频熄弧”与“工频熄弧”两种理论的分析方法和考虑的影 响因素是相同的，但与系统实测值相比较，高频理论分析所得过电压值偏高，工频理论 分析所得过电压值则比较接近实际情况。因此我们讨论用工频熄弧理论解释间歇电弧接 地过电压的发展过程。 2 2 高频熄弧理论 当发生单相电弧接地时，若不考虑泄漏电阻、振荡电压的衰减和相间电容的影响， 则中性点不接地系统的等值接线图如图2 2 所示。 图2 2 中性点不接地系统的等值接线图 华北电力大学工程硕士学位论文 假定故障相a 相在工频电压最大值时发生绝缘击穿，忽略弧道电阻，近似为金属接 地，且故障点的接地电弧在暂态高频振荡电流通过第一个零点时熄灭。此时，故障相上 的自由电荷将沿三相对地电容重新分布，于是在各相上便产生了同等的位移电压u d v 。 此后，每经过半个工频周波，接地电弧重燃一次，由于在非故障相上积聚的自由电荷不 断增多，位移电压逐步升高，于是非故障相上的暂态过电压随着接地电弧重燃次数的增 多，一次比一次升高。 图2 2 中电感和电容构成的振荡回路，其振荡频率1可由( 2 - 2 ) 式求出： 1 1 i 一丽 ( 2 - 2 ) 当故障点的接地电弧在暂态高频振荡电流经过第一个零点熄灭时，非故障相的暂态 过电压可根据下式确定： ? ，o 矿= z f 盯十“o l = “o ，+ 2 2 f o j = 2 z f 盯一2 ，o ri f l l o s = 一1 , 1 0 ，j ( 2 3 ) 式中，u o v 为过电压；“os 为振荡电压：u s t 为最后的稳定电压：u o r 为初始电压。 假定首次电弧接地故障是从负半波的最大值u d p m 开始的，利用式( 2 3 ) 可求出非 故障相的暂态过电压： z f 0 ，= 丰1 5 c ，锄，+ 1 o c ，锄，= + 0 5 ( ，锄，+ 2 1 0 中明= 2 1 5 f ，曲。一o 5 f ，o 。，= 十2 5 ( ，。小r 。 l z q ， 此时，非故障相上积聚的自由电荷 q = 2 5 u 。册a c o = 5 c o u 啦册 该电荷沿三相对地电容重新分布，由此产生的位移电压之值为： “西= 鲁= 吾 当自由电荷重新分布时，其振荡频率为： ， 1 2 2 2 n , 厄c o ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 尔后，各相电压的波形恢复为正弦，同时以位移电压“咖为轴线而变化。此时故障 相的电压 6 华北电力大学工程硕士学位论文 u a = 一u m + 5 3 u m = + 2 3u m m 非故障相上的电压 uc = 5 3u 中m + l 2u 中m = + 1 3 6u m 中 经半个工频周波后，即在接地电弧第二次重燃之前，故障相上的电压 l 而非故障相上的电压 ，三：十妻。+ u 。肼：十8 u 。 “三= + 妄u o m _ 1 u z 加= + 要0 u 咖 - ) 此即接地电弧第二次重燃时非故障相上的初始电压，即 ， 7 ， “2 十。7 c o n ， o 当接地电弧第二次重燃后，非故障相的终了电压 h 。t 一一每j 同样，利用式( 2 3 ) 便可求出接地电弧第二次重燃时的过电压 “。一等， ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) 接地电弧第二次重燃后，通过故障点的振荡电流可利用下式求出，其值由振荡电压 的幅值和回路的波阻抗确定，即： r u 毽g m 坛2 瓦露 式中： u os m 为振荡电压u o s 的幅值。 ( 1 - 1 5 ) 当第二次接地电弧熄灭后，自由电荷q 再次重新分布，三相的位移电压可利用式 下式求出 略一等 ( 2 1 6 ) 由于位移电压的升高，接地电弧每经半个工频周波再次重燃时，过电压自然也就升 高了。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 但实际情况是，当高频振荡电流过零接地电弧熄灭后，故障点的介质强度不可能恢 复得特别快，所以暂态过电压也不可能逐级连续递增。于是p e t e r s o n 补充了相间电容的 限压作用。这样，当接地电弧重燃时，非故障相的对地电容与相间电容并联，使位移电 压和非故障相的初始电压较前减小，暂态过电压自然就降低了。若取相间电容为l 3 的 相对地电容，便可求出非故障相上的初始电压u o 厂= + 0 5 u 中m和终了电压us ， = 一3 2 u c b ，7 2 ，则振荡电压u os - - - - 一2 u 中m ，暂态过电压u ov = 一3 5 “中m 。 如果修正前述假设条件，再考虑泄漏与衰减，并取系数为0 9 ，则接地电弧第二次重 燃时，振荡电压和暂态过电压将分别下降为一1 8u c i , m 与一3 3u 中m ，这样就更接近实 际情况了。 2 3 工频熄弧理论 工频熄弧理论也假定故障相在工频电压最大值时发生绝缘击穿，接地电弧随之产 生，但电弧的熄灭不是在振荡电流过零时熄灭，而是在工频电流过零时发生。 假定a 相电弧接地，三相电源相电压为e 爿、e 8 、e c ，线电压为e 爿孙e b c 、e 爿c ，工 频接地电流为f ，各相对地电压为u a 、“b 、u c 。设a 相电压在幅值( 一u x g ) 时对地闪络， 此时b 、c 相对地电容c 0 上的初始电压为0 5u x g 。由于a 相接地，非故障相b 、c 对地 电压u b 、“d 各过渡到新的稳态瞬时值1 5 u x g 。 由l c 串联振荡回路的数学解知道，当回路中的电容从初始电压过渡到另一稳 态电压u 时，过渡过程中可能出现的最大电压u m a x 可由下式近似求得 u m a x = 2 u o ( 2 1 6 ) 由此得到非故障相对地电压在振荡过程中出现的最高电压为2 1 5u x g - - 0 5u x g = 2 5u x g 。其后，过渡过程很快衰减，b 、c 相稳定在线电压e a b 、e a c 运行。 同时，接地点通过工频接地电流i j d ，根据矢量图，其相位角e 爿滞后9 0 度。 经过半个工频周期后，b 、c 相电压等于( 一1 5u x g ) ，i j d 通过零点，电弧自动 熄灭，即发生了第一次工频熄弧。但在断弧瞬间，b 、c 相电压各为( 一1 5u x g ) ， 而a 相为零，电网储有电荷q = 2c o ( 一1 5u x g ) = - - 3c ou x g ，这些电荷无处泄漏， 于是将在三相对地部分电容间平均分配，形成电网中有直流电压分量 q一3 t i o u x g r ， 瓦一1 - 一虬 协 所以，断弧后，导线对地稳态电压由各相电源电势和直流电压( 一u x g ) 叠加而成。 断弧后瞬间，b 、c 相的电源电势为( 一0 5u x g ) ，叠加结果为( 一1 5u x g ) ：a 相 电源电势为u x g ，叠加结果为0 。因此，断弧后的瞬间，各相电压初始值与瞬间稳态值 华北电力大学工程硕士学位论文 相等，不会引起过渡过程。 断弧后，a 相对地电压逐渐恢复，再经半个工频周期后，b 、c 相电压为( - 0 5u x g ) ，a 相恢复电压则高达( - - 2u x g ) ，这时可能引起重燃，其结果使b 、c 相电压从 初始值( - - 0 5 u x g ) 趋于线电压的瞬时值l , 5 u x g ，过渡过程最高电压为2 1 5 u 醒一( 一 o 5 u x g ) = 3 5 u x g ，过渡过程衰减后，b 、c 相仍将稳定在线电压运行。 往后每隔半个工频周期发生一次熄弧和重燃，过渡过程将与上面完全重复，非故障 相的最大过电压u 删三( ，c 彳= 3 5u x g 。故障相的最大过电压u a m = 2 u x g 。 当电网中装有为改善功率因数而装有( 或y ) 接线的电容器组时，一般不会产生 严重的间歇性电弧过电压。因为在故障相( a 相) 闪络瞬间，非故障相( b 、c 相) 对a 相的相间互电容c 1 2 将与各自的导线对地自电容c o 并接在一起，电荷重新分配使得 初始电压更接近于稳态电压，从而降低了振荡过电压。 在实际电网发生间歇性电弧接地时，熄弧和重燃过程是极其复杂的。另外，应考虑 线路相间电容的影响、绝缘子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。所以，实际的过电压倍数最大为3 5 ，绝大部分均小于3 1 。 表2 - 1 对工频熄弧理论和高频熄弧理论在过电压幅值等四个方面做了比较。 表2 - 1工频、高频熄弧理论的对比 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章弧光接地过电压仿真分析 3 1 间歇性电弧模型 在仿真中，用井关的开合来表征电弧重燃和熄灭的状态，假设燃弧接地时，接地阻 抗为小电阻( 本文取接地电阻为l 欧姆) 接地过程。 本文是利用m a t l a b 7 0 里的s i m u l i n k 平台下的软件s i m p o w e r s y s t e m s 对非直接 接地系统进行仿真的，因此可以利用m a t l a b 7 0 s i m p o w e r s y s t e m s 2 1 2 具箱里面的模块搭建 整个系统的模型。 故障点金属性短路的m a t l a b 仿真模型如图3 1 所示，通过设置具体的m a t l a b 仿真参 数，可以分别模拟三相短路、单相接地短路、两相短路、两相短路接地等不同的短路类 型，在本文中，采用单相接地短路参数设置。 口 口 口 thr ee pha s ef ault 图3 1 故障点短路模块 间歇性电弧仿真模型如图3 - 2 所示，它利用b r e a k e r 模块仿真接地电弧模型，其开 合表征电弧的燃熄，利用b r e a k e r 模块的内置参数s w i t c h i n gt i m e s 来控带1 b r e a k e r 模块的 开合时间和周期用以模拟电弧的熄燃，电阻r 模拟燃弧时的电阻。 图3 2 电弧模块 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 3 通过附加的仿真信号或者内部时间设定模拟断路器的开合，模拟短路故障， 三个断路器可以分别开合模拟相对地故障以及相间故障和复合故障。 图3 - 3 断路器模块 假如没有接地故障，接地阻抗r g 自动设为1 0 6 q 。例如：为了仿真a b 故障只需设 置a b 相的故障参数，仿真a 相接地故障只需设置a 相和接地故障电阻的参数( 设置很 小的值) 。若为外部控制模式，一个控制输入显示在图标上，连到第四个端口上的控制 输入必须是0 和l ，0 代表断路器断开，1 代表断路器闭合。内部控制模式在对话框中设 置时间和状态。模型中包括串联的缓冲电路r p c p ，可选择的连入故障相。若故障模块和 感应电路开路或者电流源，则必须包括缓冲电路。、 用此模块模拟间歇性电弧的时候，只需设定故障相( a 相) 和在t r a n s i t i o ns t a t u s 以及t r a n s i t i o nt i m e s 设定相应的值确定电弧的燃弧和熄弧的过程。 3 2 输电线路模型 架空与电缆输电线路m a t l a b 仿真模型如图3 - 4 、3 - 5 、3 - 6 所示，其中图3 - 4 为分 布参数模型，图3 5 为集中参数模型。 口 = = = 二卜口 d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sl i r e 图3 4输电线路分布参数模型 二 华北电力大学工程硕士学位论文 口 口 口 口 口 口 thf ee phas e pisec t ionline 图3 - 5 输电线路集中参数模型 thf ee phas e ser iesr lcgf anc h 图3 6r 、l 、c 串联支路模型 架空输电线路的参数r 、l 、c 是沿输电线路均匀分布的，一般不能当作集中参数 元件处理，有些参数还是频率的函数。研究短路和潮流时只需要工频正序、零序参数， 它们可以从手册中查到或者用简单的公式推出。 m a t l a b 7 0 里面的s i m p o w e r s y s t e m s ( 电力系统仿真工具箱) 提供了输电线路的 两种数学模型，分别是集中参数1 r r 型和基于b e r g e r o n st r a v e l i n gw a v em e t h o d ( 贝杰龙的 行波法) 的分布参数模型。 两种数学模型需要的序阻抗参数定义为 z 0 = z s + 2 z m 乙= z s - z m 1 2 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 式中， z o 和z + 分别为线路零序阻抗和正序阻抗。 图3 4 中的分布参数线路模型和叮型线路模型是s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱中的两种 数学模型对输电线路的仿真实现。虽然架空线路一般不能当作集中参数元件处理，但是 当线路长度不超过3 0 0 k m 时，可不考虑线路的分布参数特性，而只用将线路参数简单 的集中起来的电路表示，所以在本文中用图3 - 6 中的分布参数线路模型和1 t 型线路模 型来模拟三相架空线路，用三相串联r l c 支路模型( 将其中的r 和l 置o ) 来模拟三 相电缆线路。 3 3 仿真模型的m a t a ia b 实现 小电流接地系统是电力传输网的中间环节，根据电网络分割理论和等效代换理论， 可将小电流接地系统从整个网络中分立出来。为突出主要因素，将小电流接地系统的入 端简化为无穷大容量的三相电压源。如母线中性点有消弧线圈接地的系统，可将消弧线 圈简化为电感和电阻，电感的数值可根据系统的接地电容电流和消弧线圈的补偿度计算 得到。 图3 - 7 和3 8 是对整个小电流接地系统在m a t l a b 仿真平台下的实现。 3 4 顺达变电站过电压仿真与分析 3 4 1 顺达站系统介绍 乌海电网顺达变电站为2 2 0 k v 变电站，有2 2 0 k v 、1 0 k v 和3 5 k v 三个电压等级， 2 2 0 k v 侧中性点采用直接接地方式，3 5 k v 侧中性点不接地，1 0 k v 为三角形接线方式。 电气主接线如图3 9 所示。 3 5 k v 出线中由单纯的电缆出线5 条，架空线路一条，架空和电缆混合线路3 条， 其中架空线路8 9 5 k m ，电缆线路5 3 0 2 k m 。1 0 k v 侧出线5 条，均为架空线路，共 1 8 8 1 k m 。 乌海地区电网由于多次出现间歇性电弧接地导致乌海地区两次电缆头爆炸，一次消 弧线圈电抗器部分设备烧毁的现象，严重威胁到乌海地区电网的安全运行。变电站由于 1 0 k v 侧和3 5 k v 侧均是从2 2 0 k v 侧引入电能，对于负荷来说，两侧均相当于电源，它 们之间的互相影响较小，所以为了分析事故发生的原因和间歇性电弧接地过电压的抑制 措施，我们只考虑3 5 k v 侧的情况。 顺达变电站3 5 k v 线路数据如表3 1 所示，1 0 k v 线路数据如表3 - 2 所示。 等值原则：同型号的电缆线路，同型号的架空线路进行并联，同时同型号的混 合线路也进行并联等值。 擦苦舌斗人婚韶巅汁昧高黔h 因_ 7 画鲆醉fcl窘j妾藩矾龄墨窑_真将涔 l v 一，i 求导吕过汁昧n藉崮牛等乏高黔对 囹_ 8 亘鲆薛母爨j妾藩汛龄罨寓将精涔一v rlre甲勺子撼 一日3迥orjer fr舌至nd盂s)1 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 0 k v2 2 0 k v 图3 - 9顺达变电站电气主接线 表3 - 1 顺达变电站3 5 k v 线路参数 出线编出线名 线路总架空线电缆长 架空线电缆排列 长度长度电缆型号度 几何均距 。丐 称型号方式 ( k m )( k m )( k m ) 3 5 l 顺鑫i 回 0 5 2 5y j v l - 1 r 3 0 00 5 2 5 水平 j 列 中对边o 2 5 3 5 2顺金线1 1y j v l - k 3 0 01 1水平排列中对边o 2 5 3 5 3顺电线 2 9 5 52 9 5 5l g j 1 5 0 水平排列中对边0 2 5 3 5 4顺联线 0 5 4 2y j v l - 2 4 00 5 4 2 水平排列 中对边0 2 5 3 5 5顺益线2 5 6 41 7 5 9y j v l - k 2 4 00 8 0 5l g j 1 2 0水平排列中对边0 2 5 3 5 6顺荣线 2 3 6 3 1 8 1 3y j v l - k 3 0 0 0 5 5l g j 2 4 0 水平排列中对边0 2 5 3 5 7 顺宏线 o 6 y 2 一l 1 8 5 0 6 水平排列中对边o 2 5 3 5 8 顺宝线 2 9 7 32 4 2 3y j v l - k 3 0 0o 5 5l g j 2 4 0 水平排列 中对边0 2 5 3 6 0顺鑫i i 回o 6 3y j v l 3 0 00 6 3水平排列中对边o 2 5 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 21 0 k v 出线数据 几何均距主线长度 线路名称主线导线型号排列方式备注 ( m )( k m ) 顺达站9 1 0 3、l g j - 1 2 0三角排列 o 7 54 4 2 顺达站9 1 0 5l g j 。1 5 0三角排列 o 7 55 8 9 顺达站9 1 0 7l g j 一1 5 0三角排列 0 7 51 6 3 顺达站9 11ll g j 1 5 0三角排列 o 7 53 5 5 顺达站9 2 1 0l g j 2 4 0三角排列 0 7 53 3 2 3 5 k v 母线的9 条出线等值之后：3 5 1 和3 5 2 以及3 6 0 三条同型号的电缆线路并 联。3 5 3 为架空线路，且此型号的架空线路只有一条，所以单独作为一条线路。3 5 4 为单独的电缆线路，且此型号的电缆路只有一条，所以单独作为一条线路。同理3 5 5 ， 3 5 6 ，3 5 7 ，3 5 8 分别作为单独的线路。所以最后九条线路等值为7 条仿真线路，在 最大程度上符合实际系统的仿真。 等值公式为： 、 对于电阻 11】 + r + j x( r l + j x l ) x l l ( r l + j x l ) x l 2 r + j 州川x 1 ) 嚣 对于导纳+ g + j b = ( g l + j b , ) x ( l l + l 2 ) l l 、l 2 为等值前两条线路长度，r l 、x l 、b l 为线路单位长度的电阻、电抗和电纳， r 、x 、g 为等值之后线路的电阻，电抗和导纳。 3 4 2 顺达站仿真模型 本文采用三相故障模块模拟间歇性电弧的接地情况，通过附加的仿真信号或者内部 时间设定模拟断路器的开合来模拟短路故障，三个断路器可以分别开合模拟相对地故障 以及相间故障和复合故障，电弧与故障仿真模型如图3 1 0 所示。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 t h r e e p h a s ef a u l t 图3 1 0 电弧与故障仿真模型 假如没有接地故障，接地阻抗r g 自动设为1 0 6q 。例如：为了仿真a b 故障只需设 置a b 相的故障参数。仿真a 相接地故障只需设置a 相和接地故障电阻的参数( 设置很 小的值) 。若为外部控制模式，一个控制输入显示在图标上，连到第四个端口上的控制 输入必须是0 和l ，0 代表断路器断开，l 代表断路器闭合。内部控制模式在对话框中设 置时间和状态。模型中包括串联的缓冲电路r p c p ，可选择的连入故障相。若故障模块和 感应电路开路或者电流源，则必须包括缓冲电路。 e x t e r n a lc o n t r o lo ff a u l tt i m i n g ：若选择，则在三项故障模块中加入第4 个端 口来控制断路器的动作时间，通过s i m u l i n k 信号输入0 或1 。 用此模块模拟间歇性电弧的时候，只需设定故障相( a 相) 和在t r a n s i t i o ns t a t u s 以及t r a n s i t i o nt i m e s 设定相应的值确定电弧的燃弧和熄弧的过程。 、 系统仿真模型如图3 1 l 所示。 3 4 3 顺达站过电压仿真与分析 i 接地电阻对过电压的影响 发生单相短路接地时( 非弧光接地时) ，过电压倍数及其故障点的暂态过程结束后 的稳态电流如表3 3 所示。表中数据是最严重的短路情况，即在电压最大时发生短路所 得结果。 表3 3 接地电阻与过电压倍数 接地电阻( q ) 0 51l o1 0 05 0 01 0 0 0l e 41 e 5 最大过电压倍数 2 7 5 2 6 9 32 3 7 51 8 0 6 1 7 4 1 1 5 2 21 0 5 51 0 0 7 短路电流( a )6 05 5 25 4 85 44 1 42 7 23 1 50 4 5 中性点电压偏移( k v ) 3 23 1 73 1 5 53 1 0 72 3 81 5 71 4 0 3 扯一 i ii 卿囤 求芸母甘冲慊h裁巅二f：睬意黔h 1了刁o-p了船oc o田 一( o 寸哥哥 j f0 了 l 囤囤 1 vi王28a3en|【_1 i 1 i oi(lol-2o一 ， 甜 三囤 一 h ，- i 0 船 篇 盈 o ， u 2 n 。酉 团辜 一皿一 一 = 口- 一 一 扣一 一 o 田， u ， 。虬 一1o 田 ：如 n | 。田 茹艺t 0 广 c ) 田， 罢譬 8 量 。 宅 一 c ，| o o 叩) c 。o 田， 。田 旦j i 。虬 3 。 。田，e 之l 8 广 o n 厶 o 。乳 乏 n 叩 一i 玉 器 c i aa 口 ! l 。团骛三 o 田 o ， 宅嚣 8 o o 田，： 之i 0 ；一 8 乏 山 g o ，e o ， | ； o 圜_1】 赢降辞$将湛皑 uu产ojao u之lv-uoov 华北电力大学工程硕士学位论文 通过表3 。3 可知：随着接地电阻的增大，过电压倍数，短路电流，中性点电压偏移 均减小。仿真曲线和理论分析计算也证明，电阻的大小对于暂态过程的影响较大，电阻 越小，暂态过程越严重。当接地电阻增大时，可认为发生不对称故障的电网接近于对称 无故障运行，极限情况是电阻无穷大，相当于无故障。 2 电弧电阻对过电压的影响 在不同的电弧电阻的情况下，不考虑消弧线圈的影响时，过电压情况如表3 4 所示。 表3 4 电弧电阻与过电压倍数 电弧电阻q 151 01 0 05 0 01 0 0 01 e 4 过电压倍数 3 9 8 33 2 7 83 2 3 61 9 9 11 7 7 31 5 81 2 中性点电压最大偏移( k v ) 6 7 7 16 6 16 3 1 93 1 1 72 4 3 11 7 9 31 7 9 3 由表3 4 可以看出，当发生间歇性弧光接地时，过电压倍数比非间歇性电弧时的倍 数大很多，而且持续时间较长，易给设备造成烧毁损坏的现象。同时随着故障点电弧电 阻的增大，过电压倍数逐渐减小。 当电弧电阻为1 0 欧，无抑制措施时，a 、b 、c 三相的电压波形如图3 1 2 所示，中 性点电压偏移如图3 1 3 所示。 可见，弧光接地故障会引起系统过电压，是配电网运行中需要注意的重要问题，为 了降低过电压倍数，应主动采取抑制措施。 3 5 宝山变电站过电压仿真与分析 3 5 1 宝山站系统介绍 宝山变电站为2 2 0 k v 3 5 k v 1 0 k v 变电站，2 2 0 k v 侧接地，3 5 k v 经刀闸和消弧线圈 接地，l o k v 为三角形接线方式，其中1 撑，2 撑两台主变之间没有联系。 3 5 k v 出线中有电缆线路1 7 条，架空和电缆混合线路4 条，其中架空线路3 2 9 7 k m ， 电缆线路为1 9 7 k m ，1 0 k v 没有出线。由于两台主变所供线路之间没有联系，两台主变 相当于两个独立的小系统，所以可分析一台主变出线的间歇性电弧接地情况。 宝山变电站电气主接线图如图3 1 4 所示。 宝山站3 5 k v 线路参数如表3 5 所示。 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 2 0 4 2 0 00 0 20 0 4 0 0 6o 0 80 10 1 2 o0 0 20 0 40 0 60 0 8o 10 1 2 o0 0 20 0 40 0 60 0 8o 1 图3 1 2 弧光接地时三相电压波形 0 1 2 图3 1 3 弧光接地时中性点电压偏移 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 荡 越 缝 圈 2 2 0 k v2 2 0 k v 电缆8 条混合线路2 条混合线 【2 条) 图3 1 4 宝山站电气主接线图 建绕 c 9 条 1 群变压器所连线路为1 3 5 1 1 3 5 5 ，2 3 5 0 2 3 5 2 共1 0 条线路，包括8 条电缆和两条混合线 路，电缆长度为1 0 9 9 1 k m ，架空线路为1 0 9 7 k m 。2 撑主变压器所供线路为3 3 5 2 3 3 5 6 ， 4 3 5 1 4 3 5 6 共1 1 条线路，9 条电缆和两条混合线路，电缆为8 7 4 9 k m ，架空线路为2 8 3 k m 。 不考虑阻抗时，单相接地短路如下：i c l = 3 w c u = 9 0 5 7 6 6 a ，i c 2 = 3 w c u = 7 5 1 6 8 a 由上分析可知1 撑变压器所连出线发生弧光接地过电压的可能性比较大，以1 撑变为例 进行分析。所联1 0 条出线合并为4 条：1 3 5 1 和1 3 5 2 合并为一条线路；1 3 5 3 署1 1 3 5 5 各为一 条线路；1 3 5 4 ，2 3 5 2 。2 3 5 6 合并为一条线路。 3 5 2 宝山站仿真模型 宝山站的m a t l a b 仿真模型如图3 - 1 5 所示。 3 5 3 宝山站过电压仿真与分析 对于宝山变电站，经过大量仿真发现，无论电弧电阻取为多少，如间歇性电弧发生， 时间足够长的话，系统地过电压倍数会变得很大，最后破坏稳定性，但电弧电阻越大， 过电压足够破坏电器设备需要的时间越长。所以发生弧光接地过电压时，若不及时采取 措施，系统总会遭到破坏。 当电弧电阻为5 欧时，系统a 、b 、c 三相电压波形如图3 - 1 6 所示，中性点电压波 形如图3 1 7 所示，最大过电压倍数为3 6 0 4 ，中性点电压的最大峰值为6 5 7 k g 。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 - 5 宝山站3 5 k v 线路参数 出线出线 线路架空线 电缆架空 总长长度电缆型号长度线型 电缆排 几何均距 调号 名称 列方式( m ) ( k m )( k m )( k m ) r - 1 丐 1 3 5 l 宝华线 1 2 1 4 y j v l 2 4 01 2 1 4 水平排列中对边0 2 5 1 3 5 2 宝河线1 5 3 9y j v l 2 4 01 5 3 9 水平排列中对边0 2 5 1 3 5 3宝兴线0 3 9 70 2 6 5y j v l 3 0 00 1 3 2 水平排列中对边0 2 5 1 3 5 4宝乾线3 7 3 7y j v l 3 0 03 7 3 7 水平排列中对边0 2 5 1 3 5 5宝铸线0 9 6 40 8 3 2 y j v 一1 - k 3 0 0 o 1 3 2 水平排列中对边o 2 5 2 3 5 2宝地线1 0 6 y j v 一1 3 0 0 1 0 6 水平排列中对边o 2 5 2 3 5 3 宝四线 0 9 4 y j v 一1 3 0 0 0 9 4 水平排列中对边o 2 5 2 3 5 4 宝茂线 o 6 4 y j v l 3 0 0 o 6 4 水平排列中对边0 2 5 2 3 5 5 宝王线 0 3 8 4 y j v 一1 3 0 0 0 3 8 4 水平排列中对边0 2 5 2 3 5 6 宝勇线 1 2 1 3 y j v l - a 3 0 01 2 1 3 水平排列中对边o 2 5 3 3 5 2宝永线 0 2 6 6 v j v 一1 3 0 00 2 6 6 水平排列中对边0 2 5 3 3 5 3宝明线0 5 9 y j v 一1 4 0 0 0 5 9 水习j j 歹0中对边0 2 5 3 3 5 4宝正线0 4 6 3 y j v l 4 0 0 0 4 6 3 水平排列中对边0 2 5 3 3 5 5 宝皇线 1 2 4 5 y j v 一1 3 0 0 1 2 4 5 水平排列中对边0 2 5 3 3 5 6 宝田线 2 4 5 4 y j v 一1 2 4 02 4 5 4水平排列中对边0 2 5 4 3 5 l宝电线0 4 4 2 y j v 一1 a - 4 0 0 0 4 4 2 水平排列中对边0 2 5 4 3 5 2宝金线1 0 2 y j v 一1 3 0 0 1 0 2 水平排列中对边o 2 5 4 3 5 3宝特线1 1 2 y j v 一1 3 0 0 1 1 2 水平排列中对边o 2 5 4 3 5 4 宝德线 1 7 4 1 5 4 8y j v l - k 3 0 00 1 9 2 水平排列中对边0 2 5 4 3 5 5宝俱线1 4 7 41 2 8 2 y j v 一1 3 0 0 0 1 9 2 水平排列中对边0 2 5 4 3 5 6宝泰线0 7 6 5 y 3 v 一1 - k 4 0 00 7 6 5 水平排列 中对边0 2 5 卜 ，i、 擦共函斗冲婚4蔚淘_士昧高黔h 1_1而o-pha箔ocam o i吾 。口哥哥 。 囤囤 11刁o_pi推 口】3 、，r1 口 i 困- 1 时 a 辞翕料瓣隧 j uu(lol240一 一uu(yl300 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 1 6 三相电压波形 图3 一1 7 中性点电压波形 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章过电压抑制措施研究 4 过电压抑制措施介绍 抑制小电流接地系统的弧光接地过电压主要有三种措施：( 1 ) 中性点经消弧线圈接 地，( 2 ) 中性点经电阻接地，( 3 ) 故障相投接地电阻。 4 1 1 中性点经消弧线圈接地 中性点经消弧线圈接地方式在我国应用较为广泛，这种接地方式是当发生单相接地 故障时，消弧线圈将产生与接地电流反相的电感电流，补偿电容电流，最终使接地电流 变得很小，或接近于零，从而消除接地处的电弧以及由它产生的危害。此外，当接地电 弧熄灭后，由于消弧线圈的存在还可显著减小故障相电压