（电气工程专业论文）乌海配电网接地方式的研究.pdf

华北电力人学j ：程硕士学位论文摘要 摘要 本文对乌海配网系统中性点的接地方式进行了研究，归纳出乌海配网不接地系 统及现有消弧线圈接地系统的不足。在对乌海配网系统现运行消弧线圈全面分析的 基础上，通过研究消弧线圈的作用和影响熄弧的主要因素，提出采用自动跟踪补偿 和连续无级调节消弧线圈的观点；通过研究磁阀式消弧线圈工作原理及其特性，确 定采用磁阀式自动跟踪补偿消弧线圈的接地方式。经过现场人工试验和投入运行， 结果表明磁阀式消弧线圈能够克服现有消弧线圈的不足，实现全自动测量线路容抗 及接地补偿的功能。 关键词：接地方式，消弧线圈，磁阀式，自动跟踪补偿 a b s t r a ct t 1 1 ed e f i c i e n c i e sa b o u tu n g r o u n d e d s u p p l ys y s t e ma 1 1 d e a n hn e u t r a ls y s t e mw i m e x t i n c t i o nc o i l ，w h i c he x i s t i n gi nw u h a ip o w e rn e t 、) r o r k ，a r es u m m 撕z e dv i ar e s e a r c h i n g 伊o u n d i n gf a s h i o n so ft h i sn e 觚o r ki nt h i sp a p e r w i t ht h ef o u n d a t i o no fm u t i - a n a l y s i sa b o u t t h ee x t i n c t i o nc o i l1 1 l n n i n gi nw u h a ip o w e rs y s t e r i la i l dm er e s e a r c h e sa b o u tt h er o l eo f e x t i n c t i o nc o 订a n dp r i m a 巧f a c t o r so fe h e c t i n ge x t i n g u i s h i n ga r c ，t h e v i e w p o i n ta _ b o u t a d j u s t i n ge x t i n c t i o nc o i l v i aa u t o m a t i cf o l l o w i n gc o m p e n s a t i o na n dc o n t i n u o u ss t 印l e s si s b r o u 曲t t l l eg r o u n d i n gf a s h i o nw h i c hv i ae x t i n c t i o nc o i lw i t hm a 印e t i cv a l v et y p ei s c o n f i n l l e db a s e dt h er e s e a r c h e so fo p e r a t i n gp 订n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i co fe x t i n c t i o nc o i l w i t hm a g n e t i cv a l v et y p e i tw a s p u tt o t e s ta n d 姗a tw u h a ip o w e rn e t w o r k ，t h er e s u l ti s i n d i c a t e dm a tt h ee x t i n c t i o nc o i lw i t hm a g n e t i cv a l v et y p ec a no v e r c o m et l l es h o n a g e b r o u 曲t b ym ee x t i n c t i o nc o i l i 1 1e x i s t e n c ea n di tc a l l i m p l e m e i l tt 1 1 ef o u n d a t i o n so fa u t o m “c a l l y m e a s u r i n gl i n er e a c t a n c ea j l dr e c o u p i n gv i ag r o u n d i n g c h e ns h i y i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rd o n g h u a y i n ga n ds e n i o re n g i n e e rl i ux i a k e yw o r d s ：g r o u n d i i i gf a s h i o n ，e x 血c t i o nc o n ，m a g n e t i cv a l v e 够p e ，a u t o m a t i cf o u o w i n g c o m p e n s a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文乌海配电网接地方式的研究，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己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：孓盘虹一日 期：豆竺上_ l 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：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：下蛳聊签名：括疑 日 期：牡 日 期：垒璺m 多 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 第一章引言弟一早，ii 我国配电网大多数为中性点非直接接地，接地故障是配电网常见的故障之一。 随着配电网规模的扩大和大量采用地下电缆，当发生单相接地故障时，接地电流 很大。如果接地电弧不能可靠熄灭，就会迅速发展为相间短路，引起线路跳闸， 供电中断。如果接地电弧发展为问歇性的熄灭与重燃，就会引起弧光接地过电压， 危及电气设备的绝缘。为了解决这一问题，我国配电系统从五十年代起一直采用 中性电不接地和消弧线圈接地的运行方式。 1 1 中性点接地方式概述【1 邡】 1 1 1 系统接地的定义 三相交流电网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。 在配网发展的初期，绝大多数系统以中性点不接地方式运行，这是因为电力系统 中的故障和事故至少6 0 以上是单相接地，中性点不接地系统在发生单相接地时 仍能保持三相电压的对称性，可以继续对用户供电，此时健全相对地电压上升到 线电压。随着系统的扩大，供电电压的提高，单相接地电容电流增大，使愈来愈 多的瞬时接地故障不能自动消除，而间歇性电弧会在系统中引起很高的过电压， 使绝缘遭受到严重的威胁。为解决这一问题，1 9 2 0 年左右，美国采用了中性点直 接接地或经小电阻接地的方式，巨大的单相短路电流使断路器迅速动作切除故障。 而欧洲许多国家采用了谐振接地方式，即经过消弧线圈接地的方式【4 ，5 】。在这种情况 下，单相接地并不改变电源电压的对称性，消弧线圈产生的电感电流补偿了接地 点电容电流，并且降低了故障相电压的恢复速度，使接地点电弧自动熄灭，消灭 了间歇性电弧的产生，从而使系统自动恢复正常。 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 线圈接地、中性点经电阻器接地、中性点不接地。其中，中性点经电阻器接地， 按接地电流大小又分为高阻接地和低阻接地1 6 j 。 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， 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 地或经一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，称为中性点非有效接地系统；中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地，称 为谐振接地系统【7 1 。 华北电力人学1 ：程硕+ 学位论文 1 1 2 影响选择接地方式的因素 中性点接地方式与供电可靠性关系极为密切。国内外电力系统的运行经验表 明，电力系统中的单相接地故障绝大部分是瞬i 日j 的，中性点采用谐振接地方式皆 可瞬间自动清除，而极少数单相永久接地故障，在一定时间内电网可以带故障运 行，显著提高了中压城市电网的供电可靠性【引。 影响选择电网中性点接地方式的因素除了供电可靠性外，还主要涉及安全因 素( 人身、设备和企业安全) 、不正常电压危害、过电压因素、高电压位移、继电 保护的选择性和灵敏度、电缆的投资费用、工作接地网的建设投资、电弧重燃条 件、供电系统的选择、对通信、弱电设备的影响、基建费用等等。 1 1 3 不同接地方式的适用范围 中性点有效接地方式适用于我国的1 1 0 w 和2 2 0 w ，有时也含3 3 0 w 系统， 以及国际上与此相当的电压等级的电力系统0 1 。非有效接地方式广泛适用于我国 的11o w 以下的中压系统，以及国际上与此相当的电压等级的电力系统。中性点 不接地和经高电阻接地方式，均是以单相接地故障电流的电弧自行熄灭为条件的。 当中性点不接地的中压系统的接地电容电流超过l o a 时，中性点应过渡为谐振接 地方式j 。 另外，随着运行经验的积累和新技术、新设备的使用，1 9 9 7 年对原标准进行 了修改，颁布了新标准d l t 62o 19 9 7 交流电气设备的过电压保护和绝缘配 合，新标准中有关中性点接地方式的部分作了较大的修改。特别是针对城网中大 量的1 0 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有3 5w 、6 6 w 系 统，电网规定当单相接地故障电容电流超过l o a 时又需在接地故障条件下运行时， 应采用消弧线圈接地方式，而原标准是3 0 a 。同时规定3 lo w 电缆线路系统单 相接地故障电容电流超过3 0 a 应采用消弧线圈接地形式。此规定扩大了谐振接地 方式的适用范围。 一、中性点不接地方式 长期以来，我国的配网大多采用中性点不接地运行的方式。这种接地方式在 单相接地时允许短时间( 如2 小时) 继续运行，因而可大大提高系统的供电可靠 性。然而，近年来随着大批农城网建设和改造工程的竣工投产，配电线路特别是 电缆线路长度猛增，配网系统对地电容和单相接地电流越来越大f 2 】。根据文献， 单相接地电流较大，电弧将难以自行熄灭，容易导致故障扩大。接地电流在数安 到数百安范围内，一般不能形成稳定电弧，而电弧的暂时性熄灭和重燃，将产生 间歇电弧接地过电压，对电网设备绝缘特别是存在弱点的绝缘造成危害【1 2 】。运行 2 华北电力人学门鼙硕十学位论文 经验表明，由于接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等的破坏作用，或 者由于产生间歇电弧接地过电压造成的设备绝缘损坏，使单相接地故障发展成相 间故障，引起大面积停电的事故时有发生。 2 0 0 5 年乌海电网就曾发生过一起由于单相接地引起的事故。 乌兰站1 0 w 污水处理线电缆在滨河大道过路管出口附近存在一个中间头，很 可能由于施工的原因形成了局部损伤，电缆绝缘上存在隐患。在国庆节期间负荷 较轻，电压偏高，中间头在偏高的电压作用下首先出现单相接地故障，因1 0 w 系 统中性点为不接地方式，电缆发生单相接地故障后不跳闸。污水处理线电缆段较 长，且乌兰站10 w 出线均为电缆线路，单相接地的电容电流比较大，接地故障点 的容性电流造成的弧光能量较大，线路散热条件极差，弧光能量积聚在电缆周围 难以散开。同时由于单相接地故障后出现的问歇电弧过电压以及另两相对地电压 的升高，使得污水处理线的健全相在电缆中间头附近的绝缘薄弱点发生绝缘击穿， 形成两相接地短路，线路速断保护动作跳闸。再次短路使电缆周围积聚的能量进 一步增加，最终引燃电缆自身。燃烧使线路绝缘遭到破坏，形成相问短路而跳闸。 事故发生后，引起乌海局领导高度重视。 二、中性点经电阻接地方式【3 】 电阻接地方式包括高阻接地方式、中阻接地方式、低阻接地方式，对于配电 网来 兑，中性点经电阻接地的最初出发点，主要是为了限制电弧接地过电压。 在中性点经高阻接地方式接地的情况下，为了使接地电弧瞬i 、b j 熄灭，一般情 况下单相接地电容电流应不大于1 0 a ，所以该接地方式的适用范围受到限制。 若改为经低电阻接地的接地方式，电网的接地电流虽可不受限制，但由于此 种接地方式的接地故障电流大，由此带来不少的问题和麻烦，如人身安全、设备 安全和通信干扰等均需采取措施，而且运行和维修费用也会相应增加。 若采用中性点经中阻接地方式接地，接地故障电流一般不应超过2 0 0 a ，最 大不应超过3 0 0 a 。但是，当系统发生高阻接地故障时，零序过电流保护的灵敏 度明显下降，较难正确动作。 另外，无论是经哪种电阻接地的接地方式，为了保证较高的供电可靠性，整 个配网系统从网架和自动化建设上必将增加大量的资金投入，而对于改造工程来 说，必将增加系统停电的时间。 据了解，目i i i 只有个别城市采用电阻接地方式。 三、中性点经消弧线圈接地方式 华北电力人学j ：稃硕十学位论文 中性点经消弧线圈接地的电力系统，有时也称为谐振接地系统，因为消弧线 圈是一种补偿装置，故又可称之为补偿系统。 关于中性点经消弧线圈接地系统，将在第二章做详细的论述。 1 2 消弧线圈接地方式 1 2 1 消弧线圈接地方式的优点【1 3 1 4 1 5 】 不同的中性点接地方式各有其优缺点，结合我国的实际情况，绝大多数电力 系统专家一致赞同采用经消弧线圈接地方式，例如1 9 9 3 年1 2 月华中电网局召开 的6 1 0 w 配电网与厂用电系统过电压及防护措施研讨会上，专家们一致建议采 用消弧线圈接地方式，这说明消弧线圈接地方式在我国是行之有效的，其独特的 优点在于： ( 1 ) 经消弧线圈接地后，能使故障点的电流减小，降低了恢复电压速度，减小 了弧光接地过电压，有利于电弧熄灭，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提 高了供电可靠性； ( 2 ) 由于中性点经消弧线圈接地减小了接地点的电流，也就减轻了设备的损坏 程度，抑制了电弧的扩散范围。电网单相接地后仍能继续运行一段时间( 规程允 许最多2 小时) ，使运行人员能够及时查明故障线路； ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地可以根治p t 引起的铁磁谐振，不再需要其它消谐 措施； ( 4 ) 经消弧线圈接地，减小了接地电流，从而创造了配电网电磁兼容环境； ( 5 ) 经消弧线圈接地对人身安全影响较小。发生接地故障时，稳态接地电流小， 故障点的接触电压和跨步电压低，不会影响人身安全。 1 2 2 可控消弧线圈的种类 按改变电感方法的不同，可控消弧线圈可分为调匝式、调气隙式和直流偏磁 式【1 1 】三类。 一、调匝式可控消弧线圈 调匝式可控消弧线圈分为有载开关调匝式、晶闸管调匝式和带电容补偿的分 级可调式等多种。这种消弧线圈靠改变绕组的线圈匝数来改变电感，电感量与匝 数的平方成比例，因此其电感不连续可调。用有载分接丌关取代p e t e r s e n 消弧线 圈中的无激磁分接开关就变成了有载调匝式消弧线圈，它是由两项久经实践检验 4 华北电力人学i ：科硕十学位论文 的设备一一p e t e r s e n 消弧线圈和有载分接开关组合而成，所以它是技术上最成熟 的，也是目前使用最多的一种可控消弧线圈。其主要缺点是调节速度慢，有载开 关每切换一档需十余秒钟，另外由于有运动部件，可靠性差，使用寿命短。实际 使用的产品中，为了减小造价，往往选用比消弧线圈额定电压低的多的有载分接 开关，所以在电网发生单相接地后，消弧线圈电压上升到额定电压，此时有载丌 关不允许动作，消弧线圈电感不可调节。晶闸管调匝式消弧线圈是用双向晶闸管 开关代替有载分接开关，调节速度快，但高压晶闸管成本高，并且在很多情况下 需用多个额定电压较低的晶闸管串联组成高压开关，可靠性及经济性都成问题。 调匝式消弧线圈补偿电流上下限之比一般为2 ：1 ，分为9 档调节，各档间电感级差 较大，经常不能满足调节深度的要求，可以采用带电容补偿的分级可调消弧线圈， 补偿电容的作用使各档间电感级差变小，其结构见图1 1 。 幽1 1带分级电器补偿的司调消弧线圈 二、调气隙式消弧线圈【1 6 ，1 7 】 调气隙式消弧线圈的工作原理是靠移动插入线圈内部的可动铁心来改变磁导 率从而改变线圈电感的。从理论上讲这种消弧线圈的电感可连续调节，但实际上 由于机械的惯性和电机的控制精度等问题，在工程中一般难以做到。其主要缺点 是精度不高，可靠性差，响应慢，动作时间取决于可动铁心的移动时间，可至数 十秒钟。在额定电压下消弧线圈的噪音较大且铁心不可调节( 因为此时静动铁心 间电磁力很大) 。 三、直流偏磁式消弧线圈 直流偏磁式消弧线圈是基于磁饱和工作原理，利用附加直流励磁磁化铁心， 改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调。按励磁方式的不同，可分为他励式和 自励式( 又称磁阀式) 两种。他励式又可分为横向励磁、纵向励磁和纵横向励磁三种 类型。直流自偏磁式消弧线圈是一种可连续调节电感的消弧线圈，其内部为全静 态结构，无运动部件，工作可靠性高。其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压 时调节电感值。其补偿电流上下限之比可达到6 ：l ，是一种很有发展前途的消弧电 抗器【1 8 】。本文研究的磁阀式消弧线圈就是属于此类结构。 气 华北电力人学i ：群硕+ 学仿论文 1 3 消弧线圈的国内外研究现状 消弧线圈接地方式是p e t e r s e n 在1 9 1 6 年提出并在其后不久进行了全面论证， 1 9 1 7 年第一台消弧线圈在德国投入运行，由于其明显的优越性，不久即在欧洲得 到广泛应用，积累了丰富的运行经验【6 1 。德国是研制和采用消弧线圈接地最早的 国家，也是最早研究消弧线圈自动调谐装置的国家之一。1 9 2 4 年德国柏林的一家 电力公司就研制了人工操作监视消弧线圈调诣状态的装置。随后出现了利用不同 原理制成的监视装置和自动调谐装置。进入八十年代，德国通用电器公司有了自 动调谐的消弧线圈系列产品p j 。 前苏联是较早使用中性点经消弧线圈接地的国家之一，也较早开始研制自动 调谐的消弧线圈，发表了许多文章【”1 ，也公布了不少专利成果。在实际应用上也 取得了显著的效果，积累了丰富的运行经验。目前在这方面的研究仍很活跃。 美国中压电网以直接接地和经低电阻接地方式为主，也有部分电网采用消弧 线圈接地方式。美国采用低阻接地是有传统的，也承认消弧线圈接地方式的诸多 优剧6 1 。 1 4 论文研究和解决的主要问题 本文在对中性点经消弧线圈接地方式进行详细分析的基础上，通过讨论目前 乌海电网运行的各种消弧线圈的优点和不足，进而提出新型磁阀式消弧线圈并讨 论其优越性。主要内容包括： 1 中性点不接地系统研究 研究不接地系统发生单相接地故障时的工频电压升高和间歇电弧过电压的形 成机理，归纳不接地系统的基本运行特性。 2 中性点经消弧线圈接地系统研究 研究消弧线圈的作用以及影响熄弧的主要因素。 3 乌海配网系统现状研究 研究乌海目前配网系统接地方式和单相接地电流，对乌海现运行的九套消弧线 圈( 包含调容式和调匝式两种类型) 进行全面分析，得出乌海配网不接地系统及现 有消弧线圈接地系统的不足，从而提出新型消弧线圈的优越性。 4 磁阀式消弧线圈的工作原理及特性，建立消弧线圈模型及仿真试验 阐述磁阀式消弧线圈的工作原理和技术特性，通过建立磁阀式消弧线圈的仿真 6 华北电力人学l ：程硕十学位论文 试验对其理论依据进行验证。 5 现场试验 通过现场试验，验证新型磁阀式消弧线圈能够克服现有消弧线圈的种种缺点。 7 华北电力人学j ：样硕十学位论文 第二章消弧线圈接地系统分析 中性点经消弧线圈接地系统又称为小电流接地系统。在我国，存在大量中性 点经消弧线圈接地的接地方式，特别是在6 w 和1 0w 配电网系统中。实践表明， 单相接地故障是配电网的主要故障形式，据初步估计，至少占系统故障的6 0 以 上【l 】。单相接地电流过大，造成故障处绝缘严重破坏，常常发展成为两相或三相 短路，引发停电事故，严重影响了配电网的安全运行，给国家造成大量的经济损 失。下面对消弧线圈接地发生单相接地故障和谐振接地的原理进行分析。 2 1 配电网运行方式的稳态分析 2 1 1 中性点不接地系统【1 7 】 中性点不接地电网如图2 1 所示，n 为中性点，c 为线路等效对地电容，r 为线 路泄漏电阻。 图2 1中性点不接地系统的中性点不对称电压 中性点不接地电网在正常运行时，其中性点也具有一定的对地电位，这个 对地电位叫做中性点的不对称电压，不对称电压的产生主要是由于导线的不对称排 列而使各相对地电容不相等引起的，配电网采用不换位或不完全换位的运行方式。 对图2 1 电路列基本方程如下： ia j ri8 + l c = q lt li u 七up 0 1 c ，七 u b 七up 1 ( o c b 七 u c 七up 0 j cc u 七up d u b 七u i d u c 七u 吣 1 乞 1 吃 l 华北电力人学i ：程硕十学位论文 一般认为三相电压完全平衡，各相泄漏电阻相等，解得不对称电压如下： = 丛生螋 归( c 口+ g + c ) + 。 ， 将上式的分子和分母同除以缈( c 口+ c 6 + c c ) ，得 热砭= 鬻 称为网络 的阻尼率，其中r = 三。 j 实践测量表明，具有正常绝缘的架空电网的阻尼率一般不超过3 5 ，当绝 缘积污受潮时，阻尼率可增大到1 0 左右。 当a 相发生单相金属性接地时，b 、c 两相的电压上升到线电压。流经接地点 的电流相位如图2 2 所示。 石 l = lc o s 3 0 。+ tc o s 3 0 。= 2 如缈c 半= 3 缈c u 通过接地点的电流l 为非故障相对地电容电流之和。为相电压有效值。由上 式可知，当和国为定值时，l 与线路对地电容值成正比。 图2 2a 相短路时的电流和电压相量图 2 1 2 间歇电弧接地过电压【1 】 乞值的大小，将直接影响接地点的燃弧状况，在接地电流每次自然过零时，电 弧有一个短暂的熄弧时间，当弧道的恢复电压大于其介质强度时则发生重燃。l 很 9 一e 一+ 一g 一+ 一e 一烈 u 蔓 争 一 一 不 肋 的 矽 络网为称 华北电力人学j i ：程硕十学位论文 大，弧道游离很强，可以认为电弧是稳定燃烧；j 。很小，弧道绝缘强度恢复的很快， 难以重燃，暂时熄弧可转变为永久熄弧：厶不大不小时，将形成时断时续的间歇性 电弧，间歇性电弧使电网运行情况重复变化，导致电网中电感电容回路的电磁振荡， 在非故障相，中性点及故障相出现过渡过程过电压，也就是间歇性电弧接地过电压。 由于中性点不接地系统在发生单相接地故障时还可能产生间歇电弧接地过电 压，对电网设备绝缘特别是存在弱点的绝缘造成较大危害，因而有必要研究这种过 电压产生的机理。 长期以来，多数研究者认为电弧的熄灭与重燃时间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：工频电流分量和高频电流分量。一般 假设在电源相电压为最大值燃弧，燃弧瞬间出现的自由振荡频率远高于工频，故认 为接地瞬间弧道中的电流以高频为主，高频迅速衰减后，剩下的主要是工频电流。 从交流电弧理论知，问隙能否熄弧，取决于电流过零后弧道的恢复抗电强度与加在 弧道上恢复电压之间的相对关系。通常认为，空气中开放电弧大多在工频电流过零 时熄灭，油中电弧可能在过渡过程中高频电流过零时熄灭。解释间歇电弧过电压形 成过程的理论有高频熄弧理论和工频熄弧理论，这两种理论分析所得的过电压的大 小不同，但反映过电压形成的物理本质是相同的。 随着配电网的扩大，设备的改型，城市电缆线路的增多，尤其在大型住宅小区， 为降低线损及压降，采用数台甚至数十台箱式变压器分散布置，配电网越来越多的 采用电缆敷设，使电网电容电流增大很多，导致出现了以下后果： ( 1 ) 在电容电流为几安至几十安时，易引起铁磁谐振过电压，谐振元件为电 磁式电压互感器( p t ) 和线路对地电容。p t 的激磁感抗大于线路对地容抗，当某种 扰动激发，会发生铁磁谐振。在不同的参数组合下铁磁谐振分为基波谐振、高次和 分次谐波谐振，以三次谐波为主。铁磁谐振过电压，可能会击穿无间隙氧化锌避雷 器、电缆头、电气设备绝缘；谐振过电流易烧坏p t 保险或使p t 过热烧坏。 ( 2 ) 当电容电流为几十安时，会引起时间较长的弧光接地过电压或间歇性的 弧光接地过电压。接地电流在每次自然过零时，电弧有短暂的熄弧，若弧道的恢复 电压大于其介质的恢复强度时，则电弧重燃。间歇性电弧会导致电网中电磁能的强 烈振荡，在非故障相、中性点及故障相出现过渡过程的弧光接地过电压，其幅值可 达到额定相电压的3 5 倍。 实践证明，l 在数安至数百安范围内变化时均能产生间歇性弧光接地过电压， 由于电弧过程强烈的随机性，其过电压的倍数具有统计性。根据实测，在配电网中， 间歇性电弧接地过电压最高值一般不超过3 1 倍相电压，个别达到3 5 倍相电压。 l o 华北电力人学j j 鼙硕士学位论文 中性点不接地电网中的间歇性电弧接地过电压幅值也不太大，绝缘性能良好的 电气设备是可以承受的。但是如果电网中存在某些绝缘弱点，尤其是直配电网中的 旋转电机等设备，这种过电压对其威胁较大，影响电网的安全运行，另外这种过电 压的持续时问较长，容易引起相间短路而扩大事故。有时由于电弧短路引起丌关柜 的故障率目前很高。不少电弧短路使整段配电装置着火( 有时伴随爆炸) ，设备损 坏，造成用户长期停电，损失非常大。 2 1 3 中性点不接地系统的运行特性 通过对单相接地故障的研究，可以归纳出中性点不接地系统的基本运行特性。 ( 1 ) 所谓的中性点不接地，实际上是经过一定数值的容抗接地的，当电网发 生单相接地故障时，非故障相的工频电压接近线电压，系统线电压的对称性基本上 不受影响。 ( 2 ) 当电网发生单相高阻接地故障时，非故障相的工频电压升高有可能略高 于线电压。这一点对于避雷器的选择有一定的影响。对于中性点不接地的l o w 配 网系统，要求选用1 1 0 的避雷器。 ( 3 ) 当电网接地电容电流较小，接地电弧自行熄灭后，容易激发铁磁谐振过 电压。这种过电压产生的机理是，由于电压的突变引起互感器铁心饱和，使得互感 器的励磁电抗大幅减小并与系统的对地电容形成了谐振回路。 ( 4 ) 当电网发生单相接地故障时，接地电流始终为容性，大小由系统的三相 对地电容确定。当接地电流在一定范围内，接地电弧将难以瞬间自行熄灭，从而有 可能由于接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等的破坏作用，或者由于产 生间歇电弧接地过电压引起故障扩大。 2 1 4 中性点经消弧线圈接地【1 5 】 对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈在补偿电网发生单相接地故障时 提供电感电流补偿接地电容电流，这将引起电网中电流的分布发生变化，与其他接地 方式有很大的不同。 假设电网中的线路进行了完全换位，且三相负荷完全对称，这样可以得到电 网发生单相接地故障时的简化等值接线图，如图2 3 所示。单相接地故障时，电 网线电压三角形保持不变，三相负荷依然保持对称平衡，相问电容中流过的电容 电流还是自成回路。这些因素都不参与熄弧过程，所以在图2 3 中可以忽略不计。 华北电力人学j = j 车硕十学位论文 图2 3 单相接地故障等值接线图 假设a 相上的k 点发生接地故障，若忽略故障点的接地电阻和电弧电阻的影 响，即相当于发生单相金属性接地故障。系统采用消弧线圈接地方式后，单相接 地故障时电流分布将发生很大变化，忽略系统对地电导支路的电流，此时，作用 在消弧线圈上的电压为中性点对地电压以= 一d 。，消弧线圈上将产生一感性电流 ，此电流将经过消弧线圈和接地点，t 滞后于电压玩9 0 。，而系统对地电容电 流超前于电压玩9 0 。，接地点电流为系统对地电容电流t 和消弧线圈电感电流 的矢量和，因此，接地点电流的大小和方向与消弧线圈的补偿度有关。其特点 可归纳为： ( 1 ) 整个系统出现零序电压，零序电压大小由o 伏上升到电网正常运行时的 相电压，而且电网中各处的零序电压基本相等； ( 2 ) 故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流在 数值上等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，零序电流的相位超f j 零序电压9 0 ”，而且所有非故障线路零序电流的相位相同；故障线路的零序电流数 值上等于所有非故障线路零序电流与电感电流之和，方向视补偿电流大小而定。 2 2 配电网运行方式的暂态分析 2 2 1 中性点经消弧线圈接地电网的零序电路 补偿电网正常运行时零序电路中电感与电容为串联形式，如图2 4 所示。 1 2 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 图2 4 补偿电网止常运行时的零序等效电路 定义补偿电网的脱谐度u 为 归鱼：垃d = _ = l 2 3 c c ) ci l 式中d 为补偿电网的阻尼率，定义如前。则求出经消弧线圈接地的中性点不对称电压为 玩= 一南吼鲁 如果消弧线圈感抗调节到等于零序电容容抗，即d 调节为零，由于线路阻尼率 一般在3 左右，在这种情况下，中性点将出现很高的电压，会严重破坏三相电压 的不平衡，长期运行轻则缩短电气设备的使用寿命，重则造成设备损坏，这是不允 许的。可见，从避免中性点出现过高不对称电压的角度，应使消弧线圈工作在远离 谐振点的状态。 2 2 2 单相接地短路情况分析m 】 一、故障时等值电路 在发生a 相接地故障时，可人为将电路分为两部分，一是正常的三相系统，另 一是在短路点串入一吼等值电动势的零序电路，相当于图2 5 中开关k 合上。显然， 如果求接地点的电流只需计算串入等值电动势的零序电路即可。其电路如图2 5 所 示，零序回路中电感与电容为并联形式。 厶 图2 5 单相接地短路时零序等效电路 1 3 华北电力人学i ：程硕十学位论文 图2 5 中厶为三相线路和电源变压器的零序等值电感，r 为零序回路的等值电 阻( 包括故障点的接地电阻和弧道电阻) ，厶和r 与零序电容容抗相比都很小。 二、单相接地时的暂态电流 小电流接地系统发生单相接地后，一方面由于故障相电压突然降低而产生的放 电电容电流，它通常由母线流向故障点，衰减很快，振荡频率主要取决于电网中的 参数( r 和的数值) ，故障点的位置以及过渡电阻的大小，振荡频率般高达数千 赫兹。另一方面由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，主要通过电源 而形成回路，充电电流衰减较慢，振荡频率仅为数百赫兹。 分析暂态过程的等效电路如图2 5 所示，等效网络中，消弧线圈的电感远大于 线路电感，实际上，单相接地故障一般发生在电压接近于最大值瞬间，此时i l o ， 因此消弧线圈的接入对于故障相的暂态电流变化影响不大，故可略去。 ，f1- r t + 厶詈+ 嘉t 出= s i n ( 缈f + 缈) 七= u ( 告p 础s i n 删n 叩一c 唧c 。s 吖) + c o s ( 国h 训 式中，= 3 国c ；万= 主为自由分量衰减系数；q 为暂态自由衰减分量的角频 率。 当妒= 子时，故障相在电压峰值时发生接地时电容电流自由振荡分量的振幅最 大，出现时间在f 7 = 瓦4 ，瓦= 2 万国，。实际上f 7 很小，所以认为 生一生 i c m 因此，暂态电容电流最大值与稳定值之比近似等于共振频率与工频频率之比，它可 能较稳念值大几倍到几十倍。对一个单相接地电容电流为3 0 a 的1 0 w 系统进行仿 真，得到暂态电流波形如图2 6 所示。 ( a ) 无消弧线圈时的单相接地暂态电流( b ) 正好调睹时的单相接地暂态电流 图2 - 6 单相接地电容电流为3 0 a 时暂态电流 1 4 华北电力人学门鼙硕十学位论文 大量实践表明，接地电弧的熄灭一般发生在工频短路电流过零时刻，此时暂态 电流已经衰减，电弧的产生由工频电流决定( 18 1 。消弧线圈的接入，使工频短路电流 大大变小，有利于电弧的熄灭和绝缘介质的恢复，阻止电弧的再次重燃，有利于降 低过电压发生的可能。 三、消弧线圈对弧隙恢复电压的影响 单相接地电弧存在期间，相当于图2 5 中开关k 合上，在此状态下中性点的不 对称电压“。( f ) 与故障相电源的电压( f ) 大小相等， 方向相反。接地电弧熄灭在电 流过零点熄灭，相当于图2 5 中开关k 突然断开，此时加在k 两端的电压，一端为 强制的电源的电压( f ) ，一端为中性点的振荡电压( f ) ，故障处的恢复电压等于两 者之间的电位差。k 断开后电网零序回路有自由振荡过程产生。中性点的不对称电 压( f ) 为 ( f ) = e 叫c 傩( f + 缈) 其中，= 1 3 c 为回路的自振角频率；妒为l 瞬时值过零时，由电导g 所决定 的相角，妒接近于零：万= g 6 c 为零序回路的衰减系数，g 为消弧线圈损耗、导线 对地泄漏和电晕损耗等的等值电导。 熄弧后，原故障相( a 相) 电源电压“a ( f ) 为 “一( f ) = c o s ( f + 伊) 设补偿电网的阻尼率d = ，。仃。= g 3 国c ，正常架空线d 值约为3 5 ，线路污 染受潮，d 值可增至1 0 ，电缆线路的d 值约为2 4 ，绝缘老化，可增至1 0 ， 贝0 万= 缈d 2 。 故障相d 点对地弧隙恢复电压为 “ ( f ) = “爿( f ) 一“o ( f ) = “。 c o s ( 纠+ 缈) 一p 却c o s ( f + 缈) 全补偿时，= 缈，略去熄弧瞬问的高频振荡，故障相恢复电压仿真波形如图2 7 所示。 华北电力人学i ：程硕十学位论文 图2 7 补偿时弧隙恢复电压波形 随着( f ) 的衰减，( f ) 幅值逐渐上升，电网损耗电阻愈小，自由振荡衰减愈慢、 恢复电压( f ) 上升愈慢，这样单相接地电弧熄灭后，故障相对地电压缓慢上升，使 电弧不易重燃。 当消弧线圈不是全调谐时，一般补偿电网的脱谐度u 是很小的， 国o = 缈1 一v 缈( 1 一) 二 因此 d + n ( f ) = 足 岬( 1 一p2 ) 】 当u o 时，( f ) 具有拍频波形，如图2 8 所示，其拍频周期为2 万( 缈一) ，比 工频周期2 石国长得多，所以恢复电压幅值上升速度比无消弧线圈时缓慢得多。但是 此条件下的恢复电压的最大值不仅可能超过相电压的幅值，而且达到最大值的时问 也较前明显缩短。 图2 8 脱谐度为7 5 时弧隙恢复电压的波形 将( f ) 写成复数形式为 1 6 华j 匕电力人学l ：程硕+ 学位论文 ( f ) = 则p 7 卅妒( 1 一p2 ) 】 再取其模可得恢复电压包络线“帕( f ) 的公式为 ：f 丐 或者写成 筹= f 一 令煳，1 ，2 ，8 向可画出函数专芋2 八d 础) 的一组包络线，如图2 9 所示。 图2 9 不f 司u d 时恢复电压的包络线族 图2 9 中的曲线表明，当补偿电网阻尼率d 一定后，脱谐度v 较小时，恢复包 络线的幅值和增长速度均小，即弧隙恢复电压的最大值较小，上升速度较慢，有利 于绝缘的恢复和接地电弧的熄灭。 通过以上分析可知，由于消弧线圈的作用，降低了恢复电压的仞速度，延长了 故障相电压的恢复时间，并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重 燃，达到彻底熄弧的目的【2 1 1 。 2 3 新型中压配网接地方式 上面的分析表明，中性点经消弧线圈接地的配电网存在两个矛盾的方面：一 方面在发生单相接地故障时，希望消弧线圈能够完全补偿接地容性电流，即消弧 线圈电抗等于电网零序容抗值( 脱谐度为零) ，这样，不仅使接地电流接近于零， 而且恢复电压上升速度慢，从而电弧重燃的可能性大大降低。另一方面，在电网 ( 恢复) 正常运行时，要求消弧线圈电抗远离系统零序容抗值以避免产生串联谐 振和相应的过电压。 现有消弧线圈接地方式并不能同时满足上述要求。对于传统的非自动消弧线 1 7 华北电力人学ji ：稃硕十学位论文 圈，因容量不能自动调节，只能使电网运行于一定脱谐度下，这样，虽然不会形 成串联谐振条件，但过大的残流不利于熄弧，且恢复电压上升速度不能达到最慢。 现有的调匝式、调气隙式自动消弧线圈因响应速度慢，均采用预调谐消弧方式， 即在电网正常运行时将消弧线圈电抗调整至与电网零序容抗值相等，为防止串联 谐振产生的过电压，在电抗器回路中串接阻尼电阻。一旦发生单相接地故障，将 串接阻尼电阻短路。由于阻尼电阻靠机械丌关投切，故障率较高。 综上分析，配电网理想的接地运行方式应为：系统正常运行时，中性点对 地绝缘，完全避免了串联谐振回路的形成，此时，中性点对地不对称电压值很小； 电网发生单相接地故障瞬间，在电网中性点与地之间迅速投入消弧装置，保证快 速、准确地补偿接地电容电流至最小值( 消弧装置工作在全补状态) ，与此同时， 监控装置迅速、准确地选线。若故障为瞬间性的，通过补偿，可以使故障电弧自 动消除，系统恢复正常运行，若单相接地故障为永久性的，则一方面经过补偿的 接近零的小接地电流不致在短时间内烧损故障处电气设备绝缘，避免相间短路， 另一方面经过一定时问( 如数分钟) 运行后，自动切除和隔离故障线路，保证其 它线路的正常运行；电网恢复正常运行后，消弧线圈退出系统运行，电网返回到 中性点对地绝缘运行方式【3 7 ，3 8 1 。本研究提出在乌海配电网采用磁阀式消弧线圈就 是为了实现这种新的消弧接地运行方式。 2 4 本章小结 本章对消弧线圈接地系统的稳念、暂态特征和谐振接地原理进行了分析，得 出如下结论： ( 1 ) 消弧线圈的电感补偿了电网的接地电容电流，降低了接地故障电流的破 坏作用，并使接地电弧易于熄灭。 ( 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幅值，避免接 地电弧重燃。 ( 3 ) 在正常运行期间，为限制中性点位移过电压，要使消弧线圈适当偏离谐 振点运行，以利于电网的安全运行。 华北电力人学i ：程硕十学位论文 第三章乌海配电网系统现状 3 1 乌海配电系统接地方式 目前，乌海配电网系统建有5 座2 2 0 w 变电站和1 1 座1 1 0 w 变电站，其中8 座变电站中性点接地方式为消弧线圈接地，其它的均为不接地方式，乌海配电网 系统图如图3 1 所示。 图3 1 乌海配电网系统图 1 9 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 表3 1乌海各变电站小电流接地系统电容电流值及消弧线圈装设情况 电容电 序号站名母线编号 流实测消弧线圈型号 备注 值( a ) x h d ( 、- 一1 1 0 0 ，3 5 1 顺达站3 5 ii i 段母线 3 3 上海思源 2 五福站3 5wii i 段母线 1 4 9 无应加消弧线圈 3 伊和站3 5wii i 段母线 7 5 6 无 3 5wii i 段母线 4 5 x d z l 1 0 0 0 3 5 上海思源应更换人容量 4宝山站 3 5 w i i i 段母线 2 2 d z l 一1 0 0 0 3 5 上海思源 3 5wii i 段母线 1 8 9 6 5 黄河站3 5wi 段母线 7 3 3 无应加消弧线圈 3 5 i i 段母线 1 2 x d j l 一5 5 0 3 5 3 5wii i 段母线 4 4 3 北京电力设备总厂 6 海站 1 0 wi 段母线4 8 5 无应加消弧线圈 l o i i 段母线 4 8 5 3 5 i 段母线 1 5 1 2 x h d c 5 5 0 3 5l2 5 2 5 顺得特种变乐器厂 7 两米峰3 5 wi i 段母线 7 0 5 1 0 wii i 段母线 6 7 无 3 5 ii i 段母线1 5 x h d c 8 0 0 0 3 5 上海思源 8 海南地区变 1 0 wii i 段母线1 3 1 无 x d t c 1l0 0 3 5 9 哈图乌素 3 5wii i 段母线1 2 8 6 河北旭辉电气有限公司 1 0 岛兰站l o wi 段母线 l o 9 6 无 3 5 ii i 段母线7 1 3 6 无 l l 新地站 1 0 ii i 段母线9 3无 1 2巴音站3 5wii i 段母线3 0 2无 3 5wii i 段母线1 4 x d j l 一5 5 0 3 5l2 5 2 5 a 1 3岛达站 北京电力设备总厂 1 0 wii i 段母线1 2 无 x h d c 5 5 0 3 5l o - 2 5 a 1 4大桥变3 5wii i 段母线l o 8 3 上海思源 2 0 华北电力人学，i ：程硕十学位论文 3 2 乌海配电系统单相接地电流 近年来，乌海配网不断扩大，电缆线路长度猛增，配网系统对地电容和单相 接地电流越来越大。为了解乌海系统的接地电流的大小，我们对5 座2 2 0 w 和9 座1 1 0 w 变电站的配网系统( 接地方式均为中性点不接地) 的接地电流进行现场 测量，测量方法一般采用相对地外加电容法和仪器直接测量法。这两种测量方法 我们都有采用，但基本上是采用仪器直接测量法。 3 2 1 相对地外加电容法【2 0 】 相对地外加电容法测量方法比较简单，若利用得当，能较准确地测量电容电 流值，获得满足现场需要的数据。但是在实施这种测量方法时仍然需要直接接触 配网主回路，人员与设备安全仍得不到保证。另外由于涉及一次回路，因此操作 繁琐、准备工作时间长，通常大部分时间耗费在等待调度命令、开工作票、倒闸 操作及准备安全措施上，工作效率非常低。 相对地外加电容法测