电力系统中性点接地方式研究ppt课件.ppt

电网中性点接地方式 1 主要内容 一 110kV及以上电网中性点接地方式二 配电网中性点接地方式 110kV 500kV系统应该采用有效接地方式 即系统在各种条件下应该使零序与正序电抗之比 X0 X1 为正值并且不大于3 而其零序电阻与正序电抗之比 R0 X1 为正值并且不大于1 110kV及220kV电网中变压器中性点直接接地 部分变压器中性点经间隙 避雷器或经间隙与避雷器并联接地 330kV及500kV系统中变压器中性点直接接地 为限制电网单相短路电流 110kV及以上变压器中性点可采用低电抗接地 110kV及以上电网中性点接地方式 110kV 220kV变压器中性点保护 部分变压器中性点不接地 为了限制单相接地短路电流 防止通讯干扰和继电保护的整定配置等要求 一台变压器中性点直接接地 其余变压器的中性点经避雷器或保护间隙接地 或者经避雷器与保护间隙并联接地 金属氧化物避雷器保护 避雷器型号 110kV Y1 5W 60 144220kV Y1 5W 144 320缺点 发生单相接地且失地故障时 引起的过电压易使避雷器受损或爆炸 棒间隙参数 间隙结构 选用 12 16不锈钢棒 端部为半球头 间隙距离 110kV 220kV变压器分别选为105 115mm和255 300mm 缺点 采用分体式安装 距离调节不准 同心度差 放电后产生的电弧烧蚀电极 在雷电冲击下 产生截波 威胁设备绝缘安全 保护间隙不能自熄弧 需要靠继电保护切断电弧 引起继电保护误动 棒 棒间隙保护 缺点 避雷器保护水平 棒间隙动作特性与变压器中性点的绝缘水平之间的配合要求很苛刻 难以实现 避雷器与间隙并联保护 变压器中性点保护的发展 复合间隙可控间隙 复合间隙结构示意图 复合间隙 结构设计及优点 采用复合绝缘子作机械支撑 将高 低压电极固定在绝缘子两端 间隙电极为羊角形 其放电电极和燃弧电极分离 具有同心度好 距离确定准确 安装调试方便和耐烧蚀性能强 放电电压稳定等优点 克服了分体式安装棒间隙的固有缺陷 更适合变压器中性点保护 复合间隙 保护原则 1 在雷电过电压作用下 间隙应击穿 保护变压器中性点绝缘 其雷电冲击放电电压与变压器中性点的雷电冲击耐受水平协调配合 2 系统发生单相接地故障时 中性点绝缘能耐受故障产生的过电压 间隙不应击穿 以免继电保护误动 当系统发生单相接地且中性点失地 或系统出现非全相运行 谐振故障等引起高于一定幅值的工频过电压时 间隙应击穿 箝住系统中性点 限制变压器中性点过电压 复合间隙 3 为防止雷电侵入波引起误动 建议变压器中性点零序电流电压保护整定时间由现行的0 3 0 5s延长到0 8s 一次侧电流取50 100A 复合间隙 通过雷电冲击和工频放电试验 选取了复合间隙的各元件参数 复合绝缘子35kV 110kV等级羊角电极 14 75 直径为14mm 夹角为75 间隙距离110kV 70 100mm220kV 240 280mm 保护原理 可控间隙与避雷器并联使用 雷电及暂态过电压下 由避雷器动作限制过电压 可控间隙不应动作 当系统发生单相接地 不失地 故障时 此过电压对中性点绝缘无威胁 可控间隙不动作 发生工频过电压 孤立不接地系统单相接地且失地或非全相运行 时 可控间隙动作 保护变压器中性点绝缘和避雷器 可控间隙 结构 可控间隙主要由固定间隙 控制间隙和电容均压回路组成 羊角间隙用作固定间隙 采用真空开关控制可控间隙的自动击穿 可控间隙 可控间隙与避雷器并联保护示意图 电容均压回路 结论 复合间隙其放电电极和燃弧电极分离 具有同心度好 距离确定准确 安装调试方便和耐烧蚀性能强 放电电压稳定等优点 克服了分体式安装棒间隙的固有缺陷 更适合变压器中性点保护 为防止雷电侵入波引起误动 建议变压器中性点零序电流电压保护整定时间由现行的0 3 0 5s延长到0 8s 一次侧电流取50 100A 该产品已获国家实用新型专利 专利号为ZL200520000584 9 结论 可控间隙有效解决了间隙 避雷器及棒间隙与避雷器并联保护存在的问题 可控间隙与避雷器并联可有效保护变压器中性点 该产品已获国家实用新型专利 发明专利正在审批之中 配电网中性点接地方式 中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点经低电阻接地中性点经高电阻接地中性点经消弧线圈并联电阻接地 中性点不接地方式主要应用于电网的电容电流不大于10A的配电网中 优点可带故障持续运行两小时 供电可靠性高 发生单相接地故障时流过故障点的电流为电容电流 跨步电压和接触电压低 对信息系统的干扰小 缺点当电网发生单相接地故障时 还存在产生间歇性弧光接地过电压的概率 会发展成相间短路故障 造成事故的扩大 中性点不接地 电网的电容电流大于10A时应采用消弧线圈接地 优点 补偿电容电流 减缓恢复电压的上升速度 有利于接地电弧的熄灭 降低了间歇性弧光接地过电压发生的概率 使得大多数瞬时性接地故障自动消失 消弧线圈的感抗比电磁式电压互感器的励磁电抗小的多 两者处于并联状态 能够抑制电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振现象 中性点经消弧线圈接地 缺点 消弧线圈接近于全补偿运行时 会放大中性点的位移电压 出现 虚幻接地 现象 消弧线圈接地仅能降低发生弧光接地过电压的概率 并不能完全消除弧光接地过电压 单相接地故障选线准确率低 中性点经消弧线圈接地 配电网中性点经电阻接地分为 高阻接地和低电阻接地 其接地点阻性电流的范围如下所示 中性点经电阻接地 中性点经电阻接地方式的划分 电容电流小于10A的电网 为限制暂态过电压和实现单相接地故障准确选线 中性点宜采用高阻接地 可以抑制和阻尼间歇性弧光接地过电压和多种谐振过电压 使过电压倍数降低到3 0p u 以下 可以利用零序有功分量方法实现单相接地故障准确选线 高电阻接地 纯电缆网络或以电缆为主的电网 中性点可采用低电阻接地 不宜在架空网络或架空电缆混合网络中应用 可降低暂态过电压 使过电压倍数降低至2 5p u 以下 可快速切除单相接地故障线路 低电阻接地 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式充分发挥了消弧线圈补偿电容电流和中性点电阻释放线路残余电荷的优点 可以有效限制暂态过电压 实现单相接地准确故障选线 中性点经消弧线圈并联电阻接地 中性点经消弧线圈并联电阻接地装置主要由可自动调谐的消弧线圈 中性点接地电阻器 控制器以及相应的检测元件等组成 消弧线圈并联电阻接地装置 T为接地变压器 L为可自动调谐的消弧线圈 Rb为中性点接地电阻器 用于抑制电网内部过电压以及实现单相接地故障选线 KG为开关 用于控制中性点接地电阻器的投切 CT1 CT2 CTn为线路零序电流互感器 用于出线零序电流的监测 实现单相接地故障选线 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式以可自动调谐的消弧线圈为基础 配以中性点并联接地电阻器 以达到补偿电容电流 降低过电压水平 实现单相接地故障线路检测的功能 按照电网正常运行 电网发生单相永久性接地故障分别介绍该中性点接地方式的运行控制策略 消弧线圈并联电阻接地的工作原理 当电网正常运行时 中性点长期接入消弧线圈和接地电阻器 充分发挥中性点接地电阻抑制谐振过电压的作用 若装置采用预调节方式 则实时跟踪电网参数的变化 需要调整时 控制器发出指令自动调整消弧线圈的档位 保证消弧线圈始终工作在残流为最小的最佳工作点 等待电网接地故障的发生 若装置采用跟踪调节方式 则装置只实时跟踪电网参数的变化 不需要实时调整消弧线圈的档位 只在故障时迅速调节消弧线圈的档位至最佳补偿档 电网正常运行 若故障为永久性单相接地故障 进行故障选线 中性点接地电阻的接入将有利于电弧熄弧和重燃过程中积累的多余电荷的释放 大大限制了弧光接地过电压的幅值 中性点接地电阻的切除使控制器得到了充分的故障选线信息 便于快速做出选线判断 选线后可给出报警信号或使相应线路断路器跳闸以跳开故障线路 电网发生单相永久性接地故障 配电网中常见的过电压主要有以下几种类型 线性谐振过电压 间歇性电弧接地过电压 铁磁谐振过电压 包括断线谐振过电压以及PT饱和过电压 对电网过电压的抑制作用机理分析 电力网中不带铁芯的电感元件 如输电线路的电感 变压器的漏感等 或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件 如消弧线圈等 和电网中的电容元件 如线路对地电容等 在电网不对称电压的作用下由于发生串联谐振而产生的过电压 称为电网的线性谐振过电压 电网线性谐振过电压最常见的表现形式就是中性点电压的位移现象 在DL T620 1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 电力行业规程对中性点位移电压的数值做出了如下明确的要求 消弧线圈接地系统 在正常运行情况下 中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15 对线性谐振过电压的抑制作用分析 对线性谐振过电压的抑制作用分析 电网正常运行时 经消弧线圈接地电网的零序等值电路是一个串联谐振电路 如下图所示 图中L gL分别为消弧线圈的电感和等值电导 C g为电网每相对地电容和对地泄漏电导 Uun为不对称电压 由右图求得中性点位移电压 式中d 电网的阻尼率 v 电网的脱谐度 正常绝缘的架空网络 对地泄漏电导g不超过对地电容的3 5 电缆网络的对地泄漏电导g不超过对地电容的2 4 消弧线圈的等值电导约为电抗值的1 5 2 0 架空线路的不对称电压一般为相电压的0 5 1 5 个别可达2 5 以上 电网经消弧线圈接地时 当电网的Uun 2 5 d 5 接地残流5A条件下的不同电网规模的中性点位移电压Uo如下 对电网线性谐振的限制效果分析 可以看出电容电流超过30A时 Uo将超过15 而采用中性点经消弧线圈并联电阻接地方式后 直至电网电容电流达80A Uo仍小于15 尚可满足规程DL T620 1997中相关规定的要求 电网规模超过80A时 电网结构将主要以电缆线路为主 不对称电压Uun会大大减小 能够保证相应中性点位移电压不超过15 因此 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中 中性点接地电阻能够有效限制中性点单一经消弧线圈接地引起的线性谐振现象 对电网线性谐振的限制效果分析 电力系统中的电容 电感元件均为储能元件 当有操作和故障使电网工作状态发生变化时 将产生振荡性的过渡过程 在此过程中 由于电感元件中储存的磁场能会在某一瞬时转化为电场能储存于电容元件中 产生数倍于电源电压的过渡过程过电压 即所谓操作过电压 它的能量来源于电力系统本身 因而这类过电压的幅值与系统额定电压大致成正比 通常用系统的最高运行相电压幅值的倍数表示过电压数值的大小 对间歇性弧光接地过电压的抑制作用 操作过电压的大小与电气设备的特性 以及系统结构 运行参数 操作或故障形式等因素有关 具有明显的随机性 在中性点非有效接地电网中 最常见的操作过电压是间歇电弧接地过电压 又称为弧光接地过电压 在接地故障电流每次自然过零时 接地电弧会有一个短暂的熄弧时间 当电弧通道的恢复电压大于其介质恢复强度时 则电弧发生重燃 间歇性弧光接地过电压 若接地电流值很大 弧道的游离很强 可以认为电弧是稳定燃烧 电流值很小 弧道的绝缘强度恢复很快 电弧难以重燃 暂时熄弧可转变为永久性熄弧 不大不小时 将形成时断时续的间歇性电弧接地现象 间歇性电弧使电网运行状况重复发生变化 导致电网中电感 电容回路的电磁振荡 在非故障相 故障相及中性点上出现暂态过渡过程并随之产生过电压现象 这就是间歇性电弧接地过电压 又叫弧光接地过电压 严重的弧光接地过电压的产生是因为电网中能量的不断积聚所致 间歇性弧光接地过电压的产生机理 只要在电网中性点安装一个适当大小的泄漏电阻 就可以从根本上解决这一问题 从限制过电压角度考虑 在电弧点燃到熄灭过程中 电网所积聚的多余电荷在电弧熄灭后半个工频周波内如果能够通过电阻泄漏掉 则中性点位移电压将几乎为零 不致引起高幅值的过电压 同时接地电阻的存在也大大降低了故障相恢复电压的上升速度 减少了电弧重燃的可能性 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式能够有效抑制间歇性电弧接地引起的弧光接地过电压 间歇性弧光接地过电压的抑制机理 通过对中性点不接地系统 经消弧线圈接地 经高阻接地和中性点经消弧线圈并联电阻接地不同接地方式下弧光接地过电压理论和详细数值计算分析 证明中性点经消弧线圈并联电阻接地方式能够有效弧光接地过电压 获得结论如下 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式与中性点经高阻接地以及经消弧线圈接地比较 能够进一步降低弧光接地过电压的幅值 间歇性弧光接地过电压的抑制效果 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中 消弧线圈工作在全补偿附近时 电感电流补偿了电网的接地电容电流 使接地电弧易于熄灭 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 此时即使发生弧光接地 其过电压幅值也大大降低 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式将弧光接地过电压由中性点不接地时的4 924p u降至2 553p u 间歇性弧光接地过电压的抑制效果 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中 在脱谐度绝对值相等条件下 消弧线圈工作在过补偿和欠补偿状态下的弧光接地过电压幅值相差不大 与发生PT谐振和断线谐振过电压时消耗在电阻上的瞬时功率比较 发生弧光接地过电压时最大 中性点接地电阻的瞬时功率为169 91kW 间歇性弧光接地过电压的抑制效果 在电力系统的振荡回路中 往往由于铁心电感的饱和作用而激发起持续性的幅值较高的过电压 即铁磁谐振过电压 35kV以下的配电网中存在两种典型的铁磁谐振过电压 分别为断线谐振引起的过电压和PT饱和引起的过电压 统称其为非线性谐振过电压 它具有和线形谐振过电压以及间歇性电弧接地过电压完全不同的特点和性质 在不同参数配合下可能发生基波 分频和高频谐振过电压 铁磁谐振过电压 在电力系统中 因导线的折断 断路器非全相动作或严重的不同期操作 高压熔断器的一相或两相熔断等造成系统非全相运行时所出现的铁磁谐振过电压 都属于断线谐振过电压 发生断线时 通常是三相对称电势向三相不对称负载供电 回路较复杂 并有非线性元件 所以 需利用戴维南定理和对称分量法 将三相电路转化为单相等值电路 整理成最简单的LC串联回路 然后 再分析产生谐振的条件 进行计算分析 设有一相导线折断发生断线故障 断线有三种形式 断线不接地 断线电源侧接地 断线负荷侧接地 对断线谐振过电压的抑制作用 断线形式的等值电路 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下三种断线形式的等值电路 发生断线电源侧接地故障时 由于电源的内阻很小中性点接地电阻相当于并联在电网电源的两侧而被短接 所以对于该种情况下的断线谐振过电压的抑制几乎不起作用 故无法消除断线电源侧接地时的断线谐振过电压 当发生断线负荷侧接地故障时 中性点接地电阻的接入使等值串联谐振回路的损耗加大 使谐振被阻尼掉 对断线不接地 中性点电阻对于电源侧和负荷侧的断线故障所引起的谐振过电压均有一定抑制作用 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式中 中性点接地电阻能够有效抑制断线谐振引起的过电压 对断线谐振过电压的抑制作用 在中性点非有效接地系统中 为了监视绝缘状况 发电厂 变电站母线上通常有Y0接的电磁式电压互感器 即PT 正常运行时 电磁式电压互感器具有很高的励磁阻抗 所以网络对地阻抗仍呈容性 三相基本平衡 在某些切换操作或者在接地故障消失后 它与导线电容或其他设备的杂散电容间形成特殊的三相或单相共振回路 并能激发起各种谐波的铁磁谐振过电压 称为PT饱和过电压 对PT饱和过电压的抑制作用 从危害性来说 分频谐振过电压是最大的 它会使得大大增加的励磁电流持续时间很长 烧毁互感器的保险丝 互感器严重过热而冒油 甚至爆炸 电压互感器的饱和过电压具有明显的零序性质 配电网中性点接有电阻后 相对固定了电网中性点电位 使之难以升高 另外 中性点电阻相当于并联在三相对地电容上的旁路电阻 也就相当于在谐振回路中附加了一个相当大的损耗 对限制PT饱和过电压的效果很明显 因此 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式能够有效抑制PT饱和引起的过电压 对PT饱和过电压的抑制作用 假定线路L3的C相发生接地故障 则中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下电网电容电流的分布如下 单相接地故障选线原理 忽略线路的泄漏电导 发生单相接地故障时中性点接地电阻产生的阻性电流只流经中性点至故障线路接地点电源侧的部分 其电网等效电路如下 单相接地故障选线原理 其中 C 为全网的对地等效电容 L为消弧线圈电感 Rb为中性点接地电阻器 R为接地点过渡电阻 Ec为电网C相等值电势 电网中性点接入电阻Rb后零序电压Uo降低 其表达式为 单相接地故障选线原理 由于消弧线圈的补偿作用 接地电故障电流中的无功分量大大减少 但是由于中性点接地电阻器的作用 使得接地残流中存在一定的有功电流分量 接地点故障电流的表达式为 单相接地故障选线原理 非故障线路L1 L2的零序电流仍然为原线路的对地电容电流 其相位超前零序电压90 其表达式分别为 单相接地故障选线原理 在电网发生单相接地故障故障的情况下 故障线路始端与故障点之间增加了由于中性点电阻产生的有功电流 其相位与零序电压相差180 过补偿时故障线路的无功电流为感性 超前于零序电压90 因此零序电流与零序电压之间相位差大于90 而小于180 对于故障线路L3其零序电流的表达式为 单相接地故障选线原理 利用ATP电磁暂态程序对中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下的单相接地故障选线进行了数值仿真计算 其电网计算原型为某110kV变电所母线所连的设备和线路 为使该计算分析结果具有代表性 还考虑了该电网运行方式的变化以及未来的发展规划 其计算用网络接线图下 单相接地故障选线仿真 非故障线路零序电流有功增量的计算结果 故障线路零序电流有功增量的计算结果 不同的电网规模情况下零序有功电流的分布有着明显的规律 即流过故障线路的零序电流有功增量远大于非故障线路的零序电流有功增量 并且随着故障线路的电容电流占整个电网电容电流比例的减小 故障线路零序有功电流增量绝对值相应有所减小 但是过渡电阻在1000 以内时 故障特征仍然比较明显 因此在中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下可以利用零序有功电流的增量作为检测量进行单相接地故障选线 该选线方法具有原理简单 结果可靠 实现方便 对过渡电阻的适应能力强以及排除了不平衡电流的影响等优点 单相接地故障选线分析结论 为充分验证该成套装置的各项性能 2005年12月25日 南方电网公司广西电力试验研究院 广西电网公司钦州市供电局联合在广西钦州供电局110kV望贤变电站进行了多次现场人工单相接地试验 现场试验验证 1 试验结果证明该成套装置在过渡电阻 3070欧姆时 选线准确率100 现场试验验证结论 2006年4月15日 华北电网张家口供电公司 怀安供电局在张家口供电公司110kV柴沟堡变电站进行了多次不同过渡电阻下的现场人工单相接地试验 现场试验验证 2 试验结果证明该成套装置在过渡电阻 4300欧姆时 选线准确率100 在过渡电阻 2000欧姆时 故障区段指示定位的准确率100 经过一年的运行 过电压抑制效果明显 同比设备损坏率大幅下降 该项目被评为华北电网公司2006年度科技成果二等奖 现场试验验证结论 10kV配电网单相接地故障电弧自熄特性研究配电网电容电流分布式补偿方式的研究配电网故障隔离智能开关的研制 最新的研究成果 消弧线圈在电网中运行时 若过分强调使故障电流补偿得很小甚至为零 即全补偿 可能发生虚幻接地或使接地设备运行比较复杂 将消弧线圈补偿后的故障电流为多大合适 是电网运行单位高度关注的问题 单相接地故障电弧自熄特性研究 设计了研究10kV配电网单相接地故障电弧自熄特性的模拟试验回路 对集中参数模拟回路与实际10kV系统的等效性进行了分析 在中性点不接地和消弧线圈补偿方式下 对10kV典型绝缘间隙 当单相接地电流为5 30A时 对单相接地故障电弧自熄特性进行了大量的模拟试验 计算电弧自熄概率 单相接地故障电弧自熄特性研究 单相接地故障电弧自熄特性研究 将60种情形进行组合 共完成了3600次单相接地故障电弧模拟试验 单相接地电弧试验模拟回路 单相接地故障电弧自熄特性研究 采用高速摄像仪拍摄的电弧录像 单相接地故障电弧自熄特性研究 单相接地故障电弧的自熄概率统计表 结论 当电网电容电流不超过10A时 可采用中性点不接地方式 若电容电流超过10A 宜采用消弧线圈并联电阻接地方式 消弧线圈过补偿方式下的残流可控制在15A以下 电弧自熄概率达到93 33 以上 电网采用消弧线圈补偿方式运行时 故障残流可控制在10A以下 没有必要过分强调使故障残流限制得很小或实现全补偿 以避免引起虚幻接地或导致接地设备运行过于复杂 单相接地故障电弧自熄特性研究 近几年来 随着配电网的发展以及电缆线路的增多 经常造成新投运的消弧线圈补偿装置运行一段时间后容量不足 对此问题通常的解决方案是对消弧线圈以及相应接地变压器等设备全部进行更换增容 替换下来的补偿设备往往得不到充分的利用 从而造成了设备和资金上的浪费 这个问题在经济飞速增长地区尤为突出 电容电流分