变 配 电 工二.ppt

变配电工 于庆明山东煤炭技术学院二O一一年元月 煤矿电网中性点运行方式及高压选择性漏电保护 山东煤炭技术学院二O一一年元月 中性点运行方式单相接地的危害电容电流的治理选择性漏电保护 一电网中性点运行方式 中性点的运行方式指的是中性点与大地之间的连接关系 中性点运行方式的选择主要取决于单相接地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性 中性点运行方式的不同 直接影响到安全和经济问题 需要进行综合比较分析 1中性点运行方式的种类 大接地电流系统1 直接接地 又称为有效接地2 经低阻接地小接地电流系统1 不接地 又称为中性点绝缘2 经消弧线圈接地3 经高阻接地 中性点运行方式的种类 关于煤矿电网中性点运行方式的规定 煤矿安全规程 第443条规定 严禁井下配电变压器中性点直接接地 严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电 我国 苏联 西德等国井下采用中性点不接地系统 其它国家 如英国采用中性点经高电阻接地的系统或其它类型的接地系统 我国煤矿地面变电所一般采用中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地的系统 2中性点不接地方式 主要特点 单相接地电流小适用范围 3 10kV电网 因为在这类电网中 发生单相接地故障的比例很大 采用中性点不接地方式可以减少单相接地电流 从而减轻其危害 分析 单相接地电流 单相接地时的各相对地电压 中性点不接地方式 正常运行 三相对称 没有电流在地中流过 中性点对地电位为0各相对地电压等于相电压 其中C为电网对地电容 高压电网忽略电网对地绝缘电阻R 中性点不接地方式 单相接地 当发生金属性接地时 接地故障相对地电压为零 中性点对地的电压上升到相电压 且与接地相的电源电压相位相反 非故障相对地电压由相电压升高为线电压 三相的线电压仍保持对称且大小不变 对电力用户接于线电压的设备的工作并无影响 无须立即中断对用户供电 单相接地电流 等于正常运行时一相对地电容电流的三倍 为容性电流 中性点不接地方式 单相接地电流 电网模型 假设电网三相对称 忽略电网对地绝缘电阻 只考虑电网对地电容 电网正常时 三相电压对称 三相经对地电容流入大地的电流相量和为零 即没有电流在地中流动 各相对地电压等于相电压 发生单相接地时 接地相对地电压为零 而非故障相对地电压变为线电压 因而容易造成两相短路 单相接地电流 单相接地故障对电网的影响 单相接地时 由于线电压保持不变 使负荷电流不变 电力用户能继续工作 提高了供电可靠性 由于接地点的电弧或者由此产生的过电压可能引起故障扩大 发展成为多相接地故障 非故障相电压升高到线电压 所以在这种系统中 电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑设计 从而相应地增加了投资 在中性点不接地系统中 应装设交流绝缘监察装置 当发生单相接地故障时 立即发出信号 规程规定 系统发生单相接地时 继续运行的时间不得超过2h 并要加强监视 由于煤矿井下巷道狭窄 空气潮湿 电气设备和电缆的绝缘容易受潮 电缆也可能遭受脱落的岩石和煤块砸坏 甚至被移动的机器设备等挤压 从而造成漏电和接地事故 据有关的统计资料记载 在此情况下 80 以上的电气短路故障都属于单相漏电和接地事故 单相漏电和接地故障 有可能带来巨大的危害 如引起人身触电 瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发事故 对通讯 控制线路产生电磁干扰 此外 单相间歇性电弧接地还有可能产生过电压 线路对地电容与电感元件之间也有可能引起铁磁谐振过电压 使那些绝缘薄弱环节相继击穿 同时 单相接地电弧又可能进一步烧坏相间绝缘 所有这些都有可能造成相间短路 引起电缆放炮或电气设备烧毁等严重事故 单相接地对煤矿的危害 适用范围 单相接地电流与电网电压和电网对地电容有关 对于短距离 电压较低的输电线路 因对地电容小 接地电流小 瞬时性故障往往能自动消除 故对电网的危害小 对通讯线路的干扰小 对于高压 长距离输电线路 单相接地电流一般较大 在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃 出现间歇电弧 引起电网产生高频振荡 形成过电压 可能击穿设备绝缘 造成短路故障 为了避免发生间歇电弧 要求6 10kV电网单相接地电流小于20A 因此 中性点不接地方式电缆供电距离比较长的煤矿不适宜 煤矿安全规程 第457条规定 矿井高压电网 必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上 必须装设有选择性的单相接地保护装置 供移动变电站的高压馈电线上 必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置 中性点不接地的高压电网 接地电流主要成分为电容电流 而矿井电网供电主要采用电缆线路 其对地电容大 造成单相接地电流大 单相接地电流过大可能引起电气火灾和电雷管超前引爆等事故 规程规定接地网上任一保护接地点的接地电阻值不得超过2欧姆 为保证在发生单相接地故障时产生的接地电压不超过安全电压系列的最高值42V 则单相接地电流应限制在21A以下 故规程规定高压电网的单相接地电容电流不超过20A 457条规定的含义 电网对地电容电流的测量 直接接地测量很危险 对电网有冲击和损坏 经电容接地测量也较危险 电容需要最后放电 测量方法 停电后在某一相并入电容并接地 送电后测量电容电压U2 已知电网相电压U1和并联电容C1 电网电容C C1 U1 U2 U2 经电阻接地比较安全 测量也很准确 方法是首先使一出线停电 然后将某一相经电阻接地 最后送电 测量电网中性点对地电压和流过电阻的电流 根据公式算出电网对地电容电流 3单相接地电容电流的治理 限制单相接地电容电流的方法主要有 改变系统运行方式缩小系统规模改变中性点接地方式采用接地分流装置 改变系统运行方式 该方法一般将系统运行方式由并列运行改为分列运行 相当于将6kV大系统分为2个或多个小系统 一般适用于电网规模不大 且从经济上考虑具备分列运行条件的系统 缩小系统规模 该方法采用6kV隔离变压器 将6kV大系统从根本上分隔为多个接地小系统 该方法因为采用6kV隔离变压器 造价较高 损耗加大 且系统的运行方式不灵活 同时会造成系统构造复杂化 治理方法综述 采用接地分流装置 接地分流装置从严格意义上讲并非一种完善的治理方案 它的主要作用仅是在发生单相电弧接地时 利用并联分流原理 将不可控的接地点变为实接地点 使故障接地点的电弧熄灭 但系统单相接地电容电流值并未减小 分流装置对系统发生金属性接地不起作用 对电容电流危害的治理仅起到部分作用 因此该方法不符合 煤矿安全规程 要求 同时该方法安全性较差 不建议采用 治理方法综述 治理方法综述 不符合 煤炭安全规程 的要求 接地点的电流很难控制在治理要求达到的残流5A以下 选线困难 对抑制间歇性电弧接地过电压效果差 会使非故障相电压无论在发生何种接地故障时都上升为线电压 对电缆绝缘构成威胁 接地分流装置鉴相错误时 容易造成事故扩大 治理方法综述 改变中性点接地方式 即将中性点不接地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统 利用消弧线圈产生的电感电流抵消系统的单相接地电容电流 从根本上使接地故障点的接地电流减小 随着技术的发展 目前自动跟踪补偿消弧线圈技术已经成熟 将中性点接地方式由中性点不接地改造为中性点经消弧线圈接地是治理电容电流超标的最有效解决方法 4中性点经消弧线圈接地 原理 单相接地电流主要是电容电流 如果能够在发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流 则单相接地电流将大减小 方法就是在中性点处加入消弧线圈 消弧线圈的工作原理 消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈 线圈的电阻很小 消耗功率小 电抗很大 保证对地绝缘水平 电抗值可用改变线圈的匝数来调节 发生单相接地故障时 通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流 从而减小 甚至抵消接地电流 消除接地电弧引发的问题 提高供电可靠性 中性点经消弧线圈接地情况 中性点经消弧线圈接地时电流向量图 电容接地电流消弧线圈流过的电流完全补偿的条件即有 消弧线圈的补偿方式 完全补偿消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流 接地处电流为0 易满足谐振条件 形成串联谐振 产生过电压 欠补偿电感电流小于接地电容电流 单相接地时接地电流为容性 因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少 可能出现完全补偿 故一般也不采用 过补偿电感电流大于接地电流 单相接地电流为感性 过补偿方式在电网中得到广泛使用 但过补偿程度要合适 自动跟踪补偿单片机或微机控制 中性点经消弧线圈接地系统的适用范围 中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统同样有着在发生单相接地故障时 可继续供电2小时 提高供电可靠性 电气设备和线路的对地绝缘应按线电压考虑 中性点经消弧线圈接地后 能有效地减少单相接地故障时接地处的电流 迅速熄灭接地处电弧 防止间歇性电弧接地时所产生的过电压 故广泛应用在不适合采用中性点不接地的3 35kV系统 自动跟踪补偿的消弧线圈可以实时跟踪电网系统单相接地电容电流变化情况 调节出不同的感性电流进行补偿 高压电网单相接地电流主要是电容电流 因此可使故障点的单相接地电流减小到最小 自动跟踪补偿消弧线圈原理 单相接地电流的计算 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时如上页图所示 A相接地 图中L为消弧线圈电感 r1 r2 r3分别表示各相对地的分布绝缘电阻 C1 C2 C3分别表示各相对地的分布电容 仍设r1 r2 r3 r C1 C2 C3 C 由前面的分析可知电网的单相接地电流为 从上式中可以看出 当电网中性点经消弧线圈接地后 单相接地电流将大大降低 特别是当IL IC时 单相接地电流IC仅为很小的有功电流Ir 可以看出 消弧线圈仅在电网发生接地故障时起作用 因当电网中无接地故障正常运行时 电网中性点对地电位接近于零 消弧线圈中自然就不会有电感电流IL流过 故此时与中性点不接地系统的正常运行情况相似 为了讨论问题的方便 引入使用消弧线圈时的两个参数 a 消弧线圈补偿状态的脱谐度 定义为 b 电网的阻尼率d 定义为电网的单相接地电流有功分量与单相接地电容电流之比 即 可见 在忽略消弧线圈电阻影响的情况下 补偿电网的阻尼率与中性点不接地系统一样 根据前面分析 可知 1 当 0 称消弧线圈处于全补偿状态 此时Ic IL IE最小 全部为电阻性电流 2 当 0 称消弧线圈处于欠补偿状态 此时Ic IL IE以电容性为主 3 当 0 称消弧线圈处于过补偿状态 此时Ic IL IE为感性电流 中性点经消弧线圈接地系统的接地电流 电压相量图 a 全补偿 b 欠补偿 c 过补偿 自动跟踪补偿消弧线圈分类按调节原理 预调式 是指电网无接地故障情况下 消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置 一般需加装阻尼电阻 以保证中性点位移电压不大于额定相电压的15 随调式 是指电网无接地故障情况下 消弧线圈处于欠补偿状态 在电网发生单相接地故障时 消弧线圈自动调谐到合理补偿位置 不需阻尼电阻 但接地瞬间无法达到全补偿 按调节方法 有档调节 调节精度低 残流大 一般有调匝式 调容式 无级调节 调节精度高 残流小 一般有调感式 偏磁式 常用的自动跟踪补偿消弧线圈形式 调匝式调气隙式 动铁式 偏磁式 直流助磁式 磁阀式调容式调感式 调匝式 利用有载开关调节消弧线圈上设置的若干分接头 实现电感量的有级调整 所需设备 接地变压器 抽头式消弧线圈 高压有载开关 阻尼电阻箱 壳体 控制柜 调节方式 有档调节 预调式 优点 容量大 缺点 有档调节 调节精度低 调节速度慢 调气隙式 改变磁路中的气隙长度实现电感量的连续可调 所需设备 接地变压器 可调气隙消弧线圈 电动机及其机械传动部件 阻尼电阻箱 开关柜壳体 调节方式 无级调节 预调式 优点 连续无级可调 缺点 要求采用精密的机械传动部件 响应速度慢 噪声大 机构易失灵 该类型基本已经淘汰 偏磁式 通过改变铁芯磁化段磁路上的直流助磁磁通大小来调节交流等值磁导以实现电感的连续可调 所需设备 接地变压器 可助磁消弧线圈 控制柜 含直流助磁回路 壳体 调节方式 无级调节 随调式 优点 连续无级可调 缺点 随调式 需外部直流电源 响应时间一般大于20ms 维护量大 磁阀式 利用自耦励磁技术控制铁心的饱和程度 实现对补偿电流的连续调节 所需设备 接地变压器 磁阀式消弧线圈 控制柜壳体 调节方式 无级调节 随调式 优点 连续无级可调 缺点 随调式 响应时间一般大于20ms 调节原理复杂 易发生故障 调容式 采用改变消弧线圈二次侧低压电容电流的方法来调节消弧线圈的电感电流 所需设备 三相五柱消弧线圈 多组电容器 阻尼电阻箱 控制柜 壳体 调节方式 有档调节 预调式 优点 调节范围大 缺点 有档调节 调节精度低 占用设备多 维护量大 故障扩大可能性大 调感式 采用改变消弧线圈二次侧低压电感电流的方法来调节消弧线圈的电感电流 以实现电感的连续可调 所需设备 三相五柱消弧线圈 电抗器 阻尼电阻箱 壳体 调节方式 无级调节 预调节 优点 连续无级可调 调节精度高 缺点 单体容量超过80A 体积过大 返回 XBSG系列自动跟踪补偿消弧线圈介绍 XBSG系列自动跟踪补偿消弧线圈是中国矿业大学电气安全与智能电气研究所在国家 七五 攻关项目研究基础上自主开发的产品 申请了三相五柱式消弧线圈专利 并获得煤炭部二等奖 教育部三等奖等荣誉 由徐州和纬信电科技有限公司独家生产 现已得到广泛应用 该系列消弧线圈采用预调式调节原理 调感式无级调节方法 干式H级绝缘结构 单柜室内安装 构成 三相五柱干式消弧线圈1台 低压电抗器2台 阻尼电阻箱1台 控制器1台 控制器附件1套 高压开关柜壳体及附件1套 型号含义 工作原理 XBSG系列消弧线圈工作原理图L 三相五柱消弧线圈 L1 L2 低压电抗器 RL 阻尼电阻SCR1 SCR4 可控硅 KM 低压交流接触器主触点 工作原理 三相五柱消弧线圈将消弧线圈固定补偿部分与接地变压器合二为一 电网无接地故障时相当于接地变压器 有接地故障发生时 相当于接地变压器与固定补偿电感 通过调整三相五柱消弧线圈边柱磁路气隙的大小 即可调节固定补偿电感电流大小 5 20A 通过可控硅接通低压电抗器L1 L2 调整可控硅的导通角 即可调节副边电感电流的大小 从而改变原边的电感电流 实现消弧线圈电感电流对电网对地电容电流的自动跟踪补偿 二次线圈上还经过交流接触器的接点KM接通一阻尼电阻RL 限制谐振过电压 抑制铁磁谐振过电压 XBSG系列消弧线圈成套装置技术特点 预调式 无级调感式调节 消弧线圈采用三相五柱结构 将消弧线圈和接地变压器合二为一 H级绝缘 单柜室内安装 二次调感式自动跟踪补偿 无机械传动部分 响应速度快 调节精度高 残流小 采用预调节技术可时刻跟踪显示电网电容电流值 且对电网无注入谐波污染 采用高性能控制器 具有电网电容电流值 电网电压 零序电压值测量功能 具有自动或手动运行方式 补偿脱谐度或档位 通道精度等整定功能 具有补偿 故障等参数追忆功能 具有零序过压 过流 五防闭锁 短路等保护功能 具有RS232 RS485通信接口 便于接入变电站综合自动化系统 可实现遥控 遥测 遥信 遥调 XBSG系列消弧线圈成套装置技术参数 额定电压为6 10kV 额定电流为40A 50A 60A 70A 电感电流调节范围 10 40A 20 50A 20 60A 30 70A或用户要求 控制部分工作电源 DC220V 10 开关柜柜型 GG1A KGN安装柜柜型 KYN28A KYN18 KYN10JYN2 定制柜等 KYN28柜型 定制柜型 GG1A柜型 KGN柜型 JYN2柜型 1 问题的提出 煤矿安全规程 第457条规定 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上 必须装设有选择性的单相接地保护装置 供移动变电站的高压馈电线上 必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置 井下低压馈电线必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置 保证自动切断漏电的馈电线路 二高压选择性漏电保护 2 单相接地分析首先分析一下电网发生单相接地 包括直接接地和经一过渡电阻接地 故障时 电网零序电压及零序电流的分布情况 中性点不接地电网发生单相经电阻接地等效电路如上页图所示 由于A相对地经电阻RE接地 RE 0为直接接地 破坏了原电网对地阻抗的对称性 使电源的中性点对地电压不再为零 假设中性点对地电压为UN 并忽略线路的阻抗 则电网每相对地电压为 通过每相对地电容C和接地电阻RE的电流之和为零 即 根据对称分量法的原理 实际上UN就是零序电压U0 则 由于只有零序电流可以流入大地 和接地故障点构成回路 总的零序电流之和就等于流过接地电阻的电流IE 方向相反 上页图是将电网所有支路的对地电容用集中的电容表示 而我们更关心的是每条支路零序电流及其方向 下图为电网发生单相接地故障时的零序等效电路 单相接地故障时的零序等效网络及其相量图a 零序等效网络b 相量图 从图中可以看出 流过故障支路零序电流互感器 LH1 的零序电流是所有非故障支路零序电流之和 方向是由支路指向母线 流过非故障支路零序电流互感器 LH2 LH3 的零序电流就是本支路的零序电流 方向是由母线指向支路 目前6 10kV电网的接地保护多采用零序电流 零序无功功率方向等的保护原理 其中零序电流原理是基于故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点 区分出故障和非故障元件 从而构成接地保护 零序无功功率方向原理是利用故障线路零序电流 线路流向母线 滞后零序电压90 非故障线路零序电流 母线流向线路 超前零序电压90的特点来实现 由于这一原理对零序电流的大小要求降低 使之在实际电网中得到广泛应用 但其对零序电流互感器的角特性要求较高 0 0 对中性点不接地电网的 显然 通过零序电流的大小和方向是很容易区分故障支路和非故障支路的 即流过故障支路零序电流互感器的零序电流大于流过非故障支路零序电流互感器的零序电流 方向正好相反 中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障 就相当于流过故障支路零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性电流 方向由支路指向母线 其矢量关系 过补偿 如下图所示 从矢量图可看出 由于消弧线圈电感电流的加入 使流过故障支路零序电流互感器的电流性质变得不确定 即此时流过故障支路零序电流互感器的电流由原来的电容性电流变成 电感性电流 过补偿 或者电容性电流但幅值减小 欠补偿 或者电阻性电流 即非故障支路对地绝缘电阻电流之和 全补偿 显然 用前面的零序电流原理 零序电流功率方向原理来区别故障支路与非故障支路是不行的 给接地保护带来困难 3 其他类型的接地保护原理 1 首半波保护原理解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题 可利用接地故障发生瞬间的暂态电流来实现接地保护 即首半波原理 该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设而提出的 当相电压接近最大值时 若发生接地故障 则故障相电容通过故障线路向故障点放电 故障线路电感和分布电容使电流具有衰减振荡性 对于中性点经消弧线圈接地系统 由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值的瞬间 而接地故障发生在相电压接近最大值瞬间时 消弧线圈中的暂态电感电流接近于零 其过渡过程与中性点不接地系统的近似相同 故可利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护 从上述此原理的工作特点可知 根据首半波保护原理工作的接地选线装置 显然不能反映相电压较低 非峰值 时的接地故障 且受接地故障点过渡电阻影响较大 同时也存在工作死区 加上不同的电网结构 时间常数各不相同 接地暂态过程的振荡频率等特性也必然不同 从而使首半波的时间宽度各不相同 因此 利用此原理构成的保护装置 其适用范围受到限制 此类装置的现场运行也证明 其选择性能较差 目前已经很少使用 2 谐波电流方向保护原理解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题 另一种方法是采用高次谐波零序电流方向的保护原理 因为电网电源电压中不仅有基波 而且存在一定的高次谐波 对高次谐波来讲 消弧线圈的感抗将增加 电网对地电容的容抗将减小 如5次谐波的感抗将增加5倍 容抗将降低5倍 所以 高次谐波的零序电流中电容电流远大于电感电流 其电感电流可以