配电网中性点经高阻接地安全性能的分析

配电网中性点经高阻接地安全性能配电网中性点经高阻接地安全性能 的分析的分析 1 前言前言 随着国民经济的发展 某些城市及部分企业的供配电网已 改变了过去以架空线路为主的局面 而是以电缆线路为主 同 时 一些结构紧凑的封闭式设备 如 sf6 开关柜 聚乙烯电缆及 氧化锌避雷器的广泛应用 使原有的非有效接地方式 已不能 适应当前电力系统的发展需要 基于以上情况 我国个别地区的配电网络中性点已采用经 低电阻接地的运行方式 这种接地方式可以降低单相接地时的 暂态过电压 消除弧光接地过电压 使用简单的保护装置就能 迅速选择故障支路 消除故障 但是 随着带来线路跳闸频繁 断路器维护工作量的增大及人身触电电流的增大 直接影响到 供电系统的可靠性与安全性 从国外电网的发展来看 美 日等国家采用低电阻接地方 式居多 并认为低电阻接地是今后的发展趋势 我国从西方国 家引进的成套工厂设备 高压配电系统都采用低电阻的接地方 式 从国内来说 目前电力系统正在制定电阻接地的有关措施 并将逐步实施 我们通过试验研究后认为 采用中性点经低电 阻接地的方式 并不一定是适合我国城市或企业配电网发展的 最佳方式 目前 电力系统尚有不同的观点和做法 因此 我 们将通过下面的模拟试验 对中性点接地方式的有关问题作进 一步的研究与探讨 影响中性点接地方式的因素很多 本文不可能对各种因素 逐一全面研究 只能针对电缆供电的特点 着重对一些影响中 性点接地方式的安全问题进行研究 主要对高阻接地情况下的 参数选择进行分析比较 以寻求更为合理的中性点接地方式 2 电网中性点经高阻接地时的过电压试验电网中性点经高阻接地时的过电压试验 高电阻接地是这样定义的 电力系统中性点通过一电阻接 地 其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统 总电容电流 即 irn 3ic0 当发生电弧接地时 接地电流为 ijd 1 rn j3 c0 ua irn jic 单相接地将使非故障相对地电压升高 3 倍 变成线电压 此时 电网的线电压仍维持对称状态 对负荷没有影响 如果 发生的是间歇性电弧接地故障 非故障相对地电压将大大超过 3 倍 而且波及整个电网 使那些绝缘薄弱环节相继发生绝缘 击穿 使事故扩大 试验时 在高压模拟电网 3 3kv 上用低阻尼电容分压器 磁带记录仪记录过电压信息 由计算机采集分析系统采集记录 在磁带仪上的过电压信息并加以分析 过电压波形特点分析 皆在 a 相发生间歇性电弧接地 1 相对地过电压线间电容降低过电压作用不明显 a 相接 地时 c 相过电压高于 b 相 过电压倍数与中性点电阻值有关 rn 1 3 c0 时 过电压明显增加 rn 1 3 c0 时过电压降 低 当 rn 1 8k 1 3 c0 时 故障相最高过电压达 2 1vxg vxg 表示正常供电时的相对地电压峰值 健全相最高过 电压达 3 4vxg 当 rn 237 1 3 c0 232 时 故障相过电压 2 2vxg 健全相过电压 1 3vxg 2 相间过电压低于相对地过电压 3 最大过电压发生时刻在接地相工频电压幅值附近 4 熄弧性质高频和工频兼有 接地电流较大时熄弧困难 5 波头长度及过电压振荡频率高频振荡频率约在 3000 4000hz 之间 与试验电路有关 6 中性点波形间歇性重燃时 v0 为衰减的梯形波叠加高频 振荡 即中性点积累的电荷经电阻 rn 泄放较快 试验中最大 过电压在 1 5 3 5vxg 之间 7 从试验中可以看出 基本上是每半个工频周期发生一次 燃弧 每相及中性点电压都有明显的振荡 当发生间歇性燃弧 时 随着中性点电阻值的减小 中性点电位在半个工频周期内 衰减加快 即系统能量泄放较快 从而有效地降低了各相及中 性点的过电压幅值 试验表明 中性点电阻对串联谐振过电压与间歇性电弧接 地过电压起到了很好的抑制作用 当 rn 1 3 c0 时 中性点 位移电压在半个周期内降到原来的 4 32 这就降低了故障相 上的最大恢复电压数值 使电弧重燃不致引起高幅值的过电压 但接地点的电流增加较大 取 rn 2 3 c0 将大大减小接地点 的电流 此时中性点电位在半个工频周期内衰减较小 降到原 来的 20 8 电阻的存在 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 试验中 每次燃弧基本上都是在故障相电压的最大值处发 生 及恢复电压达到最大且大于介质恢复强度时 发生击穿而 使电弧重燃 从试验结果分析看 rn 的值越大 电弧重燃越易 且电弧 能量也较大 随着 rn 值的减小 燃弧变得较难 电弧能量也 逐渐减小 这与理论分析相符 电网中性点经高阻接地后 对 电弧接地过电压和串联谐振过电压有较大的抑制作用 从而有 效地防止了异常过电压对电机 电缆绝缘的危害 保证了用电 设备的安全运行 当接地故障电流较大时 持续的故障电流所 引起的热效应 会使电缆在接地故障处的相间绝缘因过热燃毁 而发展为相间短路 所以 当电网的电容电流较小时 应采用 中性点经高阻接地的方式 尤其是对高压电动机的电缆线路较 多且运行多年的老电网 由于电动机和电缆绝缘都已降低和老 化 容易受异常过电压的破坏 将这类电网的中性点改为经高 阻接地时非常适合的 只要中性点电阻选择合适 即使电网参 数发生变化 也不需要再调节电阻值 且运行简单 效益显著 中性点经电阻接地系统的另一个突出优点是易于实现选择 性的继电保护 3 中性点电阻值的选取原则中性点电阻值的选取原则 根据电网的实际情况 安全电阻值的选取一般应考虑以下 几个问题 3 1 过电压的限制水平及降低人身触电的危险 只要 rn 1 3 c0 弧光接地过电压被限制在 2 2uxg 以下 对不同的系统 c0 不同 rn 取值不同 一般在 100 以上 它 属于高阻范围 对 rn 无论是低阻 rn 10 还是高阻 rn 100 400 都能达到抑制电压互感器 pt 谐振过电压和断线 谐振过电压的目的 当然 rn 越小 过电压水平越低 但同时 应兼顾对通过人体的接地电流不造成明显的增加 运用戴维南定理 对图 3 的电网情况转化成为下边的等效 电路图 此时的等效开路电压等于人身未触电以前 a 相的对地 电压 ua 而等效阻抗 z 等于三相电网对地的绝缘电阻 r 和电容 c 与中性点接地电阻 rn 并联后的数值 人身电阻为 rr 然后 根据等效电路图 即可求得通过人体的接地电流 ir 可以看出 由于 rn 的接入 r 和 3rn 是并联关系 相当于 把电网对地的绝缘电阻值减小了 因此 人身触电电流将随 rn 的变化而变化 当 c0 一定时 也有某一个电阻 r 使人身触电电 流值为最小 也就是说 当 r 和 c0 一定时 改变 rn 的值 将 会在某一个 rn 的条件下 人身触电电流值为最小 图 4 的实 测曲线 说明了人身触电电流随 rn 的变化规律 由此可见 在 r 和 c0 一定的条件下 接入 rn 总会使人身触电电流值减小 而不是增大 对安全是有好处的 但是 也应该看到 rn 的变 化 实际上对人身触电电流的影响很小 因为在电容值较大的 情况下 起决定作用的仍然是电容电流 随着 rn 的增大 ir 趋于稳定 在合适的范围内选取 rn 值 ir 增加不明显 图 5 进一步说明了人身触电电流随绝缘电阻 r 和电容 c 的变化规律 表 1 说明了电网 3300v 电压下 随着中 性点电阻 rn 的增加 人身触电电流减小的趋势 3 2 单相接地电流的限制水平 rn 越小 则 ijd 越大 按单相接地电流选取 rn 应保证最大的接地电流满足开断 容量的要求 且留有一定的裕度 一般应控制单相接地电流小 于三相短路电流 最小单相接地电流应满足接地继电器灵敏度 的要求 在电网中性点经低阻接地时 发生单相接地 保护装置动 作并立即跳闸 而高阻接地则允许带接地运行 1 2h 所以采 用高阻接地方式 通常并不要求发生接地故障时立即切除故障 因为接地电流被限制到很小 保护装置只是检测故障并发出信 号 这对 连续生产 的企业是很重要的 4 结论结论 1 从过电压情况来看 中性点不接地方式最高 对于电气 设备的绝缘有较大的威胁 采用消弧线圈的接地方式 仍不能 减小电弧接地过电压 因而最好采用中性点经高电阻接地方式 2 从实现继电保护的难易程度看 中性点不接地方式比较 难 若采用消弧线圈接地方式则更难 因此最好采用中性点经 高电阻接地方式 3 从人身安全的角度看 rn 1 3 c0 人身触电电流将要 大大增加 对安全不利 不