基于中性点方式选择的变电设备过电压防护技术

1、工学硕士学位论文工学硕士学位论文 基于中性点方式选择的变电设备过电压防护技术 硕士研究生：袁涛导 师 ：江滨浩教授申请学位：工学硕士学科：电气工程及其自动化所 在 单 位：电气工程学院答 辩 日 期：2014 年 11 月授予学位单位 ：哈尔滨工业大学Abstract-摘 要大庆油田由于发展的需要，对于配电网的要求比较高。但是由于大庆油田的发展经历了漫长的过程，所以大庆油田的电路设备存在一系列的问题，这些问题主要包括线路老化，绝缘的能力比较差，电路的输电能力受过电压的影响比较大。大庆油田配电网在现在的发展中存在的问题主要包括：（1）大庆油田配网线路在实际发展中以架空裸导线配置的方式存在 ，以这

2、种方式存在的故障主要发生在单相接地或相间短路的方面。出现的频率比较高；（2）随着科技的不断进步以及配电网技术的不断发展，在电路设备中电器开关的使用量也在不断的增加，所以事故发生的几率比较大对于生产发展的影响产生了十分严重的影响。 电网内部过电压的防护重点和难点是谐振过电压和弧光接地过电压，针对大庆油田 35kV 配电网的具体情况，分析计算铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压并提出相应的防护方案。在三种中性点接地方式下，对于配电网内部过电压形成的原因及其自身所具有的特点进行科学的分析计算，为后续的一些研究奠定一定的基础，这样就可以为配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式提供有力的条件， 该

3、方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻器和控制器等组成，汲取经销弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接地故障选线。针对操作过电压，通过仿真计算的结果，确定合理的防护措施。关键词：配电网 过电压 防护方案 中心点接地。Abstract-AbstractDaqing oilfield distribution network wide distribution, equipment insulation level is low, are vulnerable to transient ove

4、r-voltage and operational over-voltage. At present the main problems are: first, distribution lines to bare overhead conductor configuration mode mostly, single-phase grounding or interphase short circuit fault rate is higher, the equipment failure caused by the frequent; two, along with the rapid d

5、evelopment and extensive use of indoor switchgear distribution network, cable outlet ratio increased year by year, lead to the increasing of capacitive current to ground the important power lines, cable, overvoltage caused by explosions and other accidents have occurred, seriously affecting the reli

6、ability of power supply.The emphases and difficulties of overvoltage protection internal grid is resonance over voltage and arc grounding overvoltage, according to the specific conditions in Daqing oilfield 35kV power distribution network, the analysis and calculation of the ferromagnetic resonance

7、overvoltage, arc grounding overvoltage, operation overvoltage protection scheme and put forward the corresponding. In three kinds of neutral point earthing mode, through theoretical analysis and simulation, to grasp the reasons and characteristics of the distribution network to form the internal ove

8、rvoltage. Based on the analysis of the present protection measures of effectiveness at the same time, put forward the distribution network neutral via arc suppression coil with parallel resistance grounding mode, this mode is mainly composed of automatic tuning arc suppression coil, automatic switch

9、ing resistor and controller etc. advantage, draw arc suppression coil grounding distribution and resistance grounding in two ways, can fully improve the single-phase grounding fault self recovery probability function of arc suppression coil compensation capacitance current, but also can utilize the

10、parallel resistor, overvoltage suppression and Realization of single phase to ground fault line selection. According to the operation overvoltage, by the simulation results, the determination of reasonable protection measures.Keywords: distribution network overvoltage protection scheme of center poi

11、nt earth.目 录-目 录摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 绪 论 .- 1 -1.1 课题来源.- 1 -1.2 课题研究目的和意义.- 1 -1.4 本课题的研究内容.- 3 -第 2 章 电网参数及模型建立 .- 5 -2.1 变电站主接线图.- 5-2.2 变电所主变压器参数.- 7 -2.3 线路参数.- 8 -2.4 PT 参数. - 9 -2.5 避雷器参数.- 9 -第 3 章 抑制电网过电压理论.- 10 -3.1 谐振原理.- 10 -3.1.1 电力系统铁磁谐振产生的条件 .- 11 -3.1.2 电力系统铁磁谐振过电压抑制措施研究 .- 11 -3.2

12、弧光接地过电压产生机理.- 14 -3.3 中性点接地方式的选择.- 15 -3.4 中性点接地电阻确定.- 16 -第 4 章 谐振过电压 .- 17 -4.1 断线谐振过电压.- 17 -4.1.1 中性点不接地系统的断线谐振过电压 .- 17 -4.1.2 中性点经消弧线圈接地系统的断线谐振过电压 .- 22 -4.1.3 中性点经消弧线圈并联电阻接地系统的断线谐振过电压 .- 28 -4.2 PT 谐振过电压 .- 32 -4.2.1 分频谐振 .- 33 -4.2.2 基频谐振 .- 38 -4.2.3 高频谐振 .- 42 -第 5 章 弧光接地过电压 .- 48 -目 录I5.1

13、 弧光接地过电压原理.- 48 -5.2 中性点不接地系统的弧光接地过电压.- 48 -5.3 中性点经消弧线圈接地系统的弧光接地过电压.- 52 -5.4 中性点经消弧线圈并联电阻接地系统的弧光接地过电压.- 57 -第 6 章 过电压防护方案.- 62 -6.1 仿真计算结论.- 62 -6.2 安装实施.- 63 -结 论 .- 65 -参 考 文 献 .- 66 -发表论文情况说明 .- 69 -哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 .- 70 -致 谢 .- 71 -个人简历 .- 72 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 0 -第 1 章 绪 论1.1 课题来源本篇论文的课题

14、来源主要是大庆油田电力有限公司的科技项目“大庆油田电网过电压防护技术方案研究”项目编号：200801005 。该项目针对大庆油田电网的内部过电压问题开展了研究，本文拟通过对电网内谐振过电压和弧光接地过电压的理论分析和计算，通过实践采用一种用消弧线圈并联电阻使电网中性点接地的办法来解决大庆油田电网内部过电压问题 。1.2 课题研究目的和意义大庆油田由于发展的需要，对于配电网的要求比较高。但是由于大庆油田的发展经历了漫长的过程，所以大庆油田的电路设备存在一系列的问题，这些问题主要包括线路老化，绝缘的能力比较差，电路的输电能力受过电压的影响比较大。目前存在的主要问题有：一、配网线路多采用架空裸导线这

15、种配置方式，这种配置方式会导致单相接地或相间短路，使得设备故障频繁；二、目前配电网的发展迅速，室内开关柜的使用增多，与此同时电缆线的出线比例也在不断的增加，这样就会对供电系统产生一系列的不良影响，造成线路的爆炸、停电事故等，会对供电系统的安全运行构成威胁。 对于中性点不接地系统来说，它所具有的故障形式是非常多的，其中最主要的故障是单相接地所引起的故障。这种故障在发生的情况下 线路再带故障运行，这是因为流过故障点的电流是很小的，对于三相电源的影响不大三相电源仍然处于对称状态。 而当流经故障点的电流较大并且状态不稳定时，就有极大的可能出现电网中电感和电容回路电磁振荡的暂态过程，从而产生弧光接地过电

16、压。铁磁谐振是系统在受到冲击时，饱和的电压互感器铁芯与线路和设备的对地电容匹配产生的。因此，抑制铁磁谐振就是要降低铁芯的饱和程度，防止电压互感器铁芯饱和。通过我们的实践运用，对于在中性点系统中如何更好的采取有效的措施来防止铁芯饱和所带来的铁磁谐振方法是非常的多的，最为我们熟知的主要由以下两种：第一种就是通过有效措施来对系统中电感电容的相关参数进行调整，减少引起谐振的因素。比如： （1）由于电压互感器的空载励磁特性与互感器中铁芯的磁密密切相关，小的电压互感器磁通密度就可以有效降低铁芯的饱和程度。此外，选择适宜的铁芯硅钢片、改善热处理工艺也可以实现这一目的。第 1 章 绪 论- 1 -（2）限制同

17、一网络中电压互感器的并联台数：我们国家在这方面也制定了相应的规则比如 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中就有规定 “减少同一系统中 PT 中性点接地的数量”, 通过采用这种方法会对谐振条件产生一系列的不良影响。 （3）对于电力系统中性点经消弧线圈接地或者接入类同作用的消弧电抗器在适当的情况也应该考虑。（4）还可以采用改变接线形式，一般情况下我们可以运用 4PT 的接线方法，这种方法的具体操作手段就是在高压互感器中性点接入单相电压互感器。 另外一种是通过消耗谐振产生能量来消除谐振的发生，如：（5）要用科学的办法选择各种消除谐振的措施，不改变接线形式，安装可以消除谐振的装置。（6）在电压互感器高

18、压侧串入电阻，或在二次侧三角绕组开口两端接电阻。（7）科学的采用系统中性点经电阻接地或接入同作用的阻尼电阻器等。以上提出的七种方法中：第（3）、（6）、（7）种可以从根本上解决铁磁谐振的问题，是防止发生铁磁谐振的首选措施，但是在实施过程中仍然需要考虑其他的因素；方法（1）的问题主要是电压互感器生产厂家应该关注的； （2）、（4）、（5）是电网的设计及运行部门应注意的问题，但是方法 4 由于接线较为复杂，其应用受到一定的限制；而对目前已经投入运行的各种消除谐振的装置，还需要在实际应用中进一步检验其抑制铁磁谐振的性能。1.3 长期以来，我们国家对电网等级进行划分，对于 35000V 以下的电路采用

19、中性点进行连接。 这种电网在发生单相接地故障时，电力系统中的电压是不会发生变化的，所以电网中的故障一旦出现在短时间内的带故障运行是不违反我们国家电力标准的有关规定的。在这种情况下也不会对承线电压带来什么不良的影响。 采用中性点不直接接地这种方式一个最大的优点就是可以使系统带接地故障运行。工作人员可以在故障期间及时的排除接地故障，恢复系统的正常运行，使供电系统有了更高的可靠性。但是这种方式的缺点就是会发生 PT 铁磁谐振，使系统三相对地电压不稳定。甚至会发生在 PT 的一次绕组中出现高幅值的涌流，熔断高压熔断器。历史上两个工业比较发达的国家分别采取了不同的配电网的中性点接地方式。欧洲的工业大国德

20、国采用的接地方式就是中性点经消弧线圈 ，通过采用这种方式我们就能够快速的消除单相接地所产生的故障，这样就会为通信信号的健康运行提供良好的保障；美国等西方国家由于科技水平比较高一般情况下也是采用中性点直接接地的方式，通过这种方式可以避免故障对线路正常运行的影响。 这哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -两种接地方式很具有代表性性，对于世界各国电力系统的发展都产生了十分重大的影响。我们国家根据本国的发展状况制定了符合自己需要的电力行业标准，在这标准中有明确的规定，那就是电压在 3KV 到 10KV 之间的电力系统是不能和发电机相连接的，如果采用不接地的连接方式就要求单相接地故障电容电流不准超过规

21、定的值；如果超过了规定的要求就会采用消弧线圈接地方式： （1）310kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35、66kV 系统，10A；（2）310kV 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为： 3kV 和 6kV 时，30A；b10kV 时，20A；c3kV10kV 电缆线路构成的系统，30A。我们在以往的实践中通过不断的实践，发现中低压配电网的电压值一般情况下在 35000V 以下，这种电网的内部电压是不会对电网的安全造成威胁的，一般情况下受到雷电过电压的影响。 因而长久以来以防止大气过电压对设备的侵害是采取的过电压保护措施的主要目标，采用的主要技术手段也仅仅

22、是装备避雷器。如果避雷器自身的参数存在一定的缺陷，那么对雷电引起的相间侵害以及内部过电压产生的损害起不到保护作用。然而，我国部分油田电网的发展已经颇具规模，以大庆油田为例，截止2008 年底，仅萨南油田就共建成 35/6kV 变电所 32 座，配电所 1 座，设计规模47.66104kVA，实际运行负荷为 22.87104kW；共建成 6kV 电力线路2003km，配电变压器 6790 台。通过我们的实践操作经验我们可以知道，如果油田电网的发展发展到一定的程度时，电网内部所产生的过电压及其过电压自身因素所引发的一系列对于电网安全运行产生威胁的因素，都会对配电网设备的安全运营产生一定程度的不良影

23、响。 1.4 本课题的研究内容弧光接地过电压和谐振过电压这两种过电压是电网内部过电压防护的难点和重点。针对大庆油田 35kV 配电网中存在的铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压这几种情况，对其进行理论分析计算并提出相对应的防护方案。通过理论分析计算和仿真，我们可以对三种中性点接地方式在使用过程中出现过电压的因素进行分析。通过分析可以提出一系列的预防过电压出现的措施， 该方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻器和控制器几个部分组成，汲取经销弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接第 1

24、章 绪 论- 3 -地故障选线。针对操作过电压这种情况，结合仿真的结果选择合理的防护措施。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 0 -第 2 章 电网参数及模型建立通过对大庆油田电网 110KV 一次变电所的普遍状况进行分析，主要以登封、奔腾、南二三座一次变电所的实际情况为例，通过其设备参数和线路参数建立ATP 仿真模型，并对下一步的理论计算提供依据。2.1 变电站主接线图通过对大庆油田电网中的登封一次变电所、奔腾一次变电所、南二一次变电所三座 110kV 变电所 35kV 侧母线所连设备与线路为仿真计算原型，进行科学的分析得到网络接线图如图 2-1 所示。图 2-1 登封一次变主接线图第 2 章

25、 电网参数及模型建立- 1 -通过对图 2-1 进行分析我们就可以建立仿真计算模型进行分析得到如图 2-2所示。UXs00941Xs009430094400946009420093715012012095cable185othera) 登封一次变电所UXs00641Xs00639006380064400646006400063700650120cablecable00647b) 奔腾一次变电所哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -UXsXs0104501046cab01050cab01044cab01049Scab01037cab01039cab01040cab01038cab0104101

26、042cab01043c) 南二一次变电所图 2-2 仿真模型可以知道三座变电所短路阻抗标幺值如表 2.1 所示。表 2.1 变电所短路阻抗标幺值110kV 侧35kV 侧变电所大运行方式小运行方式大运行方式小运行方式登峰0.082850.17450.1840.3619奔腾0.067230.149290.16450.344南二0.040380.074210.121330.236112.2 变电所主变压器参数通过分析变电所主变压器参数如表 2.2 所示。表 2.2 主变压器参数第 2 章 电网参数及模型建立- 3 -变电所编号型号额定变比接线方式空载电流Io/%空载损耗/kW短路电压Uk/%短路

27、损耗/kW1#SFPSZ7-50000/1101108x1.25%/38.52x2.5%/6.6kVYNynOdn0.6057.69.7/17.6/6.6228.862/246.44/177.799登封2#SFPSZ7-50000/1101108x1.25%/38.52x2.5%/6.6kVYNynOdn0.6057.69.7/17.6/6.6237.955/242.304/183.2301#SFSZ975000/11011581.25%/38.55%/6.3kVYNyn0d110.5848.615.50326.8奔腾2#SFSZ975000/11011581.25%/38.55%/6.3kV

28、YNyn0d110.564815.40325.61#SFPZB763000/110(12181.25%)/38.5kVYnyn0+d0.2756.280247.296南二2#SFPZB763000/110(12181.25%)/38.5kVYnyn0+d0.3252.570244.3042.3 线路参数不同型号线路的参数的结果如表2.3所示。线路型号和长度如表2.4所示。表2.3 35kV线路参数线路型号R+R0L+L0C+C0LGJ1200.270.4751.1185.5920.01040.005LGJ1500.210.3491.1794.0550.00980.0051LGJ1800.170

29、.3091.1554.0350.010.0052LGJ2400.130.2721.134.10.01020.0053YJLV-26/35-1*2400.060.0910.1390.290.5480.274YJLV-26/35-1*1850.07160.08390.160.2470.5020.335单位：电阻（/km）电感（mH/km）电容（F/km）表2.4 35kV线路型号和长度出线类型及型号长度/km出线编号出线名称架空线电缆架空线电缆00937兴油库线LGJ150 LGJ1201.95 3.39600941氯碱甲线LGJ1200.9700942氯碱乙线LGJ120 LGJ150YJLV2

30、6/351850.97 0.650.13LGJ1504.87900943兴动线LGJ150 LGJ1203.495 0.65500944前进水源线LGJ150 LGJ95LGJ1203.6280.7065.65600946齐水乙线LGJ1853.3哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 4 -2.4 PT 参数35kVPT 型号为 JDJJ1-35。用 ATP 仿真计算 PT 二次侧的各种数据在用 ATP仿真计算 PT 的饱和谐振时不需要进行考虑，在这种情况下我们仅仅需要考虑的情况是 由 PT 铁芯饱和而引起的过电流与过电压对配电网的所产生的影响。所以我们仅仅需要通过用三个非线性电感来构建 PT 的

31、模型，这些情况具体可以反映在饱与铁芯励磁特性方面。 上述的 PT 简化模型如图 2-3 所示。图 2-3 PT 仿真计算模型2.5 避雷器参数我们在实际运用中的避雷器型号主要包括如图 2.5 所示的几种型号，不同的型号是采用不同的物质构成的，每一种信号的避雷器信号具体参数也是不同的，一般情况下都会有明确的规定。 表 2.5 避雷器型号参数登封站南二奔腾避雷器型号HY5WZ2-54/134HY5WZ2-54/134HY5W8-42/130HY5WZ3-52.7/134HY5WZ2-54/13435kV 金属氧化物避雷器的伏安特性如表 2.6 所示。表 2.6 35kV 金属氧化物避雷器的伏安特性

32、I/A3X10-41X10-35X10-21X1011X1025X1021X1033X1035X103U/U1mA0.9551.0001.0821.1631.2771.4001.4511.5691.753注：U1mA一般取其典型值 73kV。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 0 -第 3 章 抑制电网过电压理论随着我国经济的不断发展，我国电力系统的网络不断的得到完善。电力网络在使用过程中也会由于各种原因引发过电压的现象出现，其中由于铁芯电感的饱和所引起的过电压称为铁磁谐振过电压。我们比较常见的铁磁谐振过电压主要包括由于断线引起的和电压互感器饱和两种情况。 3.1 谐振原理为了对谐振原理进行更好

33、的分析我们主要以 PT 谐振过电压为例，在正常运行的前提下，它的初始情况是容抗要大于感抗，也就是 L (1/C)这是不满足线性谐振条件的要求的，在这种情况下回路就会保持稳定的状态。但是如果电路中的电源电压增大，那么涌流现象在电感线圈发生时，铁芯就会达到饱和的状态，在这种情况下他的感抗的大小也会不断的变小。如果在线路中 L (1/C)，那么串联谐振发生的具体条件就会得到满足，在这种情况下过电压主要在电感的两端和电容的两端产生，就会引发回路中电流的数值发生变化，在这种情况下磁谐振现象就会出现， 只要谐振产生了就很大可能性会发生自保持现象，这种现象不仅会持续很长时间，而且也不会降低，除非是发生了干扰

34、，从而使谐振要求发生变化才可以使谐振现象解除。 图 3-1 电网等值电路图如图 3-1 所示，在电力网络正常运行情况下，因此，ABCLLLABCYYY三相电路对地负荷基本可以抵消的，电网的中性点电位为 0。如果电网发生类似断路器在空载母线中合闸或者在线路中产生了瞬时单项接地故障，又或者是DL雷电入侵波冲击的扰动过程中发生一相、两相对地电压瞬时增大等空载母线冲击性的扰动，这种情况下如果电压互感器的三相绕组遭受冲击的程度不一样，那么三相绕组的饱和程度也会不一样，因此每相的综合阻抗就回不一样，这样就会产生三相不对称的三相负荷，致使变压器电源侧中性点出现位移：第 3 章 抑制电网过电压理论- 1 -

35、（3-1）ABcABCoABCE YE YE YUYYY如果正常情况时各相综合导纳呈容性，则扰动的结果可能导致一相综合阻抗呈容性，其余两相是感性，因此分母中的导纳符号不同，互相补偿，将显著降低，而产生较大的以激发铁磁谐振，但三相对地电压是每ABCYYYoU相电源电动势与位移电压矢量的和，所以他们中 1 相、2 相以至 3 相的对地EoU电压均有增大的可能性，因此将会引起过电压、过电流情况。过电压对电气设备的绝缘构成威胁，过电流可引发电压互感器高压熔丝熔断以至于发生烧毁 PT 情况发生。对于某些 PT 来说，烧毁时有时表现为爆炸的形式，不仅本身遭到破坏，而且要危及邻近的电力设备，其危害性很大。3

36、.1.1 电力系统铁磁谐振产生的条件电力系统中的元器件并不是单一的，它是由多种性能的电器元件组成的，其中我们最为熟悉的两种电器元件是点感性电器元件和电容性电器元件。这两种属性不同的电器元件适用范围也有很大的区别，其中电感性元器件的适用范围主要有发电机、电力变压器等这些功率比较大的电气设备方面；电容性的电器元件主要包括串联电容器组、并联电容器组及其高压设备中使用的寄生电容，电容性电器元件对于导线方面的要求要远远高于电感性电器元件的要求。电压互感器发生铁磁谐振现象其中一个常见的原因是电流与铁芯电感的磁通间的非线性关系，使电压增大，引起铁芯电感饱和。至于其产生的条件主要由以下六种原因引起的： （1）

37、 突然把电压互感器投入到系统中；（2）线路发生单相接地；（3）电气设备的投切或者是系统的运行方式发生变化； （4）系统负荷发生较大的波动；（5）电网频率的波动；（6）负荷的不平衡变化等。3.1.2 电力系统铁磁谐振过电压抑制措施研究解决 PT 谐振过电压的办法有：（1）在选择电压互感器时，要选择励磁特性饱和点比较高的那一款； （2）在对电压互感器进行设置时要采用消谐电阻来进行设置； （3）对于消谐器的设置每次绕组中性点都要进行设置；（4）为了躲开电网谐振点在进行消弧线圈选择时，要选择合适的脱谐度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -当今，铁磁谐振现在已经有相对来说较为有成效的抑制方式来抑

38、制，可以让通过电压互感器高压侧电流值小于保险的额定电流，并且当通过电流较大时，通流时间可以缩短到 0.1s 以下甚至几个 ms。但是，在 具体的运用过程中遇到了即便是电网安装有抑制铁磁谐振的装置（一次、二次消谐器等）后，也会产生电压互感器高压侧保险熔断的情况，与此同时有时电容参数与电感参数已经溢出谐振范围，如图 3-2 所示。图 3-2 铁磁谐振的共振范围图 3-2 中展示的是对应某一频率下电路及其元件的 V-A 特性函数,Uc 代表电容的 V-A 特性曲线,UL 代表带铁芯电感的 V-A 特性曲线,图中曲线 4 中,电容 V-A特性曲线 1 与电感的 V-A 特性曲线交叉于一点,也就是说随着

39、励磁电感的变化过程,参数可以满足,因此很可能产生铁磁谐振。在线路较长的情况下,对地电容相对也大,如 V-A 特性曲线 5 所示,因此产生铁磁谐振的可能性很小;而在线路较短的情况下,如 V-A 特性曲线 4 所示,同样发生铁磁谐振的可能性很小。用上图同样也可以大致分析频率不同情况下谐振的区域。 这样不会产生谐振，也就不是排因为发生谐振致使一次保险烧熔的，因此铁磁谐振并不是 PT 一次保险烧熔的唯一原因，通过对理论进行分析和采用计算机进行仿真计算如果电网产生瞬时性单相接地故障情况下，系统三相对地电容在接地时的充电与放电过程是引起一次保险烧熔的原因之一，其机理如下：图 3-3 电网等值电路图第 3

40、章 抑制电网过电压理论- 3 -对于上图所示的电网等值电路， 当电网正常操作时，不管在什么时候，电网线路对地电容带有的电荷量总数是 0；电网发生单相接地故障并不是没有一点预兆的他是要经过产生单相接地故障与解除单相接地故障这两个过程的，这两个过程也就是他发生所要经历的过渡阶段。由于电压互感器的励磁阻抗非常高，流经高压绕组的电流非常低。如果接地故障解除，那么从导体通向地面的通路就会被截断，这种情况发生此时各相线路的对地电压要恢复为相电压值，而原来非故障相的导线在单相接地故障期间是充以线电压下的电荷的，这个电荷是一定要另寻出路泄放回大地，此时由于原接地点已经切断，自由电荷只好通过 PT 的一次绕组泄

41、往大地，此时对地电容中存储的电荷将对 PT 高压绕组电感放电，这相当于一个直流电源作用在带有铁芯的电感线圈上。在配电网系统中如果出现接地相的问题，换句话来说就是指一个处在空载状态的变压器开关突然闭合，就会出现比较大的暂态涌流现象。当这种现象出现时，如果输电线路过长那么接地的相在接地时积累的电荷也相对比较多，这就会出现高压绕组的电流处于饱和的状态，如果铁芯处于饱和状态就回线路中出现比较大的电流冲击现象，由于电流冲击过大可能会造成保险丝的突然断开。这样就会对用户用电造成严重的影响。在实际的运用过程中由于初始相位角不一样，所以对于故障的切除也会有一定程度的影响。所以在对这些问题进行分析时，要进行具体

42、的问题采用不同的方法进行分析。对于线路中饱和电流的大小是受到很多因素的影响的，与其关系最密切的就是的伏安特性，如果的铁芯相对于其他的来说比较容易饱和，就说明该电流比较大，也就意味着保险丝发生熔断的几率越高。电网间歇性的瞬时单相接地故障就相当于以上过程的反复，这样造成的冲击电流就相当于几次累加后的效果，从而更容易使 PT 的一次保险熔断。3.2 弧光接地过电压产生机理电网在实际的运营过程中发生故障的方式是多种多样的，其中最主要 的故障方式是单相接地，这种故障发生的几率 约占 60以上。 这种故障并不改变变压器三相绕组间电压对称性，即线路之间的电压关系不变。由于接地的故障电流不大，因而不需要立即切

43、除故障线路，允许在 2h 内可以继续向用户供电，这是中性点不接地系统所具有的显著优势。但在单相接地故障中，绝大部分为电弧不稳定，处于时燃时灭的状态， 由于外界条件的变化导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成遍及全系统的过电压。中性点不接地电网 A 相接地，如图 3-4：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 4 -图 3-4 中性点不接地电网 A 相接地图 3-4 源电动势 Ea=Umsin（t），Eb=Umsin（t-120），Ec=Umsin（t+120）。图中 L 为电源漏电感，r 为系统等值电阻，CM 为线间电容，CN 为每相线路对地电容，导线间电容忽略不计。设故障 A 相每次在电压最大值时燃

44、弧，则在接地一瞬间 t=t1 时，Ua（t1）=-Um；Ub（t1）=Uc=0.5Um；Uca（t1）=Uba（t1）=15Um。 其具体的计算公式如下： （3-2）mNmMbCmNM0.5U C1.5U CUU(0.5K)UCC式（3-2）中： MNMCKCC上式在经过自由振荡半个周期后，B 相、C 相电压瞬时值达到最大。因自由振荡角频率 1 远大于工频角频率 ，在这种情况下可近似的认为 t2 时的 B 相、C 相工频电压仍保持不变，即： （3-3）b maxc maxmUU1.5(1K)(1 d) U式（3-3）中：，1 为自由振荡的衰减系数 。 11d （3-4）NbmcmnbmNC (

45、UU)2UU3C3对于公式中，分别代表 B 相与 C 相的过电压，二者之间的值是相bmUcmU等的。如果发生在第 n 次的情况下，如果仍然有 ，anmm2U (tn)U(UU )3 的存在，那么就将代入 n 次，这bamU (tn)U (tn)1.5UNbmcmnbmNC (UU )2UU3C3时就可以知道 B 相的最大电压，因此就可以推算出高频熄弧理论的计算方式为下式所示： 第 3 章 抑制电网过电压理论- 5 - (3-5)bmm1.5(1K)(1d)UU21(1K)(1d)3当 K=0，d=0 时， =7.5。综上所述我们可以知道高频熄弧理论的最大bmU过电压值之间所存在的差距，前者的电

46、压值是后者的 7.5 倍。这种差距主要变现在相电压方面。 3.3 中性点接地方式的选择在配电网内部过电压问题与其中性点接地方式密切相关，其实对于如何选择中性点也是一个比较有技术含量的问题，对于这个问题的选择是有十分重大的影响，因为这直接关系到电力设备在实际运行中的一些具体参数，如果满足这些具体的参数，就会为电力系统在实际运营中能够达到经济、安全的设计要求，对于电力系统的健康运营就会产生十分重大的影响。在电力系统中比较有利的接地方式主要有以中性点不接地与经消弧线接地的两种方式，这两种方式的优势主要表现在可以为供电的安全提供可靠性的保障；人身设备安全与电磁兼容性。虽然这些方式有十分明显的优势，但是

47、仍然存在一定的局限性，这些不足主要包括对于电压的水平要求比较高，不容易实现接地故障的检测。如果采用中性点直接接地的方式就可以避免以上问题的出现，但是中性点直接接地的方式也有比较明显的优势，那就是有利于减少电压过高的影响，可以十分便利的实现接地故障的检测，虽然这种方式存在如果发生故障时电流过大，对人身设备构成一定程度的威胁，这些问题都有必要引起我们的重视。所以对于中性点经消弧线圈并联电阻接地方我们有必要重视，他对于电力系统的未来发展将会产生十分重要的影响。 3.4 中性点接地电阻确定如果对于在不同情况下，不同的谐度在发生时要对其故障的数值进行计算，一般情况下选择中性点的接地电阻的小，来满足规程对

48、于电网故障残余电流的具体情况。 为了满足具体的要求需要对现有的故障进行设置，一般情况下 00937 兴油库线出线线路末端 C 相（登封变）、01049 北油气线出线线路末端 C 相（奔腾变）、00650 中十四线出线线路末端 C 相（南二变），为了避免外在恶劣条件的情况，也就是金属性接地与经低值过渡电阻接地。计算结果见表 3.1。表 3.1 故障点残余电流（有效值）计算结果/A登封变电站哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 6 -登封变电所中性点电阻 Rn()奔腾变电所中性点电阻 Rn()南二变电所中性点电阻 Rn()过渡电阻R()脱谐度(%)无穷大400042004500无穷大400042004

49、500无穷大40004200450000.785.925.645.280.205.725.465.100.05 5.34 5.09 4.75 50.525.895.615.240.995.795.545.190.27 5.34 5.09 4.76 -51.045.965.695.320.845.785.525.180.25 5.34 5.09 4.76 100.265.875.595.221.886.005.755.420.52 5.36 5.11 4.77 -101.306.015.745.381.735.985.735.400.50 5.36 5.11 4.78 200.275.865.5

50、95.183.686.776.556.261.02 5.43 5.18 4.85 5-201.826.155.885.533.516.736.516.211.00 5.44 5.19 4.86 00.785.855.585.220.205.655.405.050.05 5.28 5.03 4.70 50.525.825.555.190.995.735.485.140.27 5.28 5.04 4.71 -51.045.895.625.270.845.725.465.120.25 5.28 5.04 4.71 100.265.805.535.181.885.945.695.370.52 5.30

51、 5.05 4.73 -101.305.945.685.331.735.915.675.340.50 5.30 5.06 4.73 200.275.805.535.173.686.696.486.201.02 5.36 5.12 4.80 50-201.826.085.825.483.516.656.446.151.00 5.38 5.14 4.81 00.785.785.525.170.205.585.335.000.05 5.21 4.97 4.65 50.525.755.495.130.995.665.415.080.27 5.22 4.98 4.66 -51.045.825.565.2

52、10.845.655.405.070.25 5.22 4.98 4.66 100.265.735.475.111.885.865.625.310.52 5.23 4.99 4.68 -101.305.875.615.271.735.845.605.280.50 5.24 5.00 4.68 200.275.715.465.113.686.616.406.131.02 5.30 5.06 4.75 100-201.826.005.755.423.516.576.366.081.00 5.31 5.08 4.76 观察上表计算结果可以看出：对于比较常见的中性点经消弧线圈接地的补偿电网脱谐度 的绝对

53、值是比较小的一般是 5%10%，并且属于过补偿。如果想要满足故障点电流不超过 10A 的规定，一般情况下是把中性点的电阻进行并联，单组大小为 4.2K。 第 3 章 抑制电网过电压理论7第 4 章 谐振过电压铁磁谐振过电压主要发生在电力系统的振荡回路中，它的具体定义就是在振荡回路中受到铁芯电感的影响所引发的连续性幅值比较大的过电压。以 35kV配电网为例，主要有断线引起的谐振过电压与 PT 饱和引起的谐振过电压两种类型的谐振过电压。 4.1 断线谐振过电压由断线引起的过电压称为断线谐振过电压，断线谐振过电压的发生是因为在操作过程中导线发生断开、断路器不能正常工作等原因引起的谐振过电压现象。在实

54、际生产过程中，特别是在中低压电网中由于线路中断所导致的电感电容器件引发共振回路，电感是空气、变压器的消弧电线圈与励磁电感，电容是指电线中的电容值及其它原因所产生的电容等。随着负载变压器负不断增加负荷，负荷等值电抗值与励磁电抗并联之后的等值数值减小，谐振点与原有位置偏离，谐振过电压逐步降低，甚至影响到谐振。综上所述我们可以知道断线谐振电压主要发生在变压器的空载工作过程中。在我们的实际生产生活中比较常见的过电压现象就是铁磁谐振过电压，它主要是由于线路的断线引起的。 在特殊状况下会使避雷装置发生故障。 个别状态下，而此时过电压递增至绕组的异侧，对后者严重影响。在现有的技术条件下，为了防止谐振过电压的

55、出现对生产生活产生不良的影响，采取的主要措施包括以下几个方面： （1）在操作空气开关时要保证三相动作同步进行； （2）安排专人对线路进行检查，发现问题及时排除； （3）发现断路器有异常出现时，紧急进行维修检查防止隐患的扩大； （4）增加中性点后置位置的变压器之间的距离。 4.1.1 中性点不接地系统的断线谐振过电压除了常见的一些系统外，还有一些比较特殊的系统需要我们注意，在这些特殊的系统中，如果发生断线故障的问题主要包括：断线不接地、断线电源方接地与断线负荷一方接地三种现象。对于这三种情况的分析如下图所示： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8图 4-1 三种断线形式的等值电路为了更好地进行论证，

56、下面就以郑州市下属某市级单位为例来进行论证，论据中 方式 1方式 4 分别对应为：00944 线 0km 处断线故障；00944 线0.15km 处断线故障；00942 线 0.75km 处断线故障；00937 线 0km 处断线故障。单相断线负荷侧面接地，中性点与地面系统不接触，如果 Xcq/XL 发生变化那么过电压的计算结果如下表所示 （表中，下同） 。电路中的典型波状图如下图 4-2 所Vup330683/240500.1示。表 4.1 断线不接地时的过电压 /p.u.方式 1方式 2方式 3方式 4C000.0390.0340C00.0520.0130.0190.28C00.0520.0520.0520.28Ceq0.03460.01190.01630.0185Xcq/XL0.5800.018