基于中性点方式选择的

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 Abstract-摘 要大庆油田配电网分布广，设备绝缘水平低，易受暂态过电压和操作过电压的危害。目前存在的主要问题有：（1）配网线路以架空裸导线配置方式居多，单相接地或相间短路故障率较高，由此引发的设备故障频繁；（2）随着配电网的迅速发展及室内开关柜的大量使用，电缆出线比例逐年增多，导致对地电容电流剧增，过电压引发的重要线路停电、电缆爆炸等事故时有发生，严重影响了供电可靠性。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

2、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，通过理论分析和仿真计算，掌握其配电网内部过电压形成的原因和特点。在分析现有防护措施有效性的同时，提出了配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式，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 distrib

3、ution network wide distribution, equipment insulation level is low, are vulnerable to transient over-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 circ

4、uit fault rate is higher, the equipment failure caused by the frequent; two, along with the rapid development 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, cabl

5、e, overvoltage caused by explosions and other accidents have occurred, seriously affecting the reliability 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 oil

6、field 35kV power distribution network, the analysis and calculation of the ferromagnetic resonance 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 simula

7、tion, to grasp the reasons and characteristics of the distribution network to form the internal overvoltage. 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 grou

8、nding mode, this mode is mainly composed of automatic tuning arc suppression coil, automatic switching 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 proba

9、bility function of arc suppression coil compensation capacitance current, but also can utilize the 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 reason

10、able protection measures.Keywords: distribution network overvoltage protection scheme of center point 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 -

11、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 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

12、 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 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 .- 6

13、9 -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 课题来源本课题来源于大庆油田大庆油田有限责任公司电力集团科技项目“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，提出一种用消弧线圈并联电阻使电网中性点接地的方式解决大庆油田电网内部过电压问题的防护方案。1.2 课题研究目的和意义大庆油田配电网存在分布广泛、设备绝缘水平低并且易受暂态和操作

14、过电压危害的问题。目前存在的主要问题有：一、配网线路多采用架空裸导线这种配置方式，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，从而电缆出线比例逐年上涨，对地的电容和电流急剧增加，由于过电压导致的电缆爆炸、重要线路停电等严重事故不时发生，对供电的可靠性有严重影响。中性点不接地系统的一种主要故障形式是单相接地故障。当发生单相接地故障时，因为流经故障点的电流不大，三相电源仍然可以看做是对称的，所以可以带故障运行一段时间。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压

15、。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。迄今为止，在中性点不接地系统中用于抑制铁心饱和引起的铁磁谐振的方法有很多，可以分成以下两种：一种是通过改变系统中电感电容的参数使其不易激起谐振，例如：（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。（2）限制同一网络中电压互感器的并联台数：T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合第 4.1.5 款明确规定

16、：“减少同一系统中 PT 中性点接地的数量，除电源侧电压互感器由高压绕组中性点接地外，其它电压互感器中性第 1 章 绪 论- 1 -点尽可能不接地”，这种方法可以增大网络的等值电感，从而破坏谐振条件。（3）在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）改变接线形式，如采用“4PT”的接线方式，即在电压互感器高压侧中性点串联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）合理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）在电压互感器高压侧串入电阻，或在二次侧三角绕组开口两端接电阻。（7）适当的采用系统中性

17、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）是电压互感器厂家应该注意的问题；（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，我国 35kV 及以下等级电网（其中包括油田系统电网）大多采用中性点非有效接地的运行方式。这种电网在发生单相接地故障时，非故障相的对地电压就会升高

18、到线电压 UL，其中系统的线电压是不变的，所以 35kV 及以下等级电网在发生单相接地故障后短时间带故障运行是符合国家电力标准规定的。而电网中如变压器、电压/电流互感器、断路器、线路等各种一次电气设备的对地绝缘水平都应该能够长期承受线电压而不会损坏。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

19、的中性点接地方式。德国采用了中性点经消弧线圈这样一种接地方式，这种方式能够自动消除瞬间的单相接地故障，可以避免干扰通信线路，保障铁路信号的正确动作；美国采用的是中性点直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式，这种接地方式需要配备快速继电保护和开关装置，能够瞬间跳开故障线路。这两种接地方式很具有代表性性，直接影响了其他国家的电力系统中性点接地方式的发展。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 2 -我国电力行业标准 DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中第 3.1.2 条规定：310kV 不直接连接发电机的系统和 35、66kV 系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不

20、接地方式；当超过下列数值又需在接地故障条件下运行时，应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。一般观念认为 35kV 以下等级的电网属于中低压配电网，此类电网中的内部电压的绝对值不高，所以内部过电压不是影响电网绝缘安全水平的主要原因，而应该是大气过电压，即雷电过电压。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

21、的主要技术手段也仅仅是装备避雷器。避雷器按躲过内部过电压设计，它的放电电压大于相电压的 3 倍以上，因而仅对保护雷电引起的相地侵害有效，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。根据实际的运行经验，当油田配电网发展到一定程度时，内部过电压特别是电网发生单相间歇性弧光接地时产生的弧光接地过电压、其他过压

22、诱发的铁磁谐振过电压以及电站常规操作产生的操作过电压已成为油田配电网中设备安全运行的最主要威胁。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，掌握在三种中性点接地方式下的配电网内部过电压形成的原因和特点。在分析现有防护措施有效性的同时，提出了配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式。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

23、，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。针对操作过电压这种情况，结合仿真第 1 章 绪 论- 3 -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根据大庆油田电网 110KV 一次变电所的普遍状况，以登封、奔腾、南二三座一次变电所为例，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 变电站主接线图以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 侧母线所连设备和线路为仿真计算原型

24、，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 电网参数及模型建立- 1 -通过图 2-1 建立变电所仿真计算模型如图 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 -UXsXs0104501046cab01050cab01044cab01049Scab01037cab01039cab

25、01040cab01038cab0104101042cab01043c) 南二一次变电所图 2-2 仿真模型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

26、损耗/kW短路电压Uk/%短路损耗/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#SFSZ975000/11011581.2

27、5%/38.55%/6.3kVYNyn0d110.564815.40325.61#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+C0LGJ1200.270.4751.1185.5920.01040.005LGJ1500.210.3491.1794.0550.00980.005

28、1LGJ1800.170.3091.1554.0350.010.0052LGJ2400.130.2721.134.10.01020.0053YJLV-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

29、 LGJ150YJLV26/351850.97 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。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涉及，需要考虑的是由 PT 铁芯饱和而引起的过电流和过电压对配电网的影响。因此用三个非线性电感来构建 PT 的模型即可，这三个非线性电感可以反映饱和铁芯励磁特性

30、。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 避雷器参数避雷器型号参数如表 2.5 所示，其中 HY5WZ2-54/134 表示电站型复合外套无间隙金属氧化物避雷器，标称放电电流 5kA，额定电压 54kV，标称放电电流下的残压为 134kV。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I/A3X10-41X10-35X

31、10-21X1011X1025X1021X1033X1035X103U/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电力系统网络中，振荡回路总会因为铁芯电感饱和作用引起一系列不间断的振动幅度比较高的过电压，也就是铁磁谐振过电压。由于断线而产生的谐振过电压于电压互感器饱和而产生的谐振过电压是 35 千伏配电网络中的 2 种典型的铁磁谐振过电压。3.1 谐振原理以 PT 谐振过电压为例，常规 R、C 和铁芯电感 L 电路情况下，以正常运行

32、为前提假设，它的始发情况为感抗比容抗大，即 L (1/C)，这种情况下不满足线性谐振要求，回路维持稳定状态。可是在电源电压增大的情况下，或者涌流现象发生在电感线圈时，铁芯就有可能饱和，它的感抗值降低，在 L (1/C)的情况下，串联谐振要求得以满足，电感两端与电容两端就回产生过电压，回路电流的相位和幅值产生突变，磁谐振现象就此产生，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，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

33、负荷基本可以抵消的，电网的中性点电位为 0。当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，又或者是雷DL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： （3-1）ABcABCoABCE YE YE YUYYY第 3 章 抑制电网过电压理论- 1 -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

34、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。3.1.1 电力系统铁磁谐振产生的条件电力系统中的元器件有的是电感性，有的是电容性，例如电感性元器件主要有发电机、互感器、电力变压器、消弧线圈等，电容性元器件主要有补

35、偿用的串联或并联电容器组、高压设备的寄生电容等，但是线路中有所不同，导线与导线间和导线与地之间不仅有横向电容，也有纵向电感，复杂的 LC 震荡回路就由这些元器件组成，当产生能源作用的情况下，在一些数值吻合时回路中产生了谐振现象。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。如果在中性点不接地系统中忽略相间电容与线路的有功损耗，只考虑电压互感器电感 L 和线路的对地电容Co ,在 C 取得特定值并且电压互感器不饱和的情况下，感抗 XL 比容抗 XCo 要大。随着电压互感器电压增大到特定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗 XL 比容

36、抗 XCo 要小，从而满足了谐振要求，以下 6 个激发条件能够产生铁磁谐振：（1）电压互感器的突然投入；（2）线路发生单相接地；（3）系统运行方式的突然改变或电气设备的投切；（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）择优选择励磁特性饱和点比较高的电压互感器；（2）在电压互感器开口三角绕组设置二次消谐线圈或消谐电阻；（3）在电压互感器一次绕组中性点设置一次消谐器；（4）选择合适脱谐度的消弧线圈，以躲开电网谐振点。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

37、对来说较为有成效的抑制方式来抑制，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。不过，在实际操作时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

38、叉于一点，也就是说随着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，经过反复理论分析和仿真计算，当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

39、 3 章 抑制电网过电压理论- 3 -如图 3-3 所示的电网等值电路，当电网处于中性点不接地方式运行时，Yo 接线的电压互感器的高压绕组，变成了电网三相对地的仅有金属通路。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时存在两个过渡过程，分别是产生单相接地故障和解除单相接地故障。系统产生单相接地故障情况下，有电容电流经过故障点，非故障相的电压增加直到达到线电压的值，此时对地电容 Co 所带电荷与线电压想对应的量。接地故障未解除情况下，电容电流在线电压影响下，由电荷作用引起电容电流，通过接地点，在导体和大地（电容器的一个极板和另一个极板）之间循环

40、往复运动得以形成。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。对于接地相来说，更是相当于一个空载变压器突然合闸，叠加出更大的暂态涌流。在这一瞬变过程中，如果线路的长度较长，此时接地过程中累积的自由电荷较多，PT

41、 高压绕组中必将会流过一个幅值很高的直流饱和电流，使 PT 铁芯严重饱和，具有过饱和铁芯的 PT ，在工频电源电压的作用下将会出现很大的冲击电流，如此往复，必将造成 PT 一次保险熔断。实际上，由于接地电弧熄灭的时刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相电压达最大值这一严重情况下发生。因此，不一定每次单相接地故障消失时，都会在 PT 高压绕组中产生大的冲击电流。而且饱和电流的大小，还与 PT 伏安特性有很大关系，PT 铁芯越容易饱和，该饱和电流就越大，PT 高压熔丝就越易熔断。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

42、易使 PT 的一次保险熔断。3.2 弧光接地过电压产生机理单相接地是电网的主要故障形式，约占 60以上。在中性点不接地系统内，发生稳定性单相接地，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带来的优点。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，这种间隙性电弧接地使系统工作状态时刻在变化，导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成遍哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 4 -及全系统的过电压，这就是间隙性电弧接地过电压，也称弧光接地过电压。是否在单相接

43、地时产生间隙电弧，与系统单相接地电流大小直接相关。若系统较小，线路又不长，其单相接地电容电流也小，一些暂时性单相弧光接地电流（因鸟害、雷击等）故障过后电弧可自动熄灭，系统很快恢复正常。随着电压的提高和系统的发展，单相接地电容电流会成比例地增长。运行经验表明 1035kV 电容电流超过 10A 时，此时的接地电弧将难以自动熄灭。中性点不接地电网 A 相接地，如图 3-4：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

44、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弧，则在接地一瞬间 t=t1 时，Ua（t1）=-Um；Ub（t1）=Uc=0.5Um；Uca（t1）=Uba（t1）=15Um。此时，在相间电容 CM 与对地电容CN 上原有的电荷要产生激烈的振荡进行重新分配，于是使 B 相、C 相对地电压从 0.5Um 上升到自由振荡的初始电压 Uc，即： （3-2）mNmMbCmNM0.5U C1.5U CUU(0.5K)UCC式（3-2）中： MNMCKCC经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 ，所以可近似的认为 t2 时的 B 相

45、、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在高频振荡电流第一次过0时熄灭，由此产生中性点不接地的中性点电压将比工频半周增大。电弧重燃后，电荷将通过电弧接地而被泄放一部分，不NU第 3 章 抑制电网过电压理论- 5 -会无限制地积累和上升，由此可求得中性点位移电压为： （3-4）NbmcmnbmNC (UU)2UU3C3式（3-4）中，分别为 B 相和 C 相的过电压，且相等。bmUcmU在第 n 次重燃时，尚有，anmm2U (tn)U(UU )3 ，将代入 n 次，则得重燃时 B 相

46、bamU (tn)U (tn)1.5UNbmcmnbmNC (UU )2UU3C3最大过电压值，且高频熄弧理论的最大过电压值为： (3-5)bmm1.5(1K)(1d)UU21(1K)(1d)3当 K=0，d=0 时， =7.5。从理论上可以得出高频熄弧理论的最大过电bmU压值为 7.5 倍相电压。3.3 中性点接地方式的选择配电网内部过电压问题与其中性点接地方式密切相关，而中性点接地方式的选择是一个综合性的技术问题，直接关系到电力设备的绝缘水平、过电压水平、供电可靠性、通信干扰、接地保护方式、人身及设备安全等很多方面，是电力系统实现安全与经济运行的技术基础。以中性点不接地和经消弧线圈接地方式

47、为代表的配电网非有效接地方式，在供电可靠性、人身设备安全和电磁兼容性等方面占有优势，但存在过电压水平高、难以实现接地故障检测等不足。中性点直接接地和经电阻接地方式有利于限制过电压水平，接地故障易于检测，但该接地方式下故障电流大，人身设备安全和电磁兼容性应予以重视。而中性点经消弧线圈并联电阻接地方式弥补了经消弧线圈接地或经电阻接地单一运行方式的不足，使其既有利于瞬时故障熄弧，限制甚至消除发生间歇性弧光接地及其它谐振过电压的可能性，又便于永久性接地故障的检测，但其限制内部过电压的效果及其与现有接地方式的比较还需通过数值仿真进行验证。3.4 中性点接地电阻确定对消弧线圈采用不同脱谐度时发生单相接地故

48、障进行计算，按规程对补偿电网故障残余电流的要求，选择中性点接地电阻。故障设置 00937 兴油库线出线线路末端 C 相（登封变）、01049 北油气线出哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 6 -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），考虑较恶劣的故障情况，即金属性接地和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400042004500无穷大40004

49、200450000.785.925.645.280.205.725.465.100.05 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 4.78 200.275.865.595.183.686.

50、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 5.05 4.73

51、-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 -51.045.825.565.210.845.655.

52、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：一般中性点经消弧线圈接地的补偿电网，脱谐度 的绝对值为 5%10%，不宜超过 1

53、0%，且为过补偿。选用 4200 的电阻并联于中性点，能够满足故障点残流不超过 10A 的要求。第 3 章 抑制电网过电压理论7第 4 章 谐振过电压在电力系统的振荡回路中，往往由于铁芯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 配电网中存在两种典型的铁磁谐振过电压，分别为断线引起的谐振过电压和 PT 饱和引起的谐振过电压。4.1 断线谐振过电压所谓断线谐振过电压，指的是在操作过程当中由于导线断开、断路器不启动以及空气开关和熔断器件的非同步切合引发的谐振过电压。在现阶段的中低压电网中，中断线路或许会导致电感电容器件的串联共振回路，回路中的电感是空、轻载时变压器的

54、励磁电感和消弧电线圈等，电容是指电线的对等相对电容值，或电感线圈的对地散置电容等。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。因此断线谐振比较常见于空载变压器的工作过程。在常规中低压线路中，断线导致的铁磁谐振过电压状态较为常见，而导致的后果也非常多：在绕组两端和接地部分之间出现过电压状态；负载变压器的反序倾斜；中性点偏移和虚接；绕组的中轴铁芯声音过大和导线爆裂声。在极限状况下，甚至击穿闪络，避雷器毁坏和击穿装置。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。当前技术中为预防断线谐振过电压，采

55、用的方法基本有以下几种：（1）保证空气开关的三相动作同步，以防拒动，免除熔断器设备；（2）用经常巡视的方法来规避线路断开；（3）如断路器出现异常状态，应及时复位和检修；（4）中性点后置位置的变压器增加其间隙。4.1.1 中性点不接地系统的断线谐振过电压在中性点不接地的特殊系统中，假设有导线出现了断线故障状态，断线分为三种情况：断线不接地、断线电源方接地和断线负荷一方接地。按照这三种情况，分别画出其等值电路如图 4-1 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以登封变为例进行说明，其中，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。中性点不接地系统，单相断线不接地时，通过改变 Xcq/XL，过电压计算结果见表 4.1（表中，下同） 。故障相、非故障相Vup330683/240500.1及中性点电压典型波形如图 4-2 所示。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 4C000.0390.0340C00.0520.0130.0190.28C00.0520.0520.0520.28Ceq0.03460.01