基于中性點方式選擇的變電設(shè)備過電壓防護(hù)技術(shù)講解

1、工學(xué)碩士學(xué)位論文 基于中性點方式選擇的 變電設(shè)備過電壓防護(hù)技術(shù) 碩 士 研 究 生 ： 袁濤 導(dǎo)師 ： 江濱浩教授 申 請 學(xué) 位 ： 工學(xué)碩士 學(xué)科 ： 電氣工程及其自動化 所 在 單 位 ： 電氣工程學(xué)院 答 辯 日 期：2014 年 11 月 授予學(xué)位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 摘要 摘要 大慶油田由于發(fā)展的需要，對于配電網(wǎng)的要求比較高。但是由于大慶油田 的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，所以大慶油田的電路設(shè)備存在一系列的問題，這些 問題主要包括線路老化，絕緣的能力比較差，電路的輸電能力受過電壓的影響 比較大。大慶油田配電網(wǎng)在現(xiàn)在的發(fā)展中存在的問題主要包括：（ 1）大慶油田 配網(wǎng)線路在實際發(fā)展中以架

2、空裸導(dǎo)線配置的方式存在 ，以這種方式存在的故障 主要發(fā)生在單相接地或相間短路的方面。出現(xiàn)的頻率比較高；（ 2）隨著科技的 不斷進(jìn)步以及配電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在電路設(shè)備中電器開關(guān)的使用量也在不 斷的增加，所以事故發(fā)生的幾率比較大對于生產(chǎn)發(fā)展的影響產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的 影響。 電網(wǎng)內(nèi)部過電壓的防護(hù)重點和難點是諧振過電壓和弧光接地過電壓， 針對 大慶油田 35kV 配電網(wǎng)的具體情況，分析計算鐵磁諧振過電壓、弧光接地過電 壓、操作過電壓并提出相應(yīng)的防護(hù)方案。在三種中性點接地方式下，對于配電 網(wǎng)內(nèi)部過電壓形成的原因及其自身所具有的特點進(jìn)行科學(xué)的分析計算，為后續(xù) 的一些研究奠定一定的基礎(chǔ)，這樣就可以為配電網(wǎng)中

3、性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻 接地方式提供有力的條件， 該方式主要由自動調(diào)諧消弧線圈、 自動投切電阻器 和控制器等組成，汲取經(jīng)銷弧線圈接地和電阻接地兩種方式的優(yōu)點，既能充分 發(fā)揮消弧線圈補償電容電流、提高單相接地故障自恢復(fù)概率的作用，又能利用 并聯(lián)電阻抑制過電壓和實現(xiàn)單相接地故障選線。針對操作過電壓，通過仿真計 算的結(jié)果，確定合理的防護(hù)措施。 關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 過電壓 防護(hù)方案 中心點接地。 Abstract Abstract Daqing oilfield distribution network wide distribution, equipment insulation level is lo

4、w, 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 circuit fault rate is higher, the equipment failure caused by the fre

5、quent; 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, cable, overvoltage caused by explosions and other accidents have occu

6、rred, 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 oilfield 35kV power distribution network, the analysis and calculat

7、ion 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 simulation, to grasp the reasons and characteristics of the distributi

8、on 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 grounding mode, this mode is mainly composed of automatic tuning arc

9、 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 probability function of arc suppression coil compensation capacitance

10、 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 reasonable protection measures. Keywords: distribution network overvol

11、tage protection scheme of center point earth. -II- 目錄 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒 論 - 1 - 1.1 課題來源 - 1 - 1.2課題研究目的和意義 - 1 1.4 本課題的研究內(nèi)容 - 3 - 第 2 章 電網(wǎng)參數(shù)及模型建立 - 5 - 2.1 變電站主接線圖 - 5 - 2.2 變電所主變壓器參數(shù) - 7 - 2.3 線路參數(shù) - 8 - 2.4 PT 參數(shù) - 9 - 2.5 避雷器參數(shù) - 9 - 第 3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 - 10 - 3.1 諧振原理 - 10 - 3.1.1 電力系統(tǒng)鐵磁諧振

12、產(chǎn)生的條件 - 11 - 3.1.2 電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓抑制措施研究 - 11 - 3.2 弧光接地過電壓產(chǎn)生機理 - 14 - 3.3 中性點接地方式的選擇 - 15 - 3.4 中性點接地電阻確定 - 16 - 第 4 章 諧振過電壓 17 4.1 斷線諧振過電壓 17 4.1.1 中性點不接地系統(tǒng)的斷線諧振過電壓 17 4.1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的斷線諧振過電壓. 錯 誤！未定義書簽。 4.1.3 中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)的斷線諧振過電壓 錯誤！未定義書簽 4.2 PT 諧振過電壓 錯 誤！未定義書簽。 4.2.1 分頻諧振 錯誤！未定義書簽。 4.2.2 基頻諧振

13、 錯誤！未定義書簽。 4.2.3 高頻諧振 錯誤！未定義書簽。 第 5 章 弧光接地過電壓 錯 誤！未定義書簽。 III 目錄 5.1 弧光接地過電壓原理 錯 誤！未定義書簽。 5.2 中性點不接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓 錯 誤！未定義書簽。 5.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓 錯誤！未定義書簽。 5.4 中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓 錯誤！未定義書簽 第 6 章 過電壓防護(hù)方案 錯誤！未定義書簽。 6.1 仿真計算結(jié)論 錯 誤！未定義書簽。 6.2 安裝實施 錯 誤！未定義書簽。 結(jié) 論 錯 誤！未定義書簽。 參 考 文 獻(xiàn) 錯 誤！未定義書簽。 發(fā)表論文情況

14、說明 錯 誤！未定義書簽。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用權(quán)限 - 錯誤！未定義書簽。 致 謝 錯 誤！未定義書簽。 個人簡歷 錯 誤！未定義書簽。 第 1章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.1 課題來源 本篇論文的課題來源主要是大慶油田電力有限公司的科技項目 “大慶油田 電網(wǎng)過電壓防護(hù)技術(shù)方案研究” 項目編號： 200801005 。該項目針對大慶油田 電網(wǎng)的內(nèi)部過電壓問題開展了研究， 本文擬通過對電網(wǎng)內(nèi)諧振過電壓和弧光接 地過電壓的理論分析和計算， 通過實踐采用一種用消弧線圈并聯(lián)電阻使電網(wǎng)中 性點接地的辦法來解決大慶油田電網(wǎng)內(nèi)部過電壓問題 。 1.2 課題研究目的和意義 大慶油田由

15、于發(fā)展的需要， 對于配電網(wǎng)的要求比較高。 但是由于大慶油田 的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程， 所以大慶油田的電路設(shè)備存在一系列的問題， 這些 問題主要包括線路老化， 絕緣的能力比較差， 電路的輸電能力受過電壓的影響 比較大。 目前存在的主要問題有： 一、配網(wǎng)線路多采用架空裸導(dǎo)線這種配置方式， 這種配置方式會導(dǎo)致單相接地或相間短路，使得設(shè)備故障頻繁；二、目前配電網(wǎng) 的發(fā)展迅速，室內(nèi)開關(guān)柜的使用增多，與此同時電纜線的出線比例也在不斷的增 加，這樣就會對供電系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的不良影響，造成線路的爆炸、停電事故等， 會對供電系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成威脅。 對于中性點不接地系統(tǒng)來說，它所具有的故障形式是非常多的，其中最

16、主要 的故障是單相接地所引起的故障。這種故障在發(fā)生的情況下 線路再帶故障運行， 這是因為流過故障點的電流是很小的，對于三相電源的影響不大三相電源仍然處 于對稱狀態(tài)。 而當(dāng)流經(jīng)故障點的電流較大并且狀態(tài)不穩(wěn)定時，就有極大的可能出 現(xiàn)電網(wǎng)中電感和電容回路電磁振蕩的暫態(tài)過程，從而產(chǎn)生弧光接地過電壓。 鐵磁諧振是系統(tǒng)在受到?jīng)_擊時，飽和的電壓互感器鐵芯與線路和設(shè)備的對地 電容匹配產(chǎn)生的。因此，抑制鐵磁諧振就是要降低鐵芯的飽和程度，防止電壓互 感器鐵芯飽和。通過我們的實踐運用，對于在中性點系統(tǒng)中如何更好的采取有效 的措施來防止鐵芯飽和所帶來的鐵磁諧振方法是非常的多的，最為我們熟知的主 要由以下兩種：第一種就

17、是通過有效措施來對系統(tǒng)中電感電容的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào) 整，減少引起諧振的因素。比如： （1）由于電壓互感器的空載勵磁特性與互感器中鐵芯的磁密密切相關(guān)，小的 電壓互感器磁通密度就可以有效降低鐵芯的飽和程度。此外，選擇適宜的鐵芯硅 鋼片、改善熱處理工藝也可以實現(xiàn)這一目的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 （2）限制同一網(wǎng)絡(luò)中電壓互感器的并聯(lián)臺數(shù)：我們國家在這方面也制定了相 應(yīng)的規(guī)則比如 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合中就有規(guī)定 “減少同 一系統(tǒng)中 PT中性點接地的數(shù)量” , 通過采用這種方法會對諧振條件產(chǎn)生一系列的 不良影響。 （ 3）對于電力系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地或者接入類同作用的消弧 電抗器

18、在適當(dāng)?shù)那闆r也應(yīng)該考慮。 （4）還可以采用改變接線形式，一般情況下我們可以運用 4PT的接線方法， 這種方法的具體操作手段就是在高壓互感器中性點接入單相電壓互感器。 另外一種是通過消耗諧振產(chǎn)生能量來消除諧振的發(fā)生，如： （5）要用科學(xué)的辦法選擇各種消除諧振的措施，不改變接線形式，安裝可以 消除諧振的裝置。 （6）在電壓互感器高壓側(cè)串入電阻，或在二次側(cè)三角繞組開口兩端接電阻。 （7）科學(xué)的采用系統(tǒng)中性點經(jīng)電阻接地或接入同作用的阻尼電阻器等。 以上提出的七種方法中：第（ 3）、（ 6）、（ 7）種可以從根本上解決鐵磁諧 振的問題，是防止發(fā)生鐵磁諧振的首選措施，但是在實施過程中仍然需要考慮其 他的因

19、素 ；方法（1）的問題主要是電壓互感器生產(chǎn)廠家應(yīng)該關(guān)注的； （2）、（4）、 （5）是電網(wǎng)的設(shè)計及運行部門應(yīng)注意的問題，但是方法 4 由于接線較為復(fù)雜，其 應(yīng)用受到一定的限制； 而對目前已經(jīng)投入運行的各種消除諧振的裝置，還需要在 實際應(yīng)用中進(jìn)一步檢驗其抑制鐵磁諧振的性能。 1.3 長期以來，我們國家對電網(wǎng)等級進(jìn)行劃分，對于 35000V 以下的電路采用 中性點進(jìn)行連接。 這種電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障時，電力系統(tǒng)中的電壓是不會發(fā) 生變化的，所以電網(wǎng)中的故障一旦出現(xiàn)在短時間內(nèi)的帶故障運行是不違反我們國 家電力標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定的。在這種情況下也不會對承線電壓帶來什么不良的影響。 采用中性點不直接接地這種

20、方式一個最大的優(yōu)點就是可以使系統(tǒng)帶接地故障 運行。工作人員可以在故障期間及時的排除接地故障，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行，使 供電系統(tǒng)有了更高的可靠性。但是這種方式的缺點就是會發(fā)生 PT 鐵磁諧振，使系 統(tǒng)三相對地電壓不穩(wěn)定。甚至?xí)l(fā)生在 PT 的一次繞組中出現(xiàn)高幅值的涌流，熔斷 高壓熔斷器。 歷史上兩個工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家分別采取了不同的配電網(wǎng)的中性點接地方 式。歐洲的工業(yè)大國德國采用的接地方式就是中性點經(jīng)消弧線圈 ，通過采用這種 方式我們就能夠快速的消除單相接地所產(chǎn)生的故障，這樣就會為通信信號的健康 運行提供良好的保障；美國等西方國家由于科技水平比較高一般情況下也是采用 中性點直接接地的方式，通過這種

21、方式可以避免故障對線路正常運行的影響。 這 兩種接地方式很具有代表性性，對于世界各國電力系統(tǒng)的發(fā)展都產(chǎn)生了十分重大 的影響。 - 2 - 第 1章 緒 論 我們國家根據(jù)本國的發(fā)展?fàn)顩r制定了符合自己需要的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在這標(biāo) 準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，那就是電壓在 3KV到 10KV之間的電力系統(tǒng)是不能和發(fā)電機相 連接的，如果采用不接地的連接方式就要求單相接地故障電容電流不準(zhǔn)超過規(guī)定 的值；如果超過了規(guī)定的要求就會采用消弧線圈接地方式： （1）310kV 鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有 35、66kV 系統(tǒng)， 10A； （2）310kV 非鋼筋混凝土或非金屬桿塔的架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)， 當(dāng)

22、電壓為： 3kV和 6kV時， 30A；b10kV時， 20A；c3kV10kV 電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)， 30A。 我們在以往的實踐中通過不斷的實踐，發(fā)現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的電壓值一般情況 下在 35000V 以下，這種電網(wǎng)的內(nèi)部電壓是不會對電網(wǎng)的安全造成威脅的， 一般情 況下受到雷電過電壓的影響。 因而長久以來以防止大氣過電壓對設(shè)備的侵害是采 取的過電壓保護(hù)措施的主要目標(biāo)，采用的主要技術(shù)手段也僅僅是裝備避雷器。如 果避雷器自身的參數(shù)存在一定的缺陷，那么對雷電引起的相間侵害以及內(nèi)部過電 壓產(chǎn)生的損害起不到保護(hù)作用。 然而，我國部分油田電網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)頗具規(guī)模，以大慶油田為例，截止 2008 年底，僅薩南

23、油田就共建成 35/6kV 變電所 32 座，配電所 1座，設(shè)計規(guī)模 47.66 104kVA ，實際運行負(fù)荷為 22.87104kW；共建成 6kV 電力線路 2003km，配電變 壓器 6790 臺。 通過我們的實踐操作經(jīng)驗我們可以知道，如果油田電網(wǎng)的發(fā)展發(fā)展到一定的 程度時，電網(wǎng)內(nèi)部所產(chǎn)生的過電壓及其過電壓自身因素所引發(fā)的一系列對于電網(wǎng) 安全運行產(chǎn)生威脅的因素，都會對配電網(wǎng)設(shè)備的安全運營產(chǎn)生一定程度的不良影 響。 1.4 本課題的研究內(nèi)容 弧光接地過電壓和諧振過電壓這兩種過電壓是電網(wǎng)內(nèi)部過電壓防護(hù)的難點 和重點。 針對大慶油田 35kV 配電網(wǎng)中存在的鐵磁諧振過電壓、 弧光接地過電壓、

24、操作過電壓這幾種情況，對其進(jìn)行理論分析計算并提出相對應(yīng)的防護(hù)方案。通過 理論分析計算和仿真， 我們可以對三種中性點接地方式在使用過程中出現(xiàn)過電壓 的因素進(jìn)行分析。通過分析可以提出一系列的預(yù)防過電壓出現(xiàn)的措施， 該方式 主要由自動調(diào)諧消弧線圈、自動投切電阻器和控制器幾個部分組成，汲取經(jīng)銷弧 線圈接地和電阻接地兩種方式的優(yōu)點，既能充分發(fā)揮消弧線圈補償電容電流、提 高單相接地故障自恢復(fù)概率的作用， 又能利用并聯(lián)電阻抑制過電壓和實現(xiàn)單相接 地故障選線。針對操作過電壓這種情況，結(jié)合仿真的結(jié)果選擇合理的防護(hù)措施。 第 2 章 電網(wǎng)參數(shù)及模型建立 第 2 章 電網(wǎng)參數(shù)及模型建立 通過對大慶油田電網(wǎng) 110K

25、V 一次變電所的普遍狀況進(jìn)行分析，主要以登 封、奔騰、南二三座一次變電所的實際情況為例， 通過其設(shè)備參數(shù)和線路參數(shù) 建立 ATP 仿真模型，并對下一步的理論計算提供依據(jù)。 2.1 變電站主接線圖 通過對大慶油田電網(wǎng)中的登封一次變電所、 奔騰一次變電所、 南二一次變 電所三座 110kV 變電所 35kV 側(cè)母線所連設(shè)備與線路為仿真計算原型， 進(jìn)行科 學(xué)的分析得到 網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 登封一次變主接 線圖 - 5 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 通過對圖 2-1 進(jìn)行分析我們就可以建立仿真計算模型進(jìn)行分析得到如圖 2-2 所示。 a) 登封一次變電所 cable185

26、150 00942 00943 120 00944 95 other 00946 第 2 章 電網(wǎng)參數(shù)及模型建立 b) 奔騰一次變電所 圖 2-2 仿真模型 可以知道三座變電所短路阻抗標(biāo)幺值如表 2.1 所示 表 2.1 變電所短路阻抗標(biāo)幺值 110kV 側(cè) 35kV 側(cè) 變電所 大運行方式 小運行方式 大運行方式 小運行方式 登峰 0.08285 0.1745 0.184 0.3619 奔騰 0.06723 0.14929 0.1645 0.344 南二 0.04038 0.07421 0.12133 0.23611 2.2 變電所主變壓器參數(shù) 通過分析變電所主變壓器參數(shù)如表 2.2 所示

27、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 表 2.2 主變壓器參數(shù) 型號 額定變比 方接式線流空載Io電/%空耗載/k損W短路電壓 短路損耗 /kW 方式流 Io/%耗/kW Uk/% 1# SFPSZ7-5 1108x1.25%/38. YNyn 登 0000/110 52x2.5%/6.6kV Odn 封 2# SFPSZ7-5 1108x1.25%/38. YNyn 0000/110 52x2.5%/6.6kV Odn 1# SFSZ9 7 11581.25%/38 YNyn 奔 5000/110 .55%/6.3kV 0d11 騰 2# SFSZ9 7 11581.25%/38 YNyn 500

28、0/110 .55%/6.3kV 0d11 南 1# SFPZB763 (121 8 1.25%)/ Ynyn 000/110 38.5kV 0+d 二 2# SFPZB763 (121 8 1.25%)/ Ynyn 000/110 38.5kV 0+d 0.60 57.6 9.7/17.6/ 228.862/246. 6.6 44/177.799 0.60 57.6 9.7/17.6/ 237.955/242. 6.6 304/183.230 0.58 48.6 15.50 326.8 0.56 48 15.40 325.6 0.27 56.280 247.296 0.32 52.570 2

29、44.304 2.3 線路參數(shù) 不同型號線路的參數(shù)的結(jié)果如表 2.3所示。 線路型號和長度如表 2.4所示 表2.3 35kV 線路參數(shù) 線路型號 R+ R0 L+ L0 C+ C0 LGJ 120 0.27 0.475 1.118 5.592 0.0104 0.005 LGJ 150 0.21 0.349 1.179 4.055 0.0098 0.0051 LGJ 180 0.17 0.309 1.155 4.035 0.01 0.0052 LGJ 240 0.13 0.272 1.13 4.1 0.0102 0.0053 YJLV-26/35-1*240 0.06 0.091 0.139

30、0.29 0.548 0.274 YJLV-26/35-1*185 0.0716 0.0839 0.16 0.247 0.502 0.335 單位：電阻（ /km ） 電感（ mH/km ）電容（ F/km ) 表 2.4 35kV 線路型號和長度 出線 編號 出線名稱 出線類型及型號 長度 /km 架空線 電纜 架空線 電纜 00937 興油庫線 LGJ 150 LGJ 120 1.95 3.396 00941 氯堿甲線 LGJ 120 0.97 00942 氯堿乙線 LGJ 120 LGJ YJLV 26/35 150 185 0.97 0.65 0.13 LGJ 150 4.879 00

31、943 興動線 LGJ 150 LGJ 120 3.495 0.655 前進(jìn)水源 LGJ 150 LGJ 95 3.628 00944 0.706 線 LGJ 120 5.656 00946 齊水乙線 LGJ 185 3.3 - 8 - 第 2 章 電網(wǎng)參數(shù)及模型建立 2.4 PT 參數(shù) 35kVPT 型號為 JDJJ1-35。用 ATP 仿真計算 PT 二次側(cè)的各種數(shù)據(jù)在用 ATP 仿真計算 PT 的飽和諧振時不需要進(jìn)行考慮， 在這種情況下我們僅僅需要考慮的情 況是 由 PT 鐵芯飽和而引起的過電流與過電壓對配電網(wǎng)的所產(chǎn)生的影響。所以我 們僅僅需要通過用三個非線性電感來構(gòu)建 PT 的模型，這

32、些情況具體可以反映在飽 與鐵芯勵磁特性方面。 上述的 PT 簡化模型如圖 2-3 所示。 圖 2-3 PT 仿真計算模型 2.5 避雷器參數(shù) 我們在實際運用中的避雷器型號主要包括如圖2.5 所示的幾種型號， 不同 的型號是采用不同的物質(zhì)構(gòu)成的， 每一種信號的避雷器信號具體參數(shù)也是不同 的，一般情況下都會有明確的規(guī)定。 表 2.5 避雷器型號參數(shù) 登封站 南二 奔騰 避雷器型號 HY 5WZ 2-54/134 HY 5WZ 2-54/134 HY 5W 8-42/130 HY 5WZ 3-52.7/134 HY 5WZ 2-54/134 35kV 金屬氧化物避雷器的伏安特性如表2.6 所示 表

33、2.6 35kV 金屬氧化物避雷器的伏安特性 I/A -4 3X10 -4 -3 1X10 -3 -2 5X10 -2 1 1X10 1 2 1X10 2 2 5X10 2 3 1X10 3 3 3X10 3 3 5X10 3 U/U 1mA 0.955 1.000 1.082 1.163 1.277 1.400 1.451 1.569 1.753 注： U1mA 一般取其典型值 73kV 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不斷的得到完善。電力網(wǎng)絡(luò) 在使用過程中也會由于各種原因引發(fā)過電壓的現(xiàn)象出現(xiàn)，其中由于鐵芯電感的飽 和

34、所引起的過電壓稱為鐵磁諧振過電壓。我們比較常見的鐵磁諧振過電壓主要包 括由于斷線引起的和電壓互感器飽和兩種情況。 3.1 諧振原理 為了對諧振原理進(jìn)行更好的分析我們主要以 PT 諧振過電壓為例，在正常運 行的前提下，它的初始情況是容抗要大于感抗，也就是 L （1/ C這） 是不滿足 線性諧振條件的要求的，在這種情況下回路就會保持穩(wěn)定的狀態(tài)。但是如果電路 中的電源電壓增大，那么涌流現(xiàn)象在電感線圈發(fā)生時，鐵芯就會達(dá)到飽和的狀態(tài)， 在這種情況下他的感抗的大小也會不斷的變小。如果在線路中 L （1/ C，） 那 么串聯(lián)諧振發(fā)生的具體條件就會得到滿足，在這種情況下過電壓主要在電感的兩 端和電容的兩端產(chǎn)生

35、，就會引發(fā)回路中電流的數(shù)值發(fā)生變化，在這種情況下磁諧 振現(xiàn)象就會出現(xiàn)， 只要諧振產(chǎn)生了就很大可能性會發(fā)生自保持現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不 僅會持續(xù)很長時間，而且也不會降低，除非是發(fā)生了干擾，從而使諧振要求發(fā)生 變化才可以使諧振現(xiàn)象解除。 圖 3-1 電網(wǎng)等值電路圖 如圖 3-1 所示，在電力網(wǎng)絡(luò)正常運行情況下， LA LB LC ，因此 YA YB YC ， 三相電路對地負(fù)荷基本可以抵消的， 電網(wǎng)的中性點電位為 0。如果電網(wǎng)發(fā)生類似斷 路器 DL 在空載母線中合閘或者在線路中產(chǎn)生了瞬時單項接地故障， 又或者是雷電 入侵波沖擊的擾動過程中發(fā)生一相、兩相對地電壓瞬時增大等空載母線沖擊性的 擾動，這種情況下如

36、果電壓互感器的三相繞組遭受沖擊的程度不一樣，那么三相 繞組的飽和程度也會不一樣，因此每相的綜合阻抗就回不一樣，這樣就會產(chǎn)生三 相不對稱的三相負(fù)荷，致使變壓器電源側(cè)中性點出現(xiàn)位移： - 10 - 第 3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 Uo EA YA EB YB EcYC YA YB YC 3-1) 如果正常情況時各相綜合導(dǎo)納呈容性，則擾動的結(jié)果可能導(dǎo)致一相綜合阻抗 呈容性，其余兩相是感性，因此分母中的導(dǎo)納符號不同，互相補償， YA YB YC 將 顯著降低，而產(chǎn)生較大的 Uo 以激發(fā)鐵磁諧振，但三相對地電壓是每相電源電動勢 E 與位移電壓 U o矢量的和，所以他們中 1 相、2相以至 3 相的對地電

37、壓均有增大的 可能性，因此將會引起過電壓、過電流情況。過電壓對電氣設(shè)備的絕緣構(gòu)成威脅， 過電流可引發(fā)電壓互感器高壓熔絲熔斷以至于發(fā)生燒毀 PT 情況發(fā)生。對于某些 PT 來說，燒毀時有時表現(xiàn)為爆炸的形式，不僅本身遭到破壞，而且要危及鄰近的 電力設(shè)備，其危害性很大。 3.1.1 電力系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的條件 電力系統(tǒng)中的元器件并不是單一的，它是由多種性能的電器元件組成的， 其中我們最為熟悉的兩種電器元件是點感性電器元件和電容性電器元件。 這兩 種屬性不同的電器元件適用范圍也有很大的區(qū)別， 其中電感性元器件的適用范 圍主要有發(fā)電機、 電力變壓器等這些功率比較大的電氣設(shè)備方面； 電容性的電 器元件主要

38、包括串聯(lián)電容器組、并聯(lián)電容器組及其高壓設(shè)備中使用的寄生電 容，電容性電器元件對于導(dǎo)線方面的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電感性電器元件的要求。 電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象其中一個常見的原因是電流與鐵芯電感的磁通 間的非線性關(guān)系，使電壓增大，引起鐵芯電感飽和。至于其產(chǎn)生的條件主要由 以下六種原因引起的： （ 1） 突然把電壓互感器投入到系統(tǒng)中 ； （2）線路發(fā)生單相接地； （3）電氣設(shè)備的投切或者是系統(tǒng)的運行方式發(fā)生變化； （4）系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生較大的波動； （5）電網(wǎng)頻率的波動； （6）負(fù)荷的不平衡變化等。 3.1.2 電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓抑制措施研究 解決 PT 諧振過電壓的辦法有： （1）在選擇電壓互感器時

39、，要選擇勵磁特性飽和點比較高的那一款； （2）在對電壓互感器進(jìn)行設(shè)置時要采用消諧電阻來進(jìn)行設(shè)置； - 11 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 （3）對于消諧器的設(shè)置每次繞組中性點都要進(jìn)行設(shè)置； （ 4）為了躲開電網(wǎng)諧振點在進(jìn)行消弧線圈選擇時， 要選擇合適的脫諧度。 當(dāng)今， 鐵磁諧振現(xiàn)在已經(jīng)有相對來說較為有成效的抑制方式來抑制，可以 讓通過電壓互感器高壓側(cè)電流值小于保險的額定電流，并且當(dāng)通過電流較大 時，通流時間可以縮短到 0.1s 以下甚至幾個 ms。 但是，在 具體的運用過程 中遇到了即便是電網(wǎng)安裝有抑制鐵磁諧振的裝置（一次、二次消諧器等）后， 也會產(chǎn)生電壓互感器高壓側(cè)保險熔斷的情況， 與

40、此同時有時電容參數(shù)與電感參 數(shù)已經(jīng)溢出諧振范圍 ，如圖 3-2 所示。 圖 3-2 鐵磁諧振的共振范圍 圖 3-2 中展示的是對應(yīng)某一頻率下電路及其元件的V-A 特性函數(shù) ,Uc 代表 電容的 V-A 特性曲線 ,UL 代表帶鐵芯電感的 V-A 特性曲線 ,圖中曲線 4 中 ,電容 V-A 特性曲線 1 與電感的 V-A 特性曲線交叉于一點 ,也就是說隨著勵磁電感的 變化過程 ,參數(shù)可以滿足 ,因此很可能產(chǎn)生鐵磁諧振。 在線路較長的情況下 ,對地 電容相對也大 ,如 V-A 特性曲線 5 所示 ,因此產(chǎn)生鐵磁諧振的可能性很小 ;而在 線路較短的情況下 ,如 V-A 特性曲線 4 所示,同樣發(fā)生

41、鐵磁諧振的可能性很小。 用上圖同樣也可以大致分析頻率不同情況下諧振的區(qū)域。 這樣不會產(chǎn)生諧振， 也就不是排因為發(fā)生諧振致使一次保險燒熔的， 因此 鐵磁諧振并不是 PT 一次保險燒熔的唯一原因， 通過對理論進(jìn)行分析和采用計 算機進(jìn)行仿真計算如果電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時性單相接地故障情況下， 系統(tǒng)三相對地電 容在接地時的充電與放電過程是引起一次保險燒熔的原因之一， 其機理如下： - 12 - 第 3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 圖 3-3 電網(wǎng)等值電路圖 對于上圖所示的電網(wǎng)等值電路， 當(dāng)電網(wǎng)正常操作時，不管在什么時候， 電網(wǎng)線路對地電容帶有的電荷量總數(shù)是0；電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障并不是沒有 一點預(yù)兆的他是要經(jīng)過產(chǎn)生

42、單相接地故障與解除單相接地故障這兩個過程的， 這兩個過程也就是他發(fā)生所要經(jīng)歷的過渡階段。 由于電壓互感器的勵磁阻抗 非常高，流經(jīng)高壓繞組的電流非常低。如果接地故障解除，那么從導(dǎo)體通向地 面的通路就會被截斷， 這種情況發(fā)生此時各相線路的對地電壓要恢復(fù)為相電壓 值，而原來非故障相的導(dǎo)線在單相接地故障期間是充以線電壓下的電荷的， 這 個電荷是一定要另尋出路泄放回大地， 此時由于原接地點已經(jīng)切斷， 自由電荷 只好通過 PT 的一次繞組泄往大地，此時對地電容中存儲的電荷將對 PT 高壓 繞組電感放電，這相當(dāng)于一個直流電源作用在帶有鐵芯的電感線圈上。 在配電網(wǎng)系統(tǒng)中如果出現(xiàn)接地相的問題， 換句話來說就是指

43、一個處在空載 狀態(tài)的變壓器開關(guān)突然閉合， 就會出現(xiàn)比較大的暫態(tài)涌流現(xiàn)象。 當(dāng)這種現(xiàn)象出 現(xiàn)時， 如果輸電線路過長那么接地的相在接地時積累的電荷也相對比較多， 這 就會出現(xiàn)高壓繞組的電流處于飽和的狀態(tài)， 如果鐵芯處于飽和狀態(tài)就回線 路中出現(xiàn)比較大的電流沖擊現(xiàn)象， 由于電流沖擊過大可能會造成保險絲的突然 斷開。 這樣就會對用戶用電造成嚴(yán)重的影響。 在實際的運用過程中由于初始相 位角不一樣， 所以對于故障的切除也會有一定程度的影響。所以在對這些問題 進(jìn)行分析時， 要進(jìn)行具體的問題采用不同的方法進(jìn)行分析。對于線路中飽和電 流的大小是受到很多因素的影響的，與其關(guān)系最密切的就是的伏安特性， 如果的鐵芯相對

44、于其他的來說比較容易飽和， 就說明該電流比較大， 也 就意味著保險絲發(fā)生熔斷的幾率越高。 電網(wǎng)間歇性的瞬時單相接地故障就相當(dāng)于以上過程的反復(fù)， 這樣造成的沖 擊電流就相當(dāng)于幾次累加后的效果，從而更容易使 PT 的一次保險熔斷。 - 13 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3.2 弧光接地過電壓產(chǎn)生機理 電網(wǎng)在實際的運營過程中發(fā)生故障的方式是多種多樣的，其中最主要 故障方式是單相接地，這種故障發(fā)生的幾率 約占 60 以上。 這種故障并不 改變變壓器三相繞組間電壓對稱性， 即線路之間的電壓關(guān)系不變。 由于接地的 故障電流不大，因而不需要立即切除故障線路，允許在 2h 內(nèi)可以繼續(xù)向用戶 供電，這是

45、中性點不接地系統(tǒng)所具有的顯著優(yōu)勢。但在單相接地故障中，絕大 部分為電弧不穩(wěn)定，處于時燃時滅的狀態(tài)， 由于外界條件的變化導(dǎo)致電感電 容元件之間的電磁振蕩，形成遍及全系統(tǒng)的過電壓。 中性點不接地電網(wǎng) A相接地，如圖 3-4 ： 圖 3-4 中性點不接地電網(wǎng) A 相接地 圖 3-4 源電動勢 Ea=Umsin （ t）， Eb=Umsin （ t-120 ）， Ec=Umsin （t+120）。 圖中 L 為電源漏電感， r 為系統(tǒng)等值電阻， CM 為線間電容， CN 為每相線路對地電容，導(dǎo)線間電容忽略不計。設(shè)故障 A 相每次在電壓最大 值時燃弧，則在接地一瞬間 t=t1 時， Ua（t1）=-Um

46、 ； Ub （ t1） =Uc=0.5Um ； Uca（t1）=Uba（t1）=15Um 。 其具體的計算公式如下： 3-2) Ub UC 0.5UmCN 1.5UmCM (0.5 K)U 上式在經(jīng)過自由振蕩半個周期后， B相、 C相電壓瞬時值達(dá)到最大。因自 由振蕩角頻率 1 遠(yuǎn)大于工頻角頻率 ，在這種情況下可近似的認(rèn)為 t2 時的 B相、 C相工頻電壓仍保持不變， 即： Ubmax U 3-3) 式（ 3-3）中： d 1 ，1 為自由振蕩的衰減系數(shù) - 14 - 第 3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 Un C N (U bmU cm ) 2 U bm 3C N 3 3-4) 對于公式中 U bm

47、 ， U cm 分別代表 B 相與 C相的過電壓，二者之間的值是 相等的。如果發(fā)生在第 n 次 的 情 況 下 ， 如 果 仍 然 有 U a (tn) U n (U m 2Um) 3 Ub(tn) Ua(tn) 1.5Um 的 存 在 ， 那 么 就 將 Un CN(U3bmCN Ucm) 23Ubm代入 n 次，這時就可以知道 B相的最大電壓， 因此就 可以推算出高頻熄弧理論的計算方式為下式所示： Ubm 1.5 (1 K)(1 d) Um (3-5) Um 1 32(1 K)(1 d) 當(dāng) K=0 ，d=0 時， U bm =7.5 。綜上所述我們可以知道高頻熄弧理論的最 大過電壓值之間

48、所存在的差距，前者的電壓值是后者的 7.5 倍。這種差距主要 變現(xiàn)在相電壓方面。 3.3 中性點接地方式的選擇 在配電網(wǎng)內(nèi)部過電壓問題與其中性點接地方式密切相關(guān)， 其實對于如何選 擇中性點也是一個比較有技術(shù)含量的問題， 對于這個問題的選擇是有十分重大 的影響， 因為這直接關(guān)系到電力設(shè)備在實際運行中的一些具體參數(shù)， 如果滿足 這些具體的參數(shù)， 就會為電力系統(tǒng)在實際運營中能夠達(dá)到經(jīng)濟(jì)、 安全的設(shè)計要 求，對于電力系統(tǒng)的健康運營就會產(chǎn)生十分重大的影響。 在電力系統(tǒng)中比較有利的接地方式主要有以中性點不接地與經(jīng)消弧線接 地的兩種方式， 這兩種方式的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在可以為供電的安全提供可靠性的 保障；人身設(shè)

49、備安全與電磁兼容性。雖然這些方式有十分明顯的優(yōu)勢，但是仍 然存在一定的局限性， 這些不足主要包括對于電壓的水平要求比較高， 不容易 實現(xiàn)接地故障的檢測。 如果采用中性點直接接地的方式就可以避免以上問題的 出現(xiàn)， 但是中性點直接接地的方式也有比較明顯的優(yōu)勢， 那就是有利于減少電 壓過高的影響， 可以十分便利的實現(xiàn)接地故障的檢測， 雖然這種方式存在如果 發(fā)生故障時電流過大， 對人身設(shè)備構(gòu)成一定程度的威脅， 這些問題都有必要引 起我們的重視。所以對于中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方我們有必要重視， 他對于電力系統(tǒng)的未來發(fā)展將會產(chǎn)生十分重要的影響。 - 15 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3.4

50、中性點接地電阻確定 如果對于在不同情況下，不同的諧度在發(fā)生時要對其故障的數(shù)值進(jìn)行計 算，一般情況下選擇中性點的接地電阻的小， 來滿足規(guī)程對于電網(wǎng)故障殘余電 流的具體情況。 為了滿足具體的要求需要對現(xiàn)有的故障進(jìn)行設(shè)置，一般情況下 00937 興 油庫線出線線路末端 C相（登封變）、 01049 北油氣線出線線路末端 C 相（奔 騰變）、 00650 中十四線出線線路末端 C 相（南二變），為了避免外在惡劣條 件的情況，也就是金屬性接地與經(jīng)低值過渡電阻接地。 計算結(jié)果見表 3.1 。 表 3.1 故障點殘余電流（有效值）計算結(jié)果 /A 登封變電站 過渡 電阻 R（） 脫諧 度 （%） 無窮 大 登

51、封變電所 奔騰變電所 南二變電所 中性點電阻 4000 Rn( ) 4200 4500 無窮 大 中性點電阻 4000 Rn() 無窮 大 中性點電阻 4000 Rn() 4200 4500 4200 4500 0 0.78 5.92 5.64 5.28 0.20 5.72 5.46 5.10 0.05 5.34 5.09 4.75 5 0.52 5.89 5.61 5.24 0.99 5.79 5.54 5.19 0.27 5.34 5.09 4.76 -5 1.04 5.96 5.69 5.32 0.84 5.78 5.52 5.18 0.25 5.34 5.09 4.76 5 10 0.

52、26 5.87 5.59 5.22 1.88 6.00 5.75 5.42 0.52 5.36 5.11 4.77 -10 1.30 6.01 5.74 5.38 1.73 5.98 5.73 5.40 0.50 5.36 5.11 4.78 20 0.27 5.86 5.59 5.18 3.68 6.77 6.55 6.26 1.02 5.43 5.18 4.85 -20 1.82 6.15 5.88 5.53 3.51 6.73 6.51 6.21 1.00 5.44 5.19 4.86 0 0.78 5.85 5.58 5.22 0.20 5.65 5.40 5.05 0.05 5.28

53、 5.03 4.70 5 0.52 5.82 5.55 5.19 0.99 5.73 5.48 5.14 0.27 5.28 5.04 4.71 -5 1.04 5.89 5.62 5.27 0.84 5.72 5.46 5.12 0.25 5.28 5.04 4.71 50 10 0.26 5.80 5.53 5.18 1.88 5.94 5.69 5.37 0.52 5.30 5.05 4.73 -10 1.30 5.94 5.68 5.33 1.73 5.91 5.67 5.34 0.50 5.30 5.06 4.73 20 0.27 5.80 5.53 5.17 3.68 6.69 6

54、.48 6.20 1.02 5.36 5.12 4.80 -20 1.82 6.08 5.82 5.48 3.51 6.65 6.44 6.15 1.00 5.38 5.14 4.81 0 0.78 5.78 5.52 5.17 0.20 5.58 5.33 5.00 0.05 5.21 4.97 4.65 5 0.52 5.75 5.49 5.13 0.99 5.66 5.41 5.08 0.27 5.22 4.98 4.66 -5 1.04 5.82 5.56 5.21 0.84 5.65 5.40 5.07 0.25 5.22 4.98 4.66 100 10 0.26 5.73 5.4

55、7 5.11 1.88 5.86 5.62 5.31 0.52 5.23 4.99 4.68 -10 1.30 5.87 5.61 5.27 1.73 5.84 5.60 5.28 0.50 5.24 5.00 4.68 20 0.27 5.71 5.46 5.11 3.68 6.61 6.40 6.13 1.02 5.30 5.06 4.75 -20 1.82 6.00 5.75 5.42 3.51 6.57 6.36 6.08 1.00 5.31 5.08 4.76 觀察上表計算結(jié)果可以看出： 對于比較常見的中性點經(jīng)消弧線圈接地的補償 電網(wǎng)脫諧度 的絕對值是比較小的一般是 5%10%，并且

56、屬于過補償。如果想 要滿足故障點電流不超過 10A 的規(guī)定，一般情況下是把中性點的電阻進(jìn)行并聯(lián)， 單組大小為 4.2K 。 - 16 - 第3 章 抑制電網(wǎng)過電壓理論 第 4 章 諧振過電壓 鐵磁諧振過電壓主要發(fā)生在電力系統(tǒng)的振蕩回路中， 它的具體定義就是在振 蕩回路中受到鐵芯電感的影響所引發(fā)的連續(xù)性幅值比較大的過電壓。以 35kV 配 電網(wǎng)為例，主要有斷線引起的諧振過電壓與 PT 飽和引起的諧振過電壓兩種類型 的諧振過電壓。 4.1 斷線諧振過電壓 由斷線引起的過電壓稱為斷線諧振過電壓， 斷線諧振過電壓的發(fā)生是因為在 操作過程中導(dǎo)線發(fā)生斷開、斷路器不能正常工作等原因引起的諧振過電壓現(xiàn)象。 在

57、實際生產(chǎn)過程中， 特別是在中低壓電網(wǎng)中由于線路中斷所導(dǎo)致的電感電容 器件引發(fā)共振回路， 電感是空氣、 變壓器的消弧電線圈與勵磁電感， 電容是指電 線中的電容值及其它原因所產(chǎn)生的電容等。 隨著負(fù)載變壓器負(fù)不斷增加負(fù)荷， 負(fù) 荷等值電抗值與勵磁電抗并聯(lián)之后的等值數(shù)值減小， 諧振點與原有位置偏離， 諧 振過電壓逐步降低， 甚至影響到諧振。 綜上所述我們可以知道斷線諧振電壓主要 發(fā)生在變壓器的空載工作過程中。 在我們的實際生產(chǎn)生活中比較常見的過電壓現(xiàn)象就是鐵磁諧振過電壓， 它主 要是由于線路的斷線引起的。 在特殊狀況下會使避雷裝置發(fā)生故障。 個別狀態(tài) 下，而此時過電壓遞增至繞組的異側(cè)，對后者嚴(yán)重影響。 在現(xiàn)有的技術(shù)條件下， 為了防止諧振過電壓的出現(xiàn)對生產(chǎn)生活產(chǎn)生不良的影 響，采取的主要措施包括以下幾個方面： （1）在操作空氣開關(guān)時要保證三