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    電力系統弧光接地保護的研究

    發布時間:2011-11-23   

    張作琴1李敬兆2(1.蕪湖科越電氣有限公司,安徽蕪湖241009;2.安徽理工大學,安徽淮南232007)[摘要]弧光接地一直是威脅電力電網安全運行的重要隱患,經消弧線圈接地的運行方式雖然在一定程度上減少了事故發生的頻率...

      張作琴1 李敬兆2

     ?。?.蕪湖科越電氣有限公司,安徽 蕪湖 241009;2.安徽理工大學,安徽 淮南 232007)

      [摘 要] 弧光接地一直是威脅電力電網安全運行的重要隱患,經消弧線圈接地的運行方式雖然在一定程度上減少了事故發生的頻率,但是不可能徹底消除“弧光接地過電壓”。本文另外介紹一種新的保護方法,即消弧與過電壓組合保護方案,論述其原理及特點。其目的在于找到一種適合我國電力電網運行方式的最佳保護方案。

      [關鍵詞] 弧光接地 金屬接地 消弧線圈 避雷器

      Abstract:Arc grounding is a hidden trouble that it threaten electric power and distribution network of safe function. The grounding scheme passing arc suppression coil or small resistance play a certain part in protection, but it exists certain vices.The paper introduces a kind of new protective method that arc suppression and overvoltage combination,dissertate its principium and characteristic,in order to find a best protective method it adapt to our country electric power and distribution network function scheme.

      Key words: arc grounding; metal grounding ;arc suppression coil ; surge arrester

      1、概述

      當中性點非直接接地系統發生單相間歇性弧光接地故障時,會多次發生間歇性的電弧“熄滅-重燃”現象,在故障相和健全相的電感-電容回路上引起高頻震蕩過電壓,其幅值可能達到額定相電壓的3.5倍以上,造成電器設備絕緣的積累性損傷,進而導致弱絕緣設備對地擊穿,最終發展成相間短路事故。

      早期,我國的電網規模較小,并多為架空線路,氣體絕緣可以恢復,系統發生弧光接地故障的幾率較小,架空線路的過電壓承受能力較高,弧光接地過電壓的危害性不大。隨著我國城市及農村電網大規模的技術改造,城市10kV配電網向電纜化發展,城郊結合部及農村35kV、10kV電網也將進一步擴大,每個獨立的非直接接地電網的接地電容電流必將有較大幅度的增大。運行經驗證明,當這類電網發展到一定規模時,內部過電壓,特別是電網發生單相間歇性弧光接地時產生的弧光接地過電壓及特殊條件下產生的鐵磁諧振過電壓,已成為這類電網設備安全運行的一大威脅,其中以單相弧光接地過電壓為最,按照美國、中國多年來的理論研究以及現場實測證

      明,弧光接地過電壓最高幅值為額定相電壓的3-4倍,嚴重威脅設備的絕緣安全。

      為了解決這類電網弧光接地產生長時間過電壓的問題,目前國內采用的保護方式主要有兩種,“電網中性點經消弧線圈接地”;“中性點經小電阻或直接接地”。以上兩種方案都有一定的發展歷史,而且在國內都有一定的應用,但都存在著一定的缺陷。作者在分析傳統的保護方式的基礎上推薦一種新的方案:消弧及過電壓組合保護方案(簡稱XHB),并對其原理及特點加以介紹。

      2、中性點經消弧線圈接地

      中性點經消弧線圈接地的保護方式主要原理是利用電感電流與電容電流在相位上差180°的原理對接地相的電容電流進行補償,由于電網運行方式的多樣化及弧光接地點的隨機性,消弧線圈要對電容電流進行有效補償是非常困難的。其主要技術難點及其存在的問題有以下幾個方面:

      1) 電流信號太?。褐行渣c經消弧線圈接地系統是一種小電流系統,小電流系統單相接地時產生的零序電流其大小與系統規模的大小和線路類型(電纜或架空線)有關,數值不大。經中性點接入消弧線圈補償后,改用零序電流的諧波分量,其數值更小。

      2) 干擾大,信噪比?。涸撓到y的干擾主要有以下幾個方面:變電站和發電廠高電壓大電流產生的電磁干擾大;由于系統負荷不平衡造成的零序電流和零序諧波電流較大;三相CT特性不一致,造成零序過濾器的不平衡輸出。

      3) 電容電流波形不穩定:小電流系統的單相接地故障常常是不穩定的間歇性弧光接地,因而電容電流波形不穩定,對應的諧波電流大小變化較大,難以確定。

      4) 其它隨機因素影響的不確定:小電流系統運行方式改變頻繁,各段母線的出線數量和線路長度常常改變,從而改變了該系統的電容電流及其諧波電流;母線電壓水平的高低、負荷電流的大小總在不斷地變化;故障點的接地電阻不確定等等。這些都造成了單相接地故障零序電流及其諧波電流大小甚至方向的不確定性。

      另外,即使消弧線圈的感性電流能完全補償容性電流,中性點位移電壓Uo將很高。過補償方式可減小中性點位移電壓,但失諧度大,將使線路接地電流太大,電弧不易熄滅,那么弧光過電壓仍然存在。

      3、中性點經小電阻接地

      采取中性點經小電阻接地的設計及運行方式,主要原理是利用發生單相接地時人為地增加故障點的接地電流,利用零序過電流保護使斷路器瞬間切斷故障線路。其缺點主要在于:

      1) 故障清除前接地故障周圍的電位升高問題?,F代城市電纜線路不斷增加,電容電流迅速增大,故障點的電位升高問題非常突出,若不采取措施,將會導致設備的絕緣擊穿,同時危及人們的生命安全。

      該方案不能分辨出金屬性接地或弧光接地,擴大了故障點電流的燒熾,并且在斷路器固有動作時間內產生的過電壓,無法進行有效限制,造成長時間、大面積停電,很不經濟。

      對于一些工礦企業以及城市供電的重要負荷,不允許瞬時斷電,必須帶故障運行,該保護方式不適用。

      4、XHB消弧及過電壓組合保護方式

      4.1 技術背景

      在中性點不接地系統中,單相電弧接地如果是間歇性的“熄弧-重燃”接地,則會發生一個高頻振蕩過程,經過二次燃弧以后,兩健全相的最大過電壓為3.5UФ(UФ-系統額定相電壓);故障相不存在振蕩過程,最大過電壓為2.0UФ。由于這種過電壓持續的時間可以達到數小時或更長,波及范圍廣,在整個電網某處存在絕緣弱點時,即可在該處造成絕緣閃絡或擊穿,因此,弧光接地過電壓的危害性很大。

      如果發生的接地故障為金屬接地,故障相電壓下降,接近于零,而健全相電壓上升,最大值為1.73UФ,國家規程規定,在這種工況下,系統可以帶故障運行2小時或更長的時間。XHB消弧及過電壓組合保護方式正是利用非線性電阻與線性電阻組合熄弧限壓,將間歇性弧光接地產生的最大過電壓限制到1.73UФ以下,保證在排除故障的過程中,系統可以正常運行。

      4.2 基本原理

      XHB的一次原理圖如圖1所示,正常工況下,利用消弧電阻R和非線性電阻ZnO對系統發生的各種過電壓進行限制,同時利用微機綜合控制器對系統發生的常規過電壓、單相間歇性弧光接地、單相金屬接地、PT斷線等故障分別判定處理。

      ZnO非線性電阻是一種具有非線性伏安特性并有抑制瞬時過電壓作用的固態敏感元件,當其端電壓低于某一閥值時,其中的電流幾乎為零;超過此閥值時,隨著電流迅速增加,電壓上升緩慢,基本趨于平穩。ZnO非線性電阻經隔離刀閘QS接于母線,使母線始終處于該限壓電路的保護之中。當系統發生短暫的雷電過電壓、操作過電壓時,均由ZnO投入保護,過電壓消失,ZnO退出工作。ZnO是整個保護過程中的第一級保護,利用其良好的非線性,在對故障進行判定之前,可以把系統過電壓限制在2.5倍相電壓以內,避免電氣設備承受更大的過電壓沖擊。

      消弧電阻R通過可分相控制的高壓真空接觸器JZ與系統連接,正常工況下,JZ觸頭全部斷開,R與系統分離,系統按照中性點不接地的方式正常運行。在發生間歇性弧光接地過電壓時,過電壓最大可達3.5UФ,此時分相控制的高壓真空接觸器JZ將故障相的觸頭閉合,把消弧電阻投入, ZnO電阻退出保護,系統由原來的間歇性弧光接地轉變為經消弧電阻接地,把過電壓限制在1.73 UФ以下。

      4.3微機綜合控制器故障判別及處理

      微機綜合控制器通過信號轉換器采集系統電壓信號,包括三相電壓瞬時值和零序電壓值,當系統發生接地故障或PT斷線故障時,根據電壓在不同故障狀況下的變化,判斷故障類型及相別。

      如果發生單相金屬接地故障:零序電壓U0上升,故障相電壓下降,其范圍0≤U故障﹤UФ;健全相電壓上升UФ﹤U健全﹤1.73UФ。綜合控制器ZK發出指令。在面板和中控室顯示故障類別、相別及故障線路,并發出報警信號,由人工切除故障。

      

    如果發生單相弧光接地:零序電壓U0上升, 故障相電壓U故障下降,健全相電壓上升, U健全﹥1.73UФ。此時,分相控制的高壓真空接觸器(JZ)將故障相閉合,將消弧電阻投入,弧光消除。故障相的JZ閉合后2秒,綜合控制器ZK發出指令將JZ斷開,由綜合控制器ZK對故障進行再判斷,如果間歇性弧光接地不再存在,則判定為偶發性故障,系統自動恢復正常;如果仍有弧光存在,則再次將JZ閉合,在故障排除之前不再斷開,使系統在過電壓不大于1.73UФ工況下帶故障運行,同時顯示故障類別及故障線路并發出報警信號由人工進行處理。


      如果發生電壓互感器PT斷線事故:零序電壓U0上升,故障相電壓下降,健全相電壓下降U健全﹤UФ。綜合控制器ZK發出指令。在面板和中控室顯示故障類別及故障線路,并發出報警信號,由人工切除故障。

      4.4 主要特點

      采用XHB保護方式,各類過電壓均被限制到較低電壓水平,由過電壓引發的絕緣事故將大為減少;原作用時間最長、對系統及設備安全威脅最大的弧光接地過電壓,隨著故障相母線經消弧電阻接地而消失;原本可能引發的鐵磁諧振過電壓,由于母線過電壓被限制在較低的水平而不再發生;原來按設計規范要求裝設消弧線圈的系統,可以不再裝設,而且其限制過電壓的功能將比裝設消弧線圈更可靠、更完善;整套裝置限制過電壓的機理與電網對地電容電流的大小無關,因而其保護性能不隨電網運行方式的改變而變化,大網、小網均可使用,電網的擴大也無影響;裝置設備簡單,體積小,安裝、調試方便。該裝置特別適用于環境比較惡劣但又必須保證供電連續性的工礦企業,同時也適用于變電站和發電廠的高壓供電系統,

      對于已裝有消弧線圈的系統,本裝置的投運,能進一步加強系統的可靠性:當系統發生不穩定的單相弧光接地時,通過消弧線圈進行補償,如果補償后接地電流較小,電弧可自行熄滅,本裝置不動作,對系統無任何影響;否則,本裝置可以準確動作,有效限制系統弧光接地過電壓。

      5、結束語

      隨著弧光接地各種保護技術的不斷發展,以及XHB消弧及過電壓組合保護理論的提出,可以解決我國原中性點不接地系統的各種弧光接地的保護問題;既可以不改變我國大部分電網中性點不接地的運行方式,又提高了電網運行的安全可靠性,對我國的電網改造以及安全運行有著很重要的經濟意義和深遠的社會意義。將成為以后電網運行及弧光接地保護的主要發展方向。


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