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    中性點非接地系統單相接地故障的防護

    發布時間:2021-05-18   

    1、引言3~66kV中壓電網中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,其中中性點不接地或經消弧線圈接地的小電流系統占絕大多數,小部分采用了中性點經小電阻接地或直接接地的大電流系統,近年來,隨著供電網絡的...

      1、引言

      3~66kV中壓電網中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,其中中性點不接地或經消弧線圈接地的小電流系統占絕大多數,小部分采用了中性點經小電阻接地或直接接地的大電流系統,近年來,隨著供電網絡的發展,特別是采用電纜線路的用戶日益增加,使得系統單相接地電容電流大大增加,系統由于發生單相間歇性弧光接地而造成用電設備損壞的事故多有發生。我國電氣設備設計規范中規定35KV電網如果單相接地電容電流大于10A,3KV—10KV電網如果接地電容電流大于30A,應采用中性點經消弧線圈接地方式;而《城市電網規劃設計導則》第59條中規定“35KV、10KV城網,當電纜線路較長、系統電容電流較大時,也可以采用電阻方式”。而根據國內最新的研究觀點,當系統電容電流大于5A時,電弧就可能不會自熄,因此,對電網單相接地的保護問題顯得十分重要。

      對中壓電網中性點接地方式,世界各國有不同的觀點及運行經驗。而在國內,業內專家更是形成明顯對立的兩派,在中壓電網改造中,其中性點的接地方式問題,現已引起多方面的關注,面臨著發展方向的決策問題。

      2、中性點經消弧線圈接地

      自從1917年世界第一臺消弧線圈在德國Pleidelshein電廠投運以來,已有80多年的歷史,德國、中國、前蘇聯和瑞典等國的中壓電網大多采用此種方式。

      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) 當系統發生接地時,由于接地殘流很小,且根據規程要求消弧線圈必須處于過補償狀態,接地線路和非接地線路流過的零序電流方向相同,故零序過流、零序方向保護無法檢測出已接地故障線路。

      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,那么仍會出現弧光不能自滅及過電壓問題?;」膺^電壓仍然存在。

      3、中性點經小電阻接地

      世界上以美國為主的部分國家采用中性點經小電阻接地方式,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。中性點經小電阻接地方式中,一般選擇電阻的值較小。在系統單相接地時,控制流過接地點的電流在500A左右,也有的控制在100A左右。其主要優點是:

      1) 系統單相接地時,健全相電壓升高較小,對設備絕緣等級要求較低,其耐壓水平可以按相電壓來選擇。

      2) 接地時,由于流過故障線路的電流較大,零序過流保護有較好的靈敏度,可以比較容易檢除接地線路。

      其主要缺點是:

      1) 由于接地點的電流較大,當零序保護動作不及時或拒動時,將使接地點及附近的絕緣受到更大的危害,導致相間故障發生。

      2)當發生單相接地故障時,無法區分是永久性的還是瞬時的,也無法區分金屬接地還是間歇性弧光接地,均作用與跳閘,使線路的跳閘次數大大增加,嚴重影響了用戶的正常供電,使其供電的可靠性下降。

      3) 現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。

      4) 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

      國家規程規定,在發生單相接地工況下,系統應能夠帶故障運行2小時或更長的時間。但是,規程沒有區分單相金屬接地和間歇性的弧光接地。在中性點不接地系統中,單相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,最終發展為相見短路故障,因此,弧光接地過電壓的危害性很大。至于金屬接地,故障相電壓下降,接近于零,健全相對地電壓上升為線電壓,最大值為1.73UФ。按照國家規程規定,用電設備的絕緣承受能力應能承受系統線電壓而不會對設備絕緣造成損傷。

      4.2 基本原理

      

    XHB消弧及過電壓組合保護方案是已經成熟的微機監控系統對電網電壓進行實時監控,利用非線性電阻與線性電阻有機組合進行熄弧限壓,對電網出現的各種過電壓(不論是何種原因引起的)進行限制,將電網電壓控制在用電設備絕緣承受能力以內,保證在排除故障的過程中,系統可以正常運行。一次原理圖如圖1所示。


      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,當系統發生瞬時過電壓、單相接地或PT斷線等故障時,根據電壓在不同故障狀況下的變化,判斷故障類型及相別,通過ZnO非線性電阻和接地電阻兩級保護對過電壓進行吸收、瀉放,將過電壓限制到設備的絕緣承受能力以內。

      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。當系統發生瞬時性的雷電、操作等過電壓時,由ZnO電阻對過電壓進行限制。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。ZnO電阻的選擇以及對系統過電壓的限制范圍設計見表1。

      表1 6kV、10kV系統ZnO電阻的選擇 單位 kV

      系統額定電壓 ZnO額定電壓 組合方式 直流1mA參考電壓 操作沖擊殘壓 雷電沖擊殘壓

      6.3 10 相對地及相間 10 14 15

      10.5 17 相對地及相間 16.5 23.1 24.8

      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。當發生單相間歇性弧光接地時,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,系統由原來的間歇性弧光接地轉變為經消弧電阻接地,把過電壓控制在1.73 UФ以下。

      4.3 主要特點

      1) 與中性點通過消弧線圈或小電阻接地相比較,在一次測直接對過電壓進行限制,保護更直接。避免了間接補償電容電流和直接跳閘帶來的弊端;

      2) 是對系統過電壓的一種綜合限制,所有過電壓均被限制到較低電壓水平,保護更全面;

      3) 原作用時間最長、對系統及設備安全威脅最大的間歇性弧光接地過電壓,能夠被可靠消除;

      4) 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;

      5) 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;

      6) 通過與中控室計算機聯網,可以實現對電網電壓的監控與操作。

      4.4 試驗與應用

      XHB消弧及過電壓組合保護裝置于2003年9月和2004年10月分別在安徽理工大學和國家高壓電氣質量檢測中心(西安)進行了故障模擬試驗,同時進行了微機綜合控制器的抗擾度試驗。試驗結果達到甚至超過設計要求,兩家單位分別出具了委托試驗報告和型式試驗報告。

      該裝置已經在國內數十家大型工礦企業取得運行經驗,根據2003年9月在宿州供電局、2004年1月在安徽馬鋼集團兩次掛網運行的跟蹤研究表明,本文所屬方案能夠在金屬接地時正確報警并選擇故障線路;在間歇性弧光接地故障時可以在30ms內將弧光消除;同時,該裝置可以將大氣過電壓、操作過電壓等瞬時性過電壓限制在設備的絕緣承受能力以內。對電網電壓實現了綜合監控、限制,避免了因為各種過電壓沖擊而引起的設備損壞、電網跳閘故障,保障了電網的安全運行。

      5、結束語

      1) 中性點經過消弧線圈接地,通過間接補償系統對地電容電流,能夠減少弧光接地發生的幾率,但是,認為消弧線圈可以消除弧光接地過電壓是一種誤區。

      2) 小電阻接地系統能夠快速切除故障接地點,但同時使電網供電的可靠性大大降低,而且對于不允許瞬時斷電的供電網絡不適用。

      3) XHB消弧及過電壓組合保護方案能夠在不改變系統運行方式的前提下實現對電網電壓的限制,而且與系統對地電容電流的變化基本沒有關系,比較適合我國電網的運行方式。

      參考文獻:

      [1] 許穎.對消弧線圈“消除弧光接地過電壓”的疑義.電力設備.2001年12月第2卷第四期。

      [2] 張作琴.電力系統弧光接地保護的研究.電力科學與工程.2002年第四期。

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