110KV及以下系统中性点接地的研究.docx
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1、110KV及以下系统中性点接地的研究摘 要对电网中性点不接地供电网系统的不断扩大及电缆馈线回路的增加,单相接地电容电流也在不断的增加,改造电网中性点接地方式、合理选择电网中性点接地方式,已是关系到电网运行可靠性关键的技术问题,文中就电网的中性点接地方式进行分析和探讨。当系统发生单相接地故障时,限制单相接地故障电流,力求将单相接地故障时的不良后果限制到最低,减少其给电力系统带来的危害,为此要选择合适的中性点接地方式。选择中性点接地方式要根据不同地区、电网发展的不同阶段因地制宜地确定,关键词 中性点 接地方式 消弧线圈目 录引言11 绪论.11.1 中性点接地方式的类型11.2 中性点接地方式运行
2、现状11.3 各种中性点接地方式比较21.3.1 中性点不接地电网21.3.2 中性点经电阻接地电网31.3.3 中性点经消弧线圈接地电网31.4 中性点接地方式的选择31.4.1 小电流接地方式31.4.2 低电阻接地方式31.4.3 采用自动跟踪补偿装置41.5 本文的主要工作和研究方法62 中性点接地方式的基本运行特性分析.6 2.1 系统正常运行方式102.2 单相接地故障分析112.2.1稳态过程分析112.2.2暂态过程分析122.3 110KV及以下电网中性点接地方式分析.142.4 110KV及以下系统内部过电压分析152.4.1 电弧接地过电压152.4.2 谐振过电压153
3、 基于MATLAB的仿真分析163.1 基于MATLAB的中性点各种接地方式的仿真173.1.1 MATLAB仿真模型的建立173.1.2 系统集成后的模型183.1.3 仿真实例193.2 基于MATLAB的电弧模型仿真213.2.1 高频熄弧理论及建模213.2.2 工频熄弧理论及建模243.2.3 MATLAB仿真分析253.3 基于MATLAB的铁磁谐振仿真273.3.1 铁磁谐振发生机理分析及建模273.3.2 PT仿真模型的建立293.3.3 仿真结果分析333. 4 PT谐振激发条件及各种消谐措施364 结论与展望40致 谢42参考文献43附录A 10KV小电流接地系统仿真模型5
4、0附录B 中性点不接地时铁磁谐振仿真模型图51引 言1 绪 论1.1 中性点接地方式的类型在发展初期,电力系统的容量较小,人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因,同时, 对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高,所以,最初电力设备的中性点都采用直接接地方式运行。随着电力系统的发展与扩大,单相接地故障增多,线路断路器经常跳闸,造成频繁的停电事故,于是,遂将直接接地方式改为不接地方式运行。尔后,由于工业发展较快,使电力传输容量增大、距离延长,电压等级升高,电力系统的延伸范围进一步扩大。在这种情况下发生单相接地故障时,故障点的接地电弧不能自行熄灭,而且,因间歇电弧接地产生的过电压往往又使事故扩大
5、,显著降低了电力系统的运行可靠性。为了解决系统中出现的这些问题,德国的彼得生(W. Petersen)教授在研究电弧接地过电压的基础上,于1916年和1917年先后提出了两种解决办法,即中性点经消弧线圈和经电阻接地5、6,并且分别为世界上两个工业比较发达的国家所采用。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作,采用了中性点经消弧线圈的接地方式,自动消除瞬间的单相接地故障;美国采用了中性点直接接地、经低电阻或低电抗接地方式,并配合快速继电保护和开关装置,瞬间跳开故障线路。这两种具有代表性的解决方法,对世界各国中压电网中性点接地方式的发展,产生了很大的影响。后来,在中压电网的发展过程中,
6、逐渐形成了两类中性点接地方式,即小电流接地方式和大电流接地方式。前者包括中性点不接地、经消弧线圈或经高电阻接地;后者包括中性点直接接地、经低(中)电阻和低(中)电抗接地等。而单相接地电弧能否瞬间自行熄灭,是区分大、小电流接地方式的必要和充分条件。在这两类六种接地方式中,前者以中性点经消弧线圈(谐振)接地为代表,后者以低电阻接地为代表。长期以来,两者互有优缺点,因此在不同的国家和地区均有了相当的发展。但是,随着时间的推移和科学技术的发展,现在许多情况已经发生了变化。利用当代的微机、微电子先进技术,伴随着自动消弧线圈和微机接地保护(或自动选线装置)的推广应用,谐振接地方式在保持原来优点的条件下,克
7、服了缺点,实现了优化,运行特性得到了显著的提升,可以适应当代负荷特性变化的需要。而低电阻接地方式,虽然用不锈钢电阻器取代了原来的铸铁材料、物理模拟的零序过电流保护也换成了微机接地保护,但在技术内涵方面,多少年来没有实质性的进步;而且在快速清除接地故障问题上,还遇到了新的挑战,运行特性进一步下降,对人身和设备安全等的威胁较前增大。这样,两者之间的性能投资比差距也就越来越大了。1.2 中性点接地方式运行现状电力系统的电压等级较多,不同额定电压电网的中性点接地方式也不尽相同。虽然电力系统的中性点接地方式有多种表现形式,但基本上可以划分为两大类:凡是需要断路器遮断单相接地故障者,属于大电流接地方式;凡
8、是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者,属于小电流接地方式。在大电流接地方式中,主要有:中性点有效接地方式,中性点全接地方式,中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。在小电流接地方式中,主要有:中性点谐振(经消弧线圈)接地方式,中性点不接地方式,中性点经高电阻接地方式等。在我国的635kV的电网中,中性点主要有不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地等方式。目前中压电网仍以不接地方式为主,在这种系统中,供电可靠性高,但间歇性弧光过电压可达34倍相电压值,另外发生铁磁谐振的几率也大,容易造成PT烧毁,MOA爆炸等事故。自动调谐消弧线圈技术的成熟促进了谐振接地方式的发展,对占全部接地故障约90%的瞬间性故
9、障,谐振接地方式均可使之自行消除,消弧线圈还可以有效抑制铁磁谐振过电压,但仍不能有效抑制弧光过电压,另外消弧线圈的快速反应,线性补偿及降低谐波污染等方面还有待进一步研究。在上述两种接地方式中,有一个关键的技术没有得到彻底解决,那就是单相接地故障的快速、准确选线与定位。近年来随着城市电网的高速发展,北京、上海、广东等经济发达的城市中压电网中性点改为经小电阻接地的运行方式,这种方式对中压电网结构和运行环境有较高的要求。经小电阻接地后,能有效地降低过电压幅值,迅速切除故障线路,缩小故障范围,但其供电可靠性显著降低。当发生高阻接地时,故障点电压高,残流小,保护灵敏度降低,对人身安全造成很大的威胁。应用
10、低电阻接地方式的系统必须是系统强大、备用容量充足、遮断设备质量好、自动化程度高,另外低压用户工频耐压也须相应提高,就目前我国大量的中压电网来看,不能满足这一要求,须对系统进行大量改造,才能采用这种方案,可能得不偿失。国外,美国大量采用中性点直接接地或经小电阻接地,其110KV及以下电网强大、备用容量也大,电气设备性能较好,而且自动装置水平较高,可以保证供电的可靠性;德国大量发展中性点经消弧线圈接地方式,极大地避免了对通讯线路的干扰;瑞典也广泛采用谐振接地方式,其微机馈线综合保护可适用于各种小电流接地方式;英国已在部分电网进行中性点由直接接地、经小电阻、小电抗接地改变为谐振接地方式,研制了适合其
11、电网结构的电抗补偿技术与接地保护技术,取得了一定的成功经验,并做了10到20年的推广应用计划。而且奥地利、芬兰、意大利、丹麦、比利时及斯堪地那维亚半岛诸国、独联体及其周边地区等许多国家,现在依然采用小电流接地(中性点不接地或经消弧线圈接地)方式。特别值得一提的是,法国早在80年代末期决定将运行了近30年的、中性点采用大电流接地方式的110KV及以下电网,在全国范围内分阶段地全部改为谐振接地方式运行,现已基本完成。这在相当程度上反映出,将中压电网的单相接地故障电流,由“大”改“小”的发展趋势。近些年来,在几届国际供电会议(CIRED)上,一些国家相继发表了许多研究谐振接地方式的论文,而有关低电阻
12、接地方式的文章则极难见到,国际上对此问题的重视也反映出同一动向。在小电流接地系统中发生单相接地故障的机率最高。系统一旦发生单相接地故障,在故障点长时间(中性点不接地系统或谐振接地带单相接地故障最长可运行两小时)流过很大的电容电流或残流。如果在人口稠密的市区,较大的跨步电压和接触电压,对人身安全构成极大的威胁。但是,当系统发生单相接地故障时,由于不构成短路回路,接地故障电流比负荷电流小的多,特别是中性点经消弧线圈接地系统接地电流很小,三相线电压仍然保持对称关系,不影响对负荷连续供电,故不必立即跳闸,规程规定可以继续运行12h。但是,由于接地点的出现,此时系统中非对地相的对地电压升至原电压的倍,对
13、电网的绝缘形成威胁,很容易在电网的薄弱地点诱发另一点接地,进而形成相间短路。随着系统容量的增加,线路总长度的增加,电容电流越来越大,弧光接地引起的过电压倍数甚高。近几年,在电厂厂用电、二次变电站和大型厂矿企业的高压供配电系统中发生了电缆爆炸,烧毁PT,甚至烧毁母线,造成电厂机组停运、工艺流程中断等恶性事故,对安全生产造成极大的影响。研究电力系统中性点接地方式其中一个主要目的,就是在于正确认识和处理电力系统中的单相接地故障问题.在选定不同电压等级电网的中性点接地方式时,应力求将此种故障的不良后果限制到最低程度,使运行费用最低和效益投资比最高。1.3 各种中性点接地方式比较1.3.1中性点不接地电
14、网中性点不接地方式也就是中性点对地绝缘方式,该方式结构简单、运行方便,不需要增加附加电力设备,投资便宜,很适合于架空线路的辐射形或树状形供电电网。中性点不接地,实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻)接地的,其零序阻抗多为一有限值,而且不一定是常数。此时,系统的零序阻抗呈现容性,因接地程度系数k0,U可能高于相电压,故非故障相的工频电压升高会略微高过线电压。最早的城市中压电网由于规模不大,多采用中性点不接地方式。在这种接地方式下,系统发生单相接地故障时,流过故障点的电流为所有非故障线路电容性电流的总和。在规模不大的架空线路网架结构中,这个值是相当小的,对用户的供
15、电影响不大。而且各相间的电压大小和相位维持不变,三相系统的平衡性未遭破坏,允许继续运行一段时间(2h以内)。但是这种接地方式有一个极大的缺陷,就是当接地电流超过一定值时容易产生弧光接地过电压,将使系统的安全性受到很大的影响,对系统绝缘水平要求更高。近几年国家和地方大力投资进行城网、农网改造,电网规模扩大,电缆线路不断增加,635kV中压电网原有的中性点不接地方式己不再适宜,并己逐渐被其他接地方式取代。1.3.2 中性点经电阻接地电网对于110KV及以下电网来说,中性点经电阻接地的最初出发点,主要是为了限制电弧接地过电压。电阻接地方式可以避免不接地方式中弧光接地过电压的产生,同时由于增大了故障线
16、路的接地电流,使得故障选线可以很方便地实施,进而实现快速跳闸,使非故障线路不需要长时间承受过电压,降低了绝缘水平要求。对于以电缆为主又能实现环网供电的城市中压电网,这是一种较为理想的接地方式。因为以电缆线路为主的电网发生单相接地故障时,流过故障点的电容电流很大,容易发展为相间故障,且多为永久性接地故障,需要及时跳闸,切除故障线路。而环网供电可保证供电的连续性,最大限度地减少停电范围。从目前国内农网及城网的发展情况看,依然是架空线路占多数,或架空线路和电缆混合电网,环网供电水平较低。这些情况决定了国内110KV及以下电网以中性点经消弧线圈接地,也就是通常所说的谐振接地方式为主要的接地方式。1.3
17、.3 中性点经消弧线圈接地电网谐振接地系统即中性点经消弧线圈接地的电力系统。因为消弧线圈是一种补偿装置,故这种系统通常又被称为补偿系统。消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈,它装设于110KV及以下电网的中性点。该方式就是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈,在系统发生单相接地故障时,利用消弧线圈的电感电流补偿线路接地的电容电流,使流过接地点的电流减小到能自行熄灭的范围,它的特点是在线路发生单相接地故障时,可按规程规定满足电网带单相接地故障运行2h。对于110KV及以下电网,因接地电流得到补偿,单相接地故障不会发展成相间短路故障,因而中性点经消弧线圈接地方式大大提高了供电可靠性,这一
18、点优越于中性点经小电阻接地方式。当系统发生瞬间单相接地故障时,可经消弧线圈作用消除,保证系统不断电:当为永久单相接地故障时消弧线圈动作可维持系统运行一定时间,可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或转移负荷,不至于造成被动;系统单相接地时消弧线圈作用可有效避免电弧接地过电压,对全网电力设备起保护作用:由于接地电弧的时间缩短,使其危害受到限制,因此也减少维修工作量;由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除,因此减少了保护错误动作的概率;系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地电流,因此可降低变电所和线路接地装置的要求,且可以减少人员伤亡,对电磁兼容性也有好处。同时由于消弧线圈还会使故障相恢复电压
19、上升速度变慢,保证电弧的熄灭和避免发生重燃,从而降低过电压水平、使瞬时性接地故障自动消除等优点。需要注意的是,补偿电网在正常运行期间,为了限制中性点位移电压的升高,要求非自动消弧线圈适当的偏离谐振点运行。否则,预调式的自动消弧线圈一般应加限压电阻,以利于电网的安全运行。1.4 中性点接地方式的选择1.4.1 小电流接地方式 电网采用小电流接地方式应认真按照交流电气装置的过电压保护合绝缘配合(DL / T620-1997)的标准要求执行,对架空线路电容电流在10A以下的可以采取不接地方式,而对于大于10A的应采取消弧线圈接地方式。采用消弧线圈接地方式时一定要按要求调整好,使中性点位移电压不超过相
20、电压的15,残余电流不宜超过10A,消弧线圈应在过补偿方式下运行。中性点采用谐振接地方式的目的,主要使接地电弧瞬间熄灭,限制电弧的重燃,自然过电压也会遂之降低。1.4.2 低电阻接地方式对于以电缆为主的系统可以选择较低的绝缘水平,以有利于节约投资,但是对以架空线为主的电网因单相接地而引起的跳闸次数则会大大增加。对于以电缆为主的电网,其电容电流达到150A以上,故障电流水平为4001000A,可以采取低电阻接地方式。在采用低电阻接地方式时,对中性点接地电阻的动热稳定必须给予充分的重视,以此保证运行的安全可靠性。中性点采用低电阻接地方式的理论基础,同样是限制电弧接地过电压。根据国内外长期的自动记录
21、和实测结果,最高的过电压为2.5p.u.,但超过2.0p.u.过电压的概率为34%。1.4.3 采用自动跟踪补偿装置 随着我国经济的快速发展,城市电网发展迅速,电缆大量增多,电容电流达到300A以上,而且由于运行方式经常变化,特别是电容电流的变化范围很大,用手动调节消弧线圈已经无法满足要求,采取自动快速跟踪补偿的消弧线圈并配合可靠的自动选线跳闸装置,可以将电容电流补偿到残余极小,使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电,而对于系统中永久性的接地故障,自动跟踪消弧系统可以通过补偿降低接地点电流,防止发展成相间短路,同时通过选线装置正确选出接地线路并在设定的时间内跳闸,避免了系统设备长时间承受工频电压
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