110KV及以下系统中性点接地的研究应用.docx

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1、IloKV及如下系统中性点接地研究摘要对电网中性点不接地供电网系统不断扩大及电缆馈线回路增长，单相接地电容电流也在不断增长，改造电网中性点接地方式、合理选取电网中性点接地方式，已是关系到电网运营可靠性核心技术问题，文中就电网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不良后果限制到最低，减少其给电力系统带来危害，为此要选取适当中性点接地方式。选取中性点接地方式要依照不同地区、电网发展不同阶段因地制宜地拟定，电力系统中性点接地方式是需要综合考虑技术、经济两方面问题。本设计依照对中性点接地方式比较和运营中某些状况分析（涉及供电可靠性、安全性等）

2、，对IlOKV及如下系统中性点接地方式进行了讨论，同步，并依照IloKV及如下系统特点提供某些方案选取,进行模仿防真，最后得出结论。核心词中性点接地方式消弧线圈引言11绪论11.1中性点接地方式类型11.2 中性点接地方式运营现状11.3 各种中性点接地方式比较21.4 .1中性点不接地电网21.1.2 中性点经电阻接地电网31.1.3 中性点经消弧线圈接地电网31.4 中性点接地方式选取31.5 .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本文重要工作和研究办法62中性点接地方式基本运营特性分析.62.1系统正常运营方式102.2单相接地故障分析1

3、12.2.1稳态过程分析112.2.2暂态过程分析122. 3IlOKv及如下电网中性点接地方式分析2.4IlOKV及如下系统内部过电压分析152. 4.1电弧接地过电压153. 4.2谐振过电压153基于MAT1.AB仿真分析164. 1基于MAT1.AB中性点各种接地方式仿真173. 1.1MAT1.AB仿真模型建立173.1.2系统集成后模型183. 1.3仿真实例193.2 基于MAT1.AB电弧模型仿真213.3 .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 MAT1.AB仿真分析253.3基于MAT1.AB铁磁谐振仿真273.3.1铁磁谐振发生机理分析及建

4、模273.3.2 PT仿真模型建立293.3.3 仿真成果分析333.4PT谐振激发条件及各种消谐办法364结论与展望40致谢42参照文献43附录A10KV小电流接地系统仿真模型50附录B中性点不接地时铁磁谐振仿真模型图51引言电力系统系指发电机、变压器星形接线中性点。电力系统中性点运营方式共三种：中性点不接地运营方式、中性点经消弧线圈接地运营方式和中性点直接接地运营方式。前两种接地系统统称为小接地电流系统，后一种接地系统又称为大接地电流系统。研究分析中性点运营方式目一是分析影响系统可靠运营因素，二是合理设立设备绝缘，三是研究如何避免对通信干扰，四是选取继电保护等。电力系统中性点接地方式有两大

5、类:一类是中性点直接接地或通过低阻抗接地，称为大接地电流系统；另一类是中性点不接地，通过消弧线圈或高阻抗接地，称为小接地电流系统。其中采用最广泛是中性点接地、中性点通过消弧线圈接地和中性点直接接地等三种方式。1.1 中性点接地方式类型在发展初期，电力系统容量较小，人们以为工频电压升高是绝缘故障重要因素，同步，对电力设备耐受频繁过电流冲击能力预计过高，因此，最初电力设备中性点都采用直接接地方式运营。随着电力系统发展与扩大，单相接地故障增多，线路断路器经常跳闸，导致频繁停电事故，于是，遂将直接接地方式改为不接地方式运营。尔后，由于工业发展较快，使电力传播容量增大、距离延长，电压级别升高，电力系统延

6、伸范畴进一步扩大。在这种状况下发生单相接地故障时，故障点接地电弧不能自行熄灭，并且，因间歇电弧接地产生过电压往往又使事故扩大，明显减少了电力系统运营可靠性。为理解决系统中浮现这些问题，德国彼得生（.Petersen）专家在研究电弧接地过电压基本上，于19和19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回封，并且分别为世界上两个工业比较发达国家所采用。德国为了避免对通信线路干扰和保障铁路信号对的动作，采用了中性点经消弧线圈接地方式，自动消除瞬间单相接地故障；美国采用了中性点直接接地、经低电阻或低电抗接地方式，并配合迅速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路。这两种具备代表性解决办法，对

7、世界各国中压电网中性点接地方式发展，产生了很大影响。日后，在中压电网发展过程中，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。前者涉及中性点不接地、经消弧线圈或经高电阻接地；后者涉及中性点直接接地、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，是区别大、小电流接地方式必要和充分条件。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，两者互有优缺陷，因而在不同国家和地区均有了相称发展。但是，随着时间推移和科学技术发展，当前许多状况已经发生了变化。运用当代微机、微电子先进技术，随着着自动消弧线圈和微机接地保护

8、（或自动选线装置）推广应用，谐振接地方式在保持本来长处条件下，克服了缺陷，实现了优化，运营特性得到了明显提高，可以适应当代负荷特性变化需要。而低电阻接地方式，虽然用不锈钢电阻器取代了本来铸铁材料、物理模仿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进步；并且在迅速清除接地故障问题上，还遇到了新挑战，运营特性进一步下降，对人身和设备安全等威胁较前增大。这样，两者之间性能投资比差距也就越来越大了。1.2 中性点接地方式运营现状电力系统电压级别较多，不同额定电压电网中性点接地方式也不尽相似。虽然电力系统中性点接地方式有各种体现形式，但基本上可以划分为两大类：凡是需要断路器

9、遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式;凡是单相接地电弧可以瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。在大电流接地方式中，重要有：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，重要有：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。在国内635kV电网中，中性点重要有不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地等方式。当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，此外发生铁磁谐振几率也大，容易导致PT烧毁，MOA爆炸等事故。自动调谐消弧线圈技术成熟增进了谐振接地方式发展，对

10、占所有接地故障约90%瞬间性故障，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，此外消弧线圈迅速反映，线性补偿及减少谐波污染等方面尚有待进一步研究。在上述两种接地方式中，有一种核心技术没有得到彻底解决，那就是单相接地故障迅速、精确选线与定位。近年来随着都市电网高速发展，北京、上海、广东等经济发达都市中压电网中性点改为经小电阻接地运营方式，这种方式对中压电网构造和运营环境有较高规定。经小电阻接地后，能有效地减少过电压幅值,迅速切除故障线路，缩小故障范畴，但其供电可靠性明显减少。当发生高阻接地时，故障点电压高，残流小，保护敏捷度减少，对人身安全导致

11、很大威胁。应用低电阻接地方式系统必要是系统强大、备用容量充分、遮断设备质量好、自动化限度高，此外低压顾客工频耐压也须相应提高，就当前国内大量中压电网来看，不能满足这一规定，须对系统进行大量改造，才干采用这种方案，也许得不偿失。国外，美国大量采用中性点直接接地或经小电阻接地，其IlOKV及如下电网强大、备用容量也大，电气设备性能较好，并且自动装置水平较高，可以保证供电可靠性;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合用于各种小电流接地方式;英国已在某些电网进行中性点由直接接地、经小电阻、小电抗接地变化为谐振接地方式，研制了

12、适合其电网构造电抗补偿技术与接地保护技术，获得了一定成功经验，并做了10到推广应用筹划。并且奥地利、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，当前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。特别值得一提是，法国早在80年代末期决定将运营了近30年、中性点采用大电流接地方式IloKV及如下电网，在全国范畴内分阶段地所有改为谐振接地方式运营，现已基本完毕。这在相称限度上反映出，将中压电网单相接地故障电流，由“大”改“小”发展趋势。近些年来，在几届国际供电会议（ClRED）上，某些国家相继刊登了许多研究谐振接地方式论文，而关于低电阻接地方式文章则很难

13、见到，国际上对此问题注重也反映出同一动向。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营两小时）流过很大电容电流或残流。如果在人口稠密市区，较大跨步电压和接触电压，对人身安全构成极大威胁。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，三相线电压依然保持对称关系，不影响对负荷持续供电，故不必及时跳闸，规程规定可以继续运营12h。但是，由于接地点浮现，此时系统中非对地相对地电压升至原电压6倍，对电网绝缘形成威胁，很容易在电网薄弱地点

14、诱发另一点接地，进而形成相间短路。随着系统容量增长，线路总长度增长，电容电流越来越大，弧光接地引起过电压倍数甚高。近几年，在电厂厂用电、二次变电站和大型厂矿公司高压供配电系统中发生了电缆爆炸,烧毁PT,甚至烧毁母线，导致电厂机组停运、工艺流程中断等恶性事故，对安全生产导致极大影响。研究电力系统中性点接地方式其中一种重要目，就是在于对的结识和解决电力系统中单相接地故障问题.在选定不同电压级别电网中性点接地方式时，应力求将此种故障不良后果限制到最低限度，使运营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中性点不接地电网中性点不接地方式也就是中性点对地绝缘方式，该方式构造简朴、

15、运营以便，不需要增长附加电力设备，投资便宜，很适合于架空线路辐射形或树状形供电电网。中性点不接地，事实上是通过集中于电力变压器中性点等值电容1绝缘状态欠佳时尚有泄漏电阻）接地，其零序阻抗多为一有限值，并且不一定是常数。此时，系统零序阻抗呈现容性，因接地限度系数kZoo分别为系统正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗。计算出非故障相对地电压分别为：,2-2Z1+aZ2+Z0UH=CCU2+UO=UB-UAuZ.+Z2+Z0=Ub+AUBUc=aU+(2U2+Uo=Uc-a2U+U0=(J1.aZ+aZ+Z。鼠式中，B,C两相电压增量丸,0C分别与图2-2中两个电压多角形相应。图2-2中两个电压多角形均为等

16、边多角形，彼此对称，因而AUb=AUcaUbo二Uco关于接地故障电流，己知0=2依照图2.3可求出故障点冬序电流分量100由于IA=3Io,因止匕：式中，Ia,即流过故障点单相接地电流。若变压器中性点直接接地，并假设Z1=Z2,则：(7=-7-7乙o乙2Z+Z0UaK-K+2(2-4)(2-5)i=3人二3九二3j2Zl+Z0C+2Z1K+2式中因子k=ZoZl,被定名为接地限度系数。在接地限度系数和电力系统中性点接地方式之间，存在着一定相应关系。依照式(2-4)可求出au与k之间关系，如图2-4所示。依照式(2-5)同样可求出Ia与k之间关系,如图2.5所示。图2.4W与k的关系2.1系统

17、正常运营分析图2.7补偿电网正常运图2.6补偿电网简化等效电路图行时单相等效电路图图2.6为简化补偿电网三相电路图，图中Ca,Cb，Cc和以，g,g0分别为三相导线对地电容和泄漏电导;1.为消弧线圈电感值，gl为消弧线圈电导。当系统正常运营时依照电路原理中档效电源理论，图2.6可以等效为图2.7所示单相电路图。依照电路知识可知，其中电压U.计算公式如下：JIW=I，(“八+g-)+(“&+gs)+(7+gc)(2_)IJN为3C+3g0在电网正常运营状况下，可以以为电气设备三相绝缘运营条件和污秽状况大体相似，即此时三相对地泄漏电导相等(g=ggc),同步可设Ca+g+CC=3C。式(3-1)可

18、化简为：=Ea仁+勿仁(2_6)j3C+3g0由式(2-6)可知，如果CA=CB=0。，则呱Uun=O,可见电压UUn产生是由于系统三相对地电容不平衡导致，故称之为不平衡电压。将式(2-6)上下同除Jw3C,化简可得：UUN=I-E八(2-7)do其中：KC=+-8+aCc称为电网不对称;4=3也为中性点不接地电网阻尼率(由3C3C于do普通不大于3%,故常忽视不计）由于不对称电压UUn存在，回路中便有零序电流Io流过，于是在消弧线圈两端产生了电位差，该电位差就是普通所说中性点位移电压Uo.对图2.7列写KC1.方程，并化简，可得到中性点位移电压计算公式：一底以-KcEaUo=（2-8）1 1

19、：8lo-jd321.CJ3C其中：=lJ称为补偿电网脱谐度，d=+皿=d0+（称为整个补偿电网阻尼率由图2.7可见，消弧线圈电感与电网三相对地电容构成串联谐振回路。由于串联谐振关系，中性点位移电压UO会远不不大于不平衡电压IJUr1.为了维护三相电压平衡，保证系统能正常运营，中性点位移电压应不不不大于额定电压15%,故系统正常运营时脱谐度V不能太小。预调谐式消弧线圈自动调谐装置中限压电阻就是用来增大阻尼率，保证当脱谐度调节得较小时，系统中性点位移电压不至于太大。而动态调谐时系统正常运营在远离谐振点，通过增大脱谐度来减小中性点位移电压.2.2单相接地故障分析2.2.1 稳态过程分析图2.8为补

20、偿电网发生单相接地故障时零序等值回路。其中，3C为电网A,B,C相对地电容之和，即3C=Ca+Cb+Cc03g0为线路三相对地泄漏电导之和，即3go=gA+g,+g1.）为接地电流，为总电容电流，工为消弧线圈提供感性电流，为补偿电网总有功电流。可见图2.8所示为并联谐振【可图2.8补偿电网单相接地故障等效电路由于消弧线圈电感电流补偿了系统对地电容电流，因此接地电流也被称为残流。如规定Ir方向为参照方向，则残流表达式为：uIK=U0(g1.+3g0)+j3CU0+-r-=I?+J(Ic-IJ=IcW+7)(2-9)J(o1.其中d即为前述补偿电网阻尼率，又可表达d=,V为前述补偿电网脱谐度，又可

21、表达为ic-i=IC当1.0,并联谐振回路处在欠补偿状态，残流由有功电流和容性无功电流构成;当IQIC时，0时残流呈容性；0时残流呈感性。由以上分析可知，补偿电网对消弧线圈规定是：(1)系统发生单相接地时，保证接地残流足够小，使电弧可以自熄。也就是说，要尽量使脱谐度足够小，向谐振点接近。(2)系统正常运营时，中性点位移电压不能不不大于额定相电压15%。因此在正常运营状态下消弧线圈应恰当偏离谐振点运营。这两个规定是互相矛盾，但实践表白，只要对消弧线圈进行合理、灵活调节或采用恰当限压办法，可兼顾熄弧和限压两方面规定，做到既不对绝缘寿命导致危害，也不对电弧熄灭产生实际不利影响。2.2.2暂态过程分析

22、单相接地瞬间暂态过程，可运用图3-4等值回路分析。其中C为补偿电网三相对地电容；1.O为零序回路等值电感；扁为零序回路等值电阻；，1.分别为消弧线圈有功损耗等值电阻和电感；。UO为零序电压。在发生单相接地故障瞬间，因自由振荡频率普通较高且消弧线圈电感值1.远不不大于1.o,因此暂态电容电流很大而流经消弧线圈暂态电感电流很小可以为消弧线圈处在开路状态。故在同一电网中无论中性点不接地或是经消弧线圈接地，在相电压接近最大值时发生故障瞬时，其过渡过程是近似相似。图2.9计算单相接地暂态电流的等值回依照以上电路图，这样运用1.o、Ro、C构成串联回路和作用于其上零序正弦电源电压Uo,便可拟定暂态电容电流

23、1.。依照图2.9列出微分方程式：RqiC+o+o,Jdf=UMSin（+夕）（2-10）dtC其特性方程根为：P=或土底）2-六当发生单相金属性接地且满足凡2隹条件时此时特性方程根可以写为：其中：b=1.=善,为自由振荡衰减系数，晨为回路时间常数。0,为自由振荡角频率。TC21.。这时电容电流五具备周期性振荡衰减特性，由暂态自由振荡分量心心和稳态工频分量1.构成fs=4os+cst=cmsinsinyy7-coscosft）e+Icmcos（t+）（2-12）若系统运营方式不变，则、为一常数，当心较大时，自由振荡衰减较慢;当心较小时，自由振荡衰减较快。当故障相在电压峰值，即/接地时，电容电流

24、自由振荡分量振幅在廿/，/4时浮现最大值smax（其中7V为自由振荡周期）：f-ii=-e/2-13）由式（2-13）可知，暂态自由振荡电流分量最大幅值Gsmax和自振角频率叫与工频角频率。之比（%/%成正比。当故障相在电压过零时，即&二0接地时，暂态自由振荡电流振幅在t=Tf2时浮现最小值1.maX：-Z1.1.min=2乙（2-14）由上面暂态过程分析可知，在补偿电网单相接地暂态过程中，各电气量包括了丰富谐波成分，且其幅值较稳态时大诸多倍，与故障时刻关于.因此咱们还可以从故障暂态过程中提取补偿电网单相接地故障特性。（1）前己阐明，中性点不接地系统，事实上是通过一定数值容抗接地。此时，系统零

25、序阻抗呈现容性，因接地限度系数k0,Au也许高于相电压，故非故障相工频电压升高将会略微高过线电压（这一现象是由高阻性接地故障引起）。事实上中性点不接地电力系统，其k值普通变化范畴为。-88,1.很小并且为感性，AU由图2-5上方趋近于-U力，；当消弧线圈欠补偿运营时，。0Zo_8,IA同样很小，但此时为容性，（由图2-5下方趋近于-UO=-Ua,谐振接地系统与中性点不接地系统相比，由于单相接地故障电流明显减小，同步非故障相工频电压升高又稍有减少，并且也不存在中性点不稳定过电压等缺陷，因而，其基本运营特性明显优越。2.3 11OKV及如下电网中性点接地方式分析针对当前IlOKV及如下系统电网中性

26、点不接地供电网系统不断扩大及电缆馈线回路增长，单相接地电容电流也在不断增长，改造电网中性点接地方式、合理选取电网中性点接地方式，已是关系到电网运营可靠性核心技术问题，供电系统中性点接地可靠性，IlOKV及如下电网以35KV、IOKV、6KV三个电压应用较为普遍，其均为中性点非接地系统，但是随着供电网络发展，特别是采用电缆线路顾客日益增长，使得系统单相接地电容电流不断增长，导致电网内单相接地故障扩展为事故。都需要采用中性点经消弧线圈接地方式，当电缆线路较长、系统电容电流较大时，也可以采用就国内而言，对此在理论界、工程界也是讨论热点问题，在中压电网改造中，其中性点接地方式问题，现已引起多方面关注，

27、面临着发展方向决策问题。在国内中压电网供电系统中，大某些为小电流接地系统（即中性点不接地或经消弧线圈或电阻接地系统）。国内采用经消弧线圈接地方式已运营近年，但近几年有某些区域采用中性点经小电阻接地方式，为此对这两种接地方式作以分析，对于中性点不接地系统，因其是一种过度形式，其随着电网发展最后将发展到上述两种方式。（1）中性点经小电阻接地方式。（2）中性点经消弧线圈接地方式。从实际运营经验和资料表白，当接地电流不大于IOA时，电弧能自灭，因消弧线圈电感电流可抵消接地点流过电容电流，若调节得较好时，电弧能自灭。对于IIOKV及如下电网中日益增长电缆馈电回路，虽接地故障概率有上升趋势，但因接地电流得

28、到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障。因而中性点经消弧线圈接地方式供电可靠性，大大高于中性点经小电阻接地方式，但中性点经消弧线圈接地方式也存在着如下问题：1.当系统发生接地时，由于接地点残流很小,且依照规程规定消弧线圈必要处在过补偿状态,接地线路和非接地线路流过零序电流方向相似,故零序过流、零序方向保护无法检测出己接地故障线路。2.因当前运营在中压电网消弧线圈大多为手动调匝构造，必要在退出运营才干调节，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流设备，故在运营中不能依照电网电容电流变化及时进行调节，因此不能较好起到补偿作用，仍浮现弧光不能自灭及过电压问题。中性点经消弧线圈接地方式存在两大缺陷，也是两大技术难题，近年来电力学者致力于解决这一技术难题，随着微电子技术、检测技术发展和应用，国内已研制生产出自动跟踪消弧线圈及单相接地选线装置，并已投入实际运营获得良好效果，当前正处在推广应用阶段。.单相接地电容电