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电力系统弧光接地保护的研究

电力系统弧光接地保护的研究

【作者/来自】网站管理员 【发表时间】2011-11-23 【点击次数】1793

张作琴1 李敬兆2
(1.芜湖科越电气有限公司,安徽 芜湖 241009;2.安徽理工大学,安徽 淮南 232007)

[摘 要] 弧光接地一直是威胁电力电网安全运行的重要隐患,经消弧线圈接地的运行方式虽然在一定程度上减少了事故发生的频率,但是不可能彻底消除“弧光接地过电压”。本文另外介绍一种新的保护方法,即消弧与过电压组合保护方案,论述其原理及特点。其目的在于找到一种适合我国电力电网运行方式的****保护方案。
[关键词] 弧光接地 金属接地 消弧线圈 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
当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地故障时,会多次发生间歇性的电弧“熄灭-重燃”现象,在故障相和健全相的电感-电容回路上引起高频震荡过电压,其幅值可能达到额定相电压的3.5倍以上,造成电器设备绝缘的积累性损伤,进而导致弱绝缘设备对地击穿,最终发展成相间短路事故。
早期,我国的电网规模较小,并多为架空线路,气体绝缘可以恢复,系统发生弧光接地故障的几率较小,架空线路的过电压承受能力较高,弧光接地过电压的危害性不大。随着我国城市及农村电网大规模的技术改造,城市10kV配电网向电缆化发展,城郊结合部及农村35kV、10kV电网也将进一步扩大,每个独立的非直接接地电网的接地电容电流必将有较大幅度的增大。运行经验证明,当这类电网发展到一定规模时,内部过电压,特别是电网发生单相间歇性弧光接地时产生的弧光接地过电压及特殊条件下产生的铁磁谐振过电压,已成为这类电网设备安全运行的一大威胁,其中以单相弧光接地过电压为最,按照美国、中国多年来的理论研究以及现场实测证
明,弧光接地过电压****幅值为额定相电压的3-4倍,严重威胁设备的绝缘安全。
为了解决这类电网弧光接地产生长时间过电压的问题,目前国内采用的保护方式主要有两种,“电网中性点经消弧线圈接地”;“中性点经小电阻或直接接地”。以上两种方案都有一定的发展历史,而且在国内都有一定的应用,但都存在着一定的缺陷。作者在分析传统的保护方式的基础上推荐一种新的方案:消弧及过电压组合保护方案(简称XHB),并对其原理及特点加以介绍。
2、中性点经消弧线圈接地
中性点经消弧线圈接地的保护方式主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上差180°的原理对接地相的电容电流进行补偿,由于电网运行方式的多样化及弧光接地点的随机性,消弧线圈要对电容电流进行有效补偿是非常困难的。其主要技术难点及其存在的问题有以下几个方面:
1) 电流信号太小:中性点经消弧线圈接地系统是一种小电流系统,小电流系统单相接地时产生的零序电流其大小与系统规模的大小和线路类型(电缆或架空线)有关,数值不大。经中性点接入消弧线圈补偿后,改用零序电流的谐波分量,其数值更小。
2) 干扰大,信噪比小:该系统的干扰主要有以下几个方面:变电站和发电厂高电压大电流产生的电磁干扰大;由于系统负荷不平衡造成的零序电流和零序谐波电流较大;三相CT特性不一致,造成零序过滤器的不平衡输出。
3) 电容电流波形不稳定:小电流系统的单相接地故障常常是不稳定的间歇性弧光接地,因而电容电流波形不稳定,对应的谐波电流大小变化较大,难以确定。
4) 其它随机因素影响的不确定:小电流系统运行方式改变频繁,各段母线的出线数量和线路长度常常改变,从而改变了该系统的电容电流及其谐波电流;母线电压水平的高低、负荷电流的大小总在不断地变化;故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了单相接地故障零序电流及其谐波电流大小甚至方向的不确定性。
另外,即使消弧线圈的感性电流能完全补偿容性电流,中性点位移电压Uo将很高。过补偿方式可减小中性点位移电压,但失谐度大,将使线路接地电流太大,电弧不易熄灭,那么弧光过电压仍然存在。
3、中性点经小电阻接地
采取中性点经小电阻接地的设计及运行方式,主要原理是利用发生单相接地时人为地增加故障点的接地电流,利用零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路。其缺点主要在于:
1) 故障清除前接地故障周围的电位升高问题。现代城市电缆线路不断增加,电容电流迅速增大,故障点的电位升高问题非常突出,若不采取措施,将会导致设备的绝缘击穿,同时危及人们的生命安全。

  1. 该方案不能分辨出金属性接地或弧光接地,扩大了故障点电流的烧炽,并且在断路器固有动作时间内产生的过电压,无法进行有效限制,造成长时间、大面积停电,很不经济。
  2. 对于一些工矿企业以及城市供电的重要负荷,不允许瞬时断电,必须带故障运行,该保护方式不适用。

4XHB消弧及过电压组合保护方式
4.1 技术背景
在中性点不接地系统中,单相电弧接地如果是间歇性的“熄弧-重燃”接地,则会发生一个高频振荡过程,经过二次燃弧以后,两健全相的****过电压为3.5UФ(UФ-系统额定相电压);故障相不存在振荡过程,****过电压为2.0UФ。由于这种过电压持续的时间可以达到数小时或更长,波及范围广,在整个电网某处存在绝缘弱点时,即可在该处造成绝缘闪络或击穿,因此,弧光接地过电压的危害性很大。
如果发生的接地故障为金属接地,故障相电压下降,接近于零,而健全相电压上升,****值为1.73UФ,国家规程规定,在这种工况下,系统可以带故障运行2小时或更长的时间。XHB消弧及过电压组合保护方式正是利用非线性电阻与线性电阻组合熄弧限压,将间歇性弧光接地产生的****过电压限制到1.73UФ以下,保证在排除故障的过程中,系统可以正常运行。
4.2 基本原理
XHB的一次原理图如图1所示,正常工况下,利用消弧电阻R和非线性电阻ZnO对系统发生的各种过电压进行限制,同时利用微机综合控制器对系统发生的常规过电压、单相间歇性弧光接地、单相金属接地、PT断线等故障分别判定处理。
ZnO非线性电阻是一种具有非线性伏安特性并有抑制瞬时过电压作用的固态敏感元件,当其端电压低于某一阀值时,其中的电流几乎为零;超过此阀值时,随着电流迅速增加,电压上升缓慢,基本趋于平稳。ZnO非线性电阻经隔离刀闸QS接于母线,使母线始终处于该限压电路的保护之中。当系统发生短暂的雷电过电压、操作过电压时,均由ZnO投入保护,过电压消失,ZnO退出工作。ZnO是整个保护过程中的****级保护,利用其良好的非线性,在对故障进行判定之前,可以把系统过电压限制在2.5倍相电压以内,避免电气设备承受更大的过电压冲击。
消弧电阻R通过可分相控制的高压真空接触器JZ与系统连接,正常工况下,JZ触头全部断开,R与系统分离,系统按照中性点不接地的方式正常运行。在发生间歇性弧光接地过电压时,过电压****可达3.5UФ,此时分相控制的高压真空接触器JZ将故障相的触头闭合,把消弧电阻投入, ZnO电阻退出保护,系统由原来的间歇性弧光接地转变为经消弧电阻接地,把过电压限制在1.73 UФ以下。
4.3微机综合控制器故障判别及处理
微机综合控制器通过信号转换器采集系统电压信号,包括三相电压瞬时值和零序电压值,当系统发生接地故障或PT断线故障时,根据电压在不同故障状况下的变化,判断故障类型及相别。
如果发生单相金属接地故障:零序电压U0上升,故障相电压下降,其范围0≤U故障﹤UФ;健全相电压上升UФ﹤U健全﹤1.73UФ。综合控制器ZK发出指令。在面板和中控室显示故障类别、相别及故障线路,并发出报警信号,由人工切除故障。
如果发生单相弧光接地:零序电压U0上升, 故障相电压U故障下降,健全相电压上升, U健全﹥1.73UФ。此时,分相控制的高压真空接触器(JZ)将故障相闭合,将消弧电阻投入,弧光消除。故障相的JZ闭合后2秒,综合控制器ZK发出指令将JZ断开,由综合控制器ZK对故障进行再判断,如果间歇性弧光接地不再存在,则判定为偶发性故障,系统自动恢复正常;如果仍有弧光存在,则再次将JZ闭合,在故障排除之前不再断开,使系统在过电压不大于1.73UФ工况下带故障运行,同时显示故障类别及故障线路并发出报警信号由人工进行处理。
如果发生电压互感器PT断线事故:零序电压U0上升,故障相电压下降,健全相电压下降U健全﹤UФ。综合控制器ZK发出指令。在面板和中控室显示故障类别及故障线路,并发出报警信号,由人工切除故障。
4.4 主要特点
采用XHB保护方式,各类过电压均被限制到较低电压水平,由过电压引发的绝缘事故将大为减少;原作用时间最长、对系统及设备安全威胁****的弧光接地过电压,随着故障相母线经消弧电阻接地而消失;原本可能引发的铁磁谐振过电压,由于母线过电压被限制在较低的水平而不再发生;原来按设计规范要求装设消弧线圈的系统,可以不再装设,而且其限制过电压的功能将比装设消弧线圈更可靠、更完善;整套装置限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关,因而其保护性能不随电网运行方式的改变而变化,大网、小网均可使用,电网的扩大也无影响;装置设备简单,体积小,安装、调试方便。该装置特别适用于环境比较恶劣但又必须保证供电连续性的工矿企业,同时也适用于变电站和发电厂的高压供电系统,
对于已装有消弧线圈的系统,本装置的投运,能进一步加强系统的可靠性:当系统发生不稳定的单相弧光接地时,通过消弧线圈进行补偿,如果补偿后接地电流较小,电弧可自行熄灭,本装置不动作,对系统无任何影响;否则,本装置可以准确动作,有效限制系统弧光接地过电压。
5、结束语
随着弧光接地各种保护技术的不断发展,以及XHB消弧及过电压组合保护理论的提出,可以解决我国原中性点不接地系统的各种弧光接地的保护问题;既可以不改变我国大部分电网中性点不接地的运行方式,又提高了电网运行的安全可靠性,对我国的电网改造以及安全运行有着很重要的经济意义和深远的社会意义。将成为以后电网运行及弧光接地保护的主要发展方向。

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