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中性点非接地系统单相接地故障的防护

中性点非接地系统单相接地故障的防护

【作者/来自】网站管理员 【发表时间】2011-11-24 【点击次数】2202

中性点非接地系统单相接地故障的防护
江西赣西供电局(336500)  黄玲
芜湖科越电气有限公司(241009)  郭思君   张作琴 
[摘  要] 弧光接地一直是威胁电力电网安全运行的重要隐患,为此也造成业内人士及相关专家多年来对于中性点接地方式的争论,本文简要阐述国内常用的两种不同的接地方式,另外介绍一种新的保护方案,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
Abstract:Arc grounding is a hidden trouble that it threaten electric power and distribution network of  safe function. It bring controversy of pertinent experts to grounding mode of neuter point. 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 ;

1、引言
3~66kV中压电网中以6kV、10kV、35kV三个电压等级应用较为普遍,其中中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流系统占绝大多数,小部分采用了中性点经小电阻接地或直接接地的大电流系统,近年来,随着供电网络的发展,特别是采用电缆线路的用户日益增加,使得系统单相接地电容电流大大增加,系统由于发生单相间歇性弧光接地而造成用电设备损坏的事故多有发生。我国电气设备设计规范中规定35KV电网如果单相接地电容电流大于10A,3KV—10KV电网如果接地电容电流大于30A,应采用中性点经消弧线圈接地方式;而《城市电网规划设计导则》第59条中规定“35KV、10KV城网,当电缆线路较长、系统电容电流较大时,也可以采用电阻方式”。而根据国内最新的研究观点,当系统电容电流大于5A时,电弧就可能不会自熄,因此,对电网单相接地的保护问题显得十分重要。
对中压电网中性点接地方式,世界各国有不同的观点及运行经验。而在国内,业内专家更是形成明显对立的两派,在中压电网改造中,其中性点的接地方式问题,现已引起多方面的关注,面临着发展方向的决策问题。
2、中性点经消弧线圈接地
自从1917年世界****台消弧线圈在德国Pleidelshein电厂投运以来,已有80多年的历史,德国、中国、前苏联和瑞典等国的中压电网大多采用此种方式。
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) 当系统发生接地时,由于接地残流很小,且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态,接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同,故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地故障线路。
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,那么仍会出现弧光不能自灭及过电压问题。弧光过电压仍然存在。
3、中性点经小电阻接地
世界上以美国为主的部分国家采用中性点经小电阻接地方式,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。中性点经小电阻接地方式中,一般选择电阻的值较小。在系统单相接地时,控制流过接地点的电流在500A左右,也有的控制在100A左右。其主要优点是:
1) 系统单相接地时,健全相电压升高较小,对设备绝缘等级要求较低,其耐压水平可以按相电压来选择。
2) 接地时,由于流过故障线路的电流较大,零序过流保护有较好的灵敏度,可以比较容易检除接地线路。
其主要缺点是:
1) 由于接地点的电流较大,当零序保护动作不及时或拒动时,将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害,导致相间故障发生。
2)当发生单相接地故障时,无法区分是****性的还是瞬时的,也无法区分金属接地还是间歇性弧光接地,均作用与跳闸,使线路的跳闸次数大大增加,严重影响了用户的正常供电,使其供电的可靠性下降。
3) 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。
4) 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。
4、XHB消弧及过电压组合保护方式
4.1 技术背景
国家规程规定,在发生单相接地工况下,系统应能够带故障运行2小时或更长的时间。但是,规程没有区分单相金属接地和间歇性的弧光接地。在中性点不接地系统中,单相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,最终发展为相见短路故障,因此,弧光接地过电压的危害性很大。至于金属接地,故障相电压下降,接近于零,健全相对地电压上升为线电压,****值为1.73UФ。按照国家规程规定,用电设备的绝缘承受能力应能承受系统线电压而不会对设备绝缘造成损伤。
4.2 基本原理
XHB消弧及过电压组合保护方案是已经成熟的微机监控系统对电网电压进行实时监控,利用非线性电阻与线性电阻有机组合进行熄弧限压,对电网出现的各种过电压(不论是何种原因引起的)进行限制,将电网电压控制在用电设备绝缘承受能力以内,保证在排除故障的过程中,系统可以正常运行。一次原理图如图1所示。
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,当系统发生瞬时过电压、单相接地或PT断线等故障时,根据电压在不同故障状况下的变化,判断故障类型及相别,通过ZnO非线性电阻和接地电阻两级保护对过电压进行吸收、泻放,将过电压限制到设备的绝缘承受能力以内。
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。当系统发生瞬时性的雷电、操作等过电压时,由ZnO电阻对过电压进行限制。过电压消失,ZnO退出工作。ZnO是整个保护过程中的****级保护。ZnO电阻的选择以及对系统过电压的限制范围设计见表1。
表1 6kV、10kV系统ZnO电阻的选择             单位 kV
系统额定电压 ZnO额定电压 组合方式 直流1mA参考电压 操作冲击残压 雷电冲击残压
6.3 10 相对地及相间 10 14 15
10.5 17 相对地及相间 16.5 23.1 24.8
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。当发生单相间歇性弧光接地时,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,系统由原来的间歇性弧光接地转变为经消弧电阻接地,把过电压控制在1.73 UФ以下。
4.3 主要特点
1) 与中性点通过消弧线圈或小电阻接地相比较,在一次测直接对过电压进行限制,保护更直接。避免了间接补偿电容电流和直接跳闸带来的弊端;
2) 是对系统过电压的一种综合限制,所有过电压均被限制到较低电压水平,保护更全面;
3) 原作用时间最长、对系统及设备安全威胁****的间歇性弧光接地过电压,能够被可靠消除;
4) 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;
5) 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;
6) 通过与中控室计算机联网,可以实现对电网电压的监控与操作。
4.4 试验与应用
XHB消弧及过电压组合保护装置于2003年9月和2004年10月分别在安徽理工大学和国家高压电气质量检测中心(西安)进行了故障模拟试验,同时进行了微机综合控制器的抗扰度试验。试验结果达到甚至超过设计要求,两家单位分别出具了委托试验报告和型式试验报告。
该装置已经在国内数十家大型工矿企业取得运行经验,根据2003年9月在宿州供电局、2004年1月在安徽马钢集团两次挂网运行的跟踪研究表明,本文所属方案能够在金属接地时正确报警并选择故障线路;在间歇性弧光接地故障时可以在30ms内将弧光消除;同时,该装置可以将大气过电压、操作过电压等瞬时性过电压限制在设备的绝缘承受能力以内。对电网电压实现了综合监控、限制,避免了因为各种过电压冲击而引起的设备损坏、电网跳闸故障,保障了电网的安全运行。
5、结束语
1) 中性点经过消弧线圈接地,通过间接补偿系统对地电容电流,能够减少弧光接地发生的几率,但是,认为消弧线圈可以消除弧光接地过电压是一种误区。
2) 小电阻接地系统能够快速切除故障接地点,但同时使电网供电的可靠性大大降低,而且对于不允许瞬时断电的供电网络不适用。
3) XHB消弧及过电压组合保护方案能够在不改变系统运行方式的前提下实现对电网电压的限制,而且与系统对地电容电流的变化基本没有关系,比较适合我国电网的运行方式。
参考文献:
[1] 许颖.对消弧线圈“消除弧光接地过电压”的疑义.电力设备.2001年12月第2卷第四期。
[2] 张作琴.电力系统弧光接地保护的研究.电力科学与工程.2002年第四期。
 
联系人:郭思君
电话:013955352595;0553-5315615
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通信地址:安徽芜湖市经济技术开发区科创中心科越电气

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