（电力系统及其自动化专业论文）110kv系统不接地变压器中性点保护方式.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： ，2 - 钞纱 摘要 摘要 电力系统中性点接地方式是一个综合的技术问题，它与电网电压等级、电网结构、绝缘 水平、供电可靠性、继电保护、电磁干扰、人身安全都有很大的关系。目前我国l l o k v 电网 中性点主要的方式采用中性点有效直接接地。 中性点直接接地方式，在发生单相接地短路故障时，可降低过电压及变压器中性点的绝 缘水平，但会使系统单相短路电流增大，目前除5 0 0 k v 变压器一般将中性点直接接地以外， l l o k y 、2 2 0 k v 变压器的中性点或直接接地、或对地绝缘；尤其是在电网高速发展的今天，l l o k v 系统越来越复杂，短路电流越来越大，根据规程规定及系统运行的需要，1 l o k v 有效接地系 统中大约有2 3 的变压器采取中性点不接地的运行方式。但中性点对地绝缘的变压器在运行 中存在一定的不安全因素，限制了1 l o k v 、2 2 0 k v 系统的规划。 本文分析了现有1l o k v 系统不接地变压器在实际运行的不安全因素及危害，不接地的变 压器在运行中将受到雷电、工频过电压和操作过电压的作用。变压器中性点保护不当，轻则 会造成设备保护误动，主变或线路停运事故，重则会导致设备事故。按照1l o k v 系统不接地 变压器d l t 6 2 0 1 9 9 7 规程规定，中性点应安装间隙及避雷器作保护。这一种中性点保护方式 运行以来，经常发生主变误动、线路误动和避雷器爆炸事故，严重的甚至导致变压器中性点 匝间绝缘击穿。 在此基础上本文借鉴及分析了配电网中性点经电阻接地在限制过电压及保持系统阻抗 限制短路电流的优势，提出1 l o k v 不接地变压器经小电抗接地的方式：着重分析了中性点经 小电抗接地方式的优越性和可行性，1l o k v 不接地变压器经小电抗接地的方式变压器中性点 经小电抗接地方式既可降低过电压又可限制单相短路电流又可解决由变压器中性点绝缘所 带来的不安全因素。接着对实现该方式的三个关键技术：接地装置的设计，电抗值的参数选 择及运行控制等做了详细的分析并给出了实现的具体方法。 最后，通过对在深圳局部电网的运行实例的分析，验证了其优越性及可行性。同时，使 用m a t l a bs i m u l i n k 仿真软件建立了仿真模型，对如皋实际电网进行了仿真计算。结果表明： 1 l o k v 不接地变压器中性点改成经小电抗接地方式既可以限制单相短路电流又可降低过电 压，为实际系统运行提供了建议和参考。 关键词：中性点：高电压；小电抗；保护； a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o b l e ma b o u tn e u t r a lg r o u n d i n gm o d eo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sa n i n t e g r a t e dt e c h n i c a lp r o b l e ma s s o c i a t e dw i t hp o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y ，i n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dp e r s o n n e ls a f e t y a tp r e s e n t ， c h i n e s e11 0 k vp o w e rn e t w o r km a i n l yu s e st h ed i r e c tn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n g i nc a s eo fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l tt h en e u t r a lp o i n td i r e c tg r o u n d i n gw a y c a nr e d u c et h eo v e r - v o l t a g ea n dt h ei n s u l a ti o nl e v e lo ft h en e u t r a lp o i n to f t r a n s f o r m e r s ，b u ti tw i l li n c r e a s et h es i n g l e p h a s es h o r t c i r c u i tc u r r e n t a t p r e s e n t ，a p a r tf r o m5 0 0 k vt r a n s f o r m e ra r en e u t r a lp o i n td i r e c tg r o u n d i n g ，11 0 k va n d 2 2 0 k vt r a n s f o r m e r sn e u t r a lp o i n t sa r ee i t h e rd i r e c t l yg r o u n d i n go ri n s u l a t i o nt o g r o u n d i nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft o d a y sp o w e rg r i d ，1 l o k vs y s t e mg e t sm o r ea n d m o r ec o m p l i c a t e d ，t h u ss h o r t c i r c u i tc u r r e n tg e t sm o r ea n dm o r es e r i o u s a c c o r d i n g t or u l e sa n dt h es y s t e mo p e r a t i o nd e m a n d ，a b o u tt w ot h i r d so ft h et r a n s f o r m e r so f 11 0 k vu s et h en e u t r a lp o i n tn o n g r o u n d i n go p e r a t i o n h o w e v e rt h e r ei sac e r t a i n i n s e c u r i t y ，1 i m i t i n g1 1 0 k v ，2 2 0 k vs y s t e mp l a n n i n g t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n s e c u r i t ya n dh a z a r d so fe x i s t i n g1 1 0 k vt r a n s f o r m e r s y s t e mt h a ti sn o tg r o u n d e di na c t u a lo p e r a t i o n n o n g r o u n d i n gt r a n s f o r m e ri n o p e r a t i o nw il1b ea f f e c t e db yt h u n d e ra n d1i g h t n i n ga sw e lla so v e rv o l t a g e i m p r o p e r t r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n tp r o t e c t i o nw i l l l e a dt oa c c i d e n t s a c c o r d i n gt o d l t 6 2 0 1 9 9 71l o k vs y s t e mg r o u n d i n gt r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n ts h o u l di n s t a l1g a p a n ds u r g ea r r e s t e r sf o rp r o t e c t i o n s i n c et h ep r o t e c t i o nb e i n gp u ti n t ou s ef r e q u e n t m a i nt r a n s f o r m e rm a l f u n c t i o nc o m e so u t ，s u c ha s1 i n ea r r e s t e rm a l f u n c t i o na n d e x p l o s i o n ，t r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n to fi n t e r t u r ni n s u l a t i o nb r e a k d o w n ad e t a il e d a n a l y s i so fr u g a o1 1 0 k vp o w e rt r a n s f o r m e rf a u l ti sp r e s e n t e d o nt h er e f e r e n c et ot h ea d v a n t a g e so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hu s e st h en e u t r a l g r o u n d i n gr e s i s t o rt o1 i m i to v e r - v o l t a g ea n dm a i n t a i nas y s t e mi m p e d a n c e ，t h i sp a p e r p r o p o s e st h a t11 0 k vt r a n s f o r m e ri sn o td i r e c t l yg r o u n d e db u tb yas m a llr e a c t a n c e ， f o c u s e do na n a l y s i so ft h es u p e r i o r i t ya n df e a s i b i1it yt h a tn e u t r a lp o i n tisg r o u n d e d b yas m a l lr e a c t a n c eo f1 1 0 k vt r a n s f o r m e r s t h et h r e ek e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n g t h ed e s i g no fg r o u n d i n ge q u i p m e n t ，t h ee l e c t r i cr e s is t a n c ev a l u eo ft h ep a r a m e t e r s e l e c t i o na n do p e r a t i o nc o n t r o la r ea l s oa n a l y s i s e da n dt h ed e t a i l e dm e t h o d st o a c h i e v ea r ea l s og i v e n f i n a l l y ，t a k es h e n z h e nl o c a lp o w e rg r i df o re x a m p l e ，v e r i f i e dt h es u p e r i o r i t y a n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d a tt h es a m et i m e ，as i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d u s i n gm a t l a bs i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t et h ea c t u a lr u g a op o w e rg r i d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：11 0 k vt r a n s f o r m e ru n g r o u n d e dn e u t r a lp o i n tr e p l a c e db ya s m a l lr e a c t a n c eg r o u n d i n gm e t h o dc a n1 i m i tb o t ht h es i n g l e p h a s es h o r t c i r c u i t c u r r e n ta n dt h eo v e r v o l t a g e ，w h i c hp r o v i d e da d v i c ea n dr e f e r e n c ef o rt h ea c t u a l s y s t e m o p e r a ti o n k e yw o r d s ：n e u t r a lp o i n t ：h i g hv o l t a g e ：s m a l lr e a c t a n c e ：p r o t e c t i o n ： i i 目录 摘要 目录 i i i i 目录 第一章绪论l 1 1 变压器中性点接地问题概述l 1 2 国内外中性点接地方式现状2 1 3 各种接地方式比较3 1 3 1 中性点不接地3 1 3 2 中性点经电阻接地3 1 3 3 中性点经消弧线圈接地( 谐振接地) 3 1 4 各种接地方式的应用情况和故障特征4 1 4 1 中性点不接地系统故障零序稳态信号基本特征4 1 4 2 中性点经消弧线圈接地系统故障零序稳态信号基本特征5 1 4 3 中性点经过电阻接地系统故障零序稳态信号基本特征5 1 4 4 中性点不接地系统故障暂态信号基本特征5 1 4 5 中性点经消弧线圈接地系统故障暂态信号基本特征6 1 5 我国1 l o k v 系统变压器中性点接地方式及存在的问题6 1 6 本文的主要工作7 第二章中性点接地方式与过电压分析 8 2 1 变压器中性点过电压8 2 1 1 变压器中性点的雷电过电压8 2 1 2 断路器非全相分合闸过电压8 2 1 3 单相接地时的工频过电压1 l 2 1 4 断线引起的谐振过电压13 2 1 5 耦合传递过电压1 6 2 1 6 弧光接地过电压17 2 2 变压器中性点保护的问题分析1 9 2 2 1 变压器中性点保护方式1 9 2 2 2 间隙与避雷器并联保护存在的问题2 0 2 3 本章小结2 0 第三章小电流接地系统的比较分析2 1 3 1 电阻接地的目的和分类2 1 3 1 1 电阻接地的目的2 l 3 1 2 中性点经过电阻接地的形式。2 2 3 1 3 中性点经过不同接地电阻接地的方式比较2 4 3 2 中性点经电阻接地时故障分析2 5 3 2 1 接地故障电流与选线研究2 5 i i i 东南大学工程硕士学位论文 3 2 2 弧光接地过电压的分析2 6 3 2 3 低压配电系统中性点接地电阻值的确定。2 7 3 3ll o k v 系统变压器中性点经小电抗接地方式2 9 3 3 1 中性点经小电抗接地方式的优越性和可行性。3 0 3 3 2 变压器中性点经小电抗接地方式的关键技术3 0 3 4 经小电抗接地的变压器中性点保护3 3 3 5 本章小结3 4 第四章l l o k v 变压器中性点经小电抗接地方式的仿真与运行实践3 5 4 1 深圳实际运行情况3 5 4 1 1 实际运行概况3 5 4 1 2 单相故障情况介绍3 5 4 1 3 运行实践结果分析3 7 4 2 如皋实际运行情况3 7 4 2 1 中性点故障电压3 8 4 2 2 各变电所电抗箱及组成4 0 4 2 3 系统保护配置与整定4 0 第五章结论和展望 5 1 本文研究总结5 4 5 2 展望5 4 致谢 参考文献 i v 5 5 5 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变压器中性点接地问题概述 电力系统中性点接地方式是人们防止系统事故的一项重要应用技术，具有理 论研究与实践经验密切结合的特点，因而是电力系统实现安全与经济运行的基础 之一。首先，从技术的角度而言，它与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、 设备安全、绝缘水平、继电保护以及通信干扰( 电磁环境) 和接地装置等技术问题 有密切的关系i lj 。其次，中性点接地方式的选择必须与整个系统发展的现状和发 展规划进行技术经济比较，必须全面考虑其技术经济指标。随着电力工业的迅速 发展和对供电质量要求的提高，选择一种有效的中性点接地方式是十分重要的。 中性点接地主要在于限制单相接地故障电流，保障人身设备安全，防止故障 电流烧坏电气设备以及在故障点产生间歇电弧引起过电压，危及设备绝缘，影响 到系统运行稳定性和可靠性。中性点接地方式、设备选择应结合中性点绝缘水平、 保护装置和过电压防护措施，使接地电流限制在允许范围之内。 过去我国沿用苏联方式，中压电网主要采用中性点不接地方式，其特点是供 电可靠性高。近年来随着城市用电规模的扩大，特别是城区电缆供电线路的增多， 中性点不接地系统发生单相接地以后，接地电流明显增大，由于不能及时灭弧， 许多系统开始大量采用消弧线圈或中性点经小电阻接地方式。经消弧线圈接地 后，能有效灭弧，但容易产生过电压及谐波污染，特别是在厂矿企业供电网中， 有可能导致电缆爆破。经小电阻接地后，系统可靠性降低，但可有效防止事故进 一步扩大。因此在新的形势下，研究有效的接地方式对提高供电质量、保证供电 可靠性是很有必要的。 当今我国国内1 1 0 k v 及2 2 0 k v 系统中性点绝大部分采用有效接地方式，为 了限制短路电流以及减少对通讯的干扰，有少部分变压器的中性点采用不接地方 式运行。超高压输电网的发展，特别是5 0 0 k v 超高压自祸变压器已在电网中广 泛应用，也带来一些新问题，随着电网的扩大，大型、特大型变电站布点增多， 中性点直接接地方式己引起电网的零序阻抗急剧下降，单相短路电流己超过三相 短路电流，采用变压器经小电抗接地技术便应用而生。我国l l o k v 及2 2 0 k v 系 统中性点绝大部分采用有效接地方式，中性点经小电抗的接地方式也有一些研 究，广东省电力试验研究所和深圳供电局合作1 l o k v 、2 2 0 k v 变压器中性点经小 电抗接地方式的优越性及可行性进行了研究，河南电力试验研究所与武汉高压研 究所共同在河南省蹼阳供电公司2 2 0 k v 岳村变电站进行了开发和试点。同时， 也有一些中性点经小电抗接地方式的实践经验，比如葛洲坝大江电站5 0 0 k v 变 压器的中性点都经小电抗接地，1 9 8 6 年5 月正式投入运行，经受了多次单相接 地故障的考验。事实证明变压器中性点经小电抗接地在某些特定情况下有较大的 优势。对于中性点接地小电抗的选择，各种文献中均有不同的看法，而目前国家 规程中也没有一个统一的执行标准。对于经小电抗接地的中性点保护方式的选择 也同样存在这样的问题。中性点经小电抗的接地方式的关键技术还未见全面报 道，还不够完善，非常有必要做进一步的研究。 东南大学工程硕士学位论文 1 2 国内外中性点接地方式现状 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i l j 。 在我国的6 , - 3 5 k v 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3 - - - 4 倍相电压值，另外发生铁磁谐振的几率 也大，容易造成p t 烧毁，m o a 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9 0 的瞬间性故障，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，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p 1 1 4 1 5 。 国外，美国大量采用中性点直接接地或经小电阻接地，其中压电网强大、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；英国和法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1 0 到2 0 年的推广应用计划。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l - 2 h 。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3 倍，对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 2 缆爆炸，烧毁p t ， ，对安全生产造成 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，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( 2 h 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至i z 艮大的 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，6 , - - , 3 5 k v 中压电网原有的中性点不接地 方式已不再适宜，并已逐渐被其他接地方式取代【6 】【7 】【8 】。 1 3 2 中性点经电阻接地 对于中压电网来说，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中压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 8 儿引。 1 3 3 中性点经消弧线圈接地( 谐振接地) 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，它装设于中压电网的中性点。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 东南大学工程硕士学位论文 作可维持系统运行一定时间，可以使运行部f - j ：f i 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上升速度变慢，保证电弧的 熄灭和避免发生重燃，从而有降低过电压水平、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i l o 卜1 1 4 j 。 1 4 各种接地方式的应用情况和故障特征 电网中性点接地方式并不是一成不变的，以世界各国的电网来说，早期l o k v 以下电网既用过中性点不接地方式，也用过中性点直接接地方式，对3 5 k v 及以 下电网，从2 0 年代到现在，广泛采用中性点经消弧线圈接地方式。德国曾为中 性点经消弧线圈接地方式的发源地，但在5 0 一6 0 年代，前联邦德国还有其它一 些国家却不再采用中性点经消弧线圈接地方式，另一方面美国和英国部分电网， 一直习惯采用有效接地方式，中性点经小电阻接地可以快速切断故障，这与这些 电网的供电可靠性较高有关。前苏联主要采用中性点不接地方式和经消弧线圈接 地方式，日本小电流接地系统中高阻抗和不接地方式均有采用，但电阻接地方式 居多，法国过去以低电阻接地方式居多，随着城市电缆线路的不断投入，电容电 流迅速增大，已开始采用经消弧线圈接地方式1 1 7 1 引。 中性点不同接地方式在发生单相接地故障的时候，暂态电流和稳态电流是不 同的，因而需要对各自的特点进行论述，从而为选线做好准备。 1 4 1 中性点不接地系统故障零序稳态信号基本特征 设系统三相对称、参数对称，则正常运行时，电网三相电压、电流也对称， 不存在零序分量。单相金属性接地故障时，接地相电压为零，对地电容被短接。 两个健全相( 非故障相) 对地电压升高1 7 倍，对地电容电流也相应升高1 7 倍， 两相电压、及两相电容电流之间的相位差均为6 0 v 。因此，电网将出现零序电压， 幅值等于电网正常运行时单相对地电压。在健全线路上，零序电流幅值等于正常 运行时单相对地电容电流，方向从母线指向线路；而故障线路上，由于同一母线 各条出线的对地电容电流都要经过接地点返回电源，零序电流幅值等于所有健全 线路零序电流之和( 即大于任一条健全线路零序电流) ，方向从线路指向母线。当 接地点存在一定过渡电阻时，接地相电压不再为零。其幅值随过渡电阻增加而增 加，相应的系统零序电压和各条出线零序电流则随之减小，但它们之间的相位关 系不变。 4 不起作用。 单相接地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高 在消弧线圈中产生的感性电流与线路零序电容电流极性相反，可减小故障点接地 电流，使故障电弧在电流过零时易于熄灭。如果故障点绝缘恢复速度大于故障相 电压恢复速度，电网将恢复正常运行。在过补偿方式下，故障线路的零序电流幅 值很小，甚至出现小于健全线路，方向与健全线路也相同的现象。 1 4 3 中性点经过电阻接地系统故障零序稳态信号基本特征 单相接地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高 在电阻中产生的阻性电流，与线路的电容电流相叠加构成了故障电流。这样流过 故障线路的电流就包含了阻性电流，而非故障线路的阻性电流就比较小。 1 4 4 中性点不接地系统故障暂态信号基本特征 对故障暂态过程进行详尽、准确的分析较为困难，一般均根据系统简化模型 得出一些初步结论。文【2 l 】提出，故障瞬间零序电压和零序电流在故障线路中反 极性，而健全线路中同极性。 文【2 2 】和文【2 3 】均提出：不接地系统暂态电容电流由故障相电压突然下降引起 的对地分布电容放电过程和健全相电压升高引起的对地电容充电过程组成。其 中，放电电流振荡频率较高( 一般在数千赫兹) 、衰减较快；充电电流振荡频率较低 ( 一般仅为数百赫兹) 、衰减较慢。文【2 3 】特别提出健全相充电电流占整个暂态电 东南大学工程硕士学位论文 流主要成分。 文【2 2 】和文 2 4 】中均给出了由等效电感、电容、电阻组成的串联回路计算的 暂态零序电流表达形式，二者所得结论相同。即暂态零序电流由工频强制分量和 自由振荡分量组成，自由振荡频率一般为几百到几千赫兹，从理论上证明了暂态 电流最大值与未经补偿的工频稳态电流之比近似等于暂态信号频率与工频频率 之比，即暂态电流幅值比稳态值大数倍甚至大到数十倍。 1 4 5 中性点经消弧线圈接地系统故障暂态信号基本特征 文 2 2 中提出，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压 经过零值瞬间，而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等 于零。因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，在同一电网中，不论中性点 不接地还是经消弧线圈接地方式，在相电压接近最大值时发生故障，其过渡过程 是近似相同的，并指出在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流特性主要由暂态电 容电流所确定；暂态电感电流中的直流分量虽不会改变接地电流首半波的极性， 但对幅值影响较大。 1 5 我国1 10 k v 系统变压器中性点接地方式及存在的问题 电力系统中性点接地方式可分为有效接地系统和非有效接地系统。按电力行 业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规定，ll o k v 和2 2 0 k v 系统应该采用有效接地方式，在各种条件下应该使零序电抗与正序电抗 之比( x o x 1 ) 为正值并不大于3 ，而其零序电阻与正序电抗之比( r o x 1 ) 为正值并 不大于1 。1l o k v 系统中变压器中性点直接接地或经低阻抗接地，部分变压器中 性点也可不接地。 变压器中性点直接接地可降低过电压及变压器中性点的绝缘水平，但会使系 统单相短路电流增大。根据规程规定及系统运行的需要，我国11 0 k v 有效接地系 统中大约有2 3 的变压器采取中性点不接地的运行方式。这对于系统稳定、可靠 运行起到了良好的效果。但是，不接地的变压器在运行中将受到雷电、工频过电 压和操作过电压的作用。变压器中性点保护不当，轻则会造成设备保护误动，主 变或线路停运事故，重则会导致设备事故。按照1 l o k v 系统不接地变压器 d l t 6 2 0 - 1 9 9 7 规程规定，中性点应安装间隙及避雷器作保护。这一种中性点保 护方式运行以来，经常发生主变误动、线路误动和避雷器爆炸事故，严重的甚至 导致变压器中性点匝间绝缘击穿。例如2 0 0 3 年6 月1 0 日8 ：5 4 ：2 6 如皋市2 2 0 k v 金城变压器1l o k v 城如i i 线c 相单相接地，距离i 段、零序i 段动作，断路器 跳闸，重合成功；同时相邻线路1 l o k v 城新线零序i 段动作，断路器跳闸，重合 成功。1 l o k v 系统中尚有三座变电站主变中性点( 6 0 k v 绝缘水平) 放电间隙 ( 1 2 0 r a m ) ，均有电弧放电痕迹。如何合理选择正确的保护方式，保证在运行中的 主变压器和避雷器不受损害，同时又能避免因中性点保护异常时导致运行中的主 变及线路误动造成供电中断是目前研究的热点。 6 第一章绪论 1 6 本文的主要工作 论文主要探讨1l o k v 不接地变压器中性点保护问题，首先研究和分析了现有 保护方式以及存在问题及故障实例，然后借鉴配电网接地方式的优点，提出了中 性点经小电抗接地的方法，分析了其优点和可行性，具体给出了实现的关键技术 及解决方法，并利用m a t l a bs i m u l i n k 搭建模型，进行了大量的仿真验证和在局 部电网的应用分析。论文的主要工作如下： 1 论述电力系统的中性点运行方式及不接地变压器的中性点保护方式的背 景和研究现状。分析了不接地变压器中性点保护方式的研究背景，指出虽然目前 的保护方式在电网运行中广泛运用，但是还存在着不安全因素会危及系统安全运 行和设备安全，经过多年的研究，保护方式的问题一直没有得到很好的解决，需 要进一步的研究，最后分析了国内外的研究现状。 2 对变压器中性点各种过电压进行了详细的分析。同时对我国现有的中性点 保护方式进行了综述，指出了他们的缺点和不足，因而需要找到一种更好的保护 方式。 3 对配电网中性点经电阻接地进行深入研究，分析了在故障时候各相电压的 情况，并绘制了相量图，论述了此接地方式如何抑制过电压和降低短路电流，从 分析中找到了解决1 l o k v 不接地变压器保护方式的方法。分析了经小电抗接地方 式的优点及可行性。接着对实现经小电抗接地方式的关键技术：接地装置的设计， 电抗值的参数选择及运行控制等逐一做了详细的分析并给出了实现的具体方法。 4 通过对在深圳局部电网的运行实例的分析，验证了其优越性及可行性。同 时，使用m a t l a bs i m u li n k 仿真软件建立了仿真模型，对如皋实际电网进行了仿 真计算。结果表明：1l o k v 不接地变压器中性点改成经小电抗接地方式既可以限 制单相短路电流又可降低过电压，为实际系统运行提供了建议和参考。 7 东南大学工程硕士学位论文 第二章中性点接地方式与过电压分析 电力系统中性点接地方式可分为有效接地系统和非有效接地系统。按电力行 业标准规定，1l o k v 系统应该采用有效接地方式，系统中变压器中性点直接接地 或经低阻抗接地，部分变压器中性点也可不接地。 中性点非有效接地系统理论上在正常状态下运行，不论是变压器中性点直接 接地、不接地或经小电阻或小电抗接地，中性点上的电位基本为零。即使有些位 移，电位也是很低的。但系统在不对称状态下运行，即系统一相接地( 或两相故 障) ，中性点上电位产生了位移，数值上明显与接地方式有很大关系。 本章对中性点非有效接地系统变压器中性点各种过电压进行了详细的分析， 同时对我国现有的中性点保护方式进行了综述，指出了他们的缺点和不足，因而 需要找到一种更好的保护方式。 2 1 变压器中性点过电压 2 1 1 变压器中性点的雷电过电压 当雷电波侵入变压器绕组到达中性点上时，由于中性点不接地，则冲击电压 会上升到高于中性点绝缘水平，对中性点绝缘造成威胁。 雷电波作用下的变压器中性点的过电压为： u m = 学 协。， 式中u 。一雷电波作用下的变压器中性点的过电压幅值； n 一为雷电波侵入的相数； k 一为振荡系数，对于纠结式绕组k 取1 6 ，连续式绕组k 取1 8 ； u 。一为变压器出口处避雷器的残压( 或放电电压) 。 其最大值发生在三相同时进波时，此时中性点过电压值可达到变压器出口处 避雷器的残压的1 6 1 8 倍。 不论三相、二相或单相进波，大气过电压对分级绝缘变压器中性点都是有害 的，虽然雷电波沿线路衰减，入口避雷器的限制，多路出线的分流以及变压器线 圈电感的作用，使其侵入波的陡度和幅值都大大削弱了，但其中性点还需要用避 雷器作保护。 2 1 2 断路器非全相分合闸过电压 当空载线路向变压器送电时，线路的容抗之愈接近变压器的感抗o l ，二 c 0 l ； 8 第二章中性点接地方式与过电压分析 者的伏安特性交点i 。愈小，所需外激条件愈弱，产生谐振的概率愈大；反之则产 生谐振的概率愈小，但产生过电压的幅值就愈高。因此，不同的激发条件下，谐 振过电压是服从于统计规律分布的。 试验和运行经验表明，只要符合一定外界的激发条件和参数，断线的后果可 能分别发生高次谐波、基波和分次谐波的谐振过电压。在基波谐振条件下，由于 中性点电位的频率与电源频率相同，二者叠加的结果使得各相对地电压呈现出不 平衡：对于负载变压器来说，当回路工作在非谐振工作点，电流呈感性，变压器 的二次电压u 与电源电动势e 同相；当回路工作在谐振工作点，电流呈容性，u 与e 反相；设变压器a 相接通电源时产生铁磁谐振在b 、c 相端的过电压 u 。= k u p h 。 中性点不接地变压器轻载或空载时，断路器或刀闸三相非同期分合闸( 包括 在运行中线路发生一相或二相断线) ，在某些参数配合情况下，系统电容和变压 器电感会产生铁磁谐振；当变压器二端有电源时，在不接地的变压器中性点上会 产生幅值高达2 u 曲( u 曲为相电压) 的稳态过电压。现就讨论分析非全相分合闸 在不接地变压器中性点上产生的过电压。 1 一相接通时在变压器中性点上产生的过电压 图2 - 1 ( a ) 为1 1 0 k v 系统二相断线一相连通的结线图。图2 - 1 ( b ) 为( a ) 的等值电路图，其中c o 和c ”。为断线点右侧的导线对地和相间的电容。图2 1 ( c ) 为( b ) 的简化等值图，图中e = 1 5 q e a ，c = k c o ，l = 1 5 l k 。 其中： q = 志 ( 2 - 2 ) k = 2 ( 1 一x ) + ( 2 + 6 ) 3 ( 2 3 ) 式中，e a 为电源相电压，c o 为非断线相线路对地电容，c ，z 为导线间的相间电容， 6 为线路正序电容与零序电容的比值6 ：( c o + 3 c - 。) c o ，一般地，6 = 1 5