中性点虚拟接地装置

1、中性点虚拟接地装置专利号：200610037780、200620126458、200710020233前 言目前系统保护都是被动式的保护，是在故障发生后，防止故障扩大化转化为事故，只治标不治本，系统依然经常会发生电缆放炮、电机绝缘击穿、避雷器爆炸、电压互感器烧坏等事故。本专利产品开创主动式保护，提供全面过电压治理保护方案，从源头上全面治理过电压，消除过电压于萌芽状态，首先预防故障发生，其次治理故障，达到既防又治的目的。在335KV中压系统中，中性点有不接地、谐振接地即消弧线圈接地、小电阻接地、都是被动式保护接地，各种接地方式各有优缺点。本成果提出的虚拟接地方式为主动式保护接地方式，对工频不接地

2、，对非工频量接地，充分发挥了各种接地方式的优点，克服它们的缺点。1、故障发生的根源系统故障及事故都是由过电压引起，过电压的冲击造成系统绝缘击穿而发生故障。过电压是电力系统安全运行最大杀手，一方面加速系统绝缘累积老化，另一方面直接引起绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。2、过电压产生的根源系统受到的“激励”能量在系统电感、电容中相互交换，电感、电容间产生电磁振荡产生过电压。3、装置原理本装置的核心部件是根据专利方法实施特制的虚拟接地变压器，二次侧三相绕组串联形成开口三角，接入大功率电阻，等效系统中性点接地，对工频不接地，对非工频接地，实现系统中性点虚拟接地。科学的原理，新颖的方法，

3、近理想化的效果，独创的虚拟接地方式，集合各种中性点接地方式的优点，主动吸收泄放产生各种过电压的能量，从源头上防止过电压，拒绝过电压于萌芽之中；泄放谐振和单相接地的电、磁能量，实现消弧，拒绝系统、PT铁磁谐振，给系统安全运行最大的保障。可电压互感器虚拟接地一体化，取代电压互感器柜，可提供AC220V操作电源。功 能一、能量消耗法主动式过电压保护电力系统中的电容、电感元件均为贮能元件。当系统中操作或故障使其工作状态发生变化时，将产生电、磁能量震荡的过渡过程。在此过程中，电感元件贮存的磁能会在某一瞬间转换为电场贮存于电容元件之中，产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。过电压是电力系统安全运行最大杀手，

4、系统故障及事故都是由过电压引起。过电压不仅造成事故且加速系统绝缘累积老化，而且直接引发绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。目前主要采用避雷器、组合式过电压保护器、PT消谐器、消弧线圈、消弧装置等被动式保护治理。避雷器、组合式过电压保护器，过电压必须超过其整定值才会动作，为防止其在单相接地时吸收能量过多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系统其整定值要大于23kV。一方面系统内小于其整定值的过电压不会动作；另一方面即使大于其整定值的过电压动作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系统，冲击系统绝缘。因此，我们可以得出这样的结论：避雷器、组合式过电压保护器是被动

5、式的过电压保护，无论系统内过电压的峰值多大，都有小于其整定值的过电压冲击系统绝缘，或加速系统绝缘老化，或使老化的绝缘击穿发生故障。现有的供电系统均安装有避雷器或组合式过电压保护器，依然发生故障就说明了这个问题。PT消谐器、消弧线圈、消弧装置等保护装置，都是故障发生后才动作实施保护，是被动式保护，在后面的内容中阐述。能量消耗法主动式过电压保护原理：中心点虚拟接地装置，快速消耗系统电感电容储存的非工频等“激励”能量，大幅度降低系统电感电容可交换的能量，充分阻尼其暂态过程，从源头上阻止了暂态过电压的形成，消除过电压于萌芽状态，因而防止过电压冲击系统绝缘延长系统寿命，大幅降低系统故障概率。1、元件操作

6、过电压治理中压系统电缆的广泛应用，遭受雷击的可能性越来越少，主要是内部过电压，操作过电压是系统最主要的过电压，从源头治理了过电压，消除过电压于萌芽状态，就可以延长系统绝缘寿命，大幅度降低故障概率。真空断路器操作过电压主要表现为截流过电压、多次重燃过电压、三相非同期开断过电压。操作过电压又分为：空载变压器、电抗器投切过电压，电容器、空载线路投切过电压，合空母线过电压，投切电机过电压，系统扰动过电压，突然甩负荷过电压，发电机并网过电压等。其中，以开断电容器组、空载变压器、空载线路的过电压最为严重，过电压水平最高，为此，我公司在武汉高压研究院做了这三个典型的开断模拟实验（见资料三），图1、2、3分别

7、为开断电容器组、空载线路、空载变压器的模拟试验示波器波形图，从三个图中可以看出，只有开关触头打开时刻有一些小毛刺，而没有几倍的过电压，验证了能量消耗法主动式过电压保护从源头上消除过电压的产生。图1 电容器开断过电压试验电压波形图图2 空线路开断过电压放电试验电压波形图图3 空载变压器开断过电压保护试验电压波形图2、雷击后避雷器残压下的电荷消耗雷击发生后氧化锌过电压保护器的1mA参考电压在2.3倍左右，其对应的电荷储存在系统对地电容上，其与相电压叠加形成过电压，如图4，雷电波入侵变电所，变压器上电压实际典型波形，详细参见资料一P285。避雷器动作后的残余能量被中性点虚拟接地装置吸收泄放，防止了其

8、与相电压叠加产生的过电压危害系统绝缘。也就是说超过避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收，避雷器整定值以下的能量被中性点虚拟接地装置吸收，达到完美的配合消除雷击过电压。图 4 雷电波入侵变电所，变压器上电压的实际典型波形二、能量消耗法消弧中压非有效接地系统，最难解决的问题是单相弧光接地过电压。目前的消弧装置有消弧线圈、故障相金属性接地消弧装置，都是被动式保护，不能预防故障发生，且这两种消弧装置存在着缺陷。特别是故障相金属性接地消弧装置存在特别严重的技术缺陷，会给系统带来严重的安全隐患。故障点再次重燃的条件是：故障点对地电压大于故障点的绝缘强度。这里包含两种含义，燃弧后故障点弧道被电离，绝缘强度大幅

9、下降，其一故障点对地电压恢复速度大于故障点绝缘强度恢复速度；其二故障点对地电压恢复峰值大于故障点绝缘强度。图5 弧光接地过电压的发展过程如图5（资料二P31），是工频熄弧理论分析图，从图中可以看出：第一次燃弧暂态过电压为2.5倍，电容电流过零时弧光熄灭，熄弧时刻系统对地电容储存的电荷，与工频电压相叠加，一方面加快故障相对地电压的恢复速度，另一方面故障点对地电压恢复峰值为正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暂态过电压为3.5倍。正是弧光熄灭时刻对地电容储存的电荷，加快了故障相对地电压的恢复速度，以及故障相对地电压恢复峰值为正常值的2倍，使得故障点对地电压大于故障点的绝缘强度，弧光再次重燃。能量消

10、耗法消弧原理如果快速把熄弧时刻系统对地电容储存的电荷消耗（泄放）掉，一方面降低故障点对地电压的恢复速度，使故障点弧道绝缘恢复速度大于故障点对地电压的恢复速度；另一方面使故障点对地电压恢复最大峰值接近正常值，而不是相电压的2倍，故障点就不会重燃，从而实现消弧。另外，中性点虚拟接地吸收燃弧“激发”的能量，降低燃弧暂态过程及暂态过电压的幅值。如图6（资料三）是中性点虚拟接地装置消弧过程图，试验证明了能量消耗法消弧，且消弧时间15ms。 图6 中性点虚拟接地装置消弧电压波形图三、能量消耗法拒绝PT铁磁谐振PT铁磁谐振是系统较常发生的故障，其危害非常大。PT铁磁谐振具有7大性质：很大的范围内的C值都可能

11、发生；需要“激发”才能发生，如变压器突然合闸、故障等产生的“激励”；C值太大时出现铁磁谐振的可能性将减少；小系统容易发生铁磁谐振；过电压幅值一般不会很高，电流却很大；谐振状态可能自保持；电流引起电压“翻相”现象；具有各次谐波谐振。资料二P40指出：“要彻底根除基波铁磁谐振，必须人为地加大电阻R， 谐振就不能自保持了。 RE/I”。资料一P313 ：“若在回路中人为地增加R值，则此非线性电感回路在相应的E值作用下，只有非谐振工作点，根除了产生工频谐振的可能性。”。“现将产生非线性谐振的条件归纳如下：，谐振回路的损耗电阻小于临界值，”，也就是谐振回路的损耗电阻大于临界值时，PT就不会发生铁磁谐振。

12、能量消耗法拒绝PT铁磁谐振原理：需要“激发”才能发生PT铁磁谐振，中性点虚拟接地装置快速消耗了“激励”能量，从而使“激励”不能激发PT发生铁磁谐振，PT永远不会发生谐振。从另一个角度说，中性点虚拟接地装置，就是加大零序电阻，使R远大于E/I，因此根本不会发生铁磁谐振。从能量的角度来看，就是虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”的能量，PT铁芯恢复正常。从资料一P319可知，无论二次谐波、三次谐波、基波、1/2次谐波PT铁芯饱和过电压，开口三角都有输出，中性点虚拟接地装置就能消耗谐振能量，只要消耗的能量大于铁芯饱和“激发”的能量，PT铁芯就能恢复正常，阻止谐振。图7（见资料三）是中性点

13、虚拟接地装置消除PT铁磁谐振实验电压波形图，试验证明了虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”的能量，PT铁芯恢复正常，谐振消失。 图7 消除PT铁磁谐振实验电压波形图四、能量消耗法阻止系统线性谐振资料一P304：如图8，系统无耗自振频率0= 1/LC，=R/2L，对地电容会受温度、湿度的影响发生变化，而系统的电源频率也在波动，有可能0是电源频率整倍数。当0是电源频率整倍数时，系统如有风吹草动，就会发生事故。/0的比值决定了系统的稳定性，对于供电系统送电距离长有较大的R，且架空线路对地电容很小，而对企业变电所送电距离很短有很小的R，因此，企业变电所更要注意系统可能出现线性谐振，系统操作

14、、不对称接地故障、断线（熔断器一相、两相熔断）时系统发生线性谐振。中性点虚拟接地装置增大了零序阻抗的电阻R值，增大值，使/0远大于0.6，系统自振角频率远离无耗自振频率0，故可拒绝系统线性谐振。 图8不同参数条件下的谐振曲线五、阻止参数谐振过电压参数谐振就是系统参数的周期变化，产生周期的“激发”能量，由于系统中的电阻很小，无法消耗掉这种周期的“激发”能量，在系统中积累产生过电压，这主要对发电机、变压器而言。参见附件四（资料二P42-43）。同步自励磁，发电机转子受原动机的驱动而旋转时，定子绕组的电感将周期性的改变，在一定条件下，就会出现参数谐振。快速励磁自动调节器可以解决。异步自励磁，电机处于

15、异步状态，定子绕组的旋转磁场将切割转子绕组，定子绕组将感应出角频率0及2-0的电动势，定子的电流将具有拍频性质。异步自励磁过电压上升速度很快，必须立即从系统中切除电机，以免造成事故。自参数谐振，变压器铁芯饱和在工频作用下以2倍频率变化，产生谐振。目前由于竞争激烈，变压器铁芯的磁通密度设置很高，很容易饱和，必须注意。中性点虚拟接地装置可加大消耗参数变化“激发”的能量，使消耗的能量大于参数变化“激发”的能量，从而系统不能形成参数谐振，系统快速恢复正常运行。六、其它功能（选用功能）1、可附加电压互感器功能2、PT并列切换装置，判断PT一、二次断线故障（备有485或232微机通讯接口，进行数据通讯）。

16、3、可以增加选线装置，迅速查找故障线路（建议使用后台选线）。4、可提供AC 220V操作电源。型号说明U：额定电压 3、6、10、35 kvIc：系统电容电流 10、20、30、40、50、80、100、200AP：附加电压互感器功能，不选择时省略PJ：并列切换及智能监察仪，附加功能，不选择时省略J装置标准尺寸6KV、10KV柜体尺寸：800（宽）×1500（深）×2200（高）1000（宽）×1500（深）×2200（高）35KV柜体尺寸根据用户要求确定柜体尺寸；也可根据用户要求协商生产非标准尺寸柜体。 使用环境条件1) 环境温度：-25+402) 环

17、境湿度：90%(25)，50%(40)3) 海拔高度：2000米，特殊要求可达4000M。运输、储存 二级以上公路运输，长期不用时应仓库储存，不宜户外储存。安装、调试、维护 公司负责图纸设计、参数选择，设备总装调试完毕后，检测合格后出厂，也可根据用户需要现场安装指导及调试。一次原理图装置结构图资料1：高电压技术中国电力出版社，作者：周泽存、沈其工、方瑜、王大忠。资料2：过电压保护原理与运行技术中国电力出版社，作者：陈慈萱。资料3：国网武汉高压研究院产品功能试验报告（2007）电器字第189号）。表1 中性点虚拟接地性能指标名称目的作用过电压倍数动作时间 ms系统谐振防止谐振过电压吸收能量大于“激励”能量“激励”能量吸收<30PT铁磁谐振防止PT铁磁谐振及过电压吸收能量大于“激励”能量“激励”能量吸收<30瞬间单相弧光接地消弧及防止其过电压快速泄放对地电容储存的非工频电荷<2.5消弧<20永久单相接地防止过电压快速泄放对地电容储存的非工频电荷<2.5雷