田胜利-城轨交通供电系统PT安全应用技术-2011

1、田胜利田胜利城轨交通供电系统城轨交通供电系统PT安全应用技术安全应用技术田胜利田胜利教授级高级工程师教授级高级工程师2011年年11月月1、技术背景、技术背景2、电力行业、电力行业PT故障原因汇总故障原因汇总3、供电系统过电压分类及原因、供电系统过电压分类及原因4、铁磁谐振可能性分析、铁磁谐振可能性分析5、系统单相接地及分析、系统单相接地及分析 6、供电系统中性点接地方式、供电系统中性点接地方式7、电压互感器参数的正确选取、电压互感器参数的正确选取8、故障引起的反思故障引起的反思目目 录录1、题目背景、题目背景 2010年-2011年国内数个城市地铁先后发生十几台PT烧损，导致供电系统变电所母

2、线故障，造成区域供电中断，给行车安全造成重大隐患。行业内PT直接挂接母线PT故障后果：1）母线短路，差动不动作2）过流动作，时间长3）影响整个区域供电安全1、题目背景、题目背景母线母线PT故障可归结的原因：故障可归结的原因：1. 压互低压侧匝间和相间短路时，激磁电流迅速增大，烧坏互感压互低压侧匝间和相间短路时，激磁电流迅速增大，烧坏互感器。器。 2. 当发生单相接地时，压互一次侧非故障相对地电压为正常电压当发生单相接地时，压互一次侧非故障相对地电压为正常电压值的根号值的根号3倍。压互铁芯很快饱和，线圈的感抗会迅速减小，励倍。压互铁芯很快饱和，线圈的感抗会迅速减小，励磁电流猛增，电流波形畸变，若

3、无有效的防范措施，将直接导磁电流猛增，电流波形畸变，若无有效的防范措施，将直接导致致PT炸裂。炸裂。3. 谐波导致谐波导致PT铁磁谐振：谐波谐振，破坏绝缘，最后导致铁磁谐振：谐波谐振，破坏绝缘，最后导致PT炸裂。炸裂。4. 系统参数组合不利时引起铁磁谐振：由于电力网络中含有电容系统参数组合不利时引起铁磁谐振：由于电力网络中含有电容性和电感性参数的元件，在参数组合不利时引起铁磁谐振。过性和电感性参数的元件，在参数组合不利时引起铁磁谐振。过电压倍数可达电压倍数可达2.5倍以上，造成电气设备绝缘击穿，烧毁设备事倍以上，造成电气设备绝缘击穿，烧毁设备事故。故。 5. 流过电压互感器一次绕组的零序电流增

4、大，长时间运行时，该流过电压互感器一次绕组的零序电流增大，长时间运行时，该零序电流产生的热效应将使电压互感器的绝缘损坏、炸裂零序电流产生的热效应将使电压互感器的绝缘损坏、炸裂; 6. 系统中存在非线性的振荡系统中存在非线性的振荡(弧光接地过电压弧光接地过电压)，加剧电压互感器，加剧电压互感器的损坏进程的损坏进程; 7. 电压互感器自身的散热条件较差。电压互感器自身的散热条件较差。 2、PT故障原因分析地铁供电系统地铁供电系统PT故障后的不同观点：故障后的不同观点：1）系统过电压）系统过电压操作过电压、弧光过电压、谐振过电压操作过电压、弧光过电压、谐振过电压 2）设备本身原因）设备本身原因绝缘击

5、穿绝缘击穿温度巨变温度巨变 膨胀爆炸膨胀爆炸2、 PT故障原因分析故障原因分析3、供电系统过电压分类及原因、供电系统过电压分类及原因 直击雷过电压直击雷过电压 雷电过电压雷电过电压 感应雷过电压感应雷过电压 侵入雷电波过电压侵入雷电波过电压 长线电容效应长线电容效应 工频过电压工频过电压 不对称接地故障不对称接地故障 过电压过电压 甩负荷甩负荷 暂时过电压暂时过电压 线性谐振线性谐振 消弧线圈补偿网络的线性谐振消弧线圈补偿网络的线性谐振 传递过电压传递过电压 谐振过电压谐振过电压 铁磁谐振铁磁谐振 线路断线线路断线 电磁式电压互感器饱和电磁式电压互感器饱和 内部内部 参数谐振参数谐振 发电机同

6、步或异步自励磁发电机同步或异步自励磁 开断电容器组过电压开断电容器组过电压 操作电容负荷过电压操作电容负荷过电压 开断空载长线过电压开断空载长线过电压 关合（重合）空载长线过电压关合（重合）空载长线过电压 开断空载变压器过电压开断空载变压器过电压 操作过电压操作过电压 操作电感负荷过电压操作电感负荷过电压 开断并联电抗器过电压开断并联电抗器过电压 开断高压电动机过电压开断高压电动机过电压 解列过电压解列过电压 间歇电弧过电压间歇电弧过电压4、铁磁谐振可能性分析4.1 4.1 铁磁谐振理论铁磁谐振理论 电力网中发生不同频率的谐振，与系统中导线对地分布电容的容抗电力网中发生不同频率的谐振，与系统中

7、导线对地分布电容的容抗Xc0，和电压互感器并联运行的综合电感的感抗，和电压互感器并联运行的综合电感的感抗Xm，两者的比值，两者的比值Xc0/Xm有直接关系。有直接关系。1）铁磁谐振的分类：）铁磁谐振的分类：根据根据H.A.Peterson激磁电感谐振原理，铁磁激磁电感谐振原理，铁磁谐振分为：分频、高频、基频。谐振分为：分频、高频、基频。4、铁磁谐振可能性分析1）铁磁谐振的分类）铁磁谐振的分类（1）分频谐振）分频谐振当比值当比值Xc0/Xm较小（在较小（在0.010.1范围内）时发生分频谐振的概率较大范围内）时发生分频谐振的概率较大。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较低，表现。

8、电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较低，表现为：过电压倍数较低，一般不超过为：过电压倍数较低，一般不超过2.5倍相电压；三相电压表的指示数倍相电压；三相电压表的指示数值同时升高，并周期性摆动，线电压正常。值同时升高，并周期性摆动，线电压正常。（2）基频谐振）基频谐振当比值当比值Xc0Xm接近于接近于1时，发生基频谐振的概率大。其表现为：三相时，发生基频谐振的概率大。其表现为：三相电压表中指示数值为两相升高、一相降低，线电压正常；过电流很大，电压表中指示数值为两相升高、一相降低，线电压正常；过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，严重时甚至会烧坏互感器；过电压不超往往导致电压互感

9、器熔丝熔断，严重时甚至会烧坏互感器；过电压不超过过3.2倍相电压，伴有接地信号指示，称为虚幻接地现象。倍相电压，伴有接地信号指示，称为虚幻接地现象。（3）高频谐振）高频谐振当比值当比值Xc0/Xm较大（在较大（在0.83范围内）时发生高频谐振的概率大。发范围内）时发生高频谐振的概率大。发生高频谐振时线路的对地电容较小，振荡时能量交换较快。表现为过电生高频谐振时线路的对地电容较小，振荡时能量交换较快。表现为过电压倍数较高；三相电压表的指示数值同时升高，最大值可达到压倍数较高；三相电压表的指示数值同时升高，最大值可达到45倍倍相电压，线电压基本正常；谐振时过电流较小。相电压，线电压基本正常；谐振时

10、过电流较小。2）铁磁谐振的激发条件）铁磁谐振的激发条件（1）电压互感器的突然投入；）电压互感器的突然投入； （2）线路发生单相接地；）线路发生单相接地； （3）系统运行方式的突然改变或电气设备的投切；）系统运行方式的突然改变或电气设备的投切； （4）系统负荷发生较大的波动；）系统负荷发生较大的波动； （5）电网频率的波动；）电网频率的波动； （6）负荷的不平衡变化等。）负荷的不平衡变化等。 3）一般性结论）一般性结论（1）当）当Xc0/Xm0.01或或Xc0/Xm3时，系统一般不会发生铁磁谐时，系统一般不会发生铁磁谐振。振。（2）在不同的谐振区域，谐振的外施触发电压是不同的。）在不同的谐振区域

11、，谐振的外施触发电压是不同的。（3）分频谐振区谐振外施电压为最低，在正常额定电压下系统稍）分频谐振区谐振外施电压为最低，在正常额定电压下系统稍有波动就可触发谐振。有波动就可触发谐振。（4）高频谐振区的谐振外施电压最高。）高频谐振区的谐振外施电压最高。（5）在同一谐振区域内不同的）在同一谐振区域内不同的Xc0/Xm比值下，谐振的最低外施比值下，谐振的最低外施触发电压（临界值）也是不同的。触发电压（临界值）也是不同的。4、铁磁谐振可能性分析、铁磁谐振可能性分析4）计算结果分析及结论）计算结果分析及结论 根据工厂提供的电缆及PT伏安特性等资料，从节点法计算分析的结果分析，最严重情况 X0/Xl=0.

12、0060.01。根据H.A.Peterson 激磁电感谐振区域理论，在系统正常运行情况下不会引发谐振。4、铁磁谐振可能性分析、铁磁谐振可能性分析5、系统单相接地及分析、系统单相接地及分析 单相接地单相接地-电流、电压向量图电流、电压向量图如果发生单相完全接地，则故障相的电压降到零，非故障相的如果发生单相完全接地，则故障相的电压降到零，非故障相的电压升高到线电压，此时电压互感器开口三角处出现电压升高到线电压，此时电压互感器开口三角处出现100V电压，即电压，即一次侧一次侧35kV 5、系统单相接地及分析、系统单相接地及分析现场录波波形分析现场录波波形分析PT故障后，电故障后，电流曲线流曲线PT故

13、障后，电故障后，电压曲线压曲线PT故障前，系统运行稳定，故障前，系统运行稳定，电流电压三相对称，系统电流电压三相对称，系统不存在不存在“操作过电压、弧操作过电压、弧光过电压、谐振过电压光过电压、谐振过电压”6、供电系统中性点接地方式、供电系统中性点接地方式1 1）有效接地系统）有效接地系统有效接地系统也称大电流接地系统，中性点直接接地和经小阻抗接地有效接地系统也称大电流接地系统，中性点直接接地和经小阻抗接地都属于此类，划分的标准时系统零序电抗（都属于此类，划分的标准时系统零序电抗（X0）和正序电抗（）和正序电抗（X1）的）的比值比值3，且零序电阻，且零序电阻R0和正序电阻和正序电阻R1的比值的

14、比值12 2）非有效接地系统）非有效接地系统非有效接地系统也称小电流接地系统，中性点不直接接地和经消弧线非有效接地系统也称小电流接地系统，中性点不直接接地和经消弧线圈或高阻抗接地都属于此类，划分的标准时系统零序电抗（圈或高阻抗接地都属于此类，划分的标准时系统零序电抗（X0）和正）和正序电抗（序电抗（X1）的比值）的比值3，且零序电阻，且零序电阻R0和正序电阻和正序电阻R1的比值的比值1 3 3）电缆技术参数）电缆技术参数95mm2电缆电缆 0.2465+j0.6157 欧姆欧姆/公里公里120mm2电缆电缆 0.1956+j0.2453 欧姆欧姆/公里公里240mm2电缆电缆 0.0971+j

15、0.203 欧姆欧姆/公里公里6.1、有效接地系统还是非有效接地系统的判据、有效接地系统还是非有效接地系统的判据 田胜利田胜利国标国标GB 1207-97 GB 1207-97 电压互感器电压互感器第第3.273.27条条 额定电压因数额定电压因数 rated voltage factorrated voltage factor 与额定一次电压值相乘的一个系数，以确定互感器必须满足规定时与额定一次电压值相乘的一个系数，以确定互感器必须满足规定时间内的有关热性能要求并满足有关准确级要求的最高电压。间内的有关热性能要求并满足有关准确级要求的最高电压。第第4.2.14.2.1条条 额定一次电压额定一

16、次电压 对三相互感器和用于单相系统或三相系统线间的单相互感器，其额对三相互感器和用于单相系统或三相系统线间的单相互感器，其额定一次电压应符合定一次电压应符合GB156GB156所规定的某一系统标称电压值。或应符合所规定的某一系统标称电压值。或应符合IEC38IEC38标准中所规定的某一系统标称电压的常用值。对于接在三相系统线与地之标准中所规定的某一系统标称电压的常用值。对于接在三相系统线与地之间或接在系统中性点与地之间的单相互感器，其额定一次电压标准值为系间或接在系统中性点与地之间的单相互感器，其额定一次电压标准值为系统标称电压的统标称电压的 1/1.7321/1.732倍。倍。 注：作为测量

17、用或保护用的电压互感器，其性能是以额定一次电压注：作为测量用或保护用的电压互感器，其性能是以额定一次电压为基准的，但其额定绝缘水平则是以为基准的，但其额定绝缘水平则是以GB156GB156或或IEC38IEC38标准中所列出的设备标准中所列出的设备最高电压为基准的最高电压为基准的。 7、电压互感器参数的正确选取、电压互感器参数的正确选取7、电压互感器参数的正确选取、电压互感器参数的正确选取国标国标GB 1207-97 电压互感器电压互感器第第4.44.4条条 额定电压因数标准值额定电压因数标准值 电压因数是由最高运行电压决定的，而后者又与系统及电压互感电压因数是由最高运行电压决定的，而后者又与

18、系统及电压互感器一次绕组的接地条件有关。下表列出与各种接地条件相对应的额定器一次绕组的接地条件有关。下表列出与各种接地条件相对应的额定电压因数标准值及在最高运行电压下的允许持续时间电压因数标准值及在最高运行电压下的允许持续时间( (即额定时间即额定时间) )。额定电压因数额定电压因数额定时间额定时间一次绕组联结方式和系统接地方式一次绕组联结方式和系统接地方式1.2连续连续任一电网的相间任一电网的相间任一电网中的变压器中性点与地之间任一电网中的变压器中性点与地之间1.2连续连续中性点有效接地系统中的相与地之间中性点有效接地系统中的相与地之间1.530s1.2连续连续带有自动切除对地故障装置的中性点非有效接带有自动切除对地故障装置的中性点非有效接地系统中的相与地之间地系统中的相与地之间1.930s1.2连续连续无自动切除对地故障的中性点绝缘系统或无自无自动切除对地故障的中性点绝缘系统或无自动切除对地故障装置的共振接地系统中的相与动切除对地故障装置的共振接地系统中的相与地之间地之间1.98h电压因数电压因数1.5空载励磁特性曲线空载励磁特性曲线 电压因