[转帖]对中低压电网过电压限制的方法

通天雷神

对中低压电网过电压限制的方法

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   电力系统过电压主要分为雷电过电压、操作过电压和谐振过电压；其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大；过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积的停电事故。许多运行经验表明，中低压电网中过电压事故大多数都是由谐振现象所引起的。由于谐振过电压作用时间较长，在选择保护措施方面造成困难。为了尽可能地防止发生谐振过电压，在设计和操作电网时，应事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的串联谐振回路；或采取适当的防止谐振的措施。?

　　在实际的中低压电网中，故障形式和操作方式是多种多样的，谐振性质也各不相同。因此，应该了解各种不同类型谐振的性质与特点，掌握其振荡的性质和特点，制订防振和消振的对策与措施。?

　　目前，我国35kV及以下配电网，仍大部分采用中性点不接地方式运行，一部分采用老式的消线圈接地。从运行实践证明，中性点不接地系统中一方面由于电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压比较多，尽管采取了不少限制谐振过电压的措施，如：消谐灯、消谐器、TV高压中性点增设电阻或单只TV等，但始终没有从根本上得到解决，TV烧毁、熔丝熔断仍不断发生；我局已数次发生此类现象，造成熔丝熔断；另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h，不致于引起用户断电，但随着中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生弧光过电压，一般为3?5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。而采用老式消弧线圈接地方式的系统由于结构的限制，只能运行在过补偿状态，不能处在全补偿状态，所以脱谐度整定的比较大，约在20%～30%，对弧光过电压无抑制效果。并需要手动调节分接头，不能随电网对地电容电流的变化及时调整到最佳的工作位置，影响功能发挥，也不适应电网无人值班变电所的需要。?

　　针对上述情况，我们可以采用自动调谐原理的接地补偿装置，能够较好地解决此类问题。下面将结合我局佳山变电所10kV系统接地消弧装置实施方案，浅谈有关自动调谐接地补偿装置的原理、设备参数选择、补偿方式、可行性及对由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压的限制等。?

一、自动调谐接地补偿装置的组成?

　　目前自动调谐接地补偿装置主要是由五大部分组成的，包括：接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻。能够采取过补、全补和欠补运行方式。?
　
　　接地变是作为人工中性点接入消弧线圈，并能够当所用变使用。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制；采用予调节方式，即在正常运行方式情况下，根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现。通过测量位移电压为主和中性点电流与电压之间的相位，能自动计算、判断、发出指令自动进行调整，显示有关参数：电容电流、电感电流、残流和位移电压等，还能追忆、报警、自动打印和信号远送，满足无人值班变电所的需要。?

　　《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定：“消弧线圈接地系统，在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%，消弧线圈宜采用过补偿运行方式”。自动调谐接地补偿装置却能够实现全补偿运行或很小的脱谐度，主要是由于在消弧线圈的一次回路中串入了大功率的阻尼电阻，降低中性点谐振过电压的幅值使之达到相电压的5%～10%。因为如果当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时，即在谐振时中性点电压限制在允许值以下，这样就可实现全补偿方式，这是残流为最小的最佳工作方式。接地时残流很小，不会引起弧光过电压。所以，可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻，增大阻尼率的措施来达到。由下式可知：?

　　Uo=Ubd/KFv2+d2?

　　式中?Uo-- 中性点上的位移电压，V； ?

　　Ubd?-- 电网中的不对称电压，V；?

　　v?--消弧线圈的脱谐率，?

　　v?=［(IC-IL)/IC］×100%；?

　　d--阻尼率。?

　　中性点位移电压UO与电网的不对称电压Ubd?、消弧线圈的脱谐率?v?及电网的阻尼率有关，当电网形成后其不对称电压基本是个固定值，消弧线圈的脱谐率?v?为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生，要求达到±5%以内，那么只有改变阻尼率?d?才能改变位移电压，因此应当在消弧线圈回路串入电阻，保证阻尼率，控制中性点位移电压。在低压电网中由于中性点不对称电压很小，为提高测量精度采用特制的中性点专用互感器，提高检测灵敏度；非线性电阻的采用对欠补偿下的断线过电压和传递过电压都有明显的抑制作用。

二、设备参数选择?

　　我局佳山变为110kV等级变电所，其中10kV系统由于目前出线回路数的增多、出线长度的增加，当线路发生单相接地时，通过接地点的电流过大，容易发展为电弧导致的相同短路故障，线路跳闸造成停电事故。根据我局调度所1999年8月份提供的数据，目前佳山变10kVⅠ母线的接地电容电流为29?75A，10kVⅡ母线的接地电容电流为28?07A，10kV系统总的接地电容电流达57?82A，已达到有关规程的标准，如果发生单相接地故障时，接地电弧将不能熄灭。为了减少单相接地时的电容性电流，抑制弧光过电压；准备在10kV系统装设自动调谐接地补偿装置。?

　　1?接地变的选择?
　　消弧线圈接入系统必须要有电源中性点，而佳山变110kV主变联结组别为YN，D11；因10kV侧无中性点引出，所以必须采用接地变压器提供人工中性点来连接消弧线圈。如利用普通的三相心式结构的配电变压器将高压中性点引出，在其中性点上接入消弧线圈，当发生单相接地时，流过变压器的三相同方向的零序磁通，经过油箱壁绝缘油及空气等介质形成闭合的回路，在油箱铁心等处产生附加的损耗，这种损耗是不均匀的，必然要形成局部过热，影响变压器的正常运行和使用寿命。所以规程规定接入此类接地变压器的消弧线圈的容量不应超过变压器容量的20%；如采用YN，d联结的变压器作为人工中性点时情况要好一些，零序磁通可以在二次角形绕组内形成闭合回路，使一、二次绕组的零序磁通易于平衡，这种联结零序阻抗小，但二次绕组的三角形接线对照明和动力混合负载带来麻烦。而且规程规定接入的消弧线圈容量不得超过变压器容量的50%，因此这种方案使用不经济。?

　　为满足消弧线圈接地补偿的需要，同时也满足动力与照明混合负载的需要，可采用Z型接线的变压器即ZN，yn11连接的变压器。由于变压器高压侧采用Z型接线，每相绕组由两段组成，并分别位于不同相的铁心柱上，两段线圈反极性相连，零序阻抗非常小。空载损耗低；变压器容量可以100%被利用；并能够调节电网的不对称电压。?

由此可见，Z型接线的变压器作为接地变压器是一种比较好的选择。?

　　2?消弧线圈选择及与接地变的容量配合?
　　由于目前老式消弧线圈结构上的限制，其调分头开关为手动方式，不能自动随着电网参数的变化自动的改变分接头位置达到残流最小的最佳位置；当系统发生故障低周减载装置动作，致使补偿度发生变化时来不及进行调整，有可能引起谐振过电压的发生；老式消弧线圈调谐时必须将消弧线圈停下来，使系统失去补偿影响安全运行。老式消弧线圈一般脱谐度整定的比较大(10%以上)，这样对抑制弧光过电压效果就很差，几乎与不接地系统一样。?

　　而目前新型消弧线圈大部分采用有载调匝式调节方式，调节分接头数一般均大于9，加宽了调流范围，以便能够达到最小的脱谐度；配有有载开关并可以远方电动或自动操作；有载开关在预调方式下工作，即正常调谐是在系统不接地状态下切换，安全可靠。消弧线圈调谐是由微机控制器自动控制的，调谐时消弧线圈不须退出运行，克服了老式线圈的一些缺点，因此，建议目前需要改造的老式消弧线圈采用新型自动调谐消弧线圈方式。?

　　针对我局佳山变10kV系统情况，准备采用新型的自动调谐消弧线圈，接地变采用Z型接线变压器，并根据电容电流大小选择合适的消弧线圈和接地变容量。具体参数选择如下：?
　　(1)消弧线圈?
　　根据佳山变计算的电容电流，消弧线圈容量为：?

　　W=1.15×1.25×IC×UX=249(kVA)?

　　式中 1.15-- 考虑自动调谐的裕度系数和过补偿的要求； ?

　　1.25--考虑发展的系数；?

　　IC-- Ⅰ、Ⅱ段母线的接地电容电流； ?

　　UX--系统额定相电压。?

　　消弧线圈容量可选315kVA，由于考虑到佳山变电所负荷减少情况，电流调节范围取20～50A；补偿电流的持续工作时间应与消弧线圈的持续工作时间相同，为2h。系统电容电流最好以实测为主。?

　　(2)接地变?
　　由于ZN/YN联结组的特点是零序阻抗小、空载损耗低；容量利用率高；由于佳山变已有二台所变，所以接地变无须带二次负载，其容量只需满足消弧线圈的要求即可，容量可选1.15倍的消弧线圈容量，选为400kVA。

　　(3)消弧线圈自动调谐微机控制器及阻尼电阻部分参数选择略。?

三、自动调谐接地补偿装置?在佳山变电所10kV系统?实施的可行性

　　根据上述关于自动调谐接地补偿装置的介绍和分析，认为利用其所具有的自动消谐特点能够较好的解决我局佳山变10kV系统在单相接地故障时限制过电压的要求，是可行的。
　　
　　在佳山变10kVⅠ、Ⅱ段母线分别装设一组消弧设备。利用Ⅰ、Ⅱ段的所用变柜将其改造为所用变兼接地变柜，加装开关二组、电流互感器二组及相应二次保护；接地变、消弧线圈为户外布置。消弧线圈选用有载调匝式调节方式，调节档位应大于9个以上，以便能够达到最小的脱谐度；正常运行采用过补偿方式，消弧线圈接地回路串接阻尼电阻，以限制中性点电压；保证脱谐度及中性点的位移电压在限制范围内(脱谐度控制在5%，消弧线圈的位移电压不大于相电压的15%，故障点残流不大于5A为宜)；控制部分采用微机控制自动消谐装置进行自动补偿；能自动检测电网对地电容参数的变化，自动和手动调整消弧线圈的分接头，使其运行在最佳的工作点，保证残流能降低到可靠熄弧的程度；并能远方遥控、遥信、遥测和遥调；以适应佳山变无人值班的需要。接地变选用零序阻抗低的ZN/YN接线方式；并能够调节电网的不对称电压。户外设备与柜内设备用电缆连接。?

四、对由电压互感器铁心?饱和引起的铁磁谐振过?电压的限制

　　铁磁谐振过电压的限制目前虽然采取多种形式，取得了一些效果，但都不够理想。有的装了消谐器还是产生了谐振过电压，这是由于铁磁谐振过电压本身是一个非线性过程，现象比较复杂。我们知道分频谐振有1/2、1/3、1/6及1/8等，高频谐振有2、3次，还有工频谐振，有时几种谐振同时发生，消谐器不能有效的限制。而且在系统上有多台TV时，只在某一台TV的开口三角上装消谐器是很难奏效的，必须要使系统参数发生较大的变化才能将谐振过电压抑制住。?

　　如果在系统的中性点上接入消弧线圈破坏它的谐振条件，就能够比较有效地抑制谐振过电压的发生。其原理也很简单，如图2所示。TV的励磁感抗比较大(千欧至兆欧级)，而消弧线圈的感抗(百欧级)比较小，这样谐振条件?ωL=1/ωC?很难满足，谐振就不会发生。另一方面无消弧线圈时单相接地发生间歇性电弧时电容上多次充放电造成TV烧毁、熔丝熔断；有了消弧线圈后，电容对小感抗放电，TV中电流就很小，不会烧毁了。?

　　所以在中性点接入消弧线圈，对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的限制作用，能够彻底解决此类问题。