第三章單相接地時的暫態(tài)過程

1、第三章第三章 單相接地時的暫態(tài)過程單相接地時的暫態(tài)過程(OK)第一節(jié) 引 言第二節(jié) 單相接地暫態(tài)過程第三節(jié) 單相電弧接地過電壓第四節(jié) 結(jié)論第一節(jié)第一節(jié) 引引 言言 在第二章 “ 諧振接地原理 ” 中 , 我們主要分析了補償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時 , 電壓和電流等在工頻狀態(tài)下的變化規(guī)律。 運行中的補償電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障的瞬間 , 消弧線圈的電感電流在對電網(wǎng)接地電容 電流進行補償?shù)倪^程中 , 故障點的接地電流中既存在著工頻分量 , 也存在著高頻振蕩等分量。接地電弧可能在高頻電流過零時、也可能在工頻電流過零時熄滅 , 只要熄弧峰壓低于介質(zhì)恢復(fù)強度即可。 本章討論接地電容電流、補償電感電流和接地

2、故障電流的暫態(tài)特性,以及它們在接地電弧熄滅過程中的作用，伴隨著這一暫態(tài)過程而產(chǎn)生的電弧接地過電壓 。第二節(jié)第二節(jié) 單相接地暫態(tài)過程單相接地暫態(tài)過程 當(dāng)補償電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間 , 流過故障點的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)的電容電流和 暫態(tài)的電感電流兩部分組成。由于兩者的頻率和幅值顯著不同 , 在暫態(tài)過程中就不能互相補償。此時 , 在工頻電壓條件下導(dǎo)出的殘余電流、 失諧度和合諧度等的概念不能應(yīng)用。 一、等值回路在補償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障的瞬間 ,可利用圖 3-1 中的等值回路 , 分析流過故障點的暫態(tài)電容電流、暫態(tài)電感電流和暫態(tài)接地電流。 圖 3-1 中的等值回路適用于分析補償電網(wǎng)中各種單相接地故

3、障瞬間的暫態(tài)過程。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時 , 圖中的 R0和 L0?？筛鶕?jù)三相 線路和電力變壓器的參數(shù)進行計算 , 同時暫態(tài)接地電流最大 , 情況最為嚴(yán)重。此時可以不考 慮故障點的接地電阻和弧道電阻 , 零序回路的參數(shù)也最容易確定 , 而且所得結(jié)果是足夠準(zhǔn)確 的。故以下我們主要分析單相金屬接地時的暫態(tài)過程。 二、暫態(tài)電容電流 在分析電容電流的暫態(tài)特性時 , 因其自由振蕩頻率一般較高 , 考慮到消弧線圈的電感 LL0, 故圖 3-1 中的 rL 與 L 支路可以認為開路。這樣 , 利用 L0、 C 、 R0 組成的串聯(lián)回路和作 用于其上的零序正弦電源電壓 u0, 便可確定暫態(tài)的電容電流iC。根據(jù)圖

4、 3-1 不難寫出下面的微分方程式 : 當(dāng) 時 , 回路電流的暫態(tài)過程具有周期性的振蕩及衰減特性；當(dāng) 時 , 回路電流則具有非周期性的振蕩衰減特性 , 并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。0001sin()tCCCmdiR iLi dtUtdtC002LRC002LRC 通常架空線路的波阻抗為250500 , 同時 , 故障點的接地電阻一般較小 , 弧道電阻又?？珊雎圆挥?, 一般都滿足 的條件 , 所以 , 電容電流具有周期性的衰電容電流具有周期性的衰減振蕩特性減振蕩特性 , 其自由振蕩頻率一般為 3001500Hz 。 電纜線路的電感遠較架空線路為小 , 而對地電容卻較后者大許多倍 , 故電容電流暫態(tài)過程

5、的振蕩頻率很高 , 持續(xù)時間很短 , 其自由振蕩頻率一般為 1500 3000Hz。002LRC 因為暫態(tài)電容電流iC是由暫態(tài)自由振蕩分量 和穩(wěn)態(tài)工頻分量 兩部分組成的 , 利用 t=0 時 這一初始條件和 的關(guān)系 , 經(jīng)過拉氏變換等運算可得:式中: 為相電壓的幅值 ; 為電容電流的幅值 ; 為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率 為自由振蕩分量的衰減系數(shù) , 其中的 為回路的時間常數(shù)。.C osi.C sti.0C osC stiiCmmIUCmUCmI.(sinsincossin)cos()ftCC osC stCmfiiiItt etf0012CRLC 例，在電容電流 Ic = 25.6A 的 35

6、kV 中性點不接地系統(tǒng)中 , 接地電容電流的實測示波圖如圖 3-2 所示。 實測結(jié)果表明 , 電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、大小和運行方式不同時 , 會引起暫態(tài)過程的改變。中壓電 網(wǎng)的自振頻率的變化范圍一般為 3003000Hz。線路越長時,自振頻率越低 , 暫態(tài)電容電流 的自由振蕩分量的幅值也會降低,同時,自由振蕩自由振蕩的持續(xù)時間一般也會減少至半個工頻周的持續(xù)時間一般也會減少至半個工頻周波左右波左右。因為電網(wǎng)的自振頻率一般較高,而且衰減較快 （ ）， 所以 , 最大電流幅值最大電流幅值 存在的時間就相當(dāng)短暫存在的時間就相當(dāng)短暫了。了。 1.5 2.0C三、暫態(tài)電感電流根據(jù)圖 3-1 不難寫出下列微分方程式

7、: （3-12）式中:W為消弧線圈相應(yīng)分接頭的線圈匝數(shù); L 為消弧線圈鐵心中的磁通。 磁通L的方程式： （3-13）sin()LmL LDUtiWdtcos()cos()LtLstLetZd=r= 化簡后可得： （3-14） 暫態(tài)電感電流的表達式： （3-15）coscos()LtLstewtcoscos()LtLLmiIewtt= t= 理論分析和實測結(jié)果表明,電感電流暫態(tài)過程的長短與接地瞬間的電壓相角、鐵心的飽和程度同時有關(guān)。 若 ,則電感電流的 直流分量較大,時間常數(shù)較小,大約在一個工頻周波之大約在一個工頻周波之內(nèi)便可衰減完畢。內(nèi)便可衰減完畢。 若 , 則暫態(tài)直流分量較小,時時間常數(shù)增

8、大間常數(shù)增大, ,一般為一般為 2-32-3周波，有時可持周波，有時可持續(xù)續(xù)3-53-5周波可衰減完畢周波可衰減完畢. . 其交流分量頻率和工頻相同。其交流分量頻率和工頻相同。 0/2四、暫態(tài)接地電流 暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成,其特性隨兩者的具體情況而定。它們的頻率相差懸殊,故兩者不可能互相補償。所以,工頻狀態(tài)下關(guān)工頻狀態(tài)下關(guān)于殘流、失諧度和合諧度等概念于殘流、失諧度和合諧度等概念, ,在分析在分析暫態(tài)問題時均不能應(yīng)用。在暫態(tài)過程的暫態(tài)問題時均不能應(yīng)用。在暫態(tài)過程的初始階段初始階段, ,暫態(tài)接地電流的特性主要由暫暫態(tài)接地電流的特性主要由暫態(tài)電容電流的特性所確定。態(tài)電容電

9、流的特性所確定。 暫態(tài)電流持續(xù)1-3個工頻周波，消弧線圈應(yīng)該快速動作，以補償穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流！ 關(guān)于暫態(tài)接地電流的數(shù)學(xué)表達式,可由式 (3-2) 和式 (3-15) 導(dǎo)出,其值為： （3-21） 式 (3-21) 中的第一項為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，等于穩(wěn)態(tài)電容電流和穩(wěn)態(tài)電感電流的幅值之差；其余為接地電流的暫態(tài)分量,其值等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感電流的暫態(tài)直流分量之和。 ()cos()(sinsincoscos)cosCLdCLCmLmttfCmfLmiiiIIwtwIwtw t eIew 綜合以上分析可知，當(dāng)單相接地故障發(fā)生后,在故障點便有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減較慢的暫態(tài)電感電流

10、流過。不論電網(wǎng)的中性點為諧振接地或不接地方式,暫態(tài)接地電流的幅值和頻率均主要由暫態(tài)電容電流所確定 , 其幅值同時和零序電壓的初始相角有關(guān)。利用其首半波的極性與零序電壓首半波的極性之間的固定關(guān)系, 可以選出故障線路。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大,可是持續(xù)時間很短,約為 0.5 - 1 0.5 - 1 個工頻周波個工頻周波,一般不會對接地電弧的熄滅帶來多少影響。 至于暫態(tài)過程中的電感電流,其直流分量的初始值與零序電壓的初始相角、鐵心的飽和程度同時有關(guān)。暫態(tài)電感電流的頻率與工頻相等,持續(xù)時間一般可達 2-3 2-3 個個工頻周波工頻周波。 一般說來,暫態(tài)接地電流的大小對接地電弧的熄滅不起決定性作用。但

11、是,在電弧熄滅過程中出現(xiàn)的重燃現(xiàn)象,會引發(fā)電弧接地過電壓。由于諧振接地方式可以有效地減少接地電弧的重燃現(xiàn)象,因此對此類過電壓具有顯著的抑制作用。 第三節(jié)第三節(jié) 單相電弧接地過電壓單相電弧接地過電壓 在電力系統(tǒng)中性點接地方式發(fā)展的歷程中,由于擔(dān)心因工頻電壓升高引起絕緣擊穿,而采用過中性點直接接地方式；后來因線路跳閘頻繁,遂改為不接地方式運行。但是,當(dāng)電網(wǎng)的接地電容電流達到某一臨界值時 , 接地電弧就難于瞬間自行熄滅,特別是由此產(chǎn)生的間歇性電弧接地過電壓,作用時間一般較長,且遍及整個電網(wǎng),在一定條件下容易造成事故。 一、理論分析 對電弧接地過電壓的研究是從中性點不接地系統(tǒng)開始的。1917 年德國彼

12、得生（w. Petersen) 首先奠定了此種過電壓的理論基礎(chǔ) , 1923 年美國彼得 (J. F. Peters) 和斯列賓 (J. Slepian) 又提出了新的理論,1957年前蘇聯(lián)別列柯夫在此基礎(chǔ)上又進行了研究,使電弧接地過電壓理論進一步完善。 1. 彼得生理論 當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時,若不考慮泄漏電阻、振蕩電壓的衰減和相間電容的影響,則中性點不接地系統(tǒng)的等值接線圖如圖 3-5 所示。 假定故障相A在工頻電壓最大值發(fā)生絕緣擊穿；忽略弧道電阻,近似為金屬接地；且故障點的接地電弧在暫態(tài)高頻振蕩電流通過第一個零點時熄滅。此時,非故障相上的自由電荷將沿三相對地電容重新分布,于是在各相上便產(chǎn)生了

13、同等的位移電壓udv；此后,每經(jīng)過0.5 個工頻周波,接地電弧重燃一次,由于非故障相上積聚的自由電荷不斷增多,位移電壓逐步升高,于是非故障相上的暫態(tài)過電壓,隨著接地電弧重燃次數(shù)的增多,一次比一次升高。 2. 彼得和斯列賓理論 彼得和斯列賓也假定故障相在工頻電壓最大值時發(fā)生絕緣擊穿,接地電弧隨之產(chǎn)生；但其熄滅不是在振蕩電流過零,而是在工頻電流過零時發(fā)生。3. 別列柯夫理論 別列柯夫根據(jù)在610kV系統(tǒng)中的多次實測和試驗室中的模擬試驗結(jié)果認為,單相接地電孤的熄滅與重燃,和流過故障點的電流特性密切相關(guān)，不論是高頻振蕩電流還是工頻電流過零時熄弧,只要由回路電感和電流陡度所決定的熄弧峰壓小于弧道介質(zhì)的恢

14、復(fù)強度,接地電弧便不會發(fā)生重燃。這樣,通過實際試驗便可正確確定電孤接地時的暫態(tài)過電壓。 綜上可知,對電弧接地過電壓理論的研究,在上世紀(jì)50年代后期就已臻完善,理論上的最高過電壓不超過 。 實際上,即使在中性點不接地系統(tǒng)中,出現(xiàn)超過 過電壓的概率也是相當(dāng)?shù)偷?；相對而?在諧振接地系統(tǒng)中,這個概率就更低了。3.5 . .pu3.0 . .pu二、國內(nèi)外實測結(jié)果 先后在國內(nèi)6110kV接地電容電流為5125A的中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中,進行了大量的人工電弧接地試驗和過電壓測量主要包括：針式絕緣子和懸式絕緣子的沿面閃絡(luò);羊角間隙、棒間隙、短間 隙和油中間隙的絕緣擊穿;長距離干、濕木質(zhì)絕緣的

15、沿面閃絡(luò)等情況下的電孤接地暫態(tài)過電壓測量; 配電變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿引起的電孤接地過電壓等。 此外,加上后來從全國電力系統(tǒng)中搜集到的自動記錄和現(xiàn)場實測結(jié)果,再加上多年的積累, 共計數(shù)百個電弧接地暫態(tài)過電壓實測數(shù)據(jù)。上述這些試驗研究結(jié)果表明,到目前為止,超過 的電弧接地暫態(tài)過電壓僅有極少數(shù)幾次,其中最高的一次為 ，其峰值作用時間尚不及2ms,詳見示波圖。3.4 . .pu3.0 . .pu最高電弧接地過電壓示波圖（高壓實驗室）2. 國外實測結(jié)果 國外很早便開始了在電力系統(tǒng)中的電孤接地過電壓現(xiàn)場實測和研究工作。1930年,貝爾格在康東蘇黎士電力公司 (Kenton Zurich EI.Su

16、pply Company)的8.6kV系統(tǒng)中進行了近千次試驗,故障相和非故障相的暫態(tài)過電壓分別不超過1.8p.u.和3.5p.u.。 1931年,伊登（J.R.Eaton)、潘克（J.K. Peck)和鄧罕姆（J.M.Dunham)在一個75kV、30Hz,線路長度為2.4216km的中性點不接地系統(tǒng)中,利用沖擊電壓發(fā)生器引弧,點弧和熄弧均為工頻基波,未發(fā)現(xiàn)積累現(xiàn)象,最高的暫態(tài)過電壓為2.6p.u.。 1941年真納在一個44kV、885km、中性點經(jīng) 136 電阻接地的系統(tǒng)中,4 年內(nèi)自動記錄到 735 個中性點電流示波圖；其中只有 45 次出現(xiàn)電弧重燃現(xiàn)象,所測得的暫態(tài)過電壓為2.22.4

17、p.u.。 莫斯科的6kV、高里夫斯基發(fā)電廠的13kV電纜系統(tǒng)和基洛瓦巴德6kV、瑞士的45kV、美國的75kV等架空線路系統(tǒng),實測的電孤接地暫態(tài)過電壓的最高值,兩類系統(tǒng)分別為3.01p.u.及3.1p.u.,其余的均低于3.0p.u.。 總之,國內(nèi)、外電力系統(tǒng)的實測結(jié)果表明,中性點不接地系統(tǒng)中的電弧接地暫態(tài)過電壓,極少達到或超過3.2p.u.。諧振接地系統(tǒng)中的電弧接地暫態(tài)過電壓,在消弧線圈調(diào)諧良好的情況下,一般不超過2.5p.u.；而瞬間熄弧的情況下不超過 2.3p.u.。中性點經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)中,最高不超過2.5p.u.。 但從過電壓出現(xiàn)的概率方面考慮, 根據(jù)上述以2.0p.u.作參考值的

18、統(tǒng)計,中性點不接地系統(tǒng)中,出現(xiàn)此值及以上過電壓的概率為64%；電阻接地系統(tǒng)為34%；諧振接地系統(tǒng)僅為5%。顯然,相同倍數(shù)過電壓出現(xiàn)的概率越高,則越加危險。三、實踐經(jīng)驗 1.絕緣弱點容易擴大事故 各種電氣設(shè)備的使用壽命是有限的。 在長期運行中,由于內(nèi)部和外部的各種原因,難免會出現(xiàn)一些局部的絕緣弱點。多年現(xiàn)場事故分析經(jīng)驗表明,絕緣弱點的存在是發(fā)生擴大事故的更加直接的原因。 電力系統(tǒng)中有大量的充油電氣設(shè)備,若外殼密封不嚴(yán)或呼吸器不良,油面與空氣直接接觸導(dǎo)致潮氣侵入, 油和油浸的木質(zhì)或膠木絕緣便會受潮,使泄漏電流增大。當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)某處發(fā)生單相接地故障時,即使過電壓不高, 油箱內(nèi)的部件也可能會發(fā)生閃絡(luò)或擊穿

19、,導(dǎo)致事故的發(fā)生。 真空與充氣的電器,因密封破壞、真空度下降或內(nèi)部受潮,也會發(fā)生類似的現(xiàn)象,引起瓷質(zhì)套管內(nèi)壁閃絡(luò),真空斷路器和避雷器爆炸等。 在電纜系統(tǒng)中,接頭是公認的絕緣薄弱環(huán)節(jié)。 暴露在空氣中的架空線路,絕緣弱點問題就更加明顯了。 了解了電力系統(tǒng)中可能存在的絕緣弱點后,使我們在考慮電網(wǎng)安全運行問題時清楚地看到,以降低電弧接地過電壓倍數(shù)為主要目標(biāo)之一的電阻接地方式,其最高的過電壓仍為2.5p.u.,可見并不能有效地解決問題。此外,為了提高電氣設(shè)備的健康水平,應(yīng)當(dāng)積極推行狀態(tài)檢修制度,把絕緣弱點消滅在萌芽狀態(tài)。 2. 高概率過電壓危險性較大 欲合理地估價電弧接地過電壓的危害性,除了考慮過電壓的幅值外,尚需進一步了解并顧及過電