田勝利-城軌交通供電系統(tǒng)PT安全應用技術-2011

1、田勝利田勝利城軌交通供電系統(tǒng)城軌交通供電系統(tǒng)PT安全應用技術安全應用技術田勝利田勝利教授級高級工程師教授級高級工程師2011年年11月月1、技術背景、技術背景2、電力行業(yè)、電力行業(yè)PT故障原因匯總故障原因匯總3、供電系統(tǒng)過電壓分類及原因、供電系統(tǒng)過電壓分類及原因4、鐵磁諧振可能性分析、鐵磁諧振可能性分析5、系統(tǒng)單相接地及分析、系統(tǒng)單相接地及分析 6、供電系統(tǒng)中性點接地方式、供電系統(tǒng)中性點接地方式7、電壓互感器參數(shù)的正確選取、電壓互感器參數(shù)的正確選取8、故障引起的反思故障引起的反思目目 錄錄1、題目背景、題目背景 2010年-2011年國內數(shù)個城市地鐵先后發(fā)生十幾臺PT燒損，導致供電系統(tǒng)變電所母

2、線故障，造成區(qū)域供電中斷，給行車安全造成重大隱患。行業(yè)內PT直接掛接母線PT故障后果：1）母線短路，差動不動作2）過流動作，時間長3）影響整個區(qū)域供電安全1、題目背景、題目背景母線母線PT故障可歸結的原因：故障可歸結的原因：1. 壓互低壓側匝間和相間短路時，激磁電流迅速增大，燒壞互感壓互低壓側匝間和相間短路時，激磁電流迅速增大，燒壞互感器。器。 2. 當發(fā)生單相接地時，壓互一次側非故障相對地電壓為正常電壓當發(fā)生單相接地時，壓互一次側非故障相對地電壓為正常電壓值的根號值的根號3倍。壓互鐵芯很快飽和，線圈的感抗會迅速減小，勵倍。壓互鐵芯很快飽和，線圈的感抗會迅速減小，勵磁電流猛增，電流波形畸變，若

3、無有效的防范措施，將直接導磁電流猛增，電流波形畸變，若無有效的防范措施，將直接導致致PT炸裂。炸裂。3. 諧波導致諧波導致PT鐵磁諧振：諧波諧振，破壞絕緣，最后導致鐵磁諧振：諧波諧振，破壞絕緣，最后導致PT炸裂。炸裂。4. 系統(tǒng)參數(shù)組合不利時引起鐵磁諧振：由于電力網絡中含有電容系統(tǒng)參數(shù)組合不利時引起鐵磁諧振：由于電力網絡中含有電容性和電感性參數(shù)的元件，在參數(shù)組合不利時引起鐵磁諧振。過性和電感性參數(shù)的元件，在參數(shù)組合不利時引起鐵磁諧振。過電壓倍數(shù)可達電壓倍數(shù)可達2.5倍以上，造成電氣設備絕緣擊穿，燒毀設備事倍以上，造成電氣設備絕緣擊穿，燒毀設備事故。故。 5. 流過電壓互感器一次繞組的零序電流增

4、大，長時間運行時，該流過電壓互感器一次繞組的零序電流增大，長時間運行時，該零序電流產生的熱效應將使電壓互感器的絕緣損壞、炸裂零序電流產生的熱效應將使電壓互感器的絕緣損壞、炸裂; 6. 系統(tǒng)中存在非線性的振蕩系統(tǒng)中存在非線性的振蕩(弧光接地過電壓弧光接地過電壓)，加劇電壓互感器，加劇電壓互感器的損壞進程的損壞進程; 7. 電壓互感器自身的散熱條件較差。電壓互感器自身的散熱條件較差。 2、PT故障原因分析地鐵供電系統(tǒng)地鐵供電系統(tǒng)PT故障后的不同觀點：故障后的不同觀點：1）系統(tǒng)過電壓）系統(tǒng)過電壓操作過電壓、弧光過電壓、諧振過電壓操作過電壓、弧光過電壓、諧振過電壓 2）設備本身原因）設備本身原因絕緣擊

5、穿絕緣擊穿溫度巨變溫度巨變 膨脹爆炸膨脹爆炸2、 PT故障原因分析故障原因分析3、供電系統(tǒng)過電壓分類及原因、供電系統(tǒng)過電壓分類及原因 直擊雷過電壓直擊雷過電壓 雷電過電壓雷電過電壓 感應雷過電壓感應雷過電壓 侵入雷電波過電壓侵入雷電波過電壓 長線電容效應長線電容效應 工頻過電壓工頻過電壓 不對稱接地故障不對稱接地故障 過電壓過電壓 甩負荷甩負荷 暫時過電壓暫時過電壓 線性諧振線性諧振 消弧線圈補償網絡的線性諧振消弧線圈補償網絡的線性諧振 傳遞過電壓傳遞過電壓 諧振過電壓諧振過電壓 鐵磁諧振鐵磁諧振 線路斷線線路斷線 電磁式電壓互感器飽和電磁式電壓互感器飽和 內部內部 參數(shù)諧振參數(shù)諧振 發(fā)電機同

6、步或異步自勵磁發(fā)電機同步或異步自勵磁 開斷電容器組過電壓開斷電容器組過電壓 操作電容負荷過電壓操作電容負荷過電壓 開斷空載長線過電壓開斷空載長線過電壓 關合（重合）空載長線過電壓關合（重合）空載長線過電壓 開斷空載變壓器過電壓開斷空載變壓器過電壓 操作過電壓操作過電壓 操作電感負荷過電壓操作電感負荷過電壓 開斷并聯(lián)電抗器過電壓開斷并聯(lián)電抗器過電壓 開斷高壓電動機過電壓開斷高壓電動機過電壓 解列過電壓解列過電壓 間歇電弧過電壓間歇電弧過電壓4、鐵磁諧振可能性分析4.1 4.1 鐵磁諧振理論鐵磁諧振理論 電力網中發(fā)生不同頻率的諧振，與系統(tǒng)中導線對地分布電容的容抗電力網中發(fā)生不同頻率的諧振，與系統(tǒng)中

7、導線對地分布電容的容抗Xc0，和電壓互感器并聯(lián)運行的綜合電感的感抗，和電壓互感器并聯(lián)運行的綜合電感的感抗Xm，兩者的比值，兩者的比值Xc0/Xm有直接關系。有直接關系。1）鐵磁諧振的分類：）鐵磁諧振的分類：根據(jù)根據(jù)H.A.Peterson激磁電感諧振原理，鐵磁激磁電感諧振原理，鐵磁諧振分為：分頻、高頻、基頻。諧振分為：分頻、高頻、基頻。4、鐵磁諧振可能性分析1）鐵磁諧振的分類）鐵磁諧振的分類（1）分頻諧振）分頻諧振當比值當比值Xc0/Xm較?。ㄔ谳^小（在0.010.1范圍內）時發(fā)生分頻諧振的概率較大范圍內）時發(fā)生分頻諧振的概率較大。電容和電感在振蕩時能量交換所需的時間較長，振蕩頻率較低，表現(xiàn)。

8、電容和電感在振蕩時能量交換所需的時間較長，振蕩頻率較低，表現(xiàn)為：過電壓倍數(shù)較低，一般不超過為：過電壓倍數(shù)較低，一般不超過2.5倍相電壓；三相電壓表的指示數(shù)倍相電壓；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，并周期性擺動，線電壓正常。值同時升高，并周期性擺動，線電壓正常。（2）基頻諧振）基頻諧振當比值當比值Xc0Xm接近于接近于1時，發(fā)生基頻諧振的概率大。其表現(xiàn)為：三相時，發(fā)生基頻諧振的概率大。其表現(xiàn)為：三相電壓表中指示數(shù)值為兩相升高、一相降低，線電壓正常；過電流很大，電壓表中指示數(shù)值為兩相升高、一相降低，線電壓正常；過電流很大，往往導致電壓互感器熔絲熔斷，嚴重時甚至會燒壞互感器；過電壓不超往往導致電壓互感

9、器熔絲熔斷，嚴重時甚至會燒壞互感器；過電壓不超過過3.2倍相電壓，伴有接地信號指示，稱為虛幻接地現(xiàn)象。倍相電壓，伴有接地信號指示，稱為虛幻接地現(xiàn)象。（3）高頻諧振）高頻諧振當比值當比值Xc0/Xm較大（在較大（在0.83范圍內）時發(fā)生高頻諧振的概率大。發(fā)范圍內）時發(fā)生高頻諧振的概率大。發(fā)生高頻諧振時線路的對地電容較小，振蕩時能量交換較快。表現(xiàn)為過電生高頻諧振時線路的對地電容較小，振蕩時能量交換較快。表現(xiàn)為過電壓倍數(shù)較高；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，最大值可達到壓倍數(shù)較高；三相電壓表的指示數(shù)值同時升高，最大值可達到45倍倍相電壓，線電壓基本正常；諧振時過電流較小。相電壓，線電壓基本正常；諧振時

10、過電流較小。2）鐵磁諧振的激發(fā)條件）鐵磁諧振的激發(fā)條件（1）電壓互感器的突然投入；）電壓互感器的突然投入； （2）線路發(fā)生單相接地；）線路發(fā)生單相接地； （3）系統(tǒng)運行方式的突然改變或電氣設備的投切；）系統(tǒng)運行方式的突然改變或電氣設備的投切； （4）系統(tǒng)負荷發(fā)生較大的波動；）系統(tǒng)負荷發(fā)生較大的波動； （5）電網頻率的波動；）電網頻率的波動； （6）負荷的不平衡變化等。）負荷的不平衡變化等。 3）一般性結論）一般性結論（1）當）當Xc0/Xm0.01或或Xc0/Xm3時，系統(tǒng)一般不會發(fā)生鐵磁諧時，系統(tǒng)一般不會發(fā)生鐵磁諧振。振。（2）在不同的諧振區(qū)域，諧振的外施觸發(fā)電壓是不同的。）在不同的諧振區(qū)域

11、，諧振的外施觸發(fā)電壓是不同的。（3）分頻諧振區(qū)諧振外施電壓為最低，在正常額定電壓下系統(tǒng)稍）分頻諧振區(qū)諧振外施電壓為最低，在正常額定電壓下系統(tǒng)稍有波動就可觸發(fā)諧振。有波動就可觸發(fā)諧振。（4）高頻諧振區(qū)的諧振外施電壓最高。）高頻諧振區(qū)的諧振外施電壓最高。（5）在同一諧振區(qū)域內不同的）在同一諧振區(qū)域內不同的Xc0/Xm比值下，諧振的最低外施比值下，諧振的最低外施觸發(fā)電壓（臨界值）也是不同的。觸發(fā)電壓（臨界值）也是不同的。4、鐵磁諧振可能性分析、鐵磁諧振可能性分析4）計算結果分析及結論）計算結果分析及結論 根據(jù)工廠提供的電纜及PT伏安特性等資料，從節(jié)點法計算分析的結果分析，最嚴重情況 X0/Xl=0.

12、0060.01。根據(jù)H.A.Peterson 激磁電感諧振區(qū)域理論，在系統(tǒng)正常運行情況下不會引發(fā)諧振。4、鐵磁諧振可能性分析、鐵磁諧振可能性分析5、系統(tǒng)單相接地及分析、系統(tǒng)單相接地及分析 單相接地單相接地-電流、電壓向量圖電流、電壓向量圖如果發(fā)生單相完全接地，則故障相的電壓降到零，非故障相的如果發(fā)生單相完全接地，則故障相的電壓降到零，非故障相的電壓升高到線電壓，此時電壓互感器開口三角處出現(xiàn)電壓升高到線電壓，此時電壓互感器開口三角處出現(xiàn)100V電壓，即電壓，即一次側一次側35kV 5、系統(tǒng)單相接地及分析、系統(tǒng)單相接地及分析現(xiàn)場錄波波形分析現(xiàn)場錄波波形分析PT故障后，電故障后，電流曲線流曲線PT故

13、障后，電故障后，電壓曲線壓曲線PT故障前，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障前，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，電流電壓三相對稱，系統(tǒng)電流電壓三相對稱，系統(tǒng)不存在不存在“操作過電壓、弧操作過電壓、弧光過電壓、諧振過電壓光過電壓、諧振過電壓”6、供電系統(tǒng)中性點接地方式、供電系統(tǒng)中性點接地方式1 1）有效接地系統(tǒng)）有效接地系統(tǒng)有效接地系統(tǒng)也稱大電流接地系統(tǒng)，中性點直接接地和經小阻抗接地有效接地系統(tǒng)也稱大電流接地系統(tǒng)，中性點直接接地和經小阻抗接地都屬于此類，劃分的標準時系統(tǒng)零序電抗（都屬于此類，劃分的標準時系統(tǒng)零序電抗（X0）和正序電抗（）和正序電抗（X1）的）的比值比值3，且零序電阻，且零序電阻R0和正序電阻和正序電阻R1的比值的

14、比值12 2）非有效接地系統(tǒng)）非有效接地系統(tǒng)非有效接地系統(tǒng)也稱小電流接地系統(tǒng)，中性點不直接接地和經消弧線非有效接地系統(tǒng)也稱小電流接地系統(tǒng)，中性點不直接接地和經消弧線圈或高阻抗接地都屬于此類，劃分的標準時系統(tǒng)零序電抗（圈或高阻抗接地都屬于此類，劃分的標準時系統(tǒng)零序電抗（X0）和正）和正序電抗（序電抗（X1）的比值）的比值3，且零序電阻，且零序電阻R0和正序電阻和正序電阻R1的比值的比值1 3 3）電纜技術參數(shù)）電纜技術參數(shù)95mm2電纜電纜 0.2465+j0.6157 歐姆歐姆/公里公里120mm2電纜電纜 0.1956+j0.2453 歐姆歐姆/公里公里240mm2電纜電纜 0.0971+j

15、0.203 歐姆歐姆/公里公里6.1、有效接地系統(tǒng)還是非有效接地系統(tǒng)的判據(jù)、有效接地系統(tǒng)還是非有效接地系統(tǒng)的判據(jù) 田勝利田勝利國標國標GB 1207-97 GB 1207-97 電壓互感器電壓互感器第第3.273.27條條 額定電壓因數(shù)額定電壓因數(shù) rated voltage factorrated voltage factor 與額定一次電壓值相乘的一個系數(shù)，以確定互感器必須滿足規(guī)定時與額定一次電壓值相乘的一個系數(shù)，以確定互感器必須滿足規(guī)定時間內的有關熱性能要求并滿足有關準確級要求的最高電壓。間內的有關熱性能要求并滿足有關準確級要求的最高電壓。第第4.2.14.2.1條條 額定一次電壓額定一

16、次電壓 對三相互感器和用于單相系統(tǒng)或三相系統(tǒng)線間的單相互感器，其額對三相互感器和用于單相系統(tǒng)或三相系統(tǒng)線間的單相互感器，其額定一次電壓應符合定一次電壓應符合GB156GB156所規(guī)定的某一系統(tǒng)標稱電壓值。或應符合所規(guī)定的某一系統(tǒng)標稱電壓值。或應符合IEC38IEC38標準中所規(guī)定的某一系統(tǒng)標稱電壓的常用值。對于接在三相系統(tǒng)線與地之標準中所規(guī)定的某一系統(tǒng)標稱電壓的常用值。對于接在三相系統(tǒng)線與地之間或接在系統(tǒng)中性點與地之間的單相互感器，其額定一次電壓標準值為系間或接在系統(tǒng)中性點與地之間的單相互感器，其額定一次電壓標準值為系統(tǒng)標稱電壓的統(tǒng)標稱電壓的 1/1.7321/1.732倍。倍。 注：作為測量

17、用或保護用的電壓互感器，其性能是以額定一次電壓注：作為測量用或保護用的電壓互感器，其性能是以額定一次電壓為基準的，但其額定絕緣水平則是以為基準的，但其額定絕緣水平則是以GB156GB156或或IEC38IEC38標準中所列出的設備標準中所列出的設備最高電壓為基準的最高電壓為基準的。 7、電壓互感器參數(shù)的正確選取、電壓互感器參數(shù)的正確選取7、電壓互感器參數(shù)的正確選取、電壓互感器參數(shù)的正確選取國標國標GB 1207-97 電壓互感器電壓互感器第第4.44.4條條 額定電壓因數(shù)標準值額定電壓因數(shù)標準值 電壓因數(shù)是由最高運行電壓決定的，而后者又與系統(tǒng)及電壓互感電壓因數(shù)是由最高運行電壓決定的，而后者又與

18、系統(tǒng)及電壓互感器一次繞組的接地條件有關。下表列出與各種接地條件相對應的額定器一次繞組的接地條件有關。下表列出與各種接地條件相對應的額定電壓因數(shù)標準值及在最高運行電壓下的允許持續(xù)時間電壓因數(shù)標準值及在最高運行電壓下的允許持續(xù)時間( (即額定時間即額定時間) )。額定電壓因數(shù)額定電壓因數(shù)額定時間額定時間一次繞組聯(lián)結方式和系統(tǒng)接地方式一次繞組聯(lián)結方式和系統(tǒng)接地方式1.2連續(xù)連續(xù)任一電網的相間任一電網的相間任一電網中的變壓器中性點與地之間任一電網中的變壓器中性點與地之間1.2連續(xù)連續(xù)中性點有效接地系統(tǒng)中的相與地之間中性點有效接地系統(tǒng)中的相與地之間1.530s1.2連續(xù)連續(xù)帶有自動切除對地故障裝置的中性點非有效接帶有自動切除對地故障裝置的中性點非有效接地系統(tǒng)中的相與地之間地系統(tǒng)中的相與地之間1.930s1.2連續(xù)連續(xù)無自動切除對地故障的中性點絕緣系統(tǒng)或無自無自動切除對地故障的中性點絕緣系統(tǒng)或無自動切除對地故障裝置的共振接地系統(tǒng)中的相與動切除對地故障裝置的共振接地系統(tǒng)中的相與地之間地之間1.98h電壓因數(shù)電壓因數(shù)1.5空載勵磁特性曲線空載勵磁特性曲線 電壓因