變壓器鐵芯接地電流理論分析

1、變壓器鐵芯接地電流理論分析1第1頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二主要內(nèi)容概述小電流接地故障信號特征穩(wěn)態(tài)電氣量選線方法暫態(tài)電氣量選線方法瞬時性接地故障監(jiān)測結論2第2頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二一、概述3第3頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電流接地故障：指小電流接地系統(tǒng)（中性點非有效接地系統(tǒng)）的單相接地故障。小電流接地故障選線，又稱小電流接地保護，選出帶有接地故障的線路，給出指示信號。小電流接地故障選線難，主要難在諧振接地系統(tǒng)。4第4頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電流接地系統(tǒng)中性點不接

2、地（絕緣）系統(tǒng)IL諧振（消弧線圈）接地系統(tǒng)5第5頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點主要避免接地故障跳閘，提高供電可靠性。大部分情況下，接地電弧能夠熄滅，電網(wǎng)自動恢復正常運行。接地電流小，可防止事故進一步擴大。沿海某地變電所統(tǒng)計數(shù)據(jù)：采用小電流接地運行方式，10kV線路平均每年跳閘27次。改造為經(jīng)小電阻接地之后平均每年跳閘46次采用小電流接地運行方式跳閘率減少近50% 6第6頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電流接地系統(tǒng)存在的問題非故障相電壓升高，危害電網(wǎng)絕緣。正常情況下，非故障相電壓升高1.732倍。接地點間歇拉電弧，線路電

3、容反復充放電，電壓升高可達3.5倍。接地電弧長期存在，可能燒壞接地點絕緣，造成相間短路故障。7第7頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電流接地系統(tǒng)存在的問題（續(xù)）繼電保護配置困難：故障電流微弱，接地電弧不穩(wěn)定，接地故障選線的問題一直沒有得到很好地解決；許多供電部門仍然采用拉路法選擇接地線路。供電瞬時中斷，影響用戶用電設備正常工作，甚至可能造成停電事故。8第8頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二中壓配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇是目前行業(yè)上關注的關鍵技術問題之一不是一個簡單的技術經(jīng)濟問題?？紤]問題的角度很重要：對電網(wǎng)運行管理的影響用戶角度：供電可靠性、電

4、能質(zhì)量（電壓驟降）考慮運行方式：N-1要求9第9頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二小電阻接地方式一度受到推崇：電網(wǎng)規(guī)模的擴大、電纜線路的廣泛應用，使故障電流增大，接地電弧難以自行熄滅，難以體現(xiàn)小電流接地方式的優(yōu)勢。繼電保護配置簡單，選擇性好。發(fā)生接地故障時保護瞬時動作，切除故障線路，減少過電壓危害。10第10頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二中性點接地方式選擇（續(xù)）近年來，小電流接地方式又引起了人們的重視：電力市場化，對供電可靠性要求不斷提高。消弧線圈自動調(diào)諧技術的應用，可以精確地補償電容電流，使接地點電流盡可能的小，提高了電弧自動熄滅的幾率。小

5、電流接地故障選線技術取得了重大進展統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：電纜網(wǎng)絡也存在大量的瞬時性故障11第11頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二國際上情況法國早期采用中性點不接地或消弧線圈接地方式1960年代推廣小電阻1990年代改為諧振接地發(fā)明了PDTR選線法英國中壓電網(wǎng)中性點主要采用大電流接地方式英格蘭北部的約克郡（York)電力公司已對50個變電所中壓配電網(wǎng)進行了消弧線圈接地改造12第12頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二國際上情況（續(xù)）意大利中壓配電網(wǎng)中性點主要采用不接地方式采用瞬時短接接地相母線的方法消弧、選線接地瞬間故障電流大，滅弧效果不理想。2000年以

6、來實施諧振接地改造工程，已有25%的變電所完成改造。采用可調(diào)消弧線圈后，接地故障引起的供電中斷減少50%以上。采用固定調(diào)諧消弧線圈，接地故障引起的供電中斷減少26%以上。13第13頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二德國：廣泛應用諧振接地方式供電可靠性很高14第14頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二國內(nèi)情況有人主張城市電纜配電網(wǎng)絡采用小電阻接地深圳、廣州、北京等地的部分電纜網(wǎng)絡采取了小電阻接地方式15第15頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二建議：盡量采用諧振接地方式16第16頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分

7、，星期二二、小電流接地故障信號特征17第17頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二2.1穩(wěn)態(tài)分析A相接地后,接地相電壓為零,非故障相電壓升高1.73倍,零序電壓與故障前故障點電壓大小相等，極性相反。接地點電流是正常運行時三相對地電容電流的算術和。EAECEBUB0UC0U0ABCoIcIfIc18第18頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二中性點不接地電網(wǎng)零序等效網(wǎng)絡19第19頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 中性點不接地電網(wǎng)零序電流、電壓關系故障線路零序電流是所有非故障元件（線路）電容電流之和，方向是由故障點流向母線。非故障相

8、零序電流等于線路本身電容電流，方向由母線流向故障。故障線路電流大于非故障線路，二者反極性。IhIf20第20頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二諧振接地電網(wǎng)零序網(wǎng)絡21第21頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 消弧線圈接地電網(wǎng)零序電流、電壓關系IhIfL過補償狀態(tài)下，故障線路電流方向與非故障線路一致，由母線流向故障點，幅值往往也小于非故障線路。故障線路電氣量失去“唯一性”特征，這是諧振接地系統(tǒng)小電流接地故障選線難的根本原因。22第22頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 2.2暫態(tài)分析 暫態(tài)過程：故障相電壓突然降低引起的放電電

9、流，不經(jīng)過電源流向故障點，頻率在數(shù)千赫茲，衰減快；故障相電壓突然升高，引起的電容充電電流，經(jīng)過電源形成回路，頻率數(shù)百赫茲，衰減慢。ABCIf放電充電23第23頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二分析暫態(tài)過程需要使用變換矩陣是實數(shù)的模變換法實際工程中，一般使用卡倫包爾（Karenbauer）變換。模量1、2是兩相導體（A、B相與A、C相）之間流動，參數(shù)與正序網(wǎng)絡一致。模量0在三相導體與大地之間流動，參數(shù)與零序網(wǎng)絡一致。 接地電流計算復合模網(wǎng)24第24頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二接地電流計算（零序）簡化等效電路L等于2倍的線模（正序）電感，R是3

10、倍的過渡電阻加上線模（正序）電阻。e(t)是虛擬電壓源，與故障前故障點電壓大小相等，方向相反。25第25頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二接地電阻較小時等效電路。充電過程短暫，可以忽略消弧線圈影響。故障發(fā)生在電壓最大值時電流：-衰減系數(shù)-回路自由振蕩頻率26第26頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二暫態(tài)電流遠大于穩(wěn)態(tài)電容電流。暫態(tài)最大電流與穩(wěn)態(tài)電容電流之比，可達到幾倍到十幾倍。暫態(tài)最大電流值與故障時電壓相角有關。一般故障都發(fā)生在電壓最大值附近。暫態(tài)電流值不受消弧線圈的影響。暫態(tài)接地電流特點27第27頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分

11、，星期二接地電阻較大時等效電路。充電過程長，可達數(shù)十個ms，可以忽略串聯(lián)電感的影響。接地電阻比較大時，零序電壓緩慢上升。28第28頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二間歇性接地（拉?。┈F(xiàn)象故障點往往在電壓峰值時擊穿，電流過零時熄弧，在電壓出現(xiàn)另一次峰值時又擊穿，可能在一段時間后消失，也有可能持續(xù)發(fā)生。小電流接地系統(tǒng)對接地故障續(xù)流能力差，故障點電流微弱，易出現(xiàn)間歇性接地故障現(xiàn)象。永久接地故障，由于接地電流小，也存在接地電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，故障電流有效值及過渡電阻在一個周波內(nèi)變化較大。29第29頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二間歇性瞬時性接地故障錄波圖間

12、歇性瞬時性接地故障錄波圖30第30頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二三、穩(wěn)態(tài)電氣量選線方法31第31頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二基于穩(wěn)態(tài)工頻量的方法零序電流繼電器零序電容無功功率繼電器零序電流幅值、相位群體比較法負序電流比較法優(yōu)點：簡單易行缺點：穩(wěn)態(tài)電流小，靈敏度低。不能用于消弧線圈接地的系統(tǒng)受故障點不穩(wěn)定影響32第32頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二基于（五次）諧波量的方法檢測零序諧波電流、功率，檢測故障線路。諧波量小，靈敏度低。受故障點不穩(wěn)定影響33第33頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期

13、二有功功率法利用故障線路零序有功功率大于非故障線路且方向相反的特點選線簡單，不受消弧線圈影響。有功功率含量小，受TA，TV誤差影響，靈敏度得不到保證。34第34頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二投入中電阻法在中性點瞬間投入中電阻，使零序電流的有功分量明顯加大，解決靈敏度問題。實際是將小電流接地故障轉(zhuǎn)化為大電流接地故障帶來的問題是使接地電流增大，加大對接地點絕緣的破壞，可能導致事故擴大。對電纜線路來說，這一問題更為突出。 施工復雜、成本較高瞬時改變消弧線圈調(diào)諧度的殘余電流增量法，與投入中電阻法類似。35第35頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二注入信

14、號尋跡法注入225Hz信號，檢測線路中信號電流，確定故障點。已在國內(nèi)獲得較廣泛應用需向系統(tǒng)注入信號，構成較復雜，投資大。適用于電阻較小的穩(wěn)定接地故障36第36頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二故障相瞬時短接法發(fā)生接地故障時，在母線處瞬間短接故障相，使接地電流分流，自動熄滅。利用短接開關投入前后零序電流的變化選擇故障線路需要配備高壓開關滅弧效果不如諧振接地37第37頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二四、暫態(tài)電氣量選線法38第38頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 暫態(tài)電流遠大于穩(wěn)態(tài)電容電流， 且不受消弧線圈的影響。39第39

15、頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二實際故障零序電流波形故障線路零序電流40第40頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二優(yōu)點暫態(tài)零序電流數(shù)倍于穩(wěn)態(tài)值，有時達十幾倍，靈敏度高。不受消弧線圈的影響不受故障點不穩(wěn)定的影響可以檢測瞬時性故障41第41頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二4.1傳統(tǒng)暫態(tài)選線方法-首半波法1950年代國外提出零序電壓電流初始極性比較法1970年代國內(nèi)研制出首半波法的接地保護裝置極性正確時間短，受電網(wǎng)參數(shù)、短路相角影響。受當時技術條件限制，處理方法簡單。u0i042第42頁，共78頁，2022年，5月20日，18

16、點54分，星期二4.2 現(xiàn)代暫態(tài)選線法計算機、微電子技術的發(fā)展，為開發(fā)暫態(tài)電氣量選線新技術創(chuàng)造了條件。行波測距技術已在輸電線路中應用，獲得了極大成功，充分地體現(xiàn)出了暫態(tài)繼電保護的生命力自上世紀90年代起，利用暫態(tài)電氣量的選線法又引起了人們的重視。已提出多種暫態(tài)選線方法已開發(fā)出新型暫態(tài)法選線裝置，實際故障選線效果良好。43第43頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二可借鑒穩(wěn)態(tài)選線原理故障線路暫態(tài)零序電流幅值大于非故障線路，極性相反。比較暫態(tài)零序電流的幅值與極性選擇故障線路問題：理論上不嚴格，檢測時間窗的選擇沒有依據(jù)。44第44頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分

17、，星期二等效電路中用集中電容代表線路是有條件的！？45第45頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 在母線處檢測的零模線路入端阻抗Zock的相頻特性隨頻率而變化。在信號頻率小于一臨界頻率s（一般大于2000Hz）時，線路可用一電容來等效。46第46頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二消弧線圈接地系統(tǒng) 消弧線圈只對故障線路電流產(chǎn)生影響在頻率大于一臨界頻率L時，故障線路檢測的電流幅值大于任一健全線路，其流向也與健全線路相反 ，可以忽略消弧線圈影響。一般選L為150赫茲即可滿足要求。IhIfL47第47頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期

18、二利用暫態(tài)信號的故障選線新方法 首先確定被利用信號頻帶范圍（SFB），中性點不接地系統(tǒng)為0-h ；消弧線圈接地系統(tǒng)為 L h。對暫態(tài)零序電壓電流信號濾波處理，獲得SFB分量 對SFB頻率分量來說，故障線路幅值大于任何一條健全線路；故障線路中零序電流或容性無功功率從線路流向母線，而健全線路中從母線流向線路。48第48頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二比較同一母線所有出線暫態(tài)零序電流的幅值（均方根值），幅值最大者被選定為故障線路。缺點：不能確定母線接地暫態(tài)電流幅值比較法IhIfLIh49第49頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二暫態(tài)零序電流極性比較法選

19、擇一個參考線路，如果參考線路只和某一條出線反極性，則該出線為故障線路；和所有出線都反極性則參考線路為故障線路；和其他所有出線都同極性則為母線接地故障。 IhIfLIh50第50頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二暫態(tài)容性無功功率方向方法 利用零序容性電流方向，即暫態(tài)零序電壓、電流間關系，可以選擇故障線路。定義：51第51頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 對健全線路k有： 而對故障線路i有： 故障與非故障線路 q(t)極性相反，判別q(t)極性可以識別故障線路。52第52頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二u0i0首半波法-初

20、始極性相反新方法-極性永遠相反u0i053第53頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 為充分利用故障后所有暫態(tài)信息及增加抗干擾能力，可對參量qt(t)在一段時間（0-T）內(nèi)進行積分 得到參量Eq(t)： 保護判據(jù)可定為： 54第54頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 暫態(tài)容性無功功率方向保護算法可表示為： 不需要比較各條出線電氣量，僅根據(jù)本線路電氣量即可確定是否故障線路。55第55頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二4.3 XJ-100小電流接地故障監(jiān)測系統(tǒng)選線裝置采集故障信息、選擇故障線路、上報選線結果。分析機主要用于存儲、

21、統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù) 56第56頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二直流電源單元CPUMenu+EEPROMXJ-100 小電流接地故障選線裝置控制單元中央處理單元信號采集單元DAURUNI/OGPSPOWER5V+12V-12V24V科匯電氣KeHui ElectricDAURUNDAURUNDAURUNDAURUN數(shù)據(jù)采集、選線裝置57第57頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二主要特點專用高速數(shù)據(jù)采集單元，同時采樣。多CPU技術，分工協(xié)作。采集零序電壓、電流信號可利用三相電流互感器，獲取零序電流。故障數(shù)據(jù)可存儲，便于事后分析。故障數(shù)據(jù)可遠傳，可異地分析

22、。利用瞬時故障對線路絕緣狀況提出預報58第58頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二 安裝在現(xiàn)場的XJ-100小電流接地故障監(jiān)測系統(tǒng) 59第59頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二實際運行結果從2001年12月至2003年5月兩個電站共發(fā)生永久接地故障22次。一次裝置未動作，原因是緩變故障暫態(tài)信號微弱等原因未記錄到暫態(tài)過程。其余21次全部動作正確 60第60頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二接地故障產(chǎn)生的零序電壓、電流信號61第61頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二暫態(tài)容性無功功率計算結果62第62頁，共

23、78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二間歇性接地故障產(chǎn)生的零序電壓、電流信號63第63頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二暫態(tài)容性無功功率計算結果64第64頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二65第65頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二66第66頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二67第67頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二高阻故障問題：故障電阻比較大時（數(shù)千歐姆），接地電流小，零序電壓上升緩慢有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，高阻故障發(fā)生的機率在5%左右因信號微弱，目前所有檢測方法都不能保證正確選線。提高信號檢測靈敏度可解決部分問題68第68頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二五、瞬時性故障監(jiān)測69第69頁，共78頁，2022年，5月20日，18點54分，星期二瞬時性故障與電網(wǎng)絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測交聯(lián)聚乙烯電纜對地絕緣層破壞后，形成帶水份的樹狀裂痕。在電纜絕緣被高電壓擊穿時，故障點電流引起的發(fā)熱造成水氣蒸發(fā)，樹狀裂痕變的干燥起來。在接地電弧熄滅后，過電壓消失，電纜絕緣恢復，電網(wǎng)繼續(xù)維持正常運行。采用小