單相接地時(shí)的暫態(tài)過程

關(guān)于單相接地時(shí)的暫態(tài)過程第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)引言

在第二章“諧振接地原理”中,我們主要分析了補(bǔ)償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí),電壓和電流等在工頻狀態(tài)下的變化規(guī)律。

運(yùn)行中的補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程中,故障點(diǎn)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(shí)、也可能在工頻電流過零時(shí)熄滅,只要熄弧峰壓低于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度即可。

第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日本章討論接地電容電流、補(bǔ)償電感電流和接地故障電流的暫態(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。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)單相接地暫態(tài)過程

當(dāng)補(bǔ)償電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間,流過故障點(diǎn)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(bǔ)償。此時(shí),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。

第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日一、等值回路在補(bǔ)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(diǎn)的暫態(tài)電容電流、暫態(tài)電感電流和暫態(tài)接地電流。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

圖3-1中的等值回路適用于分析補(bǔ)償電網(wǎng)中各種單相接地故障瞬間的暫態(tài)過程。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時(shí),圖中的R0和L0?？筛鶕?jù)三相線路和電力變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)暫態(tài)接地電流最大,情況最為嚴(yán)重。此時(shí)可以不考慮故障點(diǎn)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(shí)的暫態(tài)過程。

第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日二、暫態(tài)電容電流

在分析電容電流的暫態(tài)特性時(shí),因其自由振蕩頻率一般較高

,考慮到消弧線圈的電感

L>>L0,故圖3-1中的

rL

與

L支路可以認(rèn)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。第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)圖3-1不難寫出下面的微分方程式:

當(dāng)

時(shí),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(shí),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)。第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

通常架空線路的波阻抗為250～500,同時(shí),故障點(diǎn)的接地電阻一般較小,弧道電阻又?？珊雎圆挥?jì),一般都滿足

的條件,所以,電容電流具有周期性的衰減振蕩特性

,

其自由振蕩頻率一般為300～1500Hz

。

電纜線路的電感遠(yuǎn)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)過程的振蕩頻率很高,持續(xù)時(shí)間很短,其自由振蕩頻率一般為1500～3000Hz。第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

因?yàn)闀簯B(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(shí)這一初始條件和的關(guān)系,經(jīng)過拉氏變換等運(yùn)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(shí)間常數(shù)。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

例，在電容電流Ic=25.6A的35kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,接地電容電流的實(shí)測示波圖如圖3-2所示。

第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日實(shí)測結(jié)果表明,電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、大小和運(yùn)行方式不同時(shí),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300～3000Hz。線路越長時(shí),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(shí),自由振蕩的持續(xù)時(shí)間一般也會減少至半個(gè)工頻周波左右。因?yàn)殡娋W(wǎng)的自振頻率一般較高,而且衰減較快（），

所以,最大電流幅值存在的時(shí)間就相當(dāng)短暫了。

第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日三、暫態(tài)電感電流根據(jù)圖3-1不難寫出下列微分方程式:

（3-12）式中:W為消弧線圈相應(yīng)分接頭的線圈匝數(shù);ψL

為消弧線圈鐵心中的磁通。磁通ψL的方程式：（3-13）d=r=第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日化簡后可得：

（3-14）暫態(tài)電感電流的表達(dá)式：

（3-15）ωt=

ωt=第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

理論分析和實(shí)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(shí)有關(guān)。

若

,則電感電流的直流分量較大,時(shí)間常數(shù)較小,大約在一個(gè)工頻周波之內(nèi)便可衰減完畢。

若

,則暫態(tài)直流分量較小,時(shí)間常數(shù)增大,一般為2-3周波，有時(shí)可持續(xù)3-5周波可衰減完畢.

其交流分量頻率和工頻相同。

第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日四、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(bǔ)償。所以,工頻狀態(tài)下關(guān)于殘流、失諧度和合諧度等概念,在分析暫態(tài)問題時(shí)均不能應(yīng)用。在暫態(tài)過程的初始階段,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。

暫態(tài)電流持續(xù)1-3個(gè)工頻周波，消弧線圈應(yīng)該快速動(dòng)作，以補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流！第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

關(guān)于暫態(tài)接地電流的數(shù)學(xué)表達(dá)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(xiàng)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。

第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日綜合以上分析可知，當(dāng)單相接地故障發(fā)生后,在故障點(diǎn)便有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減較慢的暫態(tài)電感電流流過。不論電網(wǎng)的中性點(diǎn)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(shí)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(shí)間很短,約為0.5-1個(gè)工頻周波,一般不會對接地電弧的熄滅帶來多少影響。第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日至于暫態(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(shí)有關(guān)。暫態(tài)電感電流的頻率與工頻相等,持續(xù)時(shí)間一般可達(dá)2-3個(gè)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。

第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)單相電弧接地過電壓

在電力系統(tǒng)中性點(diǎn)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(diǎn)直接接地方式；后來因線路跳閘頻繁,遂改為不接地方式運(yùn)行。但是,當(dāng)電網(wǎng)的接地電容電流達(dá)到某一臨界值時(shí),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(shí)間一般較長,且遍及整個(gè)電網(wǎng),在一定條件下容易造成事故。

第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日一、理論分析

對電弧接地過電壓的研究是從中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)開始的。1917年德國彼得生（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(jìn)行了研究,使電弧接地過電壓理論進(jìn)一步完善。

第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日1.彼得生理論

當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí),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(diǎn)不接地系統(tǒng)的等值接線圖如圖3-5所示。

第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

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(diǎn)的接地電弧在暫態(tài)高頻振蕩電流通過第一個(gè)零點(diǎn)時(shí)熄滅。此時(shí),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)生了同等的位移電壓udv；此后,每經(jīng)過0.5個(gè)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。

第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日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(shí)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(shí)發(fā)生。第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.別列柯夫理論

別列柯夫根據(jù)在6～10kV系統(tǒng)中的多次實(shí)測和試驗(yàn)室中的模擬試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,單相接地電孤的熄滅與重燃,和流過故障點(diǎn)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(shí)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)的恢復(fù)強(qiáng)度,接地電弧便不會發(fā)生重燃。這樣,通過實(shí)際試驗(yàn)便可正確確定電孤接地時(shí)的暫態(tài)過電壓。

第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

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(shí)際上,即使在中性點(diǎn)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(gè)概率就更低了。第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日二、國內(nèi)外實(shí)測結(jié)果

先后在國內(nèi)6～110kV接地電容電流為5～125A的中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中,進(jìn)行了大量的人工電弧接地試驗(yàn)和過電壓測量主要包括：①針式絕緣子和懸式絕緣子的沿面閃絡(luò);②羊角間隙、棒間隙、短間隙和油中間隙的絕緣擊穿;③長距離干、濕木質(zhì)絕緣的沿面閃絡(luò)等情況下的電孤接地暫態(tài)過電壓測量;④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。第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

此外,加上后來從全國電力系統(tǒng)中搜集到的自動(dòng)記錄和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果,再加上多年的積累,共計(jì)數(shù)百個(gè)電弧接地暫態(tài)過電壓實(shí)測數(shù)據(jù)。上述這些試驗(yàn)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(shí)間尚不及2ms,詳見示波圖。第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日最高電弧接地過電壓示波圖（高壓實(shí)驗(yàn)室）第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.國外實(shí)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(shí)測和研究工作。1930年,貝爾格在康東蘇黎士電力公司(KentonZurichEI.SupplyCompany)的8.6kV系統(tǒng)中進(jìn)行了近千次試驗(yàn),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.。第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

1931年,伊登（J.R.Eaton)、潘克（J.K.Peck)和鄧罕姆（J.M.Dunham)在一個(gè)75kV、30Hz,線路長度為2.4～216km的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,利用沖擊電壓發(fā)生器引弧,點(diǎn)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.。第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

1941年真納在一個(gè)44kV、885km、中性點(diǎn)經(jīng)136電阻接地的系統(tǒng)中,4年內(nèi)自動(dòng)記錄到735個(gè)中性點(diǎn)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2.2～2.4p.u.。第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

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(shí)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.。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

總之,國內(nèi)、外電力系統(tǒng)的實(shí)測結(jié)果表明,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的電弧接地暫態(tài)過電壓,極少達(dá)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(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)中,最高不超過2.5p.u.。第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

但從過電壓出現(xiàn)的概率方面考慮,根據(jù)上述以2.0p.u.作參考值的統(tǒng)計(jì),中性點(diǎn)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(xiǎn)。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日三、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

1.絕緣弱點(diǎn)容易擴(kuò)大事故

各種電氣設(shè)備的使用壽命是有限的。

在長期運(yùn)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(diǎn)。多年現(xiàn)場事故分析經(jīng)驗(yàn)表明,絕緣弱點(diǎn)的存在是發(fā)生擴(kuò)大事故的更加直接的原因。第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

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(shí),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,導(dǎo)致事故的發(fā)生。第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

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(rèn)的絕緣薄弱環(huán)節(jié)。

暴露在空氣中的架空線路,絕緣弱點(diǎn)問題就更加明顯了。

第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

了解了電力系統(tǒng)中可能存在的絕緣弱點(diǎn)后,使我們在考慮電網(wǎng)安全運(yùn)行問題時(shí)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(diǎn)消滅在萌芽狀態(tài)。第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2.高概率過電壓危險(xiǎn)性較大

欲合理地估價(jià)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(jìn)一步了解并顧及過電壓出現(xiàn)的概率