基于中性点方式选择的变电设备过电压防护技术讲解.docx
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基于中性点方式选择的变电设备过电压防护技术讲解
工学硕士学位论文
基于中性点方式选择的
变电设备过电压防护技术
硕士研究生
：
袁涛
导师
：
江滨浩教授
申请学位
：
工学硕士
学科
：
电气工程及其自动化
所在单位
：
电气工程学院
答辩日期
：
2014年11月
授予学位单位
：
哈尔滨工业大学
摘要
大庆油田由于发展的需要，对于配电网的要求比较高。
但是由于大庆油田的发展经历了漫长的过程，所以大庆油田的电路设备存在一系列的问题，这些问题主要包括线路老化，绝缘的能力比较差，电路的输电能力受过电压的影响比较大。
大庆油田配电网在现在的发展中存在的问题主要包括：
（1）大庆油田配网线路在实际发展中以架空裸导线配置的方式存在，以这种方式存在的故障主要发生在单相接地或相间短路的方面。
出现的频率比较高；
（2）随着科技的不断进步以及配电网技术的不断发展，在电路设备中电器开关的使用量也在不断的增加，所以事故发生的几率比较大对于生产发展的影响产生了十分严重的影响。
电网内部过电压的防护重点和难点是谐振过电压和弧光接地过电压，针对大庆油田35kV配电网的具体情况，分析计算铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压并提出相应的防护方案。
在三种中性点接地方式下，对于配电网内部过电压形成的原因及其自身所具有的特点进行科学的分析计算，为后续的一些研究奠定一定的基础，这样就可以为配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式提供有力的条件，该方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻器和控制器等组成，汲取经销弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接地故障选线。
针对操作过电压，通过仿真计算的结果，确定合理的防护措施。
关键词：
配电网过电压防护方案中心点接地。
Abstract
大庆油田配电网分布广，设备绝缘水平低，易受暂态过电压和操作过电压的危害。
目前存在的主要问题有：
一、配网线路以架空裸导线配置方式居多，单相接地或相间短路故障率较高，由此引发的设备故障频繁；二、随着配电网的迅速发展及室内开关柜的大量使用，电缆出线比例逐年增多，导致对地电容电流剧增，过电压引发的重要线路停电、电缆爆炸等事故时有发生，严重影响了供电可靠性。
Daqingoilfielddistributionnetworkwidedistribution,equipmentinsulationlevelislow,arevulnerabletotransientover-voltageandoperationalover-voltage.Atpresentthemainproblemsare:
first,distributionlinestobareoverheadconductorconfigurationmodemostly,single-phasegroundingorinterphaseshortcircuitfaultrateishigher,theequipmentfailurecausedbythefrequent;two,alongwiththerapiddevelopmentandextensiveuseofindoorswitchgeardistributionnetwork,cableoutletratioincreasedyearbyyear,leadtotheincreasingofcapacitivecurrenttogroundtheimportantpowerlines,cable,overvoltagecausedbyexplosionsandotheraccidentshaveoccurred,seriouslyaffectingthereliabilityofpowersupply.
电网内部过电压的防护重点和难点是谐振过电压和弧光接地过电压，针对大庆油田35kV配电网的具体情况，分析计算铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压并提出相应的防护方案。
在三种中性点接地方式下，通过理论分析和仿真计算，掌握其配电网内部过电压形成的原因和特点。
在分析现有防护措施有效性的同时，提出了配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式，该方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻器和控制器等组成，汲取经销弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接地故障选线。
针对操作过电压，通过仿真计算的结果，确定合理的防护措施。
Theemphasesanddifficultiesofovervoltageprotectioninternalgridisresonanceovervoltageandarcgroundingovervoltage,accordingtothespecificconditionsinDaqingoilfield35kVpowerdistributionnetwork,theanalysisandcalculationoftheferromagneticresonanceovervoltage,arcgroundingovervoltage,operationovervoltageprotectionschemeandputforwardthecorresponding.Inthreekindsofneutralpointearthingmode,throughtheoreticalanalysisandsimulation,tograspthereasonsandcharacteristicsofthedistributionnetworktoformtheinternalovervoltage.Basedontheanalysisofthepresentprotectionmeasuresofeffectivenessatthesametime,putforwardthedistributionnetworkneutralviaarcsuppressioncoilwithparallelresistancegroundingmode,thismodeismainlycomposedofautomatictuningarcsuppressioncoil,automaticswitchingresistorandcontrolleretc.advantage,drawarcsuppressioncoilgroundingdistributionandresistancegroundingintwoways,canfullyimprovethesingle-phasegroundingfaultselfrecoveryprobabilityfunctionofarcsuppressioncoilcompensationcapacitancecurrent,butalsocanutilizetheparallelresistor,overvoltagesuppressionandRealizationofsinglephasetogroundfaultlineselection.Accordingtotheoperationovervoltage,bythesimulationresults,thedeterminationofreasonableprotectionmeasures.
关键词：
配电网过电压防护方案中心点接地。
Keywords:
distributionnetworkovervoltageprotectionschemeofcenterpointearth.
第1章绪论
1.1课题来源
本篇论文的课题来源主要是大庆油田电力有限公司的科技项目“大庆油田电网过电压防护技术方案研究”项目编号：
200801005。
该项目针对大庆油田电网的内部过电压问题开展了研究，本文拟通过对电网内谐振过电压和弧光接地过电压的理论分析和计算，通过实践采用一种用消弧线圈并联电阻使电网中性点接地的办法来解决大庆油田电网内部过电压问题。
1.2课题研究目的和意义
大庆油田由于发展的需要，对于配电网的要求比较高。
但是由于大庆油田的发展经历了漫长的过程，所以大庆油田的电路设备存在一系列的问题，这些问题主要包括线路老化，绝缘的能力比较差，电路的输电能力受过电压的影响比较大。
目前存在的主要问题有：
一、配网线路多采用架空裸导线这种配置方式，这种配置方式会导致单相接地或相间短路，使得设备故障频繁；二、目前配电网的发展迅速，室内开关柜的使用增多，与此同时电缆线的出线比例也在不断的增加，这样就会对供电系统产生一系列的不良影响，造成线路的爆炸、停电事故等，会对供电系统的安全运行构成威胁。
对于中性点不接地系统来说，它所具有的故障形式是非常多的，其中最主要的故障是单相接地所引起的故障。
这种故障在发生的情况下线路再带故障运行，这是因为流过故障点的电流是很小的，对于三相电源的影响不大三相电源仍然处于对称状态。
而当流经故障点的电流较大并且状态不稳定时，就有极大的可能出现电网中电感和电容回路电磁振荡的暂态过程，从而产生弧光接地过电压。
铁磁谐振是系统在受到冲击时，饱和的电压互感器铁芯与线路和设备的对地电容匹配产生的。
因此，抑制铁磁谐振就是要降低铁芯的饱和程度，防止电压互感器铁芯饱和。
通过我们的实践运用，对于在中性点系统中如何更好的采取有效的措施来防止铁芯饱和所带来的铁磁谐振方法是非常的多的，最为我们熟知的主要由以下两种：
第一种就是通过有效措施来对系统中电感电容的相关参数进行调整，减少引起谐振的因素。
比如：
（1）由于电压互感器的空载励磁特性与互感器中铁芯的磁密密切相关，小的电压互感器磁通密度就可以有效降低铁芯的饱和程度。
此外，选择适宜的铁芯硅钢片、改善热处理工艺也可以实现这一目的。
（2）限制同一网络中电压互感器的并联台数：
我们国家在这方面也制定了相应的规则比如《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中就有规定“减少同一系统中PT中性点接地的数量”,通过采用这种方法会对谐振条件产生一系列的不良影响。
（3）对于电力系统中性点经消弧线圈接地或者接入类同作用的消弧电抗器在适当的情况也应该考虑。
（4）还可以采用改变接线形式，一般情况下我们可以运用4PT的接线方法，这种方法的具体操作手段就是在高压互感器中性点接入单相电压互感器。
另外一种是通过消耗谐振产生能量来消除谐振的发生，如：
（5）要用科学的办法选择各种消除谐振的措施，不改变接线形式，安装可以消除谐振的装置。
（6）在电压互感器高压侧串入电阻，或在二次侧三角绕组开口两端接电阻。
（7）科学的采用系统中性点经电阻接地或接入同作用的阻尼电阻器等。
以上提出的七种方法中：
第（3）、（6）、（7）种可以从根本上解决铁磁谐振的问题，是防止发生铁磁谐振的首选措施，但是在实施过程中仍然需要考虑其他的因素；方法
（1）的问题主要是电压互感器生产厂家应该关注的；
（2）、（4）、（5）是电网的设计及运行部门应注意的问题，但是方法4由于接线较为复杂，其应用受到一定的限制；而对目前已经投入运行的各种消除谐振的装置，还需要在实际应用中进一步检验其抑制铁磁谐振的性能。
1.3长期以来，我们国家对电网等级进行划分，对于35000V以下的电路采用中性点进行连接。
这种电网在发生单相接地故障时，电力系统中的电压是不会发生变化的，所以电网中的故障一旦出现在短时间内的带故障运行是不违反我们国家电力标准的有关规定的。
在这种情况下也不会对承线电压带来什么不良的影响。
采用中性点不直接接地这种方式一个最大的优点就是可以使系统带接地故障运行。
工作人员可以在故障期间及时的排除接地故障，恢复系统的正常运行，使供电系统有了更高的可靠性。
但是这种方式的缺点就是会发生PT铁磁谐振，使系统三相对地电压不稳定。
甚至会发生在PT的一次绕组中出现高幅值的涌流，熔断高压熔断器。
历史上两个工业比较发达的国家分别采取了不同的配电网的中性点接地方式。
欧洲的工业大国德国采用的接地方式就是中性点经消弧线圈，通过采用这种方式我们就能够快速的消除单相接地所产生的故障，这样就会为通信信号的健康运行提供良好的保障；美国等西方国家由于科技水平比较高一般情况下也是采用中性点直接接地的方式，通过这种方式可以避免故障对线路正常运行的影响。
这两种接地方式很具有代表性性，对于世界各国电力系统的发展都产生了十分重大的影响。
我们国家根据本国的发展状况制定了符合自己需要的电力行业标准，在这标准中有明确的规定，那就是电压在3KV到10KV之间的电力系统是不能和发电机相连接的，如果采用不接地的连接方式就要求单相接地故障电容电流不准超过规定的值；如果超过了规定的要求就会采用消弧线圈接地方式：
（1）3～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35、66kV系统，10A；
（2）3～10kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为：
3kV和6kV时，30A；b10kV时，20A；c3kV～10kV电缆线路构成的系统，30A。
我们在以往的实践中通过不断的实践，发现中低压配电网的电压值一般情况下在35000V以下，这种电网的内部电压是不会对电网的安全造成威胁的，一般情况下受到雷电过电压的影响。
因而长久以来以防止大气过电压对设备的侵害是采取的过电压保护措施的主要目标，采用的主要技术手段也仅仅是装备避雷器。
如果避雷器自身的参数存在一定的缺陷，那么对雷电引起的相间侵害以及内部过电压产生的损害起不到保护作用。
然而，我国部分油田电网的发展已经颇具规模，以大庆油田为例，截止2008年底，仅萨南油田就共建成35/6kV变电所32座，配电所1座，设计规模47.66×104kVA，实际运行负荷为22.87×104kW；共建成6kV电力线路2003km，配电变压器6790台。
通过我们的实践操作经验我们可以知道，如果油田电网的发展发展到一定的程度时，电网内部所产生的过电压及其过电压自身因素所引发的一系列对于电网安全运行产生威胁的因素，都会对配电网设备的安全运营产生一定程度的不良影响。
1.4本课题的研究内容
弧光接地过电压和谐振过电压这两种过电压是电网内部过电压防护的难点和重点。
针对大庆油田35kV配电网中存在的铁磁谐振过电压、弧光接地过电压、操作过电压这几种情况，对其进行理论分析计算并提出相对应的防护方案。
通过理论分析计算和仿真，我们可以对三种中性点接地方式在使用过程中出现过电压的因素进行分析。
通过分析可以提出一系列的预防过电压出现的措施，该方式主要由自动调谐消弧线圈、自动投切电阻器和控制器几个部分组成，汲取经销弧线圈接地和电阻接地两种方式的优点，既能充分发挥消弧线圈补偿电容电流、提高单相接地故障自恢复概率的作用，又能利用并联电阻抑制过电压和实现单相接地故障选线。
针对操作过电压这种情况，结合仿真的结果选择合理的防护措施。
第2章电网参数及模型建立
通过对大庆油田电网110KV一次变电所的普遍状况进行分析，主要以登封、奔腾、南二三座一次变电所的实际情况为例，通过其设备参数和线路参数建立ATP仿真模型，并对下一步的理论计算提供依据。
2.1变电站主接线图
通过对大庆油田电网中的登封一次变电所、奔腾一次变电所、南二一次变电所三座110kV变电所35kV侧母线所连设备与线路为仿真计算原型，进行科学的分析得到网络接线图如图2-1所示。
图2-1登封一次变主接线图
通过对图2-1进行分析我们就可以建立仿真计算模型进行分析得到如图2-2所示。
a）登封一次变电所
b）奔腾一次变电所
c）南二一次变电所
图2-2仿真模型
可以知道三座变电所短路阻抗标幺值如表2.1所示。
表2.1变电所短路阻抗标幺值
110kV侧
35kV侧
变电所
大运行方式
小运行方式
大运行方式
小运行方式
登峰
0.08285
0.1745
0.184
0.3619
奔腾
0.06723
0.14929
0.1645
0.344
南二
0.04038
0.07421
0.12133
0.23611
2.2变电所主变压器参数
通过分析变电所主变压器参数如表2.2所示。
表2.2主变压器参数
变电所
编号
型号
额定变比
接线方式
空载电流Io/%
空载损耗/kW
短路电压Uk/%
短路损耗/kW
登封
1#
SFPSZ7-50000/110
110±8x1.25%/38.5±2x2.5%/6.6kV
YNynOdn
0.60
57.6
9.7/17.6/6.6
228.862/246.44/177.799
2#
SFPSZ7-50000/110
110±8x1.25%/38.5±2x2.5%/6.6kV
YNynOdn
0.60
57.6
9.7/17.6/6.6
237.955/242.304/183.230
奔腾
1#
SFSZ9—75000/110
115±8×1.25%/38.5±5%/6.3kV
YNyn0d11
0.58
48.6
15.50
326.8
2#
SFSZ9—75000/110
115±8×1.25%/38.5±5%/6.3kV
YNyn0d11
0.56
48
15.40
325.6
南二
1#
SFPZB763000/110
（121±8ⅹ1.25%）/38.5kV
Ynyn0+d
0.27
56.280
247.296
2#
SFPZB763000/110
（121±8ⅹ1.25%）/38.5kV
Ynyn0+d
0.32
52.570
244.304
2.3线路参数
不同型号线路的参数的结果如表2.3所示。
线路型号和长度如表2.4所示。
表2.335kV线路参数
线路型号
R+
R0
L+
L0
C+
C0
LGJ－120
0.27
0.475
1.118
5.592
0.0104
0.005
LGJ－150
0.21
0.349
1.179
4.055
0.0098
0.0051
LGJ－180
0.17
0.309
1.155
4.035
0.01
0.0052
LGJ－240
0.13
0.272
1.13
4.1
0.0102
0.0053
YJLV-26/35-1*240
0.06
0.091
0.139
0.29
0.548
0.274
YJLV-26/35-1*185
0.0716
0.0839
0.16
0.247
0.502
0.335
单位：
电阻（Ω/km）电感（mH/km）电容（μF/km）
表2.435kV线路型号和长度
出线
编号
出线名称
出线类型及型号
长度/km
架空线
电缆
架空线
电缆
00937
兴油库线
LGJ－150LGJ－120
——
1.953.396
——
00941
氯碱甲线
LGJ－120
——
0.97
——
00942
氯碱乙线
LGJ－120LGJ－150
YJLV－26/35－185
0.970.65
0.13
LGJ－150
——
4.879
——
00943
兴动线
LGJ－150LGJ－120
——
3.4950.655
——
00944
前进水源线
LGJ－150LGJ－95
LGJ－120
——
3.628
0.706
5.656
——
00946
齐水乙线
LGJ－185
——
3.3
——
2.4PT参数
35kVPT型号为JDJJ1-35。
用ATP仿真计算PT二次侧的各种数据在用ATP仿真计算PT的饱和谐振时不需要进行考虑，在这种情况下我们仅仅需要考虑的情况是由PT铁芯饱和而引起的过电流与过电压对配电网的所产生的影响。
所以我们仅仅需要通过用三个非线性电感来构建PT的模型，这些情况具体可以反映在饱与铁芯励磁特性方面。
上述的PT简化模型如图2-3所示。
图2-3PT仿真计算模型
2.5避雷器参数
我们在实际运用中的避雷器型号主要包括如图2.5所示的几种型号，不同的型号是采用不同的物质构成的，每一种信号的避雷器信号具体参数也是不同的，一般情况下都会有明确的规定。
表2.5避雷器型号参数
登封站
南二
奔腾
避雷器型号
HY5WZ2-54/134
HY5WZ2-54/134
HY5W8-42/130
HY5WZ3-52.7/134
HY5WZ2-54/134
35kV金属氧化物避雷器的伏安特性如表2.6所示。
表2.635kV金属氧化物避雷器的伏安特性
I/A
3X10-4
1X10-3
5X10-2
1X101
1X102
5X102
1X103
3X103
5X103
U/U1mA
0.955
1.000
1.082
1.163
1.277
1.400
1.451
1.569
1.753
注：
U1mA一般取其典型值73kV。
第3章抑制电网过电压理论
随着我国经济的不断发展，我国电力系统的网络不断的得到完善。
电力网络在使用过程中也会由于各种原因引发过电压的现象出现，其中由于铁芯电感的饱和所引起的过电压称为铁磁谐振过电压。
我们比较常见的铁磁谐振过电压主要包括由于断线引起的和电压互感器饱和两种情况。
3.1谐振原理
为了对谐振原理进行更好的分析我们主要以PT谐振过电压为例，在正常运行的前提下，它的初始情况是容抗要大于感抗，也就是ωL＞（1/ωC）这是不满足线性谐振条件的要求的，在这种情况下回路就会保持稳定的状态。
但是如果电路中的电源电压增大，那么涌流现象在电感线圈发生时，铁芯就会达到饱和的状态，在这种情况下他的感抗的大小也会不断的变小。
如果在线路中ωL＝（1/ωC），那么串联谐振发生的具体条件就会得到满足，在这种情况下过电压主要在电感的两端和电容的两端产生，就会引发回路中电流的数值发生变化，在这种情况下磁谐振现象就会出现，只要谐振产生了就很大可能性会发生自保持现象，这种现象不仅会持续很长时间，而且也不会降低，除非是发生了干扰，从而使谐振要求发生变化才可以使谐振现象解除。
图3-1电网等值电路图
如图3-1所示，在电力网络正常运行情况下，
，因此
，三相电路对地负荷基本可以抵消的，电网的中性点电位为0。
如果电网发生类似断路器
在空载母线中合闸或者在线路中产生了瞬时单项接地故障，又或者是雷电入侵波冲击的
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