谐振接地系统中单相接地引起的过电压分析

谐振接地系统中单相接地引起的过电压分析摘要: 单相接地故障是电力系统中主要的故障形式，由其引发的各种过电压事故很多。

本文描述了单相接地的各种现象，分析了谐振接地系统中单相接地引起的弧光接地过电压和铁磁谐振过电压，特别是两种不同工作方式的消弧线圈自动调谐装置对消除铁磁谐振过电压的影响。

关键词:单相接地弧光接地过电压消弧线圈铁磁谐振前言配电网中性点经消弧线圈接地方式，又称为谐振接地方式，在谐振接地系统中有三种过电压对其影响最大，即雷击过电压、弧光接地过电压和铁磁谐振过电压。

前两种过电压可以采用比较明确有效的措施来进行防护，如对于雷击过电压，可以采用避雷器等防雷保护措施来限制其危害性。

对于弧光接地过电压，通常采用消弧线圈进行有效的抑制。

但对于铁磁谐振过电压，虽然目前可采用的防治措施很多，但实际效果和评价各不相同，铁磁谐振过电压在实际运行中仍然经常引发严重的事故。

长期运行经验表明，单相接地故障是电力系统中主要的故障形式，约占60％以上。

当电网发生单相接地时, 容易产生间歇性弧光接地, 此时产生的弧光接地过电压和由此激发的铁磁谐振过电压将会导致弱绝缘的击穿，甚至发展为相间短路故障而引发跳闸。

我厂的6kV配电网为谐振接地系统，且单相接地时有发生，因此对谐振接地系统中单相接地引起的弧光接地过电压和铁磁谐振过电压进行分析是十分必要的。

1单相接地的各种现象运行中单相接地一般是间歇性电弧接地→稳定电弧接地→金属性接地。

根据实测, 间歇性电弧接地, 持续时间可达0.2～2S, 频率可达300～3000Hz;然后呈稳定电弧接地, 持续时间可达2～10s,最后, 故障点导线被烧熔成为金属性接地, 即所谓永久性故障接地。

另一种情况是暂时性的单相电弧接地如（雷击、鸟害等），当系统电容电流超过一定数值时，电弧难以自动熄灭。

然而这个电流又不至于大到形成稳定电弧的程度，因此可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态。

两种间歇性的电弧导致系统中电感－电容回路的电磁振荡过程，产生遍及全系统的的弧光接地过电压。

2消弧线圈自动调谐对弧光接地过电压的抑制间歇性电弧接地流过故障点的电流中包含两个分量，即工频分量和高频分量。

在谐振接地系统中，现行所有消弧线圈设计的自动调谐都是在电网工频下完成的，不能补偿高频分量，因此消弧线圈自动调谐不能消除弧光接地过电压。

根据“工频熄弧理论”，由于消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流,使故障点的接地电流变为数值显著减小的残余电流,使接地电弧易于熄灭;当残流过零熄弧后,又能降低故障相恢复电压的上升速度,避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭;同时也能限制电弧重燃引起的过电压。

分析可知,当消弧线圈脱谐度越小时,故障点的接地残流越小,越有利于电弧的熄灭、避免电弧重燃。

我国实测弧光接地过电压倍数最大为3.2，绝大部分小于3.0。

由于这种过电压的幅值低于一次设备设计选型时所考虑的过电压倍数4.0，理论上一次设备的绝缘能够承受这种过电压。

谐振接地系统中，消弧线圈的作用并不是消除弧光过电压，而是由于它在易于熄弧和防止重燃方面的有利作用。

使过电压的持续时间大为缩减，降低了高幅值过电压出现的概率。

3铁磁谐振过电压的产生电力系统元件大部分属于感性的或容性的,线路各导线对地和导线间,既存在纵向电感又存在横向电容,这些元件组成复杂的LC 震荡回路,在一定的能源作用下,特定参数配合的回路就会出现谐振现象。

由于铁心电感的磁通和电流之间的非线性关系,电压升高导致铁心电感饱和,极容易使TV 发生铁磁谐振。

发生铁磁谐振的激发条件主要包括: TV 的突然投入;线路发生单相接地;系统运行方式的突然改变或电气设备的投切;系统负荷发生较大的波动;电网频率的波动;负荷的不平衡变化等。

在实际运行设备中,由于谐振接地电网中设备绝缘低,线树矛盾以及绝缘子闪络等单相接地故障相对频繁,一般说来,单相接地故障是铁磁谐振最常见的一种激发方式，TV 铁心饱和引起的铁磁谐振过电压,是谐振接地系统中最常见和造成事故最多的一种内部过电压。

谐振接地系统中，正常运行时,三相基本平衡,中性点的位移电压很小。

当系统发生单相接地时，故障点会流过电容电流，未接地相的电压升高至线电压，其对地电容上充以与线电压相应的电荷。

在接地故障期间，此电荷产生的电容电流以接地点为通路，在电源→导线→大地间流通。

由于TV的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小。

一旦接地故障消失，电流通路被切断，而非接地相在接地期间己经充电至线电压下的电荷，就只有通过系统侧TV绕组，经其原来接地的中性点进入大地。

在这一瞬变过程中，系统侧TV高压绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，导致系统侧TV铁芯严重饱和，从而使TV励磁阻抗急剧下降，与系统对地电容形成参数匹配，引发铁磁谐振过电压，造成系统过电压和TV中的过电流，导致瓷绝缘闪络、避雷器爆炸、TV高压熔丝熔断等，甚至烧毁TV，严重影响了系统的安全运行。

由于铁磁谐振过电压作用时间较长,所引起谐振现象的原因又很多,因此在选择保护措施方面造成很大的困难。

为了尽可能地防止铁磁谐振过电压的发生,在设计和操作电网设备时,应进行必要的估算和安排,以避免形成严重的串联谐振回路,或采取适当的防止谐振的措施。

4消弧线圈自动调谐装置对消除铁磁谐振过电压的影响我厂炼油变电站和石化变电站的6kV配电系统都属谐振接地系统，炼油变电站的消弧线圈自动调谐装置为“随调式”，而石化变电站消弧线圈自动调谐装置为“预调式”。

两种消弧线圈自动调谐装置在金属性接地故障时,工作方式没有根本区别。

但是,对于消除铁磁谐振却有很大的区别。

4.1两种不同工作方式消弧线圈自动调谐的原理消弧线圈自动调谐装置一般由驱动式消弧线圈和自动测控系统配套组成,通过测量系统(中性点电压互感器、内附TV, TA等),掌握系统中性点位移电压、中性点电流等参数,通过微机处理系统分析、计算,得出系统对地容抗,与预设的脱谐度定值进行比较,自动跟踪、控制调整消弧线圈的感抗,达到最优补偿的目的。

按调谐方式可分为“预调式”和“随调式”。

“预调式”是在接地故障发生前,调整消弧线圈到靠近谐振点运行,在此条件下为使中性点的位移电压不大于15%额定相电压,需要串联(或并联)一定数量的限压电阻,因此“预调式”消弧线圈还需区分系统的正常或故障状态,控制限压电阻的投入或退出;“随调试”是在正常情况下消弧线圈远离谐振点运行,中性点位移电压较低,而在接地故障发生后,迅即调整到位,不需加装限压电阻。

4.2 消弧线圈自动调谐装置对铁磁谐振过电压的限制作用消弧线圈是铁心带有空气间隙的电感线圈,在其制造过程中尽量满足伏安特性保持线性关系,使补偿电流与电容电流相应的变化。

由于消弧线圈电感比TV 电感小几个数量级,相当于将TV 短路,系统中性点经消弧线圈接地或接入同类的消弧电抗,可以完全消除因TV 引起的铁磁谐振, 还可以限制流过TV 的大电流,使TV 熔丝不被烧毁。

该措施的零序等值电路如图1所示。

图1 预调式消弧线圈及TV等值回路TV 的励磁感抗比较大L pt(MΩ级) ,而消弧线圈的感抗L k( 100 Ω级) 比较小,由于L k比L pt小几个数量级, 这样谐振条件ωL = 1 /ωC很难满足,谐振就不会发生。

因此,在中性点接入消弧线圈,对于由TV 铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的抑制作用,不再会发生参数匹配谐振,从而消除铁磁谐振。

随调式消弧线圈正常运行远离谐振点,相当于中性点开路,从上述分析可以看出,它对铁磁谐振根本没有抑制作用。

因此,消弧线圈要想有效抑制铁磁谐振过电压,必须工作在预调式方式。

4.3 单相接地故障消失时的串联谐振过电压谐振接地系统中单相接地故障时,消弧线圈和系统电容等效于串联运行。

故障消失后,消弧线圈必须迅速从补偿状态回复到正常工作状态,否则消弧线圈和系统电容在参数匹配的情况下易产生短暂的串联谐振。

消弧线圈是否会引起系统谐振,根本原因不在于当接地存在时它是否全补偿,而在于当接地消除后,它是否马上退离补偿状态。

接地消失后,中性点电压从相电压恢复到不平衡电压水平。

预调式消弧线圈串联阻尼电阻,一旦一次电压降低,可控硅自动断开,通过阻尼电阻限制中性点电压幅度避免谐振发生。

随调式消弧线圈没有阻尼电阻,通过控制器检测中性点电压变化判断接地是否消失。

控制器检测的电压信号是通过中性点TV 转换过来的二次信号, TV的精度、饱和程度对控制器的判断有很大的影响。

连续的瞬时接地故障,故障持续时间很短,经过很短的时间后又发生瞬时接地。

预调式消弧线圈动作快,接地时可以很好的保护,接地消失瞬间阻尼电阻断开。

随调式消弧线圈动作时间高于预调式,一般来说超过60 ms ,无法准确响应瞬间变化,一直工作在补偿状态,接地瞬间可以提供补偿电流,但是接地消失瞬间将易发生短暂的串联谐振,串联谐振过电压将导致系统电压过高, TV 饱和,甚至激发铁磁谐振。

5消谐器对消除铁磁谐振过电压的作用谐振接地系统也通过在TV一次侧中性点对地接消谐器来抑制铁磁谐振过电压，我厂的6kV系统都装设了消谐器。

单相接地时,其非线性电阻可以避免铁芯饱和,限制了铁磁谐振过电压的形成。

但由于电网的复杂性,各配电网电容大小,线路故障性质,TV伏安特性,以及消谐振器的运行环境有所不同,尤其是当间隙电弧接地持续时间长,个别消弧器会因过热而损坏,从而影响其消谐作用。

实际运行经验证明，装设消弧线圈消除铁磁谐振过电压是最好措施。

6结束语谐振接地系统中的过电压类型很多，本文只是从最常见的单相接地故障出发分析了谐振接地系统中的弧光接地过电压和铁磁谐振过电压。

分析是为了更好地防治，对于弧光接地过电压，准确选线并切除接地故障线路是从根本上消除弧光接地过电压的措施。

对于铁磁谐振过电压，最好的方式是采用“预调式”消弧线圈自动调谐装置。

参考文献1．张纬钹过电压防护及绝缘配合清华大学出版社 2002.52．周浩 10kV配电网铁磁谐振消谐措施的仿真比较研究电网技术 2005.113．许颖对消弧线圈“消除弧光接地过电压”的异议电力设备 2001.12。