20kV配电网中性点接地方式基本原理.docx
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20kV配电网中性点接地方式基本原理
引言
在电力系统配电网中,中性点接地方式是一个综合性的技术问题,
它不仅与电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过
电压保护、继电保护、通信干扰(电磁环境)以及接地装置等问题有密
切的联系,而且是20kV中压配网升压改造过程中所面临的关键技术之
一。
合理地选择配电网中性点接地方式,提高配电网供电安全性和可靠
性,减少停电时间和跳闸次数。
同时,电力系统中性点接地方式也是经
济问题。
在选定方案的决策过程中,应结合系统的现状和发展规划进行
技术经济比较,全面考虑,使系统具有更优的技术经济指标,避免因决
策失误而造成的不良后果。
2中性点接地方式基本原理
电力系统在正常运行中,对不同的中性点接地方式及其差异,基
本上没有反映。
可是,当系统发生单相接地故障时,情况则大不一样。
因中性点接地方式的不同,非故障相工频电压的升高和单相接地故障
电流的大小也不相同。
通常,以两者的具体数值表征不同接地方式系
统的基本运行特性。
分析存在于两者之间的互换特性,可以展示出各
种不同接地方式之间的内在联系,各种接地方式的特点和适用范围等
主要问题也均将由此决定。
2.1中性点接地方式理论分析
分析非故障相的工频电压升高与单相接地故障电流等有关问题,
可以从图2.1-1中简化的电力系统等值接线图开始。
旧下载后阅
图2.1-1配电网单相接地等值电路图
图中的降压变压器也可暂不考虑,所导出的公式和得出的结论,对研究中性点接地方式的有关问题依然具有普遍适用意义。
当等值电力系统中的A相发生单相接地故障时,即使变压器的中性点直接接地,由于系统的零序阻抗不等于零,非故障相的对地电压也会有所升高。
利用故障相的电压和非故障相的电流为零这两个边界条件,将电压和电流分解为对称分量,便可求出非故障相的工频电压升高和故障点的单相接地电流。
中性点经阻抗乙接地的电网在单相(例如A相)接地情况下电压和电流发生变化。
以A相电动势EA=EA(1+j0)为基准,A相在k点发生金属接地时的相序网络如图2.1-2所示。
下载后阅
图2.1-2单相接地网络图
(左图:
A相k点接地;右图:
A相接地时的相序网络图)
单相接地故障时各相序电流相等,
Ea
I0=Il=I2二
乙Z2Z3
相电流If等于各相序电流之和,If=I°+Ii+12=31。
,因此
•3Ea
If=
乙Z2Z3
(2-1)
在故障点k处的三相电压Ua、Ub′、uJ可用对称分量法分别求得:
Ua
二0
Ub
Uc
2
o*■■'aZaZcZ,,•
=a2UiaU2U0=Ub--12——0Ua=UbUb
ZZZ
乙1乙2乙0
2
■n*■,a7〃a7-70,■,
=aU1a2U2U0=Uc--12——°Ua=Uc:
Uc
ZZZ
乙1乙2乙0
(2-2)
对于运行中的电力系统,若电源容量按无限大考虑,则负序阻抗应
等于正序阻抗。
当电源容量不甚大时,发电机的正、负序阻抗虽不完全相等,但因其负序阻抗所占比重不大,通常也可令乙=Z,实践证明,
误差不大。
现将Z2=Z&U:
′=a2U:
'、U:
=aU:
分别代入式(2-1)与式
(2-2),便可求出故障点接地电流与非故障相电压的一般表达式为:
(2-5)
k表示如下:
(2-6)
种中性点接地方式的系统中。
现将式(2-4)稍加变化,便可得到:
2Z1Z0k2
式中的因子k=Z0定义为接地程度系数。
Zi
根据式(2-3),单相接地故障电流同样也可用
31(3)
IA=I
k2
■
式中I(3)=ua为三相短路电流。
Z1
从式(2-5)与式(2-6)可以看出,随着接地程度系数k值的增大,故障点的接地电流减小,非故障相的工频电压升高;反之,随k
值减小,故障点的接地电流增大,非故障相的工频电压降低。
这就是电网发生单相接地故障时电压与电流的互换特性。
已知k噪因Z1中R很小,一般可忽略不计,即kF+j?
现在若3和会以为坐标,便可绘出电压与电流的两族曲线,如图2.1-3,
这两族曲线均是给定的不同单相接地故障时,电压与电流的最大值。
阳下载后阅
图2.1-3单相接地时工频电压与故障电流曲线图
(左图:
非故障相以U(%表示的最高电压曲线族;
右图:
故障相以I(3)表示的最大接地短路电流曲线族)
图2.1-3左图表明,不论系统参数如何,非故障相对地电压均大
于相电压。
图中的实线曲线族是按Ri=R2=0与Xi=X2的条件绘制的。
若令Ri=R2=0.1Xi与Xi=X2,则可得到图中的另一虚线曲线族。
两种
曲线族对比,证实了R与R是可以忽略的。
由此,随着风与心的减
X1X1障相的最大电压升高几乎全部小于80%!
!
电压。
在这1^的范围内,R的影响要比X大得多。
图2.1-3右图中的曲线族是按r=R2=0与Xi=X2的条件绘制的。
在该族曲线中,Xo的影响要比R0突出得多。
随着冬值的减小,不论色
X1X1
值如何,接地故障电流都逐渐增大。
当&<1时,接地短路电流显著
Xi
增大。
若Xi”,则情况更加严重。
2.2中压配网中性点接地方式主要类型
在中压范围内,我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式,具发生单相接地故障时接地电弧能够自行熄灭,是一个突出的特
点,这是进行小电流接地系统范围界定的必要与充分条件。
电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式,但根据上述原
则,基本上可以划分为两大类:
凡是需要断路器遮断单相接地故障者,属于大电流接地方式;凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者,属于小电流接地方式。
在大电流接地方式中,主要有:
中性点有效接地方式;中性点全接地方式,即非常有效接地方式。
此外,还有中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。
在小电流接地方式中,主要有:
中性点经消弧线圈接地方式;中性点不接地方式;中性点经高电阻接地方式等。
本章将分析中压配网范围内中性点不接地、经消弧线圈接地和低电阻接地三种主要方式技术原理。
2.2.1中性点不接地
中性点不接地方式下,发生单相接地故障时,中性点电压产生位移至故障相电压,非故障相电压升至线电压,可带故障运行一段时间而不跳闸。
这是中性点不接地方式的最大优点。
一般来说,当线路的电容电流小于10A时,单相接地故障产生的电弧可以自动熄灭。
因此,中性点不接地方式比较适用于电容电流较小的配电网,当电容电流大
于10A时,电弧可能不能自行熄灭,则需采用其他中性点接地方式。
(1)单相接地故障稳态分析
根据上一章节理论分析,中性点不接地方式单相故障接地电流为
lf=UnM(j0C)(2-7)
式中:
Un为单相短路系统等效电源,C为系统三相对地电容之和。
中性点电压为:
Un=-Ua(2—8)
短路电流幅值为:
If=If=Un8c(2-9)
非故障相电压为:
盘=Uc=疯前(2-10)
式中:
Uph为系统相电压。
(2)单相接地故障暂态分析
当发生单相接地故障时,将产生间歇性电弧接地过电压。
对电弧接地过电压的理论研究从中性点不接地系统开始,1917年,德国彼得生首先提出了高频息弧理论,奠定了电弧接地过电压的理论基础。
随
后,美国的彼得和斯列宾提出了更能反映实际情况的工频熄弧理论。
根据工频熄弧理论,系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧
(2-11)
(2-12)
(2-13)
接地过电压。
对于中性点不接地方式,故障相A相产生的过电压为:
Ua=(1.5~2.5)Um
非故障相过电压分别为:
Ub=(2.5~3.5)Um
Uc=(2.5~3.5)Um
(3)主要适用范围
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DL/T620-1997)》规
定,当接地故障电流不超过下列数值又需在接地故障条件下运行时,
可采用不接地方式:
a)3kV〜10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有
35kM66kV系统,10A
b)3kV〜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;10kV时,20A。
c)3kV〜10kV电缆线路构成的系统,30A
《城市电力网规划设计导则(Q/GDW56-2006)》规定对于35kM20kM10kV电压等级的配电系统,在发生单相接地故障时,若单相接地电流在10A以下,可采用中性点不接地方式。
2.2.2消弧线圈接地
中性点消弧线圈接地方式下,发生单相接地故障时,可形成一个与接地电容电流大小接近相等但方向相反的电感电流,它与电容电流相互补偿,使接地处的电流变得很小或等于零,从而消除接地点的电弧及其危害。
同时电流过零电弧熄灭后,消弧线圈的存在还可以显著减缓故障相电压的恢复速度,降低重燃的可能性。
消弧线圈接地方式使接地故障电流降低为最小,并限制了非故障相的工频电压升高幅值,对单相接地故障不需要立刻跳闸,保证了供电连续性。
(1)单相接地故障稳态分析
根据上一章节理论分析,中性点消弧线圈接地方式单相故障接地时故障电流为:
••1••一…、
If=UnX(j«C+——)=j(IC—Il)(2-14)
jL
式中,L为消弧线圈电感。
中性点电压为:
Un=-UA(2-15)
短路电流幅值为:
1
If=If=Un(EC—)=Ic—Il(2-16)
«L
定义补偿电网或消弧线圈的失谐度和和谐度为:
1k(2-17)
IC
K=1~(2-18)
调节消弧线圈电感参数,可以使其在以下三种方式下运行:
a)全补偿:
谐振回路恰好在谐振点工作,消弧线圈电感电流完全补偿了系统的对地电容电流,残流达到最小,理想状态下可以减小到零。
b)欠补偿:
配电网对地电容电流大于消弧线圈产生的电感电流,补偿后的残流量存在容性电流分量。
c)过补偿:
配电网对地电容电流小于消弧线圈产生的电感电流,
补偿后的残流量存在感性电流分量。
为便于接地电弧自行熄灭,消弧线圈应当尽量靠近谐振点运行,否则,故障点的残余电流和恢复电压的初速度同时增大,对接地电弧
的自行熄灭不利。
当消弧线圈在谐振点附近运行时,从熄灭接地电弧
方面考虑,过补偿与欠补偿几乎没有差别,但是从断线过电压方面考虑,两者却相差很大。
所以,电网在正常运行情况下,消弧线圈应适当过补偿运行。
(2)单相接地故障暂态分析
根据工频熄弧理论,系统发生单相接地故障时将产生间歇性电弧接地过电压。
对于中性点经消弧线圈接地方式,故障相A相产生的过电压为:
Ua=(1.5〜2.53(2-19)
非故障相过电压分别为:
Ub=(2.5〜3.2)Um(2-20)
Uc=(2.5〜3.2)Um(2-21)
若考虑电流泄露、衰减以及相间电容的影响,非故障相的最大暂态过电压可达到3.2Um。
(3)主要适用范围
消弧线圈接地方式广泛应用于10〜66kV的中压配网。
采用这种接地方式,当系统发生单相接地故障时,接地故障电流较小,可不立即跳闸,按规程规定配电网可带故障运行2小时。
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DL/T620-1997)»规定,当接地故障电流超过下列数值又需在接地故障条件下运行时,应采用消弧线圈接地方式:
a)3kV〜10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有
35kM66kV系统,10A
b)3kV〜10kV非钢筋混凝
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- 20 kV 配电网 中性 接地 方式 基本原理