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图4-9-11单相接地电力图
根据单相接地故障时的边界条件,
,
以及
,并将式(4-9-8)代入,可得非故障相故障处的对地电压:
(4-9-9)
(4-9-10)
对于较大电源容量的系统,
,若忽略将序阻抗小的电阻分量,则式(4-9-9)、(4-9-10)可改写为
(4-9-11)
由式(4-9-11)可求出
、
的模值为
(4-9-12)
式中
为单相接地系数.也称相电压升高倍数。
将
与
值的关系绘制成曲线如图图4-9-12所示,这里忽略了正序电阻的影响,认为
。
在不计损耗的前提下,单相接地时,两个非故障相电压升高是相等的;
若计及损耗,用
式(4-9-9)和(4-9-10)可证明
图4-9-12利用这两个公式,以
为横坐标对于不同的得到的
得到一族
的关系曲线。
从图中可以看出损耗对B,C两相电压升高的影响。
图4-9-12A相接地故障时非故障相工频电压升高
(三)突然甩负荷引起的工频电压升高
在输电线路传输重负荷时,线路末端断路器跳闹突然甩去负荷,将造成线路工频电压升高。
影响甩负荷引起工频电压升高的主要原因是:
(1)线路输送大功率时,发电机的电动势高于母线电压,甩负荷后,发电机磁链不能突变,电源电动势
维持原来的数值。
跳闸前,输送的功率愈大,则
愈高,工频电压升高愈大。
(2)线路末端跳间后,原来负荷的电感电流对发电机主磁通的去磁效应突然消失,而空载线路的电容电流对发电机主磁通起助磁作用,使及
上升,加剧了工频电压的升高。
(3)当发电机突然甩掉一部分负荷后,由于原动机的调速器有一定的惯性不能立即达到调速效果,使发电机转速增加,以致使电动势和频率都上升,加剧了线路的电容效应。
(四)工频电压升高的限制措施
一般情况下,220kv及以下的电力网中不需采取特殊措施限制工频电压升高,但在330kV,500kV系统中,工频电压升高对确定设备的绝缘水平起着重要的作用,应采取适当措施限制工频电压升高。
我国规定:
在300kV,500kV系统中,母线上的暂态过电压升高不超过最高工作电压的1.3倍.线路上的不超过1.4倍,通常采取的措施有:
(1)利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应
为了限制电容效应引起的工频电压升高,在超高压输电线路上,常采用并联电抗器补偿线路的电容电流。
并联电抗器的容量QL对空载长线电容无功功率QC的比值QL/Qc称为补偿度,一般补偿度选在60%左右。
并联电抗器可以安装在线路的末端,也可以装在线路的首端或线路的中间。
由于并联电
抗器的作用不仅是限制工频电压升高,还涉及到系统的稳定、无功功率平衡.调相调压、自激过电压及非全相状态下的谐振等问题,因此并联电抗器的补偿反及安装位置的选择必须综合考虑实际系统的结构、参数、可能出现的运行方式及故障形式等因素,确定出合理的方案。
(2)利用静止补偿装置(SVC)限制工频电压升高
静止补偿装置主要由可控硅开关投切的电容
器组(TSC)、可控硅相角控制的电抗器组(TCR)及
调节系统组成。
当系统由于某种原因发生工频电
压上升时,TSC断开,TCR导通,吸收无功功率,
使工频电压升高降低。
根据需要改变TCR,TSC
的导通相角,可达到调节系统无功功率、控制系
统电压、提高系统稳定性的目的。
它具有相应时
间快、维护而单、可靠性高等优点。
(3)降低输电线路的零序阻抗
单相接地故障时,故障点非故障相电压的升
高,主要决定于由故障点看进去的零序阻抗
图4-9-13静止补偿装置
与正序阻抗
得比值
若采用良导体的接线示意图
地线,可降低
,即降低了
值,达到限制丁频过电压的目的。
计算表明,电源容量愈大,良导体地线降低工频过电压愈明显。
二、重点和难点
电力系统在正常和故障时可能出现幅值超过最大工频相电压,频率为工频或接近工频的电压升高,称为工频电压升高,或工频过电压。
本节应了解工频过电压产生的原因,通常采用哪些措施可以限制系统的工频过电压。
第四节电力系统的操作过电压
一、基本内容和知识点
操作过电压是电力系统内部过电压的另一种类型。
当电力系统内开关操作或系统故障时,系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态,在这一过渡过程中,由于系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布,有可能产生很高的过电压。
操作过电压基本上可分为:
中性点不接地系统中的电弧接地过电压;
空载线路的合闸过电压;
切除空载线路或电容性负载时的过电压,以及切除空载变压器的过电压等。
操作过电压的幅值和波形与电网结构、系统容量及参数、中性点运行方式、断路器性能、运行操作方式、限压设备的性能等因素有关,具有随机性。
对操作过电压的定量研究大都依靠系统中的实测、模拟、计算机计算等c
随着电网电压等级的提高,操作过电压的幅值也随之增大,尤其在超高压及特高压系统中,这种过电压已成为决定电网绝缘水平的主要依据。
(一)中性点不接地系统电弧接地引起的过电压
单相接地是电力系统中的主要故障形式。
在中性点不接地系统中发生单相接地时,如果电网小、线路不大长,接地电容电流一般也不大,—旦故障消失,电弧可以自行熄灭。
对电压为6一10kV、容量较大的系统,电网的接地电流超过30A,35—60kV电网的接地电流超过10A,将会发生不稳定的电弧接地,即接地点的电弧间歇性地熄灭和重燃,引起电网运行状态的瞬时变化,导致电磁能量的强烈振荡,在故障相合非故障相产生过电压,一般称为电弧接地过电压。
为了消除电弧接地过电压,在110kV及以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式,使发生单相接地故障时形成很大的短路电流,以便由保护动作将故障切除。
但是,在电压等级很低的配电网中,单相事故率相对较大,如采用中性点直接接地方式,将引起断路器频繁跳闸,这不仅要增设大量的重合闸装置,还增加了断路器的维修工作量,所以对35kV及以下的系统宜采用中性点不接地的运行方式。
在电容电流较大,故障电流不易熄灭时,可采用中性点经消弧线圈接地运行方式。
消弧线圈的主要作用示:
可以补偿单相故障点电弧中的电容电流,使电弧中电流减小到电弧可以自行熄灭的程度,不至于形成间歇性电弧。
(二)开断电感性负载时的过电压
当断路器切除空载变压器、并联电抗器、消弧线圈及电动机等设备时,开断的都是数值不大的感性电流,比短路电流小得多,但是却可能引起高频振荡或过电压。
例如自能式断路器(油断路器)在开断电流时,是借助电弧能量使灭弧介质(油)汽化,产生气压来灭弧的。
当切断短路电流时,易于熄弧;
而开断小电感电流时则往往由于电弧能量小,产生的压力不足以灭弧,出现电弧燃烧不稳定,从而产生高频振荡。
而高压空气断路器、六氟化硫断路器等,依靠外界能量来灭弧的断路器,由于其灭弧装置是按切断短路电流设计的,吹弧能力很强,当切断小电感电流时,往往在电弧电流过零前就被截断而强制熄弧,发生电流截断即截流现象而产生过电压。
阀式避雷器对切除空载变压器过电压是一种可靠的限制措施。
切除空载变压器时,虽然过电压倍数较高。
但持续时间短.其能量较阀式避雷器在雷电过电压下允许通过的能量低一个数量级。
避雷器的安装位置应该是在断路器的变压器侧,否则在空载变压器时将使其失去避雷器的保护,而且避雷器在非雷雨季节亦不应退出。
另一种限制切除空载变压器过电压的措施是:
在断路器内的断口并联电组和相应的辅助断口。
限制开断空载和制动状态电动机过电压的主要措施是采用阀式避雷器或氧化锌避雷器。
性能良好的氧化锌避雷器可将过电压限制在.8倍以下,即不超过电机的预防性试验电压
(三)切除空载线路引起的过电压
切空载输电线路是电网中常见的操作之一。
在我国35~220kV电网中,都曾出现过因切除空载线路时的过电压而引起绝缘闪络或击穿事故。
产生这种过电压的原因是:
切除空载线路时,断路器切断的是线路的电容电流,通常只有几十到几百安,比短路电流小得多,但是在断路器的断口恢复电压幅值较高而引起电弧重燃,形成过电压。
电弧重燃次数越多,发生高幅值过电压的概率越大。
在电网中切除电容器组时也有类似的过电压产生。
电网中性点接地方式对切除空载线路过电压有较大影响。
在中性点不接地或经消弧线圈接地时,因三相断路揣分闸不同期及熄弧时间的差异,会构成瞬间不对称电路,使中性点位移,三相之间互相牵连,使分闸过程变得复杂,过电压增大。
当过电压较高时,线路上会产生强烈的电晕,电晕要消耗能量,从而降低了过电压。
线路上的损耗也会使过电压降低。
切除空载线路产生过电压的根本原因是电弧重燃,提高断路器的灭弧能力和限制触头间的恢复电压是消除或减少重燃次数的两个重要方面,可以考虑采用以下措施:
①选择灭弧能力较强,介质强度恢复较快的断路器。
我国220kv断路器在限制切除空载线路过电压方面的性能有较大改善,330kv,500kv断路器基本做到了电弧不重燃。
②采用加并联电阻的断路器。
并联电阻数值的大小应根据两触头间的恢复电压,以及及电阻的热容量来确定。
③在线路末端装设可以限制操作过电压的磁吹避雷器或氧化锌避窗器。
④在超高压线路中并联电抗器。
由于其电感与线路电容将组成振荡回路,而振荡频率与电源频率差异不大,可降低恢复电压上升速度,避免了电弧重燃或使重燃过电压降低。
(四)空载线路的合闸过电压
空载线路合闸是电力系统常见的操作。
在超高压电网中,由于断路器具有很强的灭弧能
力,基本上避免了电弧重燃现象,因此切除空载线路过电压已被限制,而空载线路的合闸过电压成了主要矛盾,对决定系统设备的绝缘水平起着决定的作用。
空载线路的合闸有两种情况,即计划性合闸操作和故障跳闸后的自动重合闸。
线路正常有计划的合闸操作之前,线路不存在接地故障,系统是对称的,线路上的初始电压为零。
合闸后,线路各点电压由零值过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压,在此过渡过程中会出现过电压。
重合闸过电压是合闸过电压中较为严重的情况。
1计划性合闸引起的过电压
在合闸后的暂态过程中,回路中将发生高频振荡,振荡频率远大于电源频率,可认为在振荡初期电源电压额e(t)为恒定值,考虑最严重情况,即e(t)为幅值Em时合闸,其简化等值电路如图4-9-14所示,回路方程为
由上两式导出
图4-9-14空载线路合闸等值电路
电容上的电压
(4-9-13)
式中:
,为等值回路的自振荡频率;
L为电源、线路总的电感;
C为线路的总电容。
由初始条件t=0时,
,可的积分常数A和B的值分别为0和–Em代入(4-9-13)式可得
(4-9-14)
当
时,
达最大值,为2Em。
由于回路中存在损耗,实际振荡过程中线路上的电压要比2Em低。
图4-9-14空载线路合闸
2.自动重合闸引起的过电压
参看图4-9-15,C相接地,断路器QF2先跳
闸,然后QFl跳闸。
在QF2跳闸后,线路成为带
接地故障的空载线路,流经QF1中非故障相的电
流为线路电容电流。
当电流过零,电源电压达最
大值时,QF1触头间电弧熄灭。
由于系统存在单
相接地,在中性点接地系统中非故障相的电压将图4-9-15自动重合闸示意图
为(1.3~1.4)Em,因此QF1熄弧后,线路上的残余电压Ur也为此值。
在QF1重合闸前,线路上的残余电荷将通过线路泄漏电阻入地,使线路残余电压Ur按指数规律下降,经无电流间隔时间
后,QFl重新合闸,假设此时残压Ur已降低了30%,即
危险的状况是重合闸时刻电源电压恰好与线路上的残余电压反极性,且为蜂恒―Em,这时电源电压将通过变压器及线路电感对线路电容充电,其初始值为残压Ur,稳态值为―Em,则重合闸时过渡过程中最大过电压为
如果不考虑线路电容效应和泄漏的影响,则理论上的最大过电压为3Em.由于在重合闸
时,电源电压不一定恰好是最大值,电源电压也不一定和线路上的残压反极性,因此过电压低Umax值。
3.限制合闸过电压的措施
由于空载线路上的操作过电压是在工频稳态电压的基础上由振荡产生,因此限制此过电压的措施主要考虑两个方面:
降低线路的工频稳态电压分量;
限制其自由电压分量。
①降低工频稳态电压目前超高压线路中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置SVC,其主要作用是降低因电容效应引起的工频电压升高。
②断路器装设并联电阻空载线路重合闸过电压的大小与R值的关系呈一条V形曲线,在某一适当的电阻下,可将合闸过电压限制到最低。
③装设避雷器在线路首端和末端装设磁吹避雷器、复合式避雷据或氧化锌避雷器作为后备保护措施,当出现较高的过电压时,应能可靠动作,将过电压限制到允许范围内。
④同步合闸(或选相合闸)通过专门的装置控制断路器在两端电位同极性,甚至要求在触头间电位差接近零时完成合闸操作,从而基本消除暂态过程,大大降低了合闸过电压。
⑤消除线路上的残余电荷在线路侧接电磁式电压互感器,可在几个周波内.将全部残余电荷通过互感器泄放掉,由于降低了线路的残余电压,从而限制了过电压。
操作过电压是由电力系统中断路器操作和各种故障产生的过渡过程引起的。
操作过电压不同于工频过电压升高,应了解工频过电压产生的原因,强阻尼以及持续时间短等特点。
限制操作过电压对降低电力系统绝缘水平起着重要的作用,尤其是在超高压系统中,操作过电压已成为决定电网绝缘水平的重要依据。
本节应了解和掌握操作过电压的种类和特性,以及限制操作过电压都采用了哪些措施。
第五节电力系统接地
电力系统和电气设备的接地按共作用可分为保护接地、防雷接地和工作接地三类。
(1)保护接地为了保证人身安全,将电气设备在正常情况下不带电的金属部分,如电气设备的外壳或构架与大地连接。
保护接地要满足当设备绝缘损坏使外完带电时,外壳电位应在安全值以下,以免出现触电事故。
此外,还要防止接触电压和跨步电压威胁人身安全。
(2)防雷接地是一种专门传导雷电流的工作接地,如避雷针、避雷线、避雷器的接地等。
防雷接地要求能保证雷电流顺利地导入大地,减小雷电流通过时的对地电位升高。
(3)工作接地为了保证电气设备在正常与事故情况下可靠运行,将电力系统的某一点与大地连接,如电力系统的中性点直接接地或经消弧线圈接地等。
上述三类接地的基本概念是相同的,而且在工程中也常常互有联系。
(一)接地装置及对接地电阻的要求
1.接地装置
接地是用接地装置来实现的,接地装置由接地体和接地线组成。
埋在地中与大地接触的
金属导体或金属导体组称为接地体。
电气设备朗接地部分与接地体连接用的金属导线称为接
地线。
工程实用的接地装置主要是由扁钢、圆钢、角钢或钢管组成。
人工接地体分为水平接地体和垂直接地体。
根据接地装置的敷设地点不同,又分为输电线路接地和发电厂、变电站接地。
高压输电线路在每一杆塔下都应敷设接地装置,并通过引线与避雷线相连,其目的是使击中避雷线的雷电流通过较低的接地电阻泄人大地。
高压线路杆塔都有温凝土基础,它也起着接地体的作用,称为自然接地。
大多数情况下仅依靠自然接地体是不能满足要求的.需要装设人工接地装置。
发电厂和变电站内集中了最重要的电气设备,如发电机、变压器、断路器等,需要有良好的接地装置,综合满足工作、安全和防雷保护的接地要求,一般的作法是敷设一个统一的接地网。
2对接地电阻的要求
当电气设备绝缘损坏发生接地时,接地电流
通过接地体以半球形散流于周围的土壤中,由于
土壤有一定的电阻率,所形成的散流电阻就是接
地电阻。
半球形的表面积距接地体愈远而愈大,
根据电阻值与面积的关系,与此相应的散流电阻
也愈远愈小。
接地电阻的散流场和地面电位分布
如图4-9-16所示。
在接地处电阻最大,电位最高;
离接地点愈远,电位愈低。
在距接地体15~20m
以外的地方,这个电阻实际上接近于零,该处的
电位亦趋于零。
通常将电位等于零的地方称为电
气上的“地”。
而电气设备的接地部分与零电位之
间的电位差则称为接地时对地电压,即图4-9-16图4-9-16接地电阻在地中的散流情况
中的UE。
和地表面个电位分布(单位:
m)
接地电阻值应等于接地电流经接地体散流
于周围土壤中时所遇到的散流电阻、接地体本身的电阻和接地线电阻之和。
由于金属导体电阻很小,可以忽略接地体和接地线的电阻,则接地电阻应为接地装置对地电压与通过接地体流入地个电流的比值:
(4-9-15)
接地电阻的数值与接地体的材料类别无关,但与接地体的形状、尺寸、布置方式,特别是与土壤的电阻率有关。
根据接地目的的不同,工作接地、保护接地和防雷接地所要求的接地电阻也不同。
工作接地的接地电阻应保证在电力系统的工作电流或接地故障电流流经接地装置时,对地电位升高不超过规定值,接地电阻一般为0.5~5Ω;
保护接地的接地电阻应保证故障电流能使相应的保护装置动作或使设备外壳电位在安全值以下,其值一般为1~10Ω;
防雷接地的接地电阻主要由过电压保护的需要决定,其值一般为4~30Ω。
在某些情况下,这三种接地很难分开。
对发电厂和变电站来说,由于电源、各种电气设备都处于同一接地网中,所以除独立避雷针外,工作接地、保护接地和防雷接地是合为一体的接地装置。
发电厂、变电站接地网的接地电阻主要根据工作接地的要求决定。
对大接地短路电流系统,单相接地时,继电保护动即可将故障迅速切除,但是,由于接地电流大,在故障切除前的时间里,接地电压可达到很高数值。
运行经验表明,但相接地时,如接地网电压不超过2000V,人身和设备是安全的,接地电阻可按下式选择
(4-9-16)
式中
为经接地装置流入地中的短路电流周期分量的起始值。
>4000A时,可取
对小接地短路电流系统,当发生单相接地故障时,继电保护通常作用于信号而不切除故障,接地装置上的电压存在时间较长,运行人员也就有可能在此期间内触及到设备外壳,所以应当限制接地电压。
当接地装置仅用于高压设备时,应满足
V,即
(4-9-17)
当接地装置为高低压设备共用时,考虑到人与低压设备接触的机会更多,接地电阻应按下式选择
(4-9-18)
一般在小接地短路电流系统中,
不宜超过10Ω。
(二)保护接地
1保护接地的作用
降低触电时流过人体的电流值的有救措施是采用保护接地,就是将所有在运行中人们可
能接触到的电气设备的金属外壳和电气装置中的金属构架与地连接。
图4-9-17示出了保护接地的作用。
图(a)为没有采用设备外壳保护接地时,当设备绝缘损坏后,人触及外壳即与故障相的对地电压接触;
图(b)为在有了保护接地后,当发生故障时,如果人触及设备外壳,接地电流IE将同时沿着接地体和人体流过,流过人体的电流Ib为
(4-9-19)
式中Rb为人体的电阻;
RE为接地装置的电阻。
由式(4-9-19)可知,接地装置的电阻RE越小,通过人体的电流Ib越小,因而,只要适当选择RE,即可免除人触电的危险。
2接触电压和跨步电压
由图4-9-16可看到,当发生接地故障时,由于电流场内各点的电位分布不同,当人用手接触故障设备时,手处于最高电位UE,脚站立处的电位为U,加于手和脚之间的电压称为接触电压Utou。
通常按人距设备0.8m处,手触设备离地面1.8m高所受到的电压来计算
(4-9-20)
当人在故障设备附近行走时,两脚间(相距o.8m)形成电位差,称为跨步电压
(4-9-21)
人体所能耐受的接触电压和跨步电压的允许值与通过人体的电流值、持续时间、地面土壤电阻率及电流流经人体的途径等因素有关。
在中性点直接接地短路电流系统中,接触电压和跨步电压的容许值为
(4-9-22)
式中ρ为人的脚所站立地面的土壤电阻率,Ωm;
t为接地电流的持续时间,s。
在中性点不直接接地短路电流系统中,接触电压和跨步电压的容许值可用
(4-9-23)
图4-9-17保护接地的作用原理
(三)防雷接地
1.防雷接地的特点
防雷接地是为了将雷电流导泄入地,如避雷针、避雷器、避雷线均必须有良好的接地。
接地装置的接地情况良好与否,对接地电阻的大小和防雷性能有直接的影响。
防雷接地与保
护接地、工作接地既有许多共同之处也有其不同点。
防雷接地的特点主要是由雷电流的特点决定的。
雷电流的特点是幅值大且等值频率高。
由于雷电流的幅值远大于一般常见的短路电流数值,就会使地中的电流密度增大,因而在接地装置附近的土壤中产生了很高的电场强度,可用下式表示
(4-9-24)
式中δ为雷电流(冲击电流)在土壤中的密度;
ρ为土壤电阻率。
在靠近接地体处,由于冲击电流很大,土壤中的电场强度更高,当超过土壤击穿场强时将产生电弧,火花放电,此部分土壤的电阻率下降,其效果相当于增大了接地体的尺寸。
因此,同一接地装置在流过幅值很高的冲击电流时的冲击接地电阻Rm小于流过工频电流时的工频接地电阻R,这种现象称为火花效应。
图4-9-17中的D表示火花击穿区域。
在实际工程中,当遇到土壤电阻率很高时,需要采用伸长接地体的办法,这种情况下要考虑接地体本身的电感。
当工频电流流经接地装置时,由于电流频率不高,接地装置本身的电感很小,可不考虑。
但是,当冲击电流流经接地装置时,由于
很大,接地装置本身电感的影响就不能忽略了。
对一个较长的接地体,由于其分布电感的影响,当电流变化较快时,各点的对地电位将不一样,此时冲击电流在接地体全部长度上的电流扩散密度是不相同的,接地体没有得到充分利用,使冲击电阻值高于工频电阻值,通常称这种情况为电感效应。
接地体的长度愈长,电感效应愈显著,冲击电阻增加愈多。
为了得到在冲击电流作用下较好的接地效果,一般对伸长接地体的长度有一定的限制。
综上所述,同一接地装置在冲击电流和工频电流下,将有不同的阻抗,通常用接地系数。
αm表示两者的差异
αm与接地体的几何尺寸、雷电流幅值、土壤电阻率等有关。
对尺寸较短的接地体,如长度为2~3m的管子或扁钢,其值一般小于1;
对伸长接地体,因电感效应明显,αm值可能大于l。
2.单个接地体和复式接地装置的冲击电
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- 关 键 词:
- 电力系统 接地