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淺析間歇性弧光接地過電壓的產生原因及其預防措施

2013-12-31 00:00:00陸杰
科技創新與應用 2013年31期

摘 要:文章一方面分析了間歇性弧光接地過電壓的產生原因,另一方面探討了解決間歇性電弧過電壓措施,對實際配電線路運行維護有一定指導意義。

關鍵詞:間歇性電弧;間歇性電弧;過電壓

1 引言

改革開放后,伴隨著中國經濟的高速增長,對各類電力設施數量的需求越來越多,現有的配電線路數量已經跟不上經濟發展需求的節奏,因此,為了跟上社會主義現代化的腳步,我國開始全面更新改造城網和農網。然而作為影響中性點不接地電網系統的主要事故原因,以間歇性弧光過電壓為主的線路接地問題并未引起足夠的重視。因此,有必要對間歇性弧光接地過電壓產生原因進行研究,并制定出相應的預防措施。

2 間歇性弧光接地過電壓的分析

目前,我國電力系統的運行方式按照中性點連接方式可以分為三種,分別是中性點直接接地、中性點不接地和中性點經阻抗接地。其中,電壓在110kV以上的輸電線路多為中性點直接接地,單相接地一旦發生,故障產生相會直接接地,相當于單相短路。因單相短路發生時,電流急劇增大,進而觸發動作繼電保護裝置,驅動斷路器使單相短路線路剔除出輸電線路,因此不會產生間歇電弧,更不會有弧光過電壓產生。而對于那些中性點非直接接地的輸電線路,單相接地一旦發生,間歇性電弧會在接地故障點處產生,其產生過程如圖1所示。

以A相電發生單相接地為例,A相、B相和C相電源的電壓分別為ea、eb、ec,ijd為工頻電流,A相、B相和C相對地電壓分別為 Ua、Ub、Uc,其波形關系如圖l所示。假設A相電壓對地閃絡發生在其幅值-Uxg處,那么B相和C相對地電容的初始電壓應為其幅值的一半,即0.5Uxg。因A相電壓發生接地故障,B相和C相對地電壓值將會有所改變,其所達到的穩態瞬時值一般為1.5Uxg。所以,在B相和C相對地電壓升高至穩態瞬時值這一過程中可達到的最大電壓為:

Umax=2×1.5Uxg-0.5Uxg=2.5Uxg

B相和C相對地電壓達到最大電壓后會很快衰減,最終以線電壓大小穩定運行。相比于Eii',通過接地點的工頻電流相位滯后90°。當經歷整個工頻周期的一半時,即達到t1時,B、C相電壓變為-1.5 Uxg,ijd值為零,電弧會自動熄滅,即完成工頻熄弧。但處于斷弧瞬間時,因B、C相電壓均為-1.5 Uxg,而A相電壓缺為零,因此電網中會儲存電荷,其電荷量為q=2C0(-1.5Uxg)=-3C0Uxg。儲存的電荷無法釋放出去,只能加載在三相對地電容間,進而在電網中產生直流電壓分量,其數值大小為q/3C0=-Uxg。因此,工頻熄弧后,導線對地穩態電壓由兩部分構成,分別為各相電源電勢和直流電壓分量-Uxg。斷弧后瞬間,B、C相的電源電勢為-0.5Uxg,疊加結果為-1.5Uxg;而A相電源電勢Uxg,與直流電壓分量-Uxg疊加后數值為零。所以,斷弧后瞬間,A、B、C三相電壓的初始值均與瞬態值相同,不會出現各相對地電壓值改變的情況。之后, 再經歷半個工頻周期,即達到t2時,B、C相對地電壓會升至-2Uxg。此時弧光可能重燃,B、C相電壓-0.5Uxg趨于線電壓的瞬時值1.5Uxg,之后再衰減至線電壓運行。往后每隔半個工頻周期依次發生熄弧和重燃,故障相最大過電壓Uam=2Uxg,非故障相最大過電壓Ubm=3.5Uxg。

通過上述分析可以發現,過電壓最大值在很大程度上取決于電弧的熄滅與重燃的時間。10kV供電線路發生間歇性孤光過電壓可高達30kV,并且過電壓頻率會遠超工業用交流電頻率,過電壓擴散性之強,極易導致設備絕緣損壞。

3 解決間歇性電弧過電壓措施

3.1 裝設避雷器

在10kV母線裝設避雷器限制間歇性電弧接地過電壓。考慮到間歇性電弧過電壓的幅值、變化過程和分布規律,實際中產生的約占50%左右的間歇性接地過電壓不會使避雷器動作,所以采取這種方法也不能徹底解決間歇性電弧過電壓。

3.2 中性點經消弧線圈接地

目前,我國10kV-50kV等級電網普遍采用中性點經消弧線圈接地以限制孤光過電壓,其原理如圖2所示。正常情況下,中性點電位為零,消弧線圈無電流通過。以C相發生金屬性接地為例,那么消弧線圈兩端電壓為地對中性點電壓Uc,并有電感電流IL通過消弧線圈和接地點,IL滯后于Uc90°。接地點通過的電流是單相接地電容電流Ic(超前于Uc90°)和消弧線圈的電感電流IL的向量和。因IL和Uc相位相差180°,因此在接地點IL和Ic起相互抵消作用,所以,若能合理選擇消弧線圈電感,能夠降低接地點的電流值。為此,國內優先采用消弧線圈接地補償裝置,可將消弧線圈的脫諧度限制在5%~10%,可以將過電壓限制在3倍相電壓以下。

3.3 中性點加裝電阻

利用中性點經電阻接地能夠抑制間歇性弧光接地過電壓。電阻的加裝類似于消弧線圈加裝方法。目前,一些電網采取中性點加裝非線性電阻的方式,在有效抑制孤光過電壓的同時,還具備發生單相接地故障不影響,此外,采用中性點經非線性電阻接地方式,一旦發生單相接地,對設備的短路沖擊非常小。

3.4 其他方法

解決防止產生間歇性弧光接地過電壓的一種新途徑是:結合配網自動化,大量使用微機消諧小電流接地選線綜合裝置,及時發現接地線路,并利用故障測距裝置,盡快發現和消除接地現象。目前,我國在電容電流的補償方面研究較多,其具體原理為:由于故障線路與正常工作線路相比,兩者電流方向相反,一旦線路出現接地故障,可以從接地電流最大的三條線路中按照其接地電流方向的不同,判斷出故障線路。針對加裝消弧線圈的線路,可以通過五次諧波電流相位和幅值來確定出故障線路。

4 結束語

隨著國民經濟和國家現代化進程的迅猛發展,使得在城市化建設中需要越來越多的電力線路,通過掌握間歇性弧光接地過電壓的產生原因,并有針對的實施預防措施,對于保障配電線路平穩運行而言至關重要。

參考文獻

[1]李佳新,王國偉.淺談10kV配網小電阻接地過電壓產生原因及其防治措施[J].中國水利水電技術應用,2011,(8);187-188.

[2]張東凱,王文楷.淺析非有效接地配電網單相電弧接地故障的建模及其仿真分析[J].東北電力大學校報,2013,(03);167-168.

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