第三章單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程

1、第三章第三章 單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程(OK)第一節(jié) 引 言第二節(jié) 單相接地暫態(tài)過(guò)程第三節(jié) 單相電弧接地過(guò)電壓第四節(jié) 結(jié)論第一節(jié)第一節(jié) 引引 言言 在第二章 “ 諧振接地原理 ” 中 , 我們主要分析了補(bǔ)償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí) , 電壓和電流等在工頻狀態(tài)下的變化規(guī)律。 運(yùn)行中的補(bǔ)償電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障的瞬間 , 消弧線圈的電感電流在對(duì)電網(wǎng)接地電容 電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中 , 故障點(diǎn)的接地電流中既存在著工頻分量 , 也存在著高頻振蕩等分量。接地電弧可能在高頻電流過(guò)零時(shí)、也可能在工頻電流過(guò)零時(shí)熄滅 , 只要熄弧峰壓低于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度即可。 本章討論接地電容電流、補(bǔ)償電感電流和接地

2、故障電流的暫態(tài)特性,以及它們?cè)诮拥仉娀∠邕^(guò)程中的作用，伴隨著這一暫態(tài)過(guò)程而產(chǎn)生的電弧接地過(guò)電壓 。第二節(jié)第二節(jié) 單相接地暫態(tài)過(guò)程單相接地暫態(tài)過(guò)程 當(dāng)補(bǔ)償電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間 , 流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)的電容電流和 暫態(tài)的電感電流兩部分組成。由于兩者的頻率和幅值顯著不同 , 在暫態(tài)過(guò)程中就不能互相補(bǔ)償。此時(shí) , 在工頻電壓條件下導(dǎo)出的殘余電流、 失諧度和合諧度等的概念不能應(yīng)用。 一、等值回路在補(bǔ)償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障的瞬間 ,可利用圖 3-1 中的等值回路 , 分析流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)電容電流、暫態(tài)電感電流和暫態(tài)接地電流。 圖 3-1 中的等值回路適用于分析補(bǔ)償電網(wǎng)中各種單相接地故

3、障瞬間的暫態(tài)過(guò)程。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時(shí) , 圖中的 R0和 L0。可根據(jù)三相 線路和電力變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 , 同時(shí)暫態(tài)接地電流最大 , 情況最為嚴(yán)重。此時(shí)可以不考 慮故障點(diǎn)的接地電阻和弧道電阻 , 零序回路的參數(shù)也最容易確定 , 而且所得結(jié)果是足夠準(zhǔn)確 的。故以下我們主要分析單相金屬接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程。 二、暫態(tài)電容電流 在分析電容電流的暫態(tài)特性時(shí) , 因其自由振蕩頻率一般較高 , 考慮到消弧線圈的電感 LL0, 故圖 3-1 中的 rL 與 L 支路可以認(rèn)為開(kāi)路。這樣 , 利用 L0、 C 、 R0 組成的串聯(lián)回路和作 用于其上的零序正弦電源電壓 u0, 便可確定暫態(tài)的電容電流iC。根據(jù)圖

4、 3-1 不難寫出下面的微分方程式 : 當(dāng) 時(shí) , 回路電流的暫態(tài)過(guò)程具有周期性的振蕩及衰減特性；當(dāng) 時(shí) , 回路電流則具有非周期性的振蕩衰減特性 , 并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。0001sin()tCCCmdiR iLi dtUtdtC002LRC002LRC 通常架空線路的波阻抗為250500 , 同時(shí) , 故障點(diǎn)的接地電阻一般較小 , 弧道電阻又常可忽略不計(jì) , 一般都滿足 的條件 , 所以 , 電容電流具有周期性的衰電容電流具有周期性的衰減振蕩特性減振蕩特性 , 其自由振蕩頻率一般為 3001500Hz 。 電纜線路的電感遠(yuǎn)較架空線路為小 , 而對(duì)地電容卻較后者大許多倍 , 故電容電流暫態(tài)過(guò)程

5、的振蕩頻率很高 , 持續(xù)時(shí)間很短 , 其自由振蕩頻率一般為 1500 3000Hz。002LRC 因?yàn)闀簯B(tài)電容電流iC是由暫態(tài)自由振蕩分量 和穩(wěn)態(tài)工頻分量 兩部分組成的 , 利用 t=0 時(shí) 這一初始條件和 的關(guān)系 , 經(jīng)過(guò)拉氏變換等運(yùn)算可得:式中: 為相電壓的幅值 ; 為電容電流的幅值 ; 為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率 為自由振蕩分量的衰減系數(shù) , 其中的 為回路的時(shí)間常數(shù)。.C osi.C sti.0C osC stiiCmmIUCmUCmI.(sinsincossin)cos()ftCC osC stCmfiiiItt etf0012CRLC 例，在電容電流 Ic = 25.6A 的 35

6、kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中 , 接地電容電流的實(shí)測(cè)示波圖如圖 3-2 所示。 實(shí)測(cè)結(jié)果表明 , 電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、大小和運(yùn)行方式不同時(shí) , 會(huì)引起暫態(tài)過(guò)程的改變。中壓電 網(wǎng)的自振頻率的變化范圍一般為 3003000Hz。線路越長(zhǎng)時(shí),自振頻率越低 , 暫態(tài)電容電流 的自由振蕩分量的幅值也會(huì)降低,同時(shí),自由振蕩自由振蕩的持續(xù)時(shí)間一般也會(huì)減少至半個(gè)工頻周的持續(xù)時(shí)間一般也會(huì)減少至半個(gè)工頻周波左右波左右。因?yàn)殡娋W(wǎng)的自振頻率一般較高,而且衰減較快 （ ）， 所以 , 最大電流幅值最大電流幅值 存在的時(shí)間就相當(dāng)短暫存在的時(shí)間就相當(dāng)短暫了。了。 1.5 2.0C三、暫態(tài)電感電流根據(jù)圖 3-1 不難寫出下列微分方程式

7、: （3-12）式中:W為消弧線圈相應(yīng)分接頭的線圈匝數(shù); L 為消弧線圈鐵心中的磁通。 磁通L的方程式： （3-13）sin()LmL LDUtiWdtcos()cos()LtLstLetZd=r= 化簡(jiǎn)后可得： （3-14） 暫態(tài)電感電流的表達(dá)式： （3-15）coscos()LtLstewtcoscos()LtLLmiIewtt= t= 理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,電感電流暫態(tài)過(guò)程的長(zhǎng)短與接地瞬間的電壓相角、鐵心的飽和程度同時(shí)有關(guān)。 若 ,則電感電流的 直流分量較大,時(shí)間常數(shù)較小,大約在一個(gè)工頻周波之大約在一個(gè)工頻周波之內(nèi)便可衰減完畢。內(nèi)便可衰減完畢。 若 , 則暫態(tài)直流分量較小,時(shí)時(shí)間常數(shù)增

8、大間常數(shù)增大, ,一般為一般為 2-32-3周波，有時(shí)可持周波，有時(shí)可持續(xù)續(xù)3-53-5周波可衰減完畢周波可衰減完畢. . 其交流分量頻率和工頻相同。其交流分量頻率和工頻相同。 0/2四、暫態(tài)接地電流 暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成,其特性隨兩者的具體情況而定。它們的頻率相差懸殊,故兩者不可能互相補(bǔ)償。所以,工頻狀態(tài)下關(guān)工頻狀態(tài)下關(guān)于殘流、失諧度和合諧度等概念于殘流、失諧度和合諧度等概念, ,在分析在分析暫態(tài)問(wèn)題時(shí)均不能應(yīng)用。在暫態(tài)過(guò)程的暫態(tài)問(wèn)題時(shí)均不能應(yīng)用。在暫態(tài)過(guò)程的初始階段初始階段, ,暫態(tài)接地電流的特性主要由暫暫態(tài)接地電流的特性主要由暫態(tài)電容電流的特性所確定。態(tài)電容電

9、流的特性所確定。 暫態(tài)電流持續(xù)1-3個(gè)工頻周波，消弧線圈應(yīng)該快速動(dòng)作，以補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流！ 關(guān)于暫態(tài)接地電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式,可由式 (3-2) 和式 (3-15) 導(dǎo)出,其值為： （3-21） 式 (3-21) 中的第一項(xiàng)為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，等于穩(wěn)態(tài)電容電流和穩(wěn)態(tài)電感電流的幅值之差；其余為接地電流的暫態(tài)分量,其值等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感電流的暫態(tài)直流分量之和。 ()cos()(sinsincoscos)cosCLdCLCmLmttfCmfLmiiiIIwtwIwtw t eIew 綜合以上分析可知，當(dāng)單相接地故障發(fā)生后,在故障點(diǎn)便有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減較慢的暫態(tài)電感電流

10、流過(guò)。不論電網(wǎng)的中性點(diǎn)為諧振接地或不接地方式,暫態(tài)接地電流的幅值和頻率均主要由暫態(tài)電容電流所確定 , 其幅值同時(shí)和零序電壓的初始相角有關(guān)。利用其首半波的極性與零序電壓首半波的極性之間的固定關(guān)系, 可以選出故障線路。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大,可是持續(xù)時(shí)間很短,約為 0.5 - 1 0.5 - 1 個(gè)工頻周波個(gè)工頻周波,一般不會(huì)對(duì)接地電弧的熄滅帶來(lái)多少影響。 至于暫態(tài)過(guò)程中的電感電流,其直流分量的初始值與零序電壓的初始相角、鐵心的飽和程度同時(shí)有關(guān)。暫態(tài)電感電流的頻率與工頻相等,持續(xù)時(shí)間一般可達(dá) 2-3 2-3 個(gè)個(gè)工頻周波工頻周波。 一般說(shuō)來(lái),暫態(tài)接地電流的大小對(duì)接地電弧的熄滅不起決定性作用。但

11、是,在電弧熄滅過(guò)程中出現(xiàn)的重燃現(xiàn)象,會(huì)引發(fā)電弧接地過(guò)電壓。由于諧振接地方式可以有效地減少接地電弧的重燃現(xiàn)象,因此對(duì)此類過(guò)電壓具有顯著的抑制作用。 第三節(jié)第三節(jié) 單相電弧接地過(guò)電壓?jiǎn)蜗嚯娀〗拥剡^(guò)電壓 在電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式發(fā)展的歷程中,由于擔(dān)心因工頻電壓升高引起絕緣擊穿,而采用過(guò)中性點(diǎn)直接接地方式；后來(lái)因線路跳閘頻繁,遂改為不接地方式運(yùn)行。但是,當(dāng)電網(wǎng)的接地電容電流達(dá)到某一臨界值時(shí) , 接地電弧就難于瞬間自行熄滅,特別是由此產(chǎn)生的間歇性電弧接地過(guò)電壓,作用時(shí)間一般較長(zhǎng),且遍及整個(gè)電網(wǎng),在一定條件下容易造成事故。 一、理論分析 對(duì)電弧接地過(guò)電壓的研究是從中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)開(kāi)始的。1917 年德國(guó)彼

12、得生（w. Petersen) 首先奠定了此種過(guò)電壓的理論基礎(chǔ) , 1923 年美國(guó)彼得 (J. F. Peters) 和斯列賓 (J. Slepian) 又提出了新的理論,1957年前蘇聯(lián)別列柯夫在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了研究,使電弧接地過(guò)電壓理論進(jìn)一步完善。 1. 彼得生理論 當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí),若不考慮泄漏電阻、振蕩電壓的衰減和相間電容的影響,則中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的等值接線圖如圖 3-5 所示。 假定故障相A在工頻電壓最大值發(fā)生絕緣擊穿；忽略弧道電阻,近似為金屬接地；且故障點(diǎn)的接地電弧在暫態(tài)高頻振蕩電流通過(guò)第一個(gè)零點(diǎn)時(shí)熄滅。此時(shí),非故障相上的自由電荷將沿三相對(duì)地電容重新分布,于是在各相上便產(chǎn)生了

13、同等的位移電壓udv；此后,每經(jīng)過(guò)0.5 個(gè)工頻周波,接地電弧重燃一次,由于非故障相上積聚的自由電荷不斷增多,位移電壓逐步升高,于是非故障相上的暫態(tài)過(guò)電壓,隨著接地電弧重燃次數(shù)的增多,一次比一次升高。 2. 彼得和斯列賓理論 彼得和斯列賓也假定故障相在工頻電壓最大值時(shí)發(fā)生絕緣擊穿,接地電弧隨之產(chǎn)生；但其熄滅不是在振蕩電流過(guò)零,而是在工頻電流過(guò)零時(shí)發(fā)生。3. 別列柯夫理論 別列柯夫根據(jù)在610kV系統(tǒng)中的多次實(shí)測(cè)和試驗(yàn)室中的模擬試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,單相接地電孤的熄滅與重燃,和流過(guò)故障點(diǎn)的電流特性密切相關(guān)，不論是高頻振蕩電流還是工頻電流過(guò)零時(shí)熄弧,只要由回路電感和電流陡度所決定的熄弧峰壓小于弧道介質(zhì)的恢

14、復(fù)強(qiáng)度,接地電弧便不會(huì)發(fā)生重燃。這樣,通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)便可正確確定電孤接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓。 綜上可知,對(duì)電弧接地過(guò)電壓理論的研究,在上世紀(jì)50年代后期就已臻完善,理論上的最高過(guò)電壓不超過(guò) 。 實(shí)際上,即使在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,出現(xiàn)超過(guò) 過(guò)電壓的概率也是相當(dāng)?shù)偷?；相?duì)而言,在諧振接地系統(tǒng)中,這個(gè)概率就更低了。3.5 . .pu3.0 . .pu二、國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)結(jié)果 先后在國(guó)內(nèi)6110kV接地電容電流為5125A的中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中,進(jìn)行了大量的人工電弧接地試驗(yàn)和過(guò)電壓測(cè)量主要包括：針式絕緣子和懸式絕緣子的沿面閃絡(luò);羊角間隙、棒間隙、短間 隙和油中間隙的絕緣擊穿;長(zhǎng)距離干、濕木質(zhì)絕緣的

15、沿面閃絡(luò)等情況下的電孤接地暫態(tài)過(guò)電壓測(cè)量; 配電變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿引起的電孤接地過(guò)電壓等。 此外,加上后來(lái)從全國(guó)電力系統(tǒng)中搜集到的自動(dòng)記錄和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,再加上多年的積累, 共計(jì)數(shù)百個(gè)電弧接地暫態(tài)過(guò)電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。上述這些試驗(yàn)研究結(jié)果表明,到目前為止,超過(guò) 的電弧接地暫態(tài)過(guò)電壓僅有極少數(shù)幾次,其中最高的一次為 ，其峰值作用時(shí)間尚不及2ms,詳見(jiàn)示波圖。3.4 . .pu3.0 . .pu最高電弧接地過(guò)電壓示波圖（高壓實(shí)驗(yàn)室）2. 國(guó)外實(shí)測(cè)結(jié)果 國(guó)外很早便開(kāi)始了在電力系統(tǒng)中的電孤接地過(guò)電壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和研究工作。1930年,貝爾格在康東蘇黎士電力公司 (Kenton Zurich EI.Su

16、pply Company)的8.6kV系統(tǒng)中進(jìn)行了近千次試驗(yàn),故障相和非故障相的暫態(tài)過(guò)電壓分別不超過(guò)1.8p.u.和3.5p.u.。 1931年,伊登（J.R.Eaton)、潘克（J.K. Peck)和鄧罕姆（J.M.Dunham)在一個(gè)75kV、30Hz,線路長(zhǎng)度為2.4216km的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,利用沖擊電壓發(fā)生器引弧,點(diǎn)弧和熄弧均為工頻基波,未發(fā)現(xiàn)積累現(xiàn)象,最高的暫態(tài)過(guò)電壓為2.6p.u.。 1941年真納在一個(gè)44kV、885km、中性點(diǎn)經(jīng) 136 電阻接地的系統(tǒng)中,4 年內(nèi)自動(dòng)記錄到 735 個(gè)中性點(diǎn)電流示波圖；其中只有 45 次出現(xiàn)電弧重燃現(xiàn)象,所測(cè)得的暫態(tài)過(guò)電壓為2.22.4

17、p.u.。 莫斯科的6kV、高里夫斯基發(fā)電廠的13kV電纜系統(tǒng)和基洛瓦巴德6kV、瑞士的45kV、美國(guó)的75kV等架空線路系統(tǒng),實(shí)測(cè)的電孤接地暫態(tài)過(guò)電壓的最高值,兩類系統(tǒng)分別為3.01p.u.及3.1p.u.,其余的均低于3.0p.u.。 總之,國(guó)內(nèi)、外電力系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的電弧接地暫態(tài)過(guò)電壓,極少達(dá)到或超過(guò)3.2p.u.。諧振接地系統(tǒng)中的電弧接地暫態(tài)過(guò)電壓,在消弧線圈調(diào)諧良好的情況下,一般不超過(guò)2.5p.u.；而瞬間熄弧的情況下不超過(guò) 2.3p.u.。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)中,最高不超過(guò)2.5p.u.。 但從過(guò)電壓出現(xiàn)的概率方面考慮, 根據(jù)上述以2.0p.u.作參考值的

18、統(tǒng)計(jì),中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,出現(xiàn)此值及以上過(guò)電壓的概率為64%；電阻接地系統(tǒng)為34%；諧振接地系統(tǒng)僅為5%。顯然,相同倍數(shù)過(guò)電壓出現(xiàn)的概率越高,則越加危險(xiǎn)。三、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 1.絕緣弱點(diǎn)容易擴(kuò)大事故 各種電氣設(shè)備的使用壽命是有限的。 在長(zhǎng)期運(yùn)行中,由于內(nèi)部和外部的各種原因,難免會(huì)出現(xiàn)一些局部的絕緣弱點(diǎn)。多年現(xiàn)場(chǎng)事故分析經(jīng)驗(yàn)表明,絕緣弱點(diǎn)的存在是發(fā)生擴(kuò)大事故的更加直接的原因。 電力系統(tǒng)中有大量的充油電氣設(shè)備,若外殼密封不嚴(yán)或呼吸器不良,油面與空氣直接接觸導(dǎo)致潮氣侵入, 油和油浸的木質(zhì)或膠木絕緣便會(huì)受潮,使泄漏電流增大。當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)某處發(fā)生單相接地故障時(shí),即使過(guò)電壓不高, 油箱內(nèi)的部件也可能會(huì)發(fā)生閃絡(luò)或擊穿

19、,導(dǎo)致事故的發(fā)生。 真空與充氣的電器,因密封破壞、真空度下降或內(nèi)部受潮,也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象,引起瓷質(zhì)套管內(nèi)壁閃絡(luò),真空斷路器和避雷器爆炸等。 在電纜系統(tǒng)中,接頭是公認(rèn)的絕緣薄弱環(huán)節(jié)。 暴露在空氣中的架空線路,絕緣弱點(diǎn)問(wèn)題就更加明顯了。 了解了電力系統(tǒng)中可能存在的絕緣弱點(diǎn)后,使我們?cè)诳紤]電網(wǎng)安全運(yùn)行問(wèn)題時(shí)清楚地看到,以降低電弧接地過(guò)電壓倍數(shù)為主要目標(biāo)之一的電阻接地方式,其最高的過(guò)電壓仍為2.5p.u.,可見(jiàn)并不能有效地解決問(wèn)題。此外,為了提高電氣設(shè)備的健康水平,應(yīng)當(dāng)積極推行狀態(tài)檢修制度,把絕緣弱點(diǎn)消滅在萌芽狀態(tài)。 2. 高概率過(guò)電壓危險(xiǎn)性較大 欲合理地估價(jià)電弧接地過(guò)電壓的危害性,除了考慮過(guò)電壓的幅值外,尚需進(jìn)一步了解并顧及過(guò)電