CN208046228U - 中性点可变电阻接地系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的中性点可变电阻接地系统克服了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和经高电阻接地方式的缺点，保留了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和经高电阻接地方式的优点，实现了以往任何一套接地装置均不能完全实现的功能，可应用于电力系统和石油、化工、冶金、电气化铁路、矿山、军工、机场、港口、广播电视等所有企业供电系统，及风力、火力、水力及光伏发电联网系统。应用方式，接入变电站各配电电压级中性点或接入人为制造中性点。

Description

中性点可变电阻接地系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统和工业企业供电系统过电压事故防护领域，特别涉及了中性点可变电阻接地系统及运行方法。

背景技术

长期以来，工业企业供电系统和部分电力系统因谐振过电压、工频与高频弧光接地过电压、系统中性点电位偏移等造成的设备绝缘击穿、短路烧损、跳闸断电事故不计其数，严重时亦导致电缆火灾、设备爆炸或人身伤亡事故，给国家、企业造成了巨大的直接和间接经济损失。综合分析其事故原因与配电网中性点接地方式密切相关，接地方式不同则安全运行效果完全不同。即中性点接地方式不合理，决定了事故的必然性，尤其不利于重要负荷连续供电。因此，配电网中性点接地方式是关系到供电可靠性的重大技术原则问题。

国内配电网目前采用的接地方式110KV系统为直接接地、66KV系统为消弧线圈接地、35KV、10KV、6KV系统为消弧线圈接地或不接地或低电阻接地或高电阻接地。

从供电连续性、可靠性、过电压幅值、对谐振的抑制水平、对高频和工频弧光接地过电压的抑制水平、接地选线的准确性、对通讯的影响和跨步电压与人身安全以及是否发生多点故障发生率、电缆火灾等综合因素比较各种不同接地方式的优缺点如下：

1、中性点不接地系统(中性点经避雷器接地同属于不接地系统)

优点：

①节省接地装置投资

②在工频电容电流和谐波分量较小的系统当发生单相接地时能持续运行一段时间(2小时)

③电网发生单相接地故障时稳态工频电流小如雷击绝缘闪络瞬时故障可自动清除，无需跳闸。

④接地电流小，降低了地电位升高。减小了跨步电压和接触电压；减小了对信息系统的干扰；减小了对低压网的反击等。

缺点：

①弧光接地过电压倍数高，易扩大事故。过电压持续时间长，遍及全网，其接地电弧(工频、高频)均存在多次重燃问题，使过电压与振荡频率持续升高，危害设备绝缘。在小于0.02秒的时间内即可能扩大为多点故障甚至发生电缆火灾。

电弧重燃时的电压幅值和震荡频率随重燃次数的增加而升高。如图1所示，

Ls为电源变压器漏感，Co相对地电容，Ios故障点的振荡电流。

电感和电容构成的振荡回路其振荡频率为：

其过电压Uov＝Ust+Uos

式中：Uov为过电压；Uos为振荡电压；Ust为最后稳定电压

当出现第二次重燃时，振荡频率：

振荡电压幅值：

式中Uosm为振荡电压Uos的幅值

过电压

第三次重燃时：

即接地电弧每经过半个周波再次重燃时，过电压持续升高，直至击穿另一相或两相绝缘，短路烧毁设备为止。

②易发生谐振过电压，且无抑制措施

③受谐波影响大，无抑制措施，加大事故概率

④中性点位移电压偏高，自身无法抑制。

这种接地方式有着节省投资的优点，但其缺点也是致命的，对于谐振过电压和弧光接地过电压无任何限制措施，只能任其发展，使损坏设备、断电停产事故成为必然。

2、中性点经消弧线圈接地

优点：

①中性点经消弧线圈接地与中性点不接地相比是一大进步，可以补偿工频电容电流至较小值的方式减少高幅值过电压发生概率。

②当系统发生单相接地时，能带一点接地持续运行2小时。

③可降低发生分频谐振过电压概率。

缺点：

①绝缘配合裕度低。消弧线圈接地系统的稳态过电压达到3.2PU，与设备的3.5PU的绝缘强度相比，绝缘配合裕度小，故障概率自然较高，如消弧线圈接地系统的诸多绝缘击穿事故即如此；

②无法抑制高频电弧重燃。

间歇性弧光接地过电压主要来自两方面：一是工频电弧重燃；二是高频电弧重燃。对于6～10kv系统而言，当系统对地工频电容电流不超过30A时，一般不产生连续电弧重燃，但高频电流则不同，即使1A电流亦要产生连续电弧重燃，且受谐波相互作用影响，高频电流在重燃过程中会迅速放大，甚至成为主体成分。即消弧线圈只能限制工频电弧重燃而不能限制高频电弧重燃，无法从根本上消除弧光接地过电压，如以往诸多企业消弧线圈接地系统中发生的电弧重燃烧损和击穿绝缘事故；

③对断线谐振过电压抑制效果相对较差，由于大工业企业工艺特点，设备启停操作频繁，每次操作分闸或事故跳闸都产生不同程度的谐振过电压，严重时对系统危害大，如中性点经消弧线圈接地的冶金企业等较高的绝缘击穿事故率即如此；

④对铁磁谐振的抑制效果比电阻接地差；而铁磁谐振和参数谐振是概率较大谐振；

⑤补偿调谐滞后，遇有突发性谐振时失控即谐振频率超过200HZ/S时易死机或失控。

⑥导致电网中性点位移电压高，不利于系统安全，虽然国标技术规范对消弧线圈提出了限制条件，但实际运行中的事故仍时有发生如三相电压不平衡，伤害偏高相绝缘，导致电动机、发电机和电容器故障等；

⑦对系统发生单相接地时，产生的5次零序谐波电流无法限制，只能任其发展；

⑧系统内有谐波时相互影响，当电网谐波达到一定分量时，消弧线圈接地系统发生单相金属接地时的中性点电压U_O必然也包含谐波成分，以A相接地为例，如图2所示，即

U_O＝U_a＝U₁+U₂++···+U_n+···(1-1)

相应的接地电流中必然也包含谐波成分，第n次谐波电流含有率I_cn取决于谐波电压含有率U_n。忽略L₀的影响，I_cn近似值为：

I_cn≈n×U_n(1-2)。

以5次谐波为例，当5次谐波电压含有率U_n为5.0％时，相应5次谐波电流含有率为I_c5≈5×5％＝25％，可见较低含量的谐波电压将产生n倍的较高谐波电流含量。当系统对地电容较大或谐波次数较高时，由于系统阻抗L₀的存在，接地谐波电流会出现比较明显的容升放大现象甚至趋于谐振。

根据式(1-2)计算，在3.5％的5次谐波电压下，5次谐波电流含有率I_c5理论上应为5×3.5％＝17.5％，实测值当对地电容在30μF及以下时为20％左右，与忽略L₀影响的理论值比较接近，但随着对地电容的继续增大，尽管系统背景谐波含量没有增大，但实测谐波电流含量出现明显放大趋势，与忽略L₀影响的理论值偏差越来越大。可见当对地电容较大或谐波次数较高时，不能忽略系统谐波阻抗L₀对谐波的放大作用。

相反，消弧线圈在高频的谐波电压下呈现高阻抗，相应第n次谐波电流含有率I_Ln为I_Ln＝(1/n)U_n(1-3)，即使在U_n＝5％的5次谐波电压下，消弧线圈补偿电流中的5次谐波电流含有率I_Ln仅达到1％，对谐波接地电流的补偿作用可忽略不计。理论及实测表明，消弧线圈对工频接地电流补偿效果良好，但对接地电流中的谐波部分基本没有补偿效果，当电网明显存在谐波时，接地残流以谐波为主，极易超过10A的标准限值，当对地电容较大及谐波污染严重时，残流甚至可超过30A。

由此可见，DL/T 1057-2007标准对接地残流限值为≤10A，一般厂家产品残流限值多为≤5A，电容电流测量误差≤2％。实际上在系统存在谐波的情况下是无法达到的，可能严重超标。

消弧线圈接地系统的工作原理为谐振接地，谐振点接近工频50Hz，其工作原理决定了对高频谐波电流无补偿能力。因此对有谐波的系统明显不适应。

⑨系统负荷增容时不适应，即消弧线圈亦需增容，额外增加备件费用等等。

3、中性点经低电阻接地

优点：

①能将弧光接地过电压将至2.5PU，绝缘配合裕度较好。

②永久性接地时选线准确，可令接地故障线路立即跳闸。

缺点：

①供电连续性较差，单相接地立即跳闸，不利重要负荷的供电连续性；

②因人为加大电流的原因，易将即刻自动消除的瞬时接地演变为跳闸断电。若要延时、则将发生故障点较大的烧损；

③对谐振抑制不彻底，因低电阻为次阻尼或无效阻尼电阻。

4、中性点经高阻尼电阻接地

优点：

①有效限制系统各种谐振过电压；

中性点接入电阻后如图3所示：回路的总压降将变为ΔU′，可写成

即：I,U_L和U_C由R决定，不会趋于无穷大，发挥电阻的阻尼作用，以此破坏谐振条件，使谐振不再发生。

②有效限制间歇性弧光接地过电压幅值至2.5倍相电压以下，当系统发生单相接地时，不扩大事故，防止突发性多点故障引发电缆火灾事故。

③降低电网中性点位移电压；

④发生单相接地故障时，系统可带一点接地运行2小时；

⑤不改变系统继电保护方式；

⑥由于清除了谐振过电压，降低了弧光接过电压幅值，相当于提高了系统设备的绝缘水平，提高系统设备的使用寿命，提高供电可靠性；

⑦适用于系统以后扩容及对地电容电流大范围变化情况，电阻不需要调节；设备简单、可靠、寿命长。

缺点：

①接地选线的选择性相对较差；

②电阻器质量要求标准高，一次性投资略高于其它接地装置；

5、智能动态配电网中性点接地方法与成套装置

CN103208788A公开了一种智能动态配电网中性点接地方法与成套装置，其优点是：

①解决了消弧线圈接地系统接地选线难的问题。通过在消弧线圈回路串接阻尼电阻器并联低值电阻器和动态转换的方法实现接地选线，令接地故障线路跳闸。

电网正常运行时为消弧线圈接地方式，阻尼电阻器和低值电阻器为停运状态，当发生单相接地时，以短延时滤除瞬时接地，当永久性接地时，投入阻尼电阻器和低值电阻器、为变电站零序保护系统提供选线动作条件、令接地故障线路短延时跳闸，之后电阻器退出运行。该方法解决了中性点经消弧线圈接地方式下选线困难问题，是技术上的重大进步。

②可滤除瞬时接地

缺点：

①不利于重要负荷的供电连续性；

电网发生永久性接地经短延时跳闸不利于重要负荷的供电连续性、易造成重要负荷突然断电，进而导致大的损失；

②对谐振过电压的抑制效果相对较差；

该方法是在消弧线圈基础上的改进，电网日常运行时，接地装置的主体仍是消弧线圈，也无法克服消弧线圈自身的大部分缺点。(前述消弧线圈的缺点已说明)对日常运行中发生的谐振抑制效果较高阻尼电阻器效果差，而系统设备绝缘击穿的主要根源来自于谐振，若解决日常运行中的谐振问题仍要依据高阻尼电阻器解决，但消弧线圈无法与电阻器同时运行，若同时运行时消弧线圈失去作用。如该方法在电网发生永久性接地投入电阻器的短时内、消弧线圈退出运行。

③绝缘配合裕度低

中性点经消弧线圈接地系统过电压幅值3.2PU与电阻接地方式的过电压幅值相比，绝缘配合裕度相对较低。该方法与装置只有在永久性接地时转换为小电阻接地方式后的短时间内过电压幅值较低、绝缘配合裕度高、而未发生永久性接地的绝大部分时间包括滤除瞬时接地期间均处于绝缘配合裕度较低的状态下。

综上所述电网中性点各种不同接地方式运行情况比较的不完全统计与调查简要归纳见表1：

表1电网中性点各种不同接地方式运行情况比较表

实用新型内容

本实用新型克服了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和经高电阻接地方式的缺点，保留了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和高电阻接地方式的优点，实现了以往任何一套接地装置均不能完全实现的功能，可应用于电力系统、石油、化工、冶金、电气化铁路、矿山、军工、机场、港口、广播电视等所有企业供电系统，及风力、火力、水力及光伏发电联网系统。应用方式，接入变电站各配电电压级中性点或接入人为制造中性点。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：中性点可变电阻接地系统，包括由第一电阻器(1)、第二电阻器(2)、接地变压器(3)、数字测控装置(4)、第一电流互感器(5)、第二电流互感器(6)、断路器(7)组成，接地变压器(3)与第一电阻器(1)连接，另经过断路器(7)与第二电阻器(2)连接；数字测控装置(4)分别与第一电流互感器(5)和断路器(7)的操作机构连接；第一电阻器与第一电流互感器经过磁路连接，第二电阻器与第二电流互感器经过磁路连接；第一电流器、第二电流互感器安装在箱体内隔板上；断路器安装在箱体底板上。即可在接地时准确选线，令接地时次要负荷立即跳闸，重要负荷作用于信号或长延时后跳闸，减少事故损失及事故风险，所述中性点可变电阻接地装置，所接入的电网正常运行时和接地初始阶段过滤瞬时接地期间，断路器(7)处于分闸状态，第二电阻器(2)，第二电流互感器(6)始终处于停运状态。

进一步地，所述第一电阻器(1)为高阻尼电阻器，其对电容电流的适用范围为I_R：I_c≤1：5.67；第二电阻器(2)为低值电阻器，其电阻值的选择以满足零序保护选择性和减小烧损为原则；断路器(7)为高压真空断路器。

进一步地，数字测控装置(4)为采集、检索、判定与控制中心。包括单片机、芯片、液晶、静态继电器、通讯模块、贴片电气元件和软件，等组成。

当装置接入电网后，电网在正常运行和接地故障处理的全过程中始终处于高阻尼电阻接地方式的保护之下，即正常运行和接地时谐振过电压、工频与高频弧光接地过电压、中性点位移电压始终处于受抑制状态。在这一前提下①所接入的电网系统发生单相永久性接地时，可为变电站零序保护提供灵活的选择条件，区别对待重要负荷与次要负荷的持续运行时间，保持重要负荷的供电连续性。可准确选线，令接地的次要负荷线路及时跳闸，令接地的重要负荷线路带接地持续运行，便于倒换电源或有准备停产，防止重要负荷突然断电造成重大设备损坏或人身伤害或爆炸等重大事故及经济损失。②瞬时接地自动滤除，防止即刻自动清除的瞬时接地演变为跳闸断电。③可减小故障点的烧损，高频电流不进入故障点。

所接入的电网正常运行和判定、滤除瞬时接地及永久性接地故障判定，动态切换等故障处理全过程期间。第一电阻器(1)、第一电流互感器(5)接地变压器(3)数字控制装置(4)始终处于运行状态，以此实现对系统谐振的有效阻尼并抑制谐振过电压、工频与高频弧光接地过电压及中性点位移电压；当电网发生单相接地时数字测控装置(4)通过第一电流互感器(5)采集接地故障电流、判定故障性质，若为瞬时接地则自动滤除，若为永久性接地则发出指令驱动断路器(7)合闸，投入第二电阻器(2)，至变电站零序保护系统准确选线，实现永久性接地故障线路准确选择并跳闸将故障线路与系统隔离，之后数字测控(4)驱动断路器(7)延时分闸。若电网再次发生单相接地时，重复上述检索判定及动作过程。

所述第一电阻器(1)可在电网单相接地情况下持续运行2小时。其电阻器满足在高温状态下运行2小时的条件。电阻值的变换为不间断高阻尼电阻器接地方式下的变换，即第一电阻器(1)在任何工况情况下始终处于运行状态。

对接地故障烧损轻，持续时间短，第二电阻器(低值电阻器)运行时间≤1秒。

本实用新型的有益效果为：克服了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和经高电阻接地方式的缺点，保留了中性点不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地和高电阻接地方式的优点，实现了以往任何一套接地装置均不能完全实现的功能，拓宽了高电阻对电容电流的适应范围，实现即能有效抑制谐振过电压，有效抑制孤光接地过电压至2.5PU以下，有效抑制中性点位移电压，瞬时接地及时滤除、防止瞬时接地跳闸断电，减小故障点烧损；又能在永久性接地时准确选线，次要负荷可作用于立即跳闸，防止健全相绝缘击穿短路，造成系统电压瞬时降低，导致发生整个系统生产线设备因失压脱扣而大范围停产；重要负荷可作用于信号或长延时2小时后跳闸，防止重要负荷突然断电给生产经营造成大的损失或人身伤害；为电力系统、工业企业供电系统，以及对特殊重要负荷提供供电连续性，可靠性技术保障，使整个系统事故包括单相接地故障均大幅度降低，以减少事故损失，提高经济效益和社会效益。

附图说明

图1是中性点不接地系统的等值接线图。

图2是谐波背景下消弧线圈接地系统接地等效图。

图3是有电阻存在的非线性谐振回路。

图4是中性点可变电阻接地装置主接线图。

图5是中性点可变电阻接地装置控制流程示意框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步解释说明。

如图所示，一种中性点可变电阻接地系统，包括由第一电阻器1、第二电阻器2、接地变压器3、数字测控装置4、第一电流互感器5、第二电流互感器6和断路器7及箱等附属元件组成；其中：接地变压器3与第一电阻器1连接，另经过断路器7与第二电阻器2连接；数字控制装置4分别与第一电流互感器5和断路器7的操作机构连接；第一电阻器1与第一电流互感器5经过磁路连接，第二电阻器2与第二电流互感器6经过磁路连接。

系统运行方法为：第一电阻器1在任何工况情况下始终处于运行状态；电网在正常运行时，断路器7为分闸状态、第二电阻器2为停运状态；当系统发生单相接地时，数字测控装置4通过第一电流互感器5采集电流并经短延时后判定接地性质，若为瞬时接地则自动滤除，防止即刻自行清除的瞬时接地演变为跳闸断电；若为永久性接地，则驱动断路器7合闸，之后延时T分闸，为变电站零序保护系统LXn提供选线动作条件，对接地的次要负荷作用于立即跳闸，对接地的重要负荷作用于信号告警，令重要负荷带接地持续运行，便于重要负荷倒换电源后人为操作隔离接地故障点或长延时2小时，跳闸。若电网再次发生单相接地时，重复上述检索判定及动作过程。

以10KV系统为例：假设该10KV系统对地电容电流为40A，2、3、5、7、11、13次谐波分量超标≤300％时：第一电阻器606.24Ω/10A±2％，符合I_R：I_c≤1：5.67的原则；第二电阻器30.31Ω/200A±3％熔点1600℃；断路器250A；接地变压器容量选择参考IEEE C62.92.3‐1993电力系统中性接地指南；第一电流互感器和第二电流互感器根据第一和第二电阻器的电流配套；数字测控装置满足采集、检索、判定和驱动功能①满足瞬时接地自动滤除，②永久性接地时(第一电流互感器有电流且达到启动值时)，驱动断路器7合闸，之后延时分闸，③若再次发生单相接地，重复前述采集、检索、判定及动作过程。上述实施方式可满足说明书表述和实际需求及效果。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.中性点可变电阻接地系统，其特征在于，主要由第一电阻器（1）、第二电阻器（2）、接地变压器（3）、数字测控装置（4）、第一电流互感器（5）、第二电流互感器（6）和断路器（7）组成，其中接地变压器（3）与第一电阻器（1）连接，另经过断路器（7）与第二电阻器（2）连接；数字控制装置（4）分别与第一电流互感器（5）和断路器（7）的操作机构连接；第一电阻器（1）与第一电流互感器（5）经过磁路连接，第二电阻器（2）与第二电流互感器（6）经过磁路连接。

2.根据权利要求1所述的中性点可变电阻接地系统，其特征在于，所述第一电阻器（1）为高阻尼电阻器，所述第二电阻器（2）为低值电阻器。

3.根据权利要求2所述的中性点可变电阻接地系统，其特征在于，其对电容电流的适用范围为I_R：I_c≤1：5.67。

4.根据权利要求2所述的中性点可变电阻接地系统，其特征在于，第二电阻器（2）为低值电阻器，其电阻值的选择以满足零序保护选择性和减小烧损为原则。

5.根据权利要求1所述的中性点可变电阻接地系统，其特征在于，断路器（7）为高压真空断路器。

6.根据权利要求1所述的中性点可变电阻接地系统，其特征在于，数字测控装置（4）包括单片机、芯片、液晶、静态继电器、通讯模块、贴片电气元件和软件。