中性點(diǎn)虛擬接地裝置

1、中性點(diǎn)虛擬接地裝置前 言目前系統(tǒng)保護(hù)都是被動(dòng)式的保護(hù)，是在故障發(fā)生后，防止故障擴(kuò)大化轉(zhuǎn)化為事故，只治標(biāo)不治本，系統(tǒng)依然經(jīng)常會(huì)發(fā)生電纜放炮、電機(jī)絕緣擊穿、避雷器爆炸、電壓互感器燒壞等事故。本專利產(chǎn)品開創(chuàng)主動(dòng)式保護(hù)，提供全面過(guò)電壓治理保護(hù)方案，從源頭上全面治理過(guò)電壓，消除過(guò)電壓于萌芽狀態(tài)，首先預(yù)防故障發(fā)生，其次治理故障，達(dá)到既防又治的目的。在335KV中壓系統(tǒng)中，中性點(diǎn)有不接地、諧振接地即消弧線圈接地、小電阻接地、都是被動(dòng)式保護(hù)接地，各種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本成果提出的虛擬接地方式為主動(dòng)式保護(hù)接地方式，對(duì)工頻不接地，對(duì)非工頻量接地，充分發(fā)揮了各種接地方式的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的缺點(diǎn)。1、故障發(fā)生的根源系

2、統(tǒng)故障及事故都是由過(guò)電壓引起，過(guò)電壓的沖擊造成系統(tǒng)絕緣擊穿而發(fā)生故障。過(guò)電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行最大殺手，一方面加速系統(tǒng)絕緣累積老化，另一方面直接引起絕緣擊穿發(fā)生故障，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。2、過(guò)電壓產(chǎn)生的根源系統(tǒng)受到的“激勵(lì)”能量在系統(tǒng)電感、電容中相互交換，電感、電容間產(chǎn)生電磁振蕩產(chǎn)生過(guò)電壓。3、裝置原理本裝置的核心部件是根據(jù)專利方法實(shí)施特制的虛擬接地變壓器，二次側(cè)三相繞組串聯(lián)形成開口三角，接入大功率電阻，等效系統(tǒng)中性點(diǎn)接地，對(duì)工頻不接地，對(duì)非工頻接地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)虛擬接地。科學(xué)的原理，新穎的方法，近理想化的效果，獨(dú)創(chuàng)的虛擬接地方式，集合各種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)，主動(dòng)吸收泄放產(chǎn)生各

3、種過(guò)電壓的能量，從源頭上防止過(guò)電壓，拒絕過(guò)電壓于萌芽之中；泄放諧振和單相接地的電、磁能量，實(shí)現(xiàn)消弧，拒絕系統(tǒng)、PT鐵磁諧振，給系統(tǒng)安全運(yùn)行最大的保障。可電壓互感器虛擬接地一體化，取代電壓互感器柜，可提供AC220V操作電源。功 能一、能量消耗法主動(dòng)式過(guò)電壓保護(hù)電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為貯能元件。當(dāng)系統(tǒng)中操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生電、磁能量震蕩的過(guò)渡過(guò)程。在此過(guò)程中，電感元件貯存的磁能會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)貯存于電容元件之中，產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過(guò)渡過(guò)程過(guò)電壓。過(guò)電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行最大殺手，系統(tǒng)故障及事故都是由過(guò)電壓引起。過(guò)電壓不僅造成事故且加速系統(tǒng)絕緣累積老化，而且直接引

4、發(fā)絕緣擊穿發(fā)生故障，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。目前主要采用避雷器、組合式過(guò)電壓保護(hù)器、PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等被動(dòng)式保護(hù)治理。避雷器、組合式過(guò)電壓保護(hù)器，過(guò)電壓必須超過(guò)其整定值才會(huì)動(dòng)作，為防止其在單相接地時(shí)吸收能量過(guò)多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系統(tǒng)其整定值要大于23kV。一方面系統(tǒng)內(nèi)小于其整定值的過(guò)電壓不會(huì)動(dòng)作；另一方面即使大于其整定值的過(guò)電壓動(dòng)作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系統(tǒng)，沖擊系統(tǒng)絕緣。因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：避雷器、組合式過(guò)電壓保護(hù)器是被動(dòng)式的過(guò)電壓保護(hù)，無(wú)論系統(tǒng)內(nèi)過(guò)電壓的峰值多大，都有小于其整定值的過(guò)電壓沖擊系統(tǒng)絕緣，或

5、加速系統(tǒng)絕緣老化，或使老化的絕緣擊穿發(fā)生故障?，F(xiàn)有的供電系統(tǒng)均安裝有避雷器或組合式過(guò)電壓保護(hù)器，依然發(fā)生故障就說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等保護(hù)裝置，都是故障發(fā)生后才動(dòng)作實(shí)施保護(hù)，是被動(dòng)式保護(hù)，在后面的內(nèi)容中闡述。能量消耗法主動(dòng)式過(guò)電壓保護(hù)原理：中心點(diǎn)虛擬接地裝置，快速消耗系統(tǒng)電感電容儲(chǔ)存的非工頻等“激勵(lì)”能量，大幅度降低系統(tǒng)電感電容可交換的能量，充分阻尼其暫態(tài)過(guò)程，從源頭上阻止了暫態(tài)過(guò)電壓的形成，消除過(guò)電壓于萌芽狀態(tài)，因而防止過(guò)電壓沖擊系統(tǒng)絕緣延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，大幅降低系統(tǒng)故障概率。1、元件操作過(guò)電壓治理中壓系統(tǒng)電纜的廣泛應(yīng)用，遭受雷擊的可能性越來(lái)越少，主要是內(nèi)部過(guò)電壓，操作過(guò)

6、電壓是系統(tǒng)最主要的過(guò)電壓，從源頭治理了過(guò)電壓，消除過(guò)電壓于萌芽狀態(tài)，就可以延長(zhǎng)系統(tǒng)絕緣壽命，大幅度降低故障概率。真空斷路器操作過(guò)電壓主要表現(xiàn)為截流過(guò)電壓、多次重燃過(guò)電壓、三相非同期開斷過(guò)電壓。操作過(guò)電壓又分為：空載變壓器、電抗器投切過(guò)電壓，電容器、空載線路投切過(guò)電壓，合空母線過(guò)電壓，投切電機(jī)過(guò)電壓，系統(tǒng)擾動(dòng)過(guò)電壓，突然甩負(fù)荷過(guò)電壓，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)電壓等。其中，以開斷電容器組、空載變壓器、空載線路的過(guò)電壓最為嚴(yán)重，過(guò)電壓水平最高，為此，我公司在武漢高壓研究院做了這三個(gè)典型的開斷模擬實(shí)驗(yàn)（見資料三），圖1、2、3分別為開斷電容器組、空載線路、空載變壓器的模擬試驗(yàn)示波器波形圖，從三個(gè)圖中可以看出，只有

7、開關(guān)觸頭打開時(shí)刻有一些小毛刺，而沒(méi)有幾倍的過(guò)電壓，驗(yàn)證了能量消耗法主動(dòng)式過(guò)電壓保護(hù)從源頭上消除過(guò)電壓的產(chǎn)生。圖1 電容器開斷過(guò)電壓試驗(yàn)電壓波形圖圖2 空線路開斷過(guò)電壓放電試驗(yàn)電壓波形圖圖3 空載變壓器開斷過(guò)電壓保護(hù)試驗(yàn)電壓波形圖2、雷擊后避雷器殘壓下的電荷消耗雷擊發(fā)生后氧化鋅過(guò)電壓保護(hù)器的1mA參考電壓在2.3倍左右，其對(duì)應(yīng)的電荷儲(chǔ)存在系統(tǒng)對(duì)地電容上，其與相電壓疊加形成過(guò)電壓，如圖4，雷電波入侵變電所，變壓器上電壓實(shí)際典型波形，詳細(xì)參見資料一P285。避雷器動(dòng)作后的殘余能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收泄放，防止了其與相電壓疊加產(chǎn)生的過(guò)電壓危害系統(tǒng)絕緣。也就是說(shuō)超過(guò)避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收

8、，避雷器整定值以下的能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收，達(dá)到完美的配合消除雷擊過(guò)電壓。圖 4 雷電波入侵變電所，變壓器上電壓的實(shí)際典型波形二、能量消耗法消弧中壓非有效接地系統(tǒng)，最難解決的問(wèn)題是單相弧光接地過(guò)電壓。目前的消弧裝置有消弧線圈、故障相金屬性接地消弧裝置，都是被動(dòng)式保護(hù)，不能預(yù)防故障發(fā)生，且這兩種消弧裝置存在著缺陷。特別是故障相金屬性接地消弧裝置存在特別嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。故障點(diǎn)再次重燃的條件是：故障點(diǎn)對(duì)地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度。這里包含兩種含義，燃弧后故障點(diǎn)弧道被電離，絕緣強(qiáng)度大幅下降，其一故障點(diǎn)對(duì)地電壓恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度；其二故障點(diǎn)對(duì)地電壓恢復(fù)峰

9、值大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度。圖5 弧光接地過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程如圖5（資料二P31），是工頻熄弧理論分析圖，從圖中可以看出：第一次燃弧暫態(tài)過(guò)電壓為2.5倍，電容電流過(guò)零時(shí)弧光熄滅，熄弧時(shí)刻系統(tǒng)對(duì)地電容儲(chǔ)存的電荷，與工頻電壓相疊加，一方面加快故障相對(duì)地電壓的恢復(fù)速度，另一方面故障點(diǎn)對(duì)地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暫態(tài)過(guò)電壓為3.5倍。正是弧光熄滅時(shí)刻對(duì)地電容儲(chǔ)存的電荷，加快了故障相對(duì)地電壓的恢復(fù)速度，以及故障相對(duì)地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，使得故障點(diǎn)對(duì)地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度，弧光再次重燃。能量消耗法消弧原理如果快速把熄弧時(shí)刻系統(tǒng)對(duì)地電容儲(chǔ)存的電荷消耗（泄放）掉，一方面降低故障點(diǎn)

10、對(duì)地電壓的恢復(fù)速度，使故障點(diǎn)弧道絕緣恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)對(duì)地電壓的恢復(fù)速度；另一方面使故障點(diǎn)對(duì)地電壓恢復(fù)最大峰值接近正常值，而不是相電壓的2倍，故障點(diǎn)就不會(huì)重燃，從而實(shí)現(xiàn)消弧。另外，中性點(diǎn)虛擬接地吸收燃弧“激發(fā)”的能量，降低燃弧暫態(tài)過(guò)程及暫態(tài)過(guò)電壓的幅值。如圖6（資料三）是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消弧過(guò)程圖，試驗(yàn)證明了能量消耗法消弧，且消弧時(shí)間15ms。 圖6 中性點(diǎn)虛擬接地裝置消弧電壓波形圖三、能量消耗法拒絕PT鐵磁諧振PT鐵磁諧振是系統(tǒng)較常發(fā)生的故障，其危害非常大。PT鐵磁諧振具有7大性質(zhì)：很大的范圍內(nèi)的C值都可能發(fā)生；需要“激發(fā)”才能發(fā)生，如變壓器突然合閘、故障等產(chǎn)生的“激勵(lì)”；C值太大時(shí)出現(xiàn)鐵

11、磁諧振的可能性將減少；小系統(tǒng)容易發(fā)生鐵磁諧振；過(guò)電壓幅值一般不會(huì)很高，電流卻很大；諧振狀態(tài)可能自保持；電流引起電壓“翻相”現(xiàn)象；具有各次諧波諧振。資料二P40指出：“要徹底根除基波鐵磁諧振，必須人為地加大電阻R， 諧振就不能自保持了。 RE/I”。資料一P313 ：“若在回路中人為地增加R值，則此非線性電感回路在相應(yīng)的E值作用下，只有非諧振工作點(diǎn)，根除了產(chǎn)生工頻諧振的可能性?！??！艾F(xiàn)將產(chǎn)生非線性諧振的條件歸納如下：，諧振回路的損耗電阻小于臨界值，”，也就是諧振回路的損耗電阻大于臨界值時(shí)，PT就不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。能量消耗法拒絕PT鐵磁諧振原理：需要“激發(fā)”才能發(fā)生PT鐵磁諧振，中性點(diǎn)虛擬接地裝置

12、快速消耗了“激勵(lì)”能量，從而使“激勵(lì)”不能激發(fā)PT發(fā)生鐵磁諧振，PT永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生諧振。從另一個(gè)角度說(shuō)，中性點(diǎn)虛擬接地裝置，就是加大零序電阻，使R遠(yuǎn)大于E/I，因此根本不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。從能量的角度來(lái)看，就是虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常。從資料一P319可知，無(wú)論二次諧波、三次諧波、基波、1/2次諧波PT鐵芯飽和過(guò)電壓，開口三角都有輸出，中性點(diǎn)虛擬接地裝置就能消耗諧振能量，只要消耗的能量大于鐵芯飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯就能恢復(fù)正常，阻止諧振。圖7（見資料三）是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消除PT鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)電壓波形圖，試驗(yàn)證明了虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵

13、磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常，諧振消失。 圖7 消除PT鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)電壓波形圖四、能量消耗法阻止系統(tǒng)線性諧振資料一P304：如圖8，系統(tǒng)無(wú)耗自振頻率0= 1/LC，=R/2L，對(duì)地電容會(huì)受溫度、濕度的影響發(fā)生變化，而系統(tǒng)的電源頻率也在波動(dòng)，有可能0是電源頻率整倍數(shù)。當(dāng)0是電源頻率整倍數(shù)時(shí)，系統(tǒng)如有風(fēng)吹草動(dòng)，就會(huì)發(fā)生事故。/0的比值決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于供電系統(tǒng)送電距離長(zhǎng)有較大的R，且架空線路對(duì)地電容很小，而對(duì)企業(yè)變電所送電距離很短有很小的R，因此，企業(yè)變電所更要注意系統(tǒng)可能出現(xiàn)線性諧振，系統(tǒng)操作、不對(duì)稱接地故障、斷線（熔斷器一相、兩相熔斷）時(shí)系統(tǒng)發(fā)生線性諧振。中性點(diǎn)虛擬接地裝置

14、增大了零序阻抗的電阻R值，增大值，使/0遠(yuǎn)大于0.6，系統(tǒng)自振角頻率遠(yuǎn)離無(wú)耗自振頻率0，故可拒絕系統(tǒng)線性諧振。 圖8不同參數(shù)條件下的諧振曲線五、阻止參數(shù)諧振過(guò)電壓參數(shù)諧振就是系統(tǒng)參數(shù)的周期變化，產(chǎn)生周期的“激發(fā)”能量，由于系統(tǒng)中的電阻很小，無(wú)法消耗掉這種周期的“激發(fā)”能量，在系統(tǒng)中積累產(chǎn)生過(guò)電壓，這主要對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器而言。參見附件四（資料二P42-43）。同步自勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組的電感將周期性的改變，在一定條件下，就會(huì)出現(xiàn)參數(shù)諧振。快速勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)器可以解決。異步自勵(lì)磁，電機(jī)處于異步狀態(tài)，定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將切割轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組將感應(yīng)出角頻率0及2-0的電動(dòng)勢(shì)

15、，定子的電流將具有拍頻性質(zhì)。異步自勵(lì)磁過(guò)電壓上升速度很快，必須立即從系統(tǒng)中切除電機(jī)，以免造成事故。自參數(shù)諧振，變壓器鐵芯飽和在工頻作用下以2倍頻率變化，產(chǎn)生諧振。目前由于競(jìng)爭(zhēng)激烈，變壓器鐵芯的磁通密度設(shè)置很高，很容易飽和，必須注意。中性點(diǎn)虛擬接地裝置可加大消耗參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，使消耗的能量大于參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，從而系統(tǒng)不能形成參數(shù)諧振，系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。六、其它功能（選用功能）1、可附加電壓互感器功能2、PT并列切換裝置，判斷PT一、二次斷線故障（備有485或232微機(jī)通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊）。3、可以增加選線裝置，迅速查找故障線路（建議使用后臺(tái)選線）。4、可提供AC 220V

16、操作電源。型號(hào)說(shuō)明U：額定電壓 3、6、10、35 kvIc：系統(tǒng)電容電流 10、20、30、40、50、80、100、200AP：附加電壓互感器功能，不選擇時(shí)省略PJ：并列切換及智能監(jiān)察儀，附加功能，不選擇時(shí)省略J裝置標(biāo)準(zhǔn)尺寸6KV、10KV柜體尺寸：800（寬）×1500（深）×2200（高）1000（寬）×1500（深）×2200（高）35KV柜體尺寸根據(jù)用戶要求確定柜體尺寸；也可根據(jù)用戶要求協(xié)商生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)尺寸柜體。 使用環(huán)境條件1) 環(huán)境溫度：-25+402) 環(huán)境濕度：90%(25)，50%(40)3) 海拔高度：2000米，特殊要求可達(dá)400

17、0M。運(yùn)輸、儲(chǔ)存 二級(jí)以上公路運(yùn)輸，長(zhǎng)期不用時(shí)應(yīng)倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存，不宜戶外儲(chǔ)存。安裝、調(diào)試、維護(hù) 公司負(fù)責(zé)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、參數(shù)選擇，設(shè)備總裝調(diào)試完畢后，檢測(cè)合格后出廠，也可根據(jù)用戶需要現(xiàn)場(chǎng)安裝指導(dǎo)及調(diào)試。一次原理圖裝置結(jié)構(gòu)圖資料1：高電壓技術(shù)中國(guó)電力出版社，作者：周澤存、沈其工、方瑜、王大忠。資料2：過(guò)電壓保護(hù)原理與運(yùn)行技術(shù)中國(guó)電力出版社，作者：陳慈萱。資料3：國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究院產(chǎn)品功能試驗(yàn)報(bào)告（2007）電器字第189號(hào)）。表1 中性點(diǎn)虛擬接地性能指標(biāo)名稱目的作用過(guò)電壓倍數(shù)動(dòng)作時(shí)間 ms系統(tǒng)諧振防止諧振過(guò)電壓吸收能量大于“激勵(lì)”能量“激勵(lì)”能量吸收<30PT鐵磁諧振防止PT鐵磁諧振及過(guò)電壓吸收能量大于“激勵(lì)”能量“激勵(lì)”能量吸收<30瞬間單相弧光接地消弧及防止其過(guò)電壓快速泄放對(duì)地電容儲(chǔ)存的非工頻電荷<2.5消弧<20永久單相接地防止過(guò)電壓快速泄放對(duì)地電容儲(chǔ)存的非工頻電荷<2.5雷擊防