電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置的製作方法

2023-09-17 15:27:25 8

專利名稱：電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及應用在電網中的過電壓保護裝置，更具體地說是針對電網中包括變壓 器、電機、電抗器、線路、電容器等在內的各種電網元件的操作過電壓實施保護的裝置。
背景技術：
在輸配電系統中，包括變壓器、電機、電抗器、線路、電容器等在內的電網內元件的拉 閘或合閘操作是系統中最為常見的操作，這種操作激發能量轉化，引起暫態電壓的升高產生 過電壓，因而危害設備絕緣，特別是對電纜線路的過電壓衝擊傷害，造成運行安全隱患。目前對於這些電網內元件操作的過電壓保護，有氧化鋅過電壓保護器、電容器放電線圈， 但都不能從根本上解決操作過電壓存在的問題，是治標而不治本的方法。發明內容本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種電網元件操作過電壓虛 擬接地保護裝置，以期從根本上消除電網內元件的操作過電壓的形成，從而保護系統絕緣。 本實用新型解決技術問題所釆用的技術方案是本實用新型的結構特點是在電網元件端設置虛擬接地變壓器，虛擬接地變壓器的一次側 三相繞組分別接入元件對應的各相線，其二次側三相繞組首尾相連形成串聯，其中任一相鄰 兩相繞組之間設置為開口，虛擬接地的形成是在所述開口兩端跨接阻抗，或直接將開口短接 形成虛擬接地變壓器二次側的三角形連接，形成電網元件操作時激發能量的洩放渠道。本實用新型結構特點也在於所述阻抗為純電阻或是由阻基波濾波電路與電阻串聯構成。與己有技術相比，本實用新型的有益效果體現在電網元件是指變壓器、電機、電抗器、線路、電容器等設備，電網元件端是指位於電網 元件控制開關之後的電網元件側。電網內元件操作過電壓產生的原因是由於拉閘或合閘操 作激發能量轉化，引起暫態電壓的升高產生過電壓，本實用新型將操作元件激發的能量或元 件儲存的能量進行吸收洩放，從根本上消除了操作過電壓的形成，從而不再對系統絕緣造成 危害，作用機理分析如下。關於開斷空載變壓器等感性元件過電壓產生機理及本實用新型消除過電壓的分析 電網中用斷路器開斷空載變壓器(以下簡稱切空變，開斷空載電機、電抗器等和開斷空 載變壓器一樣，它們都是感性元件，開斷特性一樣，這裡以開斷空載變壓器為例)是一種常 規操作方式。在這種操作過程中，有可能產生很高的過電壓。運行經驗證明，所用斷路器的
滅孤能力越強，則切空變的過電壓事故就越多。可見，這種過電壓和斷路順在切斷變壓器的 勵磁電流時滅孤能力太強有關。眾所周知，斷路器應當能切斷變壓器短路電流，雖然勵磁電流不過為短路電流的幾百分 之一到幾萬分之一，但若在切斷勵磁電流t時，並非在電流過零時熄弧，而是因斷路器滅弧 能力太強(如真空斷路器)被迫很快下降到零，則將造成r (- 》)於是在變壓器勵磁電感L上將感應出過電壓即過電壓有可能達到很高的數值。當然，在實際電路中di/dt是不會達到無窮大的。這是因為變壓器繞組除勵磁電感U夕卜，還有電容CB。如圖l-l所示，斷路器截斷電流後，電感中的電流可以以電容為迴路繼續流通，對電容 進行充電，將電感中的磁能轉化為電容中的電能。參見圖1-2，如果截流發生在某一瞬時值1。時，電容上的電壓為U。，此時變壓器的總 儲能W為1 2 1 2 ,ss ji， /0 + j " (/0(1-1)按能量不滅定律，當磁能全部轉化為靜電電能時，電容CB上的電壓即達其最大值UBm，即 1* 1 jf jf2E 1 盧y ，21/細- jiu4 + YCui/e d"也就是說，由截流而引起的變壓器上的過電壓可達,f / ^^藤 jp" (1_3)截流值愈大則過電壓愈高，當截流發生在勵磁電流的幅值乙時，將有" 3T / L翁c (1-4)圖1-3給出了電流在幅值截斷後電感中的電流L和電容上的電壓(也即電感上的電壓) Uc的波形。如不計衰減，ii和Uc可寫成formula see original document page 5式中 formula see original document page 5由以上分析可知截流過電壓的大小和變壓器勵磁電流的大小以及變壓器繞組電容的大 小有關。如圖1-4所示，按本實用新型的結構形式，變壓器安裝有電網元件操作過電壓虛擬接地保護時，當斷路器開斷空載變壓器後，其以B相的等效電路如圖1-5所示，R'為虛擬接 地電阻R等效到一次側的值，其中，圖1-5 (a)所示為變壓器中性點直接接地的電路等效 圖，圖1-5 (b)所示為變壓器中性點不接地的電路等效圖。從圖中可以看出，當開斷空載 變壓器時虛擬接地電阻為空載變壓器繞組儲存的能量提供了一個洩放的渠道，防止了開斷空 載變壓器產生的過電壓，防止了由於過電壓使斷路器觸頭再次燃弧損壞觸頭，延長斷路器的 壽命。而三相基波電壓在開口相加為0，電網元件操作過電壓虛擬接地保護不消耗基波功率。關於切合空載線路(電容器)過電壓產生機理及本發明消除過電壓的分析電網中用斷路器切、合空載線路(以下簡稱空線，電容器操作過電壓產生的機理與操作 空線一樣)是一種常見的常規或故障操作方式。在這種操作過程中也會產生過電壓，後者能 波及整個電網。運行經驗證明，當所有斷路器的滅弧能力不夠強，以致電弧在觸頭間的每次 重燃實質上就等於空載線路的一次合閘。下面從最簡單的空線向電源合閘的情況出發，來發 析過電壓產生的機理。1、關合空載長線過電壓如圖2-1 (a)所示，電源El和E2經長輸電線連通，線路兩側均裝有斷路器。在線路 一側斷路器(例如QF2)斷開的情況下，關合另一側斷路器(例如QF1)就會遇到關合空載 長線的操作。用集中電容取代長線的分布電容可得圖2-l(b)所示的簡化了的關合空載長線 的單相等值電路圖，圖中L為電源電感，C為長線的總電容。顯然圖2-l (b)中的L與C總 將構成振蕩迴路，其振蕩角頻率為formula see original document page 5
在一般情況下"。要比工頻高得多。因此，可以假設在求過渡過程中電容C上的過電 壓時，電源電壓近似地保持不變(如果在電源電壓接近幅值時合閘，由於這時電源電壓變化 較慢，這一假設就更接近於實際了)。這樣，空線的關合可以簡化成圖2-2的直流電源合閘 於LC振蕩迴路的情況，圖中直流電動勢E等於電網工頻相電壓的幅值Upm (這一般相當於 最嚴重的情況)。根據電路第二定理，可以寫出1(2-1) <2-2)(2-3)因此電路方程可寫成為或dt3#y，(2-4)當電容C上無起始電壓時，即ti時，Uc=0，則式(2-4)的解將為 c a=— eoso 0#) (2-5)代入式(2-3)可得電流的解為 " ^趙c農a/175 (2-6) 圖2-3給出了和式(2-5)，式(2-6)相應的電壓、電流變化曲線。下面用物理概念來 說明其意義。由於在合閘前，迴路中無電流(i=0)，電容C上無電壓(q=0, uc=0)，而電感中的電流 和電容上的電壓均為不能突變，因此在t二t產0+時(參看圖2-3)，必有ifO, uc=0, k=E,s=r，即t^^o+時i曲線將自零向上增長，且在整個過渡過程中，此時電流增長速度最s^C"t,已有一定的數值，W"e=+J idl快。因為隨著時間的增長，例如到時刻t2時，1已上升到一定的數值，此時l^E-UC的值必然下降，因此^ =f Ja 也隨之下降，即i曲
線向上增長的勢頭將漸趨平緩。到時刻t:,,當uc上升到電源電壓E時，將有uc^E-E-0，即 di/dt=0，此時i達到最大值。由於電感中電流不能突變，所以儘管此時電容上的電壓已充至電源電壓，i將繼續經L向C流通，繼續對電容充電。當t3〈t《"時，Uc:值就會越來越大。但應注意到，此時，uL=E-uc已變為負值，即di/dt是負的，隨著t的加大，電流i將逐漸 下降。然而只要未下降到零，電容C就將繼續得到充電，uc就會繼續增大，只不過增長速 度逐漸變慢而已。而在uc增大的同時，UL必然會愈來愈負，即di/dt負得愈來愈大，這意 味著i曲線下降得愈來愈快。到時刻t5,當i下降到零時，uc將上升到最大值。由於電流 由t,到t3以及&到到ts是對稱的[見式(2-6)]，所以由t到"間C上電荷的增多必然等 於由仁到t3間C上荷的增多，因此到t5時uc的值必為t3時uc值的兩倍，即Uii^2E。上述分析說明，C上電壓uc的最大值之所以會比電源電壓E高出一倍，是因為當電源 通過電感L向電容C充電時，除使C獲得靜電場能量Y0^外，電源所提供的電流同時使電感L中儲有磁能l"i 。當t-"時，C上電壓uc到達E， i正好到達最大值Im，此時電感丄〃2 丄廣f1 =L中的磁能達最大值T""，電容C中的電場能為2 *^ 。由於，，不難得出￥ = 了 i xU7VUa、會^。也就是說，在0〈t《tj日]，由電源所供出的能量將 為CE2。當U〈t《t5時，由於電流方向末變，電源仍繼續供給能量，當t^5時，電源供出的總能量為2CE2。由於t-t5時，i-0，所以這些能量將完全以靜電場的形式儲存於電容中， 而有士CwL-2(^2， WUcm=2E。顯然，當t〉t5時電容將開始經過L向電源放電，此時電流將為負值(放電電流)。和前 述充電過程一樣，初時放電電流很小，隨著時間的增長，放電電流將不斷增加，同時隨著電 容上電壓的不斷下降，放電電流的增加也將不斷減慢。當電容上的電壓下降到uc-E時(圖 中時刻t6)，將有di/dt=0，此時放電電流將不再增加，也就是說電流到達負的最大值。同樣由於電感中電流不能突變。當te〈t《t7， UC〈E時，電容還將繼續經電感向電源放電，直到放電電流減小到零，電容上的電壓也下降到零為止(圖中時刻t7)。顯然在t〉t7時，迴路中的磁能和電能均已下降為零，即此時迴路中的儲能己全部返回電源。從t7開始，電流和電壓的變化將重複上述過程。由於迴路中沒有電阻存在，這一過程將一直 重複下去，即迴路中的電流i及電容上的電壓UC將發生周期性的振蕩。實際上，迴路中總 存在著電阻，只要迴路中有少量電阻R ( <2/17￡)存在，則經過若千周期後，電容上的 電壓最終一定會衰減到穩態值一電源電壓E。由式(2-5)和圖2-3可知，uc可以看作是由 兩部分疊加而成；第一部分為穩態值E，第二部分為振蕩部分，後者是由於起始狀態和穩定 狀態有差別而引起的。振蕩部分的振幅為(穩態值一起始值)。因此，由于振蕩而產生的過 電壓可以用下列更普遍的式子求出-過電壓=穩態值+振蕩幅值=穩態值+ (穩態值-起始值)=2倍穩態值-起始值 (2-7) 式(2-7)是最大過電壓估算的基礎，利用這個關係式，可以方便地估算出由振蕩而產 生的過電壓的值。參見圖2-4，當電容C上的起始電壓uc (0) =-L'。時，由於穩態電壓為E， 振蕩的振幅將為E- (-U。) =E+U。，此時，uc的波形將如圖2-4 (b)所示。 據此不難寫出當電容C上有起始電壓時uc的數字表達式為ue:雄塞，〖jf * Uc(0)〗娜級ai (2-8)2、空載長線的開斷過電壓圖2-5 (a)是斷路器開斷空載長線時的接線圖^圖2-5 (b)為其等效線路圖。圖中L是電源的電感，c是線路的等值電容。通常 wC,因此在電路開斷前，可認為電容電壓uc和電源電動勢e近似相等，而流過斷口的工頻電流ic領先電源電壓90"。在電流過零 電弧熄滅瞬間(圖2-6中t-t,時)，電容上的電壓恰好達電源電壓的最大值Em。電弧熄滅後， 電源與電容分開，電容C上的電荷無處洩放，所以電容電壓將保持為Em不變，而電源電壓e則將繼續按工頻變化。此時加在斷口上的電壓將逐漸增加(如圖中陰影所示)。過了工頻 半個周波後(圖中t-t2時)，當電源電壓e到達反相的最大值(-Em)時，斷口電壓達到2Em。如果斷口的介質強度不夠，而且剛好在2Em時被重新擊穿，則重新擊穿後電容上的電壓 uc將由起始值Em以幼d = W 的角頻率圍繞(-Em)振蕩，其振幅為2Em。因此uc的最大值可達(-3Em)。伴隨著高頻振蕩電壓的出現，斷口間將有高頻電流流過，它領先於高頻電壓90°。因此， 當uc達到(-3Em)時(圖中t-t3)，高頻電流恰恰經過零點，於是電弧可能再一次熄滅。 此時電容C上將保持(-犯m)的電壓，而電源電壓則繼續按工頻變化。又過工頻半個周波 後(圖中t=t4)，作用在斷口上的電壓將達4Em。假如斷口又恰好在此時擊穿，則由於電容 的起始電壓為(-3Em)，電源電壓為Em,振蕩後電容上的最大電壓可達5Em。依此類推，過 電壓可按(-7Em)， (+9Em)，……逐次增加而達很大的數值。
引起切空線過電壓的原因是電弧的重燃。電弧重燃的時刻將直接影響到過電壓的大小。 當重燃發生在電弧熄滅的l/4工頻周期(0.005S)以內時並不會引起過電壓，只有當重燃的 時刻在1/4工頻周期以後才會有過電壓出現。實際上，由於重燃不一定發生在電源電壓到達 最大值時，重燃後，電弧也不一定能在高頻電流的第一個零點時熄滅，再加線路上的電暈及 電阻等損耗，所以切空線電壓的值實際上不會按3、 5、 7倍逐次增加。在中性點不接地系統 中一般不超過3. 5 4倍，在中性點直接接地系統中一般不超過3倍。限制切空線過電壓的 最有效的措施是提高斷路器的熄弧能力(即加快斷口的介質強度恢復)，使之不發生重燃。3、重合空載長線過電壓為了減少雷害引起的線路跳閘事故，送電線路廣泛採用自動重合閘裝置。仍以圖2-1 (a) 為例，當雷擊線路而使線路兩端的斷路器跳閘時，其中後動作的斷路器將切斷空載長線的電 容電流，而在線路電容上保留數值等於電源電壓幅值(例如+Em)的殘留電壓。當開關重合 時，如電源電壓恰恰達到極性相反的幅值(例如-Em)，則重合閘過電壓將達2(Era)-Em=3Em。 相當於開關一次重燃時的過電壓。從以上分析可知在切合(重合)空線的操作中，切空線時開關重燃所引起的過電壓最高。上述分析是在單相電路中進行的，只適用於中性點直接接地的電網。因為在中性點直接 接地的電網中，三相基本上各自形成獨立迴路，所以開斷過程的分析可以近似按照單相電路 考慮。但在中性點不接地或經消弧線圈接地時，因三相斷路器動作時間的不同期以及熄弧時 間的差異等原因，會形成瞬間的不對稱電路，使中性點產生位移，從而使過電壓增大。通常 中性點不接地電網中操作空線時出現的過電壓要比中性點直接接地時增大20%左右；如果操 作時空線帶有一相接地故障，則過電壓將接近直接接地時的^倍。如圖2-7，線路上安裝有電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置時，合閘時在線路中的 電感和對地電容激發的能量，形成周期性振蕩產生過電壓，電網元件操作過電壓虛擬接地保 護裝置提供振蕩能量洩放渠道，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置中的電阻R快速消耗 掉合閘激發的能量，因此從根本上防止了空載線路合閘過電壓；當切除空載線路時，線路對 地電容儲存的能量及電容上的電壓不能突變，如前所述會產生很高的過電壓，電網元件操作 過電壓虛擬接地保護裝置快速吸收消耗掉對地電容儲存的能量，使斷路器斷口不再重燃，即 從根本上消除了產生過電壓的因素；對於線路重合閘，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝 置吸收消耗掉線路對地電容儲存的電荷，使重合閘前線路對地電容儲存的電荷為零，在重合 閘後吸收消耗合鬧激發的能量，徹底消除重合閘過電壓。
如圖2-8，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置應用於防止無功補償電容器組操作過 電壓。無功補償電容的投入合閘激發的能量，快速被電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝吸 收消耗，防止了合閘過電壓的產生；無功補償電容器退出開斷時，就像前面所述開斷空載線 路一樣產生很高的開斷過電壓，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置快速吸收無功補償電 容儲存的能量，從根本上消除了開斷電容操作過電壓。


圖1-1為開斷空載變壓器原理圖。 圖1-2為截流時刻的電流電壓關係圖。 圖1-3為截流後的電流和電壓波形圖。 圖l-4為本實用新型變壓器虛擬接地保護電路原理圖。 圖1-5 (a)為變壓器中性點直接接地開斷後等效電路原理圖。 圖1-5 (b)變壓器中性點不接地開斷後等效電路原理圖 圖2-l (a)為電源E1和E2之間長輸電線路示意圖。 圖2-1 (b)為圖2-1 (a)所示線路等效電路圖。 圖2-2為空線關合直流等效電路圖。 圖2-3為線路對地電容電流i和電壓uc關係示意圖。 圖2-4 (a)為直流電源作用下電感L和線路對地電容等效電路圖。 圖2-4 (b)為2-4 (a)所示等效電路電壓變化示意圖。 圖2-5 (a)為斷路器開斷空載長線時的接線圖。 圖2-5 (b)為斷路器開斷空載長線時的等值線路圖。 圖2-6為開斷空載長線時電流-電壓波形圖。 圖2-7為本實用新型空載線路操作過電壓虛擬接地保護原理圖。 圖2-8為本實用新型電容器操作過電壓虛擬接地保護原理圖。 以下通過具體實施方式
，並結構附圖對本實用新型作進一步描述
具體實施方式
實施例l:如圖1-4，圖中DL為電網元件控制開關，變壓器安裝有電網元件操作過電壓虛擬接地 保護時，虛擬接地阻抗為純電阻，當斷路器開斷空載變壓器後，其以B相的等效電路如圖 l-5， R'為虛擬接地電阻R等效到一次側的值，圖1-5 (a)為變壓器中性點直接接地的電 路等效圖，圖1-5 (b)為變壓器中性點不接地的電路等效圖。從圖中可以看出，當開斷空 載變壓器時虛擬接地電阻為空載變壓器繞組儲存的能量提供了一個洩方的渠道，防止了開斷
空載變壓器產生的過電壓，防止了由於過電壓使斷路器觸頭再次燃弧損壞觸頭，延長斷路器 的壽命。而三相基波電壓在開口相加為O，正常情況電網元件操作過電壓虛擬接地保護不消 耗基波功率。
實施例2:如圖2-7，圖中DL為電網元件控制開關，線路上安裝有電網元件操作過電壓虛擬接地 保護時，虛擬接地阻抗為純電阻，合閘時在線路中的電感和對地電容激發的能量，形成周期 性振蕩產生過電壓，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置提供振蕩能量洩放渠道，電網元 件操作過電壓虛擬接地保護裝置中的電阻R快速消耗掉合閘激發的能量，因此從根本上防止 了空載線路合閘過電壓；當切除空載線路時，線路對地電容儲存的能量及電容上的電壓不能 突變，如前所述會產生很高的過電壓，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置快速吸收消耗 掉對地電容儲存的能量，使斷路器斷口不再重燃，即從根本上消除了產生過電壓的因素；對 於線路重合閘，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置吸收消耗掉線路對地電容儲存的電 荷，使重合閘前線路對地電容儲存的電荷為零，在重合閘後吸收消耗合閘激發的能量，徹底 消除重合閘過電壓。三相基波電壓在開口相加為O，正常情況電網元件操作過電壓虛擬接地 保護不消耗基波功率。
實施例3:如圖2-8，圖中DL為電網元件控制開關，電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置應用 於防止無功補償電容器組操作過電壓，虛擬接地阻抗為可調電阻，無功補償電容的投入合閘 激發的能量，快速被電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝吸收消耗，防止了合閘過電壓的產 生；無功補償電容器退出開斷時，就像前面所述開斷空載線路一樣產生很高的開斷過電壓， 電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置快速吸收無功補償電容儲存的能量，從根本上消除了 開斷電容操作過電壓。三相基波電壓在開口相加為O，正常情況電網元件操作過電壓虛擬接 地保護不消耗基波功率。
權利要求1、 電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置，其特徵是在所述電網元件端設置虛擬接地 變壓器(JDB)，所述虛擬接地變壓器(JDB)的一次側三相繞組分別接入元件對應的各相線， 其二次側三相繞組首尾相連形成串聯，其中任一相鄰兩相繞組之間設置為開口，虛擬接地的 形成是在所述開口兩端跨接阻抗(RW)，或直接將所述開口短接形成虛擬接地變壓器二次側 的三角形連接，形成電網元件操作時激發能量的洩放渠道。
2、 根據權利要求1所述的電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置，其特徵是所述阻抗 為純電阻(R)或由阻基波濾波電路與電阻(R)串聯構成。
專利摘要電網元件操作過電壓虛擬接地保護裝置，其特徵是在所述電網元件端設置虛擬接地變壓器，虛擬接地變壓器的一次側三相繞組分別接入元件對應的各相線，其二次側三相繞組首尾相連形成串聯，其中任一相鄰兩相繞組之間設置為開口，虛擬接地的形成是在所述開口兩端跨接阻抗，或直接將所述開口短接形成虛擬接地變壓器二次側的三角形連接，形成電網元件操作時激發能量的洩放渠道。本實用新型消除了操作過電壓的起因，因而從根本上防止了各種操作過電壓的產生，可靠地保護系統絕緣。
文檔編號H02H9/04GK201022148SQ20072003475
公開日2008年2月13日 申請日期2007年2月17日 優先權日2007年2月17日
發明者張雲一 申請人:張安斌