PT及中性点虚拟接地装置

PT及中性点虚拟接地装置

ZROXJ中性点虚拟接地装置

目前系统保护都是被动式的保护，是在故障发生后，防止故障扩大化转化为事故，只治标不治本，系统依然经常会发生电缆放炮、电机绝缘击穿、避雷器爆炸、电压互感器烧坏等事故。

过电压治理保护方案，从源头上全面治理过电压，消除过电压于萌芽状态，首先预防故障发生，其次治理故障，达到既防又治的目的。

在3～35KV中压系统中，中性点有不接地、谐振接地即消弧线圈接地、小电阻接地、都是被动式保护接地，各种接地方式各有优缺点。本成果提出的虚拟接地方式为主动式保护接地方式，对工频不接地，对非工频量接地，充分发挥了各种接地方式的优点，克服它们的缺点。

1、故障发生的根源

系统故障及事故都是由过电压引起，过电压的冲击造成系统绝缘击穿而发生故障。过电压是电力系统安全运行*大杀手，一方面加速系统绝缘累积老化，另一方面直接引起绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。

2、过电压产生的根源

系统受到的“激励”能量在系统电感、电容中相互交换，电感、电容间产生电磁振荡产生过电压。

3、装置原理

本装置的核心部件是根据专利方法实施特制的虚拟接地变压器，二次侧三相绕组串联形成开口三角，接入大功率电阻，等效系统中性点接地，对工频不接地，对非工频接地，实现系统中性点虚拟接地。

科学的原理，新颖的方法，近理想化的效果，独创的虚拟接地方式，集合各种中性点接地方式的优点，主动吸收泄放产生各种过电压的能量，从源头上防止过电压，拒绝过电压于萌芽之中；泄放谐振和单相接地的电、磁能量，实现消弧，拒绝系统、PT铁磁谐振，给系统安全运行*大的保障。

可电压互感器虚拟接地一体化，取代电压互感器柜，可提供AC220V操作电源。

二、功  能 介 绍

1、主动式主动式过电压保护

电力系统中的电容、电感元件均为贮能元件。当系统中操作或故障使其工作状态发生变化时，将产生电、磁能量震荡的过渡过程。在此过程中，电感元件贮存的磁能会在某一瞬间转换为电场贮存于电容元件之中，产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。

过电压是电力系统安全运行*大杀手，系统故障及事故都是由过电压引起。过电压不仅造成事故且加速系统绝缘累积老化，而且直接引发绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。

目前主要采用避雷器、组合式过电压保护器、PT消谐器、消弧线圈、消弧装置等被动式保护治理。

避雷器、组合式过电压保护器，过电压必须超过其整定值才会动作，为防止其在单相接地时吸收能量过多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系统其整定值要大于23kV。一方面系统内小于其整定值的过电压不会动作；另一方面即使大于其整定值的过电压动作，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统，冲击系统绝缘。

因此，我们可以得出这样的结论：避雷器、组合式过电压保护器是被动式的过电压保护，无论系统内过电压的峰值多大，都有小于其整定值的过电压冲击系统绝缘，或加速系统绝缘老化，或使老化的绝缘击穿发生故障。现有的供电系统均安装有避雷器或组合式过电压保护器，依然发生故障就说明了这个问题。

PT消谐器、消弧线圈、消弧装置等保护装置，都是故障发生后才动作实施保护，是被动式保护，在后面的内容中阐述。

主动式主动式过电压保护原理：                                                    

中心点虚拟接地装置，快速消耗系统电感电容储存的非工频等“激励”能量，大幅度降低系统电感电容可交换的能量，充分阻尼其暂态过程，从源头上阻止了暂态过电压的形成，消除过电压于萌芽状态，因而防止过电压冲击系统绝缘延长系统寿命，大幅降低系统故障概率。

1、元件操作过电压治理

中压系统电缆的广泛应用，遭受雷击的可能性越来越少，主要是内部过电压，操作过电压是系统*主要的过电压，从源头治理了过电压，消除过电压于萌芽状态，就可以延长系统绝缘寿命，大幅度降低故障概率。

真空断路器操作过电压主要表现为截流过电压、多次重燃过电压、三相非同期开断过电压。操作过电压又分为：①空载变压器、电抗器投切过电压，②电容器、空载线路投切过电压，③合空母线过电压，④投切电机过电压，⑤系统扰动过电压，⑥突然甩负荷过电压，⑦发电机并网过电压等。

其中，以开断电容器组、空载变压器、空载线路的过电压*为严重，过电压水平*高，为此，我公司在武汉高压研究院做了这三个典型的开断模拟实验（见资料三），图1、2、3分别为开断电容器组、空载线路、空载变压器的模拟试验示波器波形图，从三个图中可以看出，只有开关触头打开时刻有一些小毛刺，而没有几倍的过电压，验证了主动式主动式过电压保护从源头上消除过电压的产生。

图1 电容器开断过电压试验电压波形图

图2 空线路开断过电压放电试验电压波形图

图3 空载变压器开断过电压保护试验电压波形图

2、雷击后避雷器残压下的电荷消耗

雷击发生后氧化锌过电压保护器的1mA参考电压在2.3倍左右，其对应的电荷储存在系统对地电容上，其与相电压叠加形成过电压，如图4，雷电波入侵变电所，变压器上电压实际典型波形，详细参见资料一P285。

避雷器动作后的残余能量被中性点虚拟接地装置吸收泄放，防止了其与相电压叠加产生的过电压危害系统绝缘。也就是说超过避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收，避雷器整定值以下的能量被中性点虚拟接地装置吸收，达到完美的配合消除雷击过电压。

图 4 雷电波入侵变电所，变压器上电压的实际典型波形

2、主动式消弧

中压非有效接地系统，*难解决的问题是单相弧光接地过电压。目前的消弧装置有消弧线圈、故障相金属性接地消弧装置，都是被动式保护，不能预防故障发生，且这两种消弧装置存在着缺陷。特别是故障相金属性接地消弧装置存在特别严重的技术缺陷，会给系统带来严重的安全隐患。

故障点再次重燃的条件是：故障点对地电压大于故障点的绝缘强度。这里包含两种含义，燃弧后故障点弧道被电离，绝缘强度大幅下降，其一故障点对地电压恢复速度大于故障点绝缘强度恢复速度；其二故障点对地电压恢复峰值大于故障点绝缘强度。

图5 弧光接地过电压的发展过程

如图5（资料二P31），是工频熄弧理论分析图，从图中可以看出：**次燃弧暂态过电压为2.5倍，电容电流过零时弧光熄灭，熄弧时刻系统对地电容储存的电荷，与工频电压相叠加，一方面加快故障相对地电压的恢复速度，另一方面故障点对地电压恢复峰值为正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暂态过电压为3.5倍。

正是弧光熄灭时刻对地电容储存的电荷，加快了故障相对地电压的恢复速度，以及故障相对地电压恢复峰值为正常值的2倍，使得故障点对地电压大于故障点的绝缘强度，弧光再次重燃。

主动式消弧原理

如果快速把熄弧时刻系统对地电容储存的电荷消耗（泄放）掉，一方面降低故障点对地电压的恢复速度，使故障点弧道绝缘恢复速度大于故障点对地电压的恢复速度；另一方面使故障点对地电压恢复*大峰值接近正常值，而不是相电压的2倍，故障点就不会重燃，从而实现消弧。另外，中性点虚拟接地吸收燃弧“激发”的能量，降低燃弧暂态过程及暂态过电压的幅值。

如图6（资料三）是中性点虚拟接地装置消弧过程图，试验证明了主动式消弧，且消弧时间﹤15ms。

图6 中性点虚拟接地装置消弧电压波形图

3、主动式拒绝PT铁磁谐振

PT铁磁谐振是系统较常发生的故障，其危害非常大。PT铁磁谐振具有7大性质：

⑴很大的范围内的C值都可能发生；⑵需要“激发”才能发生，如变压器突然合闸、故障等产生的“激励”；⑶C值太大时出现铁磁谐振的可能性将减少；小系统容易发生铁磁谐振；⑷过电压幅值一般不会很高，电流却很大；⑸谐振状态可能自保持；⑹电流引起电压“翻相”现象；⑺具有各次谐波谐振。

资料二P40指出：“要彻底根除基波铁磁谐振，必须人为地加大电阻R， ……谐振就不能自保持了。…… R＞E/I”。

资料一P313 ：“若在回路中人为地增加R值，……，则此非线性电感回路在相应的E值作用下，只有非谐振工作点，根除了产生工频谐振的可能性。”。“现将产生非线性谐振的条件归纳如下：……，谐振回路的损耗电阻小于临界值，……”，也就是谐振回路的损耗电阻大于临界值时，PT就不会发生铁磁谐振。

主动式拒绝PT铁磁谐振原理：

需要“激发”才能发生PT铁磁谐振，中性点虚拟接地装置快速消耗了“激励”能量，从而使“激励”不能激发PT发生铁磁谐振，PT永远不会发生谐振。

从另一个角度说，中性点虚拟接地装置，就是加大零序电阻，使R远大于E/I，因此根本不会发生铁磁谐振。从能量的角度来看，就是虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”的能量，PT铁芯恢复正常。

从资料一P319可知，无论二次谐波、三次谐波、基波、1/2次谐波PT铁芯饱和过电压，开口三角都有输出，中性点虚拟接地装置就能消耗谐振能量，只要消耗的能量大于铁芯饱和“激发”的能量，PT铁芯就能恢复正常，阻止谐振。

图7（见资料三）是中性点虚拟接地装置消除PT铁磁谐振实验电压波形图，试验证明了虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”的能量，PT铁芯恢复正常，谐振消失。

图7 消除PT铁磁谐振实验电压波形图

4、主动式阻止系统线性谐振

资料一P304：如图8，系统无耗自振频率ω0= 1/√LC，μ=R/2L，对地电容会受温度、湿度的影响发生变化，而系统的电源频率也在波动，有可能ω0是电源频率整倍数。当ω0是电源频率整倍数时，系统如有风吹草动，就会发生事故。

μ/ω0的比值决定了系统的稳定性，对于供电系统送电距离长有较大的R，且架空线路对地电容很小，而对企业变电所送电距离很短有很小的R，因此，企业变电所更要注意系统可能出现线性谐振，系统操作、不对称接地故障、断线（熔断器一相、两相熔断）时系统发生线性谐振。

中性点虚拟接地装置增大了零序阻抗的电阻R值，增大μ值，使μ/ω0远大于0.6，系统自振角频率远离无耗自振频率ω0，故可拒绝系统线性谐振。

图8不同参数条件下的谐振曲线

5、阻止参数谐振过电压

参数谐振就是系统参数的周期变化，产生周期的“激发”能量，由于系统中的电阻很小，无法消耗掉这种周期的“激发”能量，在系统中积累产生过电压，这主要对发电机、变压器而言。参见附件四（资料二P42-43）。

同步自励磁，发电机转子受原动机的驱动而旋转时，定子绕组的电感将周期性的改变，在一定条件下，就会出现参数谐振。快速励磁自动调节器可以解决。

异步自励磁，电机处于异步状态，定子绕组的旋转磁场将切割转子绕组，定子绕组将感应出角频率ω0及2ω-ω0的电动势，定子的电流将具有拍频性质。异步自励磁过电压上升速度很快，必须立即从系统中切除电机，以免造成事故。

自参数谐振，变压器铁芯饱和在工频作用下以2倍频率变化，产生谐振。目前由于竞争激烈，变压器铁芯的磁通密度设置很高，很容易饱和，必须注意。

中性点虚拟接地装置可加大消耗参数变化“激发”的能量，使消耗的能量大于参数变化“激发”的能量，从而系统不能形成参数谐振，系统快速恢复正常运行。

6、其它功能（选用功能）

1、可附加电压互感器功能

2、PT并列切换装置，判断PT一、二次断线故障（备有485或232微机通讯接口，进行数据通讯）。

3、可以增加选线装置，迅速查找故障线路（建议使用后台选线）。

4、可提供AC 220V操作电源。 中性点虚拟接地及PT柜

PT及中性点虚拟接地装置

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