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MXYZ全电压监测及PT柜
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1概述

目前在6~35kV输配电系统,过电压防护及绝缘监测一直是一个重要课题。常规设计中,在变电站的中压母线段上会有一台PT避雷器柜,使用电磁式电压互感器,用于测量三相对地电压和监视对地绝缘等。PT高压侧接有高压熔断器作为保护,两者共同安装在专设的PT柜内,且PT的中性点直接接地。过压保护方案使用电站型避雷器用作母线过电压保护同样装在PT柜内。随着现代电力的快速发展,这种传统的设计存在许多局限性。运行经验表明,电网系统内经常发生PT高压熔断器异常熔断、PT设备烧毁等故障,严重威胁作业人员的人身安全,同时产生巨大的设备损失,甚至可能引起母线短路、主变掉闸等电网停电事故。

研究表明,PT故障的本质原因是PT过励磁。一方面,单相接地电弧熄灭或重燃时,线路对地电容电荷进行重新分配,此过程中将形成电磁振荡并产生过电压,zui高过电压倍数可达3.5倍,从而导致PT过励磁,我们称其为Ⅰ类故障。频繁间歇性孤光接地使PT过励磁发热,终可能引起PT固体绝缘失效。另一方面,35 kV中性点不接地系统中,在一定电网扰动条件下,如果PT被激发铁磁谐振,铁磁谐振将会持续相当长时间,导致PT长时间处于过励磁状态,终将会造成严重的PT故障,我们称其为Ⅱ类故障。

针对这些问题,本装置结合了我公司多项已经成熟应用的原创技术:1、低残压母线过电压保护,使得保护残压比常规避雷器降低30%,并且增加了荷电寿命。有效针对各种设备的过电压防护,并对自身保护有脱离防暴设计。2、PT抗谐保护技术,不仅抑制谐振过电压,并对柜内重要元器件进行限流限压保护。3、监控装置采用快速DSP芯片,不仅快速处理分析,并记录电网中暂态波形,对广泛使用的故障录波器功能升级和扩展。总之,本装置取代了传统的PT避雷器柜,为系统提供更完善的母线过电压保护及PT保护,大大提高了系统运行的稳定可靠性。

2 PT故障理论分析

2.1Ⅰ类故障(铁磁谐振)的原理

中性点不接地系统的等值电路见图1,PT励磁电感与系统对地电容形成并联谐振回路,在某些条件下将会激发铁磁谐振现象。


图1中性点非有效接地系统的等值电路

线路对地等效容抗为XC0,PT对地等效电抗为Xm,正常运行时,XC0<<Xm,系统不发生谐振;但在某种电网扰动的激励作用下,PT铁心发生饱和导致Xm减小,当XC0/Xm>0.01时,系统就可能发生铁磁谐振。

铁磁谐振主要分为基波谐振、高频谐振和分频谐振3种形式。发生谐振时,通常两相电压升高,一相电压降低,并形成“虚幻接地”现象,铁磁谐振导致PT铁心饱和,励磁电流倍增。铁磁谐振一旦被激发,持续时间较长,只有谐振条件被破坏才可能中止。

需要指出,1/2分频谐振区域的参数区间zui大,且危害zui为严重,一旦发生分频谐振,PT铁心将进入深度饱和,导致PT严重的过流、过热故障。

2.2Ⅱ类故障((弧光接地过电压)的原理

Ⅱ类故障主要由间歇性弧光接地过电压导致,其原理见图2。假如系统C相接地,非故障A、B相充以与线电压对应的电容电荷;当电弧熄灭时,A、B两相电压恢复至相电压,其电荷将重新分配至三相;经过半个周期后电弧重燃,电荷将再次重新分配。电弧熄灭或重燃后的电荷分配实际是一种电磁振荡过程,能够形成zui高可达3.5倍的过电压。频繁的弧光接地过电压引起PT过励磁,终引发PT过热故障。


图2Ⅱ类故障(弧光接地过电压)电荷分配过程示意图

需要指出,目前城市电缆化率不断提高,造成系统电容电流急剧增加,如果消弧线圈容量不足,电弧可能发生多次重燃,弧光接地引起的电磁振荡过程更加剧烈,这是PT故障多次发生的重要原因。

故从Ⅱ类故障原理的角度考虑,我司特别推荐客户选用“快速消弧及接地选线装置”从根本上解决弧光接地过电压的问题,大幅度减少PT铁磁谐振的可能。

3现有消谐措施的局限性

3.1改善PT励磁特性,提高PT励磁特性的饱和点电压。

PT励磁特性的饱和点电压过低,在运行过程中容易进入PT铁心饱和状态。提高PT励磁特性的饱和点电压能有效提高PT抗过励磁能力,降低PT故障率。然而目前各互感器生产商的品质差次不齐,且使用单位很少具备检测手段,故单纯靠改善励磁特性,也很难保证其运行安全。

3.2在PT高压侧中性点串接单相PT

该措施在早期敞开式10 kV/35 kV系统使用过,目前应用非常少,其缺点主要有:一是破坏了PT中性点接地条件,影响PT测量精度和性能;二是单相接地或谐振时,闭口三角绕组内形成很大环流,PT负荷增加,极易引发PT过热故障;三是PT开口三角绕组被短接后,无法发出系统单相接地信号。

3.3 PT二次开口三角绕组接入阻尼电阻

二次电阻阻值应满足:R△<0.4Xm/K132(K13为PT一次绕组与开口三角绕组的变比),该电阻阻值很小(约数kΩ)。二次消谐存在两个缺陷:一是不具备一次限流功能,因此对于Ⅱ类故障不起作用;二是电阻热容量小,单相接地或铁磁谐振均在开口三角绕组形成零序电压,可能导致二次电阻长时间过热烧毁。运行经验表明,二次电阻发热烧毁的案例很多,且对Ⅱ类故障无限流效果,这是二次消谐的重要缺陷。

3.4在PT高压侧中性点侧串接碳化硅电阻,增加谐振回路阻尼。

碳化硅电阻是一种类似于氧化锌避雷器的压敏电阻,具有非线性伏安特性:正常运

行条件下呈现为高阻(约百kΩ)特性;当铁磁谐振或电荷转移引起零序电流增加时,其阻值快速下降(几十kΩ)。上述电阻特性存在两个缺点:一是正常运行时阻值过大可能导致PT三相电压不平衡;二是PT过励磁时,阻值太小,消谐和限流功能下降,不利于抑制PT故障发生。

4电压监控及PT保护成套装置

电压监控及PT保护成套装置基于Ⅰ类故障(铁磁谐振)和Ⅱ类故障((弧光接地过电压)的理论分析,对中压配电网的不接地和谐振接地运行方式进行各项试验,并突破性的采用了新型保护器件,同时配置微机消谐技术作为后备保护,实现全局性消谐。提供全面的母线电压保护及监测波功能,极大地方便了用户对于供电系统的管理和控制。

4.1一次原理


图3一次原理图

标注释义:GN隔离开关、FU高压熔断器、PT电压互感器、MXR新型自适应消谐器、OVP防爆型大容量低残压过电压保护器、VS带电传感器、MXZK-L录波型电压智能监控器、MX-EXK微机二次消谐装置。

4.2基本原理

正常运行时,智能电压监控器实时不间断的监测PT提供的电压信号,一旦发生PT断线、过压、欠压、低电压、谐振、弧光接地等现象,监控器利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析,通过对电压互感器PT的二次电压进行采集、判断,及时准确地对系统各种状态进行分析,判断出系统的故障情况,液晶屏显示故障类别,并对故障进行录波和存储,同时输出相应的开关量接点信号,用于报警。装置具有RS485或RS232接口,配有标准的Modbus通讯规约,与用户微机监控系统实现数据远距离通讯和数据传送。

4.3消谐原理

将保护型消谐器串联安装在PT中性点与地之间,正常运行状态下为低阻状态,而PT一次绕组的阻抗为MΩ级,因此不会对PT的各项性能产生影响;当发生谐振或电荷转移时,新型自适应消谐器因过流发热而温度升高,电阻快速增长,发挥良好的阻尼和限流作用。当谐振消失后,电阻随着温度下降,自动恢复至低阻值状态,使得PT自动恢复至正常运行状态。

MXR新型自适应消谐器具有优异的“自适应”特性,即谐振能量越大,消谐时间越短;冲击涌流越大,限流作用越强。

微机二次消谐装置实时采集电压互感器PT的二次电压,当系统发生谐振故障时,首先鉴别高频、基频和分频谐振,准确判断系统存在谐振过电压后,消谐装置就启动消谐程序,发出高频脉冲群,使在开口三角形绕组两端的晶闸管交替过零触发导通,使PT饱和过电压迅速消除,达到消除谐振的目的。该装置作为自适应消谐器的后备消谐措施,同时该消谐装置具有可视化的人机界面和故障记录功能。

4.4核心技术

4.4.1录波型智能监控器

(1)本装置集电压监测、谐波监测、故障录波等功能一体化,可取代常规的PT柜监测仪表及保护装置;

(2)通过采集电压信号,实时显示系统的电压和动态波形;

(3)实时对系统的谐波含量进行监测;

(4)可准确对PT断线、过压、欠压、低电压、谐振、弧光接地等进行判断和分析;

(5)运行故障追忆功能齐全,显示近20次历史故障记录;

4.4.2微机二次消谐装置

(1)对高频、基频和分频谐振进行判断,并显示谐振类型;

(2)提供可视化人机界面,界面友好易阅读;

(3)采用大容量双向可控硅交替过零导通手段,实现PT快速二次消谐;

4.4.3综合保护型一次消谐器

(1)结构简单、体积小巧,安装方便,运行可靠;

(2)正常运行条件下,消谐器呈现低阻,不改变电压互感器的运行工况,对互感器的测量精度不会产生影响。发生PT铁磁谐振时,消谐器因快速呈现高阻而实现快速消谐;

(3)能够限制电压互感器一次绕组的激磁电流突增,防止因电压互感器一次绕组电流增加,熔断器熔断后因能量不足不能灭弧引发的母线短路事故。

(4)新型自适应消谐器能够实现连续快速消谐,基波谐振的消谐时间约为1.56s,分频谐振的消谐时间约为2.1s左右,谐振过电压幅值越大,消谐时间越短,对于电气设备绝缘极为有利;

(5)在3.5倍工频过电压作用下,消谐器能够将PT激磁电流限制在100mA以下,不会导致因PT一次熔断器熔断后不能熄弧引发的母线短路事故;

(6)针对谐波含量较大或经常发生接地故障的系统,用户可以选配新型自适应自监测消谐器,该消谐器在完成上述功能情况下,额外增加了自检功能,可实时对消谐器的动作情况进行监测和告警。

4.4.4防爆型大容量低残压过电压保护器

(1)陡坡响应特性好,无截波,对保护设备无不良影响;

(2)响应速度快,无放电时延,响应速度为纳秒量级;

(3)耐污秽,并可广泛应用于高海拔地区;

(4)该产品具有防爆功能;

(5)10kV2ms方波电流可达2000A;35kV2ms方波电流可达1500A。

(6)具有良好的低残压特性,保护残压比普通避雷器低30%以上,更可有效的保护设备的绝缘。

4.4.5高饱和点电压互感器

(1)选用励磁特性饱和点较高的互感器,铁心不易饱和,很难激发起谐振;

(2)采用优质硅钢片,降低工作磁密,有效遏制zui大过电压下互感器不饱和;

4.5型号命名

型号命名规则:MXYZ-电压等级-方波电流/2ms-隔离方式-选配;

隔离方式分:固定式隔离开关IS,隔离手车IH;

方波电流:600、800、1000、1500、2000A;

选配:如需要新型自适应自监测消谐器,代号为SC

例:MXYZ-12kV-1000A/2ms-IS,即表示2ms方波电流要求是1000A,其他标配,自适应消谐器不带自检功能。

4.6技术参数


4.7技术标准

主要依据下列标准进行设计与制造:

GB11022-2011《高压开关和控制设备共用技术要求》

GB 4208-2008《外壳防护等级(IP代码)》

GB/T 11021-2014《电气绝缘耐热性和表示方法-行业标准》

GB1208-2006《电流互感器》

GBT 156-2007《标准电压》

GB3906-2006《交流金属封闭开关设备和控制设备》

DL T593-2015《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》

4.8使用条件

zui高气温+40℃

zui低气温-25℃

zui热月月平均相对湿度不大于95%

平均海拔≤1000米

使用场所无酸碱腐蚀处

污秽等级满足防污等级Ⅱ级要求

防护等级IP4X

如超出以上使用条件,请与我司联系共同商议。

5一次接线方案和结构示意

5.1一次主接线方案


图4一次接线方案

5.2结构示意图


图5结构示意图