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未接地系统中的接地故障(风险和检测)

发布者:时代亚能电气时间:2018-11-06浏览:374

应用未接地系统的地方

不接地系统是没有故意施加接地的电力系统。但是,它们通过系统对地的自然电容接地。因此,故障电流水平非常低,使得设备损坏最小。



捕获未接地系统中的接地故障 

故障区域快速隔离不一定是必要的。这是一个优点,因此,它有时用于工业工厂系统,其中高度连续的服务对于最小化昂贵的生产过程的中断是重要的。

但是,不接地系统会受到高压和破坏性瞬态过电压的影响,因此对设备和人员来说总是存在潜在危险。因此,即使通常使用它们,通常也不推荐使用它们。

1.未接地系统的故障
不接地系统上的相对地故障基本上会改变正常的平衡电压三角形,如图1所示。流过串联相阻抗的小电流将导致电压三角形的非常轻微的失真,但实际上,它是如图1b所示。

在不接地系统上发生相接地故障的电压漂移:(a)正常平衡系统;  (b)阶段稳固接地
图1 - 未接地系统上的a相接地故障的电压漂移:(a)正常平衡系统; (b)阶段稳固接地
图2中示出了典型的电路,示出了电流。

序列网络如图3所示。分布电容电抗值X 1C,X 2C和X 0C非常大,而串联电抗(或阻抗)值X 1S,X T,X 1L,X 0L  等等,都比较小。因此,实际上,X 1C在正序网络中被X 1S和X T短路,并且类似地对于负序网络而言。

因为这些串联阻抗非常低,所以X 1和X 2相对于X 0C的大值接近零。



图3 - 未接地系统上的相对地故障的顺序网络和互连
因此:

I 1 = I 2 = I 0 = V s / X 0c (等式1)


I a = 3I 0 = 3V s / X 0c (等式2)

该计算可以以每单位(pu)或安培(A)进行,记住V S和所有电抗(阻抗)是线对中性量。
当从等式1的序列电流确定时,无故障的相b和c电流将为零。这对于故障本身是正确的。

然而,在整个系统中,分布电容X 1C和X 2C实际上与串联电抗X 1S,X T等并联,因此在系统I 1和I 2中不完全等于I 0。因此,我b和我Ç存在并且是小的,但它们是必要的,因为返回路径用于我一个故障电流。
如图2所示。

图2 - 未接地系统上的相对地故障
如果我a = -1 pu,那么我b = 0.577∠+ 30°并且I c = 0.577∠-30°。

在可能使用未接地系统的工业应用中,X 0C实际上等于X 1C = X 2C,相当于变压器,电缆,电动机,浪涌抑制电容器,本地发电机等的充电电容,未接地的电路区域。

各种参考源提供用于电力系统组件的每相的典型充电电容的表格和曲线。在现有系统中,总电容可以通过将测量的相充电电流除以线 - 中性电压来确定。

请注意,由于故障发生在未接地系统的不同部分,因此X 0C  不会发生显着变化。由于串联阻抗相比之下非常小,因此故障电流实际上与故障位置无关。这使得通过保护继电器选择性地定位这些系统上的故障是不切实际的。
当相对地故障正向发生时,无故障的相对地电压特别增加√3(见图1b)。因此,这些系统需要线到线电压绝缘。

在正常平衡系统中(见图1a),V an = V ag,V bn = V bg,V cn = V cg。当发生接地故障时,相 - 中性电压和相对地电压是完全不同的。

的中性N或N被定义为  “”如果在其自由端连接到相应的主端子具有相同的电势相等的非反应性的电阻组成的组(3用于三相系统)的结点处的点(相(电力系统)''  (IEEE 100)。这是图1b中所示的n。

从该图中,右边三角形周围的电压降为:
V bg - V bn - V ng = 0 (等式3)

左三角形周围:V cg - V cn - V ng = 0  (等式4)

另外:  V ng + V an = 0  (等式5)

从基本方程式来看,

V ag + V bg + V cg = 3V 0  (等式6)
V an + V bn + V cn = 0  (等式7)

从等式6中减去等式7,用等式3代入等式5,并用V ag = 0:

V ag - V an + V bg - V bn + V cg - V cn = 3V 0,
V ng + V ng + V ng = 3V0,
V ng = V 0  (等式8)

因此,中性偏移是零序电压。在图1a的平衡系统中,n = g,V 0为零,并且没有中性偏移。

2.结果是瞬态过电压
在断路或故障中的电流中断之后重新起弧可导致未接地系统中的大的破坏性过电压。这种现象如下图4所示。

在电容系统中,电流导致电压接近90°。当电流中断或电弧熄灭或接近其零值时,电压将处于或接近其最大值。断路器断开时,该电压保持在电容器上,在电容系统的时间常数下衰减。在源系统中,它继续如V S所示。塑壳断路器附件的选型
因此,在半个周期中,开路触点两端的电压几乎是正常峰值的两倍。

如果发生再起弧(图4中的开关闭合),电容系统的基本+1 pu电压将转移到-1 pu的系统电压,但由于系统电感和惯性,它将超调至最大可能性-3 pu。

图4 - 未接地系统的瞬态过电压
如果电弧在电流零点附近再次熄灭(开关打开)但再次重新启动(开关关闭),则系统电压将尝试转换为+1 pu,但是另一次超调,此时潜在的最大值为+5 pu。

这可能会继续-7 pu,但同时,系统绝缘无疑会崩溃,造成重大故障。因此,应谨慎使用未接地系统,并在较低电压(<13.8 kV)下使用,此时系统绝缘水平较高。

如果使用此系统,请立即注意定位并纠正接地故障。由于故障电流非常低,很容易忽略故障并继续运行。
但是,由于故障,其他相的工作电压基本上是正常线对地电压的1.73倍。如果绝缘劣化导致第一次接地故障,则较高的电压可能加速无故障相的击穿,从而导致双线对地或三相故障。

然后,将导致高故障电流,需要快速关闭和即时生产损失。

在实际操作中,不存在完全不接地的系统。一旦使用一个或三个电压互感器应用故障检测器,系统就会  通过这些设备的高阻抗接地。继电器和相关镇流电阻的电阻有助于限制瞬态过电压,因此极少存在过电压的情况。

3.不接地系统的接地检测方法
电压提供接地故障的最佳指示,因为电流非常低,并且基本上不随故障位置而变化。使用的两种方法如图5和图6所示。

这些表明存在接地故障,但不存在于主系统中的位置。

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3.1三电压互感器
首选W形接地 - 断开 - 三角形电压互感器连接(见图5)。

镇流电阻器用于减少中性线从电压互感器的不平衡激励路径或者电压互感器和继电器的感应电抗与电容系统之间的铁磁谐振的偏移  。

电压接地故障检测使用三个电压互感器连接Y形接地断开三角形

图5 - 使用三个连接星形接地断开三角形的电压互感器进行电压接地故障检测

图1b中图5中继电器的电压为:

V pq = 3V0 = V ag + V bg + V cg
V PQ =(√3V LN cos30°)×2 = 3V LN (方程9)
因此,继电器可用于未接地系统上的相对地故障的电压是线对中性正常电压的三倍。

通常,使用初级V LN的VT比:69.3 V,使得最大固态接地继电器电压为3×69.3 = 208V。由于继电器将用于发送报警,其连续电压额定值应大于或等于此值。否则,必须使用辅助降压变压器。
图5是简化的。通常,变压器将采用星形接地 - 星形接地,并使用辅助的Y形接地断开三角形变压器。

有时主电压互感器将具有双辅助电源  ,其中一个可连接到断开的三角形。灯可以连接在每个破碎的三角形次级绕组上,以提供视觉指示。

根据经验得出的次级绕组上的典型电阻值如表1所示。
表1 - 次级绕组的典型电阻值

电阻器R.
欧姆瓦特在208V
2.42400:120250175
4.164200:120125350
7.27200:12085510
13.814,400:12085510
3.2单电压互感器
图6的单电压变压器特别容易受到铁磁谐振的影响,在次级电压中没有足够的电阻。

图6 - 使用单电压变压器的电压接地检测
没有这个阻力,计算V bg (等式10):

单电压变压器配方
如果分布式系统电容X C除以变压器激励电抗X e等于3,那么理论上,V bg是无穷大。电压互感器的饱和会阻止这种情况,但电压三角形abc很可能使其接地点远远超出该三角形。

这称为“中性反转”,如图7所示。

图7-示出了中性反转的相量图,其中无负载电压互感器连接到相b,如图6所示。示例中Xc = -j3 
且Xe = j2。每单位的所有值。
在这种情况下,X C  / X e的比率为1.5,因此,在上面的等式10中,V bg = 2.0pu,如图7所示。为简单起见,既不在系统中也不在电压互感器次级上进行电阻。

持续的相对地电压几乎高出四倍。此外,可变变压器 - 激励阻抗与系统电容的相互作用可产生铁磁谐振,具有非常高且失真的波形。建议不要使用单个VT,但如果使用,则应在二次系统中加载电阻。
如上所述,必须谨慎使用这种接地检测方案,以避免“中性”反转和铁磁谐振。电压继电器设置为使其触点保持打开,以获得正常的线对地二次电压。

当b相发生接地故障时,电压崩溃,电压继电器复位,关闭欠压触点。如果发生a相或c相接地故障,则继电器电压增加约1.73 V,使继电器工作在过压状态。

欠压或过压操作通常会发出警报,提醒操作员接地故障,以便他们可以安排有序或方便的停机。