专利名称：电网元件操作过电压虚拟接地保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及应用在电网中的过电压保护装置，更具体地说是针对电网中包括变压 器、电机、电抗器、线路、电容器等在内的各种电网元件的操作过电压实施保护的装置。
背景技术：
在输配电系统中，包括变压器、电机、电抗器、线路、电容器等在内的电网内元件的拉 闸或合闸操作是系统中最为常见的操作，这种操作激发能量转化，引起暂态电压的升高产生 过电压，因而危害设备绝缘，特别是对电缆线路的过电压冲击伤害，造成运行安全隐患。目前对于这些电网内元件操作的过电压保护，有氧化锌过电压保护器、电容器放电线圈， 但都不能从根本上解决操作过电压存在的问题，是治标而不治本的方法。发明内容本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种电网元件操作过电压虚 拟接地保护装置，以期从根本上消除电网内元件的操作过电压的形成，从而保护系统绝缘。 本实用新型解决技术问题所釆用的技术方案是本实用新型的结构特点是在电网元件端设置虚拟接地变压器，虚拟接地变压器的一次侧 三相绕组分别接入元件对应的各相线，其二次侧三相绕组首尾相连形成串联，其中任一相邻 两相绕组之间设置为开口，虚拟接地的形成是在所述开口两端跨接阻抗，或直接将开口短接 形成虚拟接地变压器二次侧的三角形连接，形成电网元件操作时激发能量的泄放渠道。本实用新型结构特点也在于所述阻抗为纯电阻或是由阻基波滤波电路与电阻串联构成。与己有技术相比，本实用新型的有益效果体现在电网元件是指变压器、电机、电抗器、线路、电容器等设备，电网元件端是指位于电网 元件控制开关之后的电网元件侧。电网内元件操作过电压产生的原因是由于拉闸或合闸操 作激发能量转化，引起暂态电压的升高产生过电压，本实用新型将操作元件激发的能量或元 件储存的能量进行吸收泄放，从根本上消除了操作过电压的形成，从而不再对系统绝缘造成 危害，作用机理分析如下。关于开断空载变压器等感性元件过电压产生机理及本实用新型消除过电压的分析 电网中用断路器开断空载变压器(以下简称切空变，开断空载电机、电抗器等和开断空 载变压器一样，它们都是感性元件，开断特性一样，这里以开断空载变压器为例)是一种常 规操作方式。在这种操作过程中，有可能产生很高的过电压。运行经验证明，所用断路器的
灭孤能力越强，则切空变的过电压事故就越多。可见，这种过电压和断路顺在切断变压器的 励磁电流时灭孤能力太强有关。众所周知，断路器应当能切断变压器短路电流，虽然励磁电流不过为短路电流的几百分 之一到几万分之一，但若在切断励磁电流t时，并非在电流过零时熄弧，而是因断路器灭弧 能力太强(如真空断路器)被迫很快下降到零，则将造成r (- 》)于是在变压器励磁电感L上将感应出过电压即过电压有可能达到很高的数值。当然，在实际电路中di/dt是不会达到无穷大的。这是因为变压器绕组除励磁电感U夕卜，还有电容CB。如图l-l所示，断路器截断电流后，电感中的电流可以以电容为回路继续流通，对电容 进行充电，将电感中的磁能转化为电容中的电能。参见图1-2，如果截流发生在某一瞬时值1。时，电容上的电压为U。，此时变压器的总 储能W为1 2 1 2 ,ss ji， /0 + j " (/0(1-1)按能量不灭定律，当磁能全部转化为静电电能时，电容CB上的电压即达其最大值UBm，即 1* 1 jf jf2E 1 卢y ，21/细- jiu4 + YCui/e d"也就是说，由截流而引起的变压器上的过电压可达,f / ^^藤 jp" (1_3)截流值愈大则过电压愈高，当截流发生在励磁电流的幅值乙时，将有" 3T / L翁c (1-4)图1-3给出了电流在幅值截断后电感中的电流L和电容上的电压(也即电感上的电压) Uc的波形。如不计衰减，ii和Uc可写成<formula>formula see original document page 5</formula>式中 <formula>formula see original document page 5</formula>由以上分析可知截流过电压的大小和变压器励磁电流的大小以及变压器绕组电容的大 小有关。如图1-4所示，按本实用新型的结构形式，变压器安装有电网元件操作过电压虚拟接地保护时，当断路器开断空载变压器后，其以B相的等效电路如图1-5所示，R'为虚拟接 地电阻R等效到一次侧的值，其中，图1-5 (a)所示为变压器中性点直接接地的电路等效 图，图1-5 (b)所示为变压器中性点不接地的电路等效图。从图中可以看出，当开断空载 变压器时虚拟接地电阻为空载变压器绕组储存的能量提供了一个泄放的渠道，防止了开断空 载变压器产生的过电压，防止了由于过电压使断路器触头再次燃弧损坏触头，延长断路器的 寿命。而三相基波电压在开口相加为0，电网元件操作过电压虚拟接地保护不消耗基波功率。关于切合空载线路(电容器)过电压产生机理及本发明消除过电压的分析电网中用断路器切、合空载线路(以下简称空线，电容器操作过电压产生的机理与操作 空线一样)是一种常见的常规或故障操作方式。在这种操作过程中也会产生过电压，后者能 波及整个电网。运行经验证明，当所有断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间的每次 重燃实质上就等于空载线路的一次合闸。下面从最简单的空线向电源合闸的情况出发，来发 析过电压产生的机理。1、关合空载长线过电压如图2-1 (a)所示，电源El和E2经长输电线连通，线路两侧均装有断路器。在线路 一侧断路器(例如QF2)断开的情况下，关合另一侧断路器(例如QF1)就会遇到关合空载 长线的操作。用集中电容取代长线的分布电容可得图2-l(b)所示的简化了的关合空载长线 的单相等值电路图，图中L为电源电感，C为长线的总电容。显然图2-l (b)中的L与C总 将构成振荡回路，其振荡角频率为<formula>formula see original document page 5</formula>
在一般情况下"。要比工频高得多。因此，可以假设在求过渡过程中电容C上的过电 压时，电源电压近似地保持不变(如果在电源电压接近幅值时合闸，由于这时电源电压变化 较慢，这一假设就更接近于实际了)。这样，空线的关合可以简化成图2-2的直流电源合闸 于LC振荡回路的情况，图中直流电动势E等于电网工频相电压的幅值Upm (这一般相当于 最严重的情况)。根据电路第二定理，可以写出1(2-1) <2-2)(2-3)因此电路方程可写成为或dt3#y，(2-4)当电容C上无起始电压时，即ti时，Uc=0，则式(2-4)的解将为 c a=— eoso 0#) (2-5)代入式(2-3)可得电流的解为 " ^赵c农a/175 (2-6) 图2-3给出了和式(2-5)，式(2-6)相应的电压、电流变化曲线。下面用物理概念来 说明其意义。由于在合闸前，回路中无电流(i=0)，电容C上无电压(q=0, uc=0)，而电感中的电流 和电容上的电压均为不能突变，因此在t二t产0+时(参看图2-3)，必有ifO, uc=0, k=E,s=r，即t^^o+时i曲线将自零向上增长，且在整个过渡过程中，此时电流增长速度最s^C"t,已有一定的数值，W"e=+J idl快。因为随着时间的增长，例如到时刻t2时，1已上升到一定的数值，此时l^E-UC的值必然下降，因此^ =f Ja 也随之下降，即i曲
线向上增长的势头将渐趋平缓。到时刻t:,,当uc上升到电源电压E时，将有uc^E-E-0，即 di/dt=0，此时i达到最大值。由于电感中电流不能突变，所以尽管此时电容上的电压已充至电源电压，i将继续经L向C流通，继续对电容充电。当t3〈t《"时，Uc:值就会越来越大。但应注意到，此时，uL=E-uc已变为负值，即di/dt是负的，随着t的加大，电流i将逐渐 下降。然而只要未下降到零，电容C就将继续得到充电，uc就会继续增大，只不过增长速 度逐渐变慢而已。而在uc增大的同时，UL必然会愈来愈负，即di/dt负得愈来愈大，这意 味着i曲线下降得愈来愈快。到时刻t5,当i下降到零时，uc将上升到最大值。由于电流 由t,到t3以及&到到ts是对称的[见式(2-6)]，所以由t到"间C上电荷的增多必然等 于由仁到t3间C上荷的增多，因此到t5时uc的值必为t3时uc值的两倍，即Uii^2E。上述分析说明，C上电压uc的最大值之所以会比电源电压E高出一倍，是因为当电源 通过电感L向电容C充电时，除使C获得静电场能量Y0^外，电源所提供的电流同时使电感L中储有磁能l"i 。当t-"时，C上电压uc到达E， i正好到达最大值Im，此时电感丄〃2 丄广f1 =L中的磁能达最大值T""，电容C中的电场能为2 *^ 。由于，，不难得出￥ = 了 i xU7VUa、会^。也就是说，在0〈t《tj日]，由电源所供出的能量将 为CE2。当U〈t《t5时，由于电流方向末变，电源仍继续供给能量，当t^5时，电源供出的总能量为2CE2。由于t-t5时，i-0，所以这些能量将完全以静电场的形式储存于电容中， 而有士CwL-2(^2， WUcm=2E。显然，当t〉t5时电容将开始经过L向电源放电，此时电流将为负值(放电电流)。和前 述充电过程一样，初时放电电流很小，随着时间的增长，放电电流将不断增加，同时随着电 容上电压的不断下降，放电电流的增加也将不断减慢。当电容上的电压下降到uc-E时(图 中时刻t6)，将有di/dt=0，此时放电电流将不再增加，也就是说电流到达负的最大值。同样由于电感中电流不能突变。当te〈t《t7， UC〈E时，电容还将继续经电感向电源放电，直到放电电流减小到零，电容上的电压也下降到零为止(图中时刻t7)。显然在t〉t7时，回路中的磁能和电能均已下降为零，即此时回路中的储能己全部返回电源。从t7开始，电流和电压的变化将重复上述过程。由于回路中没有电阻存在，这一过程将一直 重复下去，即回路中的电流i及电容上的电压UC将发生周期性的振荡。实际上，回路中总 存在着电阻，只要回路中有少量电阻R ( <2/17￡)存在，则经过若千周期后，电容上的 电压最终一定会衰减到稳态值一电源电压E。由式(2-5)和图2-3可知，uc可以看作是由 两部分叠加而成；第一部分为稳态值E，第二部分为振荡部分，后者是由于起始状态和稳定 状态有差别而引起的。振荡部分的振幅为(稳态值一起始值)。因此，由于振荡而产生的过 电压可以用下列更普遍的式子求出-过电压=稳态值+振荡幅值=稳态值+ (稳态值-起始值)=2倍稳态值-起始值 (2-7) 式(2-7)是最大过电压估算的基础，利用这个关系式，可以方便地估算出由振荡而产 生的过电压的值。参见图2-4，当电容C上的起始电压uc (0) =-L'。时，由于稳态电压为E， 振荡的振幅将为E- (-U。) =E+U。，此时，uc的波形将如图2-4 (b)所示。 据此不难写出当电容C上有起始电压时uc的数字表达式为ue:雄塞，〖jf * Uc(0)〗娜级ai (2-8)2、空载长线的开断过电压图2-5 (a)是断路器开断空载长线时的接线图^图2-5 (b)为其等效线路图。图中L是电源的电感，c是线路的等值电容。通常 wC,因此在电路开断前，可认为电容电压uc和电源电动势e近似相等，而流过断口的工频电流ic领先电源电压90"。在电流过零 电弧熄灭瞬间(图2-6中t-t,时)，电容上的电压恰好达电源电压的最大值Em。电弧熄灭后， 电源与电容分开，电容C上的电荷无处泄放，所以电容电压将保持为Em不变，而电源电压e则将继续按工频变化。此时加在断口上的电压将逐渐增加(如图中阴影所示)。过了工频 半个周波后(图中t-t2时)，当电源电压e到达反相的最大值(-Em)时，断口电压达到2Em。如果断口的介质强度不够，而且刚好在2Em时被重新击穿，则重新击穿后电容上的电压 uc将由起始值Em以幼d = W 的角频率围绕(-Em)振荡，其振幅为2Em。因此uc的最大值可达(-3Em)。伴随着高频振荡电压的出现，断口间将有高频电流流过，它领先于高频电压90°。因此， 当uc达到(-3Em)时(图中t-t3)，高频电流恰恰经过零点，于是电弧可能再一次熄灭。 此时电容C上将保持(-犯m)的电压，而电源电压则继续按工频变化。又过工频半个周波 后(图中t=t4)，作用在断口上的电压将达4Em。假如断口又恰好在此时击穿，则由于电容 的起始电压为(-3Em)，电源电压为Em,振荡后电容上的最大电压可达5Em。依此类推，过 电压可按(-7Em)， (+9Em)，……逐次增加而达很大的数值。
引起切空线过电压的原因是电弧的重燃。电弧重燃的时刻将直接影响到过电压的大小。 当重燃发生在电弧熄灭的l/4工频周期(0.005S)以内时并不会引起过电压，只有当重燃的 时刻在1/4工频周期以后才会有过电压出现。实际上，由于重燃不一定发生在电源电压到达 最大值时，重燃后，电弧也不一定能在高频电流的第一个零点时熄灭，再加线路上的电晕及 电阻等损耗，所以切空线电压的值实际上不会按3、 5、 7倍逐次增加。在中性点不接地系统 中一般不超过3. 5 4倍，在中性点直接接地系统中一般不超过3倍。限制切空线过电压的 最有效的措施是提高断路器的熄弧能力(即加快断口的介质强度恢复)，使之不发生重燃。3、重合空载长线过电压为了减少雷害引起的线路跳闸事故，送电线路广泛采用自动重合闸装置。仍以图2-1 (a) 为例，当雷击线路而使线路两端的断路器跳闸时，其中后动作的断路器将切断空载长线的电 容电流，而在线路电容上保留数值等于电源电压幅值(例如+Em)的残留电压。当开关重合 时，如电源电压恰恰达到极性相反的幅值(例如-Em)，则重合闸过电压将达2(Era)-Em=3Em。 相当于开关一次重燃时的过电压。从以上分析可知在切合(重合)空线的操作中，切空线时开关重燃所引起的过电压最高。上述分析是在单相电路中进行的，只适用于中性点直接接地的电网。因为在中性点直接 接地的电网中，三相基本上各自形成独立回路，所以开断过程的分析可以近似按照单相电路 考虑。但在中性点不接地或经消弧线圈接地时，因三相断路器动作时间的不同期以及熄弧时 间的差异等原因，会形成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，从而使过电压增大。通常 中性点不接地电网中操作空线时出现的过电压要比中性点直接接地时增大20%左右；如果操 作时空线带有一相接地故障，则过电压将接近直接接地时的^倍。如图2-7，线路上安装有电网元件操作过电压虚拟接地保护装置时，合闸时在线路中的 电感和对地电容激发的能量，形成周期性振荡产生过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保 护装置提供振荡能量泄放渠道，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置中的电阻R快速消耗 掉合闸激发的能量，因此从根本上防止了空载线路合闸过电压；当切除空载线路时，线路对 地电容储存的能量及电容上的电压不能突变，如前所述会产生很高的过电压，电网元件操作 过电压虚拟接地保护装置快速吸收消耗掉对地电容储存的能量，使断路器断口不再重燃，即 从根本上消除了产生过电压的因素；对于线路重合闸，电网元件操作过电压虚拟接地保护装 置吸收消耗掉线路对地电容储存的电荷，使重合闸前线路对地电容储存的电荷为零，在重合 闸后吸收消耗合闹激发的能量，彻底消除重合闸过电压。
如图2-8，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置应用于防止无功补偿电容器组操作过 电压。无功补偿电容的投入合闸激发的能量，快速被电网元件操作过电压虚拟接地保护装吸 收消耗，防止了合闸过电压的产生；无功补偿电容器退出开断时，就像前面所述开断空载线 路一样产生很高的开断过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置快速吸收无功补偿电 容储存的能量，从根本上消除了开断电容操作过电压。
图1-1为开断空载变压器原理图。 图1-2为截流时刻的电流电压关系图。 图1-3为截流后的电流和电压波形图。 图l-4为本实用新型变压器虚拟接地保护电路原理图。 图1-5 (a)为变压器中性点直接接地开断后等效电路原理图。 图1-5 (b)变压器中性点不接地开断后等效电路原理图 图2-l (a)为电源E1和E2之间长输电线路示意图。 图2-1 (b)为图2-1 (a)所示线路等效电路图。 图2-2为空线关合直流等效电路图。 图2-3为线路对地电容电流i和电压uc关系示意图。 图2-4 (a)为直流电源作用下电感L和线路对地电容等效电路图。 图2-4 (b)为2-4 (a)所示等效电路电压变化示意图。 图2-5 (a)为断路器开断空载长线时的接线图。 图2-5 (b)为断路器开断空载长线时的等值线路图。 图2-6为开断空载长线时电流-电压波形图。 图2-7为本实用新型空载线路操作过电压虚拟接地保护原理图。 图2-8为本实用新型电容器操作过电压虚拟接地保护原理图。 以下通过具体实施方式
，并结构附图对本实用新型作进一步描述
具体实施方式
实施例l:如图1-4，图中DL为电网元件控制开关，变压器安装有电网元件操作过电压虚拟接地 保护时，虚拟接地阻抗为纯电阻，当断路器开断空载变压器后，其以B相的等效电路如图 l-5， R'为虚拟接地电阻R等效到一次侧的值，图1-5 (a)为变压器中性点直接接地的电 路等效图，图1-5 (b)为变压器中性点不接地的电路等效图。从图中可以看出，当开断空 载变压器时虚拟接地电阻为空载变压器绕组储存的能量提供了一个泄方的渠道，防止了开断
空载变压器产生的过电压，防止了由于过电压使断路器触头再次燃弧损坏触头，延长断路器 的寿命。而三相基波电压在开口相加为O，正常情况电网元件操作过电压虚拟接地保护不消 耗基波功率。
实施例2:如图2-7，图中DL为电网元件控制开关，线路上安装有电网元件操作过电压虚拟接地 保护时，虚拟接地阻抗为纯电阻，合闸时在线路中的电感和对地电容激发的能量，形成周期 性振荡产生过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置提供振荡能量泄放渠道，电网元 件操作过电压虚拟接地保护装置中的电阻R快速消耗掉合闸激发的能量，因此从根本上防止 了空载线路合闸过电压；当切除空载线路时，线路对地电容储存的能量及电容上的电压不能 突变，如前所述会产生很高的过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置快速吸收消耗 掉对地电容储存的能量，使断路器断口不再重燃，即从根本上消除了产生过电压的因素；对 于线路重合闸，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置吸收消耗掉线路对地电容储存的电 荷，使重合闸前线路对地电容储存的电荷为零，在重合闸后吸收消耗合闸激发的能量，彻底 消除重合闸过电压。三相基波电压在开口相加为O，正常情况电网元件操作过电压虚拟接地 保护不消耗基波功率。
实施例3:如图2-8，图中DL为电网元件控制开关，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置应用 于防止无功补偿电容器组操作过电压，虚拟接地阻抗为可调电阻，无功补偿电容的投入合闸 激发的能量，快速被电网元件操作过电压虚拟接地保护装吸收消耗，防止了合闸过电压的产 生；无功补偿电容器退出开断时，就像前面所述开断空载线路一样产生很高的开断过电压， 电网元件操作过电压虚拟接地保护装置快速吸收无功补偿电容储存的能量，从根本上消除了 开断电容操作过电压。三相基波电压在开口相加为O，正常情况电网元件操作过电压虚拟接 地保护不消耗基波功率。
权利要求1、 电网元件操作过电压虚拟接地保护装置，其特征是在所述电网元件端设置虚拟接地 变压器(JDB)，所述虚拟接地变压器(JDB)的一次侧三相绕组分别接入元件对应的各相线， 其二次侧三相绕组首尾相连形成串联，其中任一相邻两相绕组之间设置为开口，虚拟接地的 形成是在所述开口两端跨接阻抗(RW)，或直接将所述开口短接形成虚拟接地变压器二次侧 的三角形连接，形成电网元件操作时激发能量的泄放渠道。
2、 根据权利要求1所述的电网元件操作过电压虚拟接地保护装置，其特征是所述阻抗 为纯电阻(R)或由阻基波滤波电路与电阻(R)串联构成。
专利摘要电网元件操作过电压虚拟接地保护装置，其特征是在所述电网元件端设置虚拟接地变压器，虚拟接地变压器的一次侧三相绕组分别接入元件对应的各相线，其二次侧三相绕组首尾相连形成串联，其中任一相邻两相绕组之间设置为开口，虚拟接地的形成是在所述开口两端跨接阻抗，或直接将所述开口短接形成虚拟接地变压器二次侧的三角形连接，形成电网元件操作时激发能量的泄放渠道。本实用新型消除了操作过电压的起因，因而从根本上防止了各种操作过电压的产生，可靠地保护系统绝缘。
文档编号H02H9/04GK201022148SQ20072003475
公开日2008年2月13日 申请日期2007年2月17日 优先权日2007年2月17日
发明者张云一 申请人:张安斌