变电站继电保护二次系统接地研究

1硕士研究生课程报告课程名称变电站继电保护运行与维护专业电气工程研究生姓名叶青峰学号2015120506019任课教师姓名杨文辉入学年月2015.092016年5月填写2变电站继电保护二次系统接地研究叶青峰2015120506019摘要随着变电站自动化的不断普及,继电保护装置逐步实现微机化和集成化,对周围电磁环境要求也越来越高。变电站内一次设备众多,高电压等级的一次设备在正常运行和故障时均会对变电站二次系统产生干扰。本文结合以往研究资料首先对变电站内常见的干扰源和传播途径进行分析和归类。对变电站一次设备遭受雷击、一次设备发生接地短路和断路器或隔离开关开合操作三种变电站内对二次系统影响最大的干扰源的产生机理和传播途径进行分析,从理论层面推导得到变电站二次系统等电位接地是减小二次系统干扰的有效手段。然后在理论基础上结合工程施工实际情况提出变电站二次系统等电位接地网敷设原则,从变电站二次系统、户外端子箱、室内保护屏柜、二次电缆及相关设备和交流二次回路五个方面提出相应等电位接地网敷设中应遵循的原则和施工方法。最后对某500kV变电站保护误动案例进行分析,验证本原则的有效性。关键词：变电站;二次系统;抗干扰;接地1.引言随着现代电网朝着高电压、远距离输电和智能化目标发展,对电网的安全性、稳定性和经济性也不断提出更高的要求。作为电力系统远距离输电的关键环节,变电站运行的安全与稳定至关重要。为保证各电压等级变电站的安全运行,在实际工作中,我们应用了大量的继电保护设备和测S设备。随着电压等级的不断提升和整个电力系统自动化程度的提高,数据测S采银设备、通讯设备以及继电保护设备等弱电设备不断增加,但变电站的电磁环境十分复?^,一次系统正常工作或发生故障时不可避免地会对二次系统产生电磁干扰。一次设备正常工作时的工频电流和电压,系统发生短路故障时产生的短路冲击电流和电压,隔离开关操作时产生的电弧放电,雷电侵扰一次设备和主接地网等等不同种类和传播途径的干扰对二次系统正常工作带来诸多隐患,如继电保护设备发生误动或拒动甚至损坏保护装置、数据测量采集设备采集数据失真、监控通信系统发生死机等。随着电网电压等级不断升高,系统容量不断增大,对电力系统一次设备进行测量、监控、控制、保护的二次设备技术水平不断提升。在变电站中,由这些二次设备组成的变电站二次系统越来越现代化、微机化、信息化。作为变电站二次系统中的核心部分,继电保护设备经历了从最初的电磁型到现在广泛应用的微机型的跨越。综合自动化系统整合了变电站二次系统各个设备,利用先进的计算机和通信技术对各设备的运行进行监控和保护。这些自动化系统和设备对电力系统和变电站运行的稳定性和可靠性大有帮助,但是综合自动化系统越是先进,系统集成度就越高,对电磁环境的要求也就越高,对电磁干扰抵抗能力越低,所以变电站二次系统抗干扰研究愈发的重要。3在电力系统中,为了工作和生产安全的需要,将电力系统及其各种电气设备的某些部分用专门的线路与大地相连,被称为接地。在电力生产中,合理的接地是十分必要的,主要的接地种类有如下3种：工作接地:工作接地是为了系统正常工作运行而设置的,如在llOkV及以上的电力系统中,一般采用中性点接地的运行方式,这样可以降低电力系统高压设备绝缘水平节约资金,这是一种典型的工作接地。防雷接地:在电力系统中,为了降低雷电直击设济及间接危害,电气设备需配置相应的防雷设备,这些避雷线、避雷针和避雷器必须通过相应的接地设备与大地相连,将雷电流导入大地。安全接地:为了防止工作中的电气设洛外壳带电,将电气设备外壳与大地相连,将电气设备外壳上的电流引入大地,从而保护操作人员人身安全。可靠的接地对变电站设备正常安全运行是必不可少的。对于一次设备而言,可靠的接地可以有效降低一次设备的绝缘水平,从而存效节约资金,并且可以保护设备免受雷电的损害。对于变电站运行和操作人员而言,可靠的接地可以有效减少各系统和设备的故障,确保运行和操作人员的人身安全。长期以来,二次系统接地仅被当作为了保护电气设私和人身安全的一般接地技术。但随着微机保护不断发展和变电站综合自动化水平不断提高,接地技术作为抵抗电磁干扰的存效手段之一,在变电站二次系统抗干扰技术的研究中受到越来越多的重视。可靠的接地可以减少其他设备对二次设备的电磁干扰,保证继电保护装置的正常工作、正确动作,从而确保整个变电站系统的正常运行。2.变电站干扰的形成和传播途径分析形成电磁干扰必须同时具备三个要素:干扰源、敏感设俗、稱合途径。在变电站中存在多种电磁干扰源产生的多种性质不同的干扰,对变电站二次系统各设备的正常运行工作带来越来越多的影响,为了减少变电站二次系统的干扰,提高继电保护装置等二次设备的抗干扰能力,对变电站干扰信号、干扰源和千扰的传播途径进行分析和总结是十分必耍的。2.1变电站干扰信号的分类在变电站里存在很多种不同种类的千扰,不同种类的干扰对变电站二次系统设备会造成不同的影响,为了更好地研究不同干扰对变电站二次系统的影响,首先对变电站干扰信号进行分类。按照干扰源所在地不同可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。按照干扰信号频率不同可以将干扰分为低频千扰和高频千扰,低频干扰以工频电流和电压,以及低次谐波为主,也包括频率低于IMHz的振荡。高频干扰以频率高于IMHz的高频振荡和无线电信号为主,也包含快速瞬变干扰,这种干扰频谱含量也较为丰富。按照干扰作用方式的不同可以将干扰分为差模干扰和共模干扰,差模干扰主要存在于信号回路中,与正常的信号叠加在一起。而共模干扰一般是由地电位升高引起的,主要存在于导线与大地之间。42.2电磁干扰的稱合与传播方式在变电站中,电磁干扰主要有两种转播方式:传导和福射。根据传播机理的不同可以将电磁干扰分为传导干扰和福射干扰。传导干扰是沿着导线传播的电磁干扰,主要可以分为4种,分别是:电容親合(电场親合)、电感稱合(磁场親合)、电磁场稱合和公共阻抗親合。而福射干扰是以电磁波的形式通过空间传播的,例如上一节提到的电晕放电产生的局部放电干扰。电与磁总是相生相伴的,在实际的工程现场,不存在纯粹的电场或者磁场,所以严格的说,电磁场稱合包括电容親合和电感稱合。但为了研究的方便,当测量点到干扰源的距离小于0.167倍干扰波最大波长时,我们可以简单等效认为,高电压对应电容顆合,大电流对应电感稱合。当测量点到干扰源的距离大于0.167倍干扰波最大波长时,干扰源产生的干扰看作辖射干扰。3.变电站二次系统干扰分析变电站二次系统以由二次设备为主,也包括连接各二次设备和一次设备的二次电缆。变电站二次系统各设备种类繁多,多种型号的设备使得设备运行电磁环境非常复杂,存在多种干扰。形成变电站二次系统干扰的原因有很多,其中主要原因有如下几点:(1)雷电流注入变电站主接地网(2)变电站一次系统短路电流注入主接地网(3)变电站一次系统断路器、隔离开关操作(4)高电压强电场环境下,因为电磁场作用产生的电磁辐射等干扰以上为变电站二次系统常见的干扰源,由于这些干扰源的存在,如果不采取措施,变电站二次设备受到干扰导致设备故障甚至于危及整个系统的稳定,所以需要分别对前三种种典型干扰源进行分析,研究干扰产生和传播机理,为变电站二次系统抗干扰能力的提高打下基础。3.1一次系统短路对变电站二次系统的干扰在变电站内部各设备中,一次设备是最大的暂态干扰源,当发生接地短路故障时,短路电流流入主接地网,在接地网上形成幅值很高的电压降,造成二次电缆和二次设备的绝缘击穿甚至损毁。同时,短路电流在变电站内的架空导线和主接地网流过会在二次电缆上产生感应电动势,在双端接地的二次电缆上形成感性电流,干扰二次设备的正常运行工作。变电站一次系统工频短路电流对接地网的影响与雷电流入地基本相同,但工频短路电流持续时间和衰减周期相对于雷电流都长很多,这导致工频短路电流对二次系统的干扰时间相对较长。另外,当变电站一次系统发生短路故障时,继电保护装置处于判断鉴别故障处理故障时期,对变电站二次系统的干扰更容易引起继电保护装置的误判和误动。5与雷电流类似,主接地网各接地体上的工频短路电流会在周围二次电缆上产生感应电动势E,感应电动势E的大小与接地体上工频短路电流的大小、二次电缆的长度和布置方式以及二次电缆是否有屏蔽层等因素相关。工频短路电流在二次电缆上产生的感应电动势不随接地网周围土壤电阻率P变化而变化,当接地网总面积为定值时,增加接地体数量,可以使接地网电位趋于均勾,二次电缆感应电动势也随之减小。二次电缆的长度和接地体之间的相对位置都影响二次电缆感应电动势,当二次电缆与接地体互相平行的长度越大时,二次电缆感应电动势也越大,如果将两者平行间距加大,可以减小二次电缆感应电动势。流入变电站主接地网接地体上的工频短路电流在二次电缆上产生的感应电动势的方向是沿着二次电缆方向的,感应电动势的大小一般不足以危及二次系统设备的绝缘,但工频短路电流感生出的共模干扰电压相应也是工频信号,当共模千扰电压转化为差模干扰电压后,该差模干扰电压也是工频信号,与正常被测信号混在一起,很难分离。因此,对于一次系统短路电流产生的干扰,二次电缆加装良好的屏蔽层并将屏蔽层正确接地是减少干扰的有效措施。3.2电气操作对变电站二次系统的影响在变电站一次设备中,断路器和隔离开关的开断操作都会给变电站二次系统带来干扰,相对来说,隔离幵关因为没存灭弧装置,在分合闹时电弧过多次重燃,产生多次断口电弧重燃过电压和充放电涌流,而断路器设有专门的灭弧装置,并且动触头移动速度比隔离开关快很多,所以发生重燃概率很小。因此本节以隔离开关为主要研究对象,研究隔离开关幵断操作对变电站二次系统的干扰。随着电力系统总容量不断增大和系统电压不断升高,隔离开关在开断操作中产生的断口电压的上升速度也在不断增加,由于断口电压上升速度加快,隔离开关又没有相应的灭弧装置,在隔离开关断口处电弧重燃概率加大,甚至发生多次重燃。并且由于隔离开关三相断口之间允许存在同期误差,因为三相断口甚至会发生依此重燃。隔离幵关三相断口的电弧重燃有可能是依次出现的,并且电弧电流具有零序性质,在电弧重燃的过程中,充放电涌波将通过空载母线、线路、二次电缆的零序电容流入变电站主接地网与主变压器形成回路。断口电弧重燃次数主要与系统电压等级、动触头移动速度有关。电弧重燃涌流对变电站接地系统和二次设备干扰很大,其特征为:(1)电弧重燃涌流的波形为衰减振荡波,其衰减速率与变电站一次系统参数有关,持续时间通常为1.5ms。(2)电弧重燃涌流幅值取决于变电站一次系统参数和系统的震荡频率。(3)电弧重燃涌流最大值出现时间一般应在系统震荡频率wo的正弦值趋近6于1时。在变电站中,隔离幵关的分合操作对变电站二次系统干扰信号的传播方式有多种,其中主要是电容稱合、电感锅合和阻抗糊合这三种。以电容锅合为例,断口电弧重燃产生的重燃过电压沿母线传播,若遇到母线上装设的高频阻波器,将形成高频通路经由母线电压互感器一、二次线圈间的分布电容锅合至变电站二次系统。4.总结与展望变电站作为电力系统中电压变化的核心节点,站内一次、二次设备众多,各种电磁干扰问题也较为严重。特别是一次设备操作和雷击过电压瞬间产生的暂态变化极易对二次设备产生严重的电磁干扰。本文通过对变电站内常见干扰源和干扰传播途径进行分析,得出如下结论:(1)变电站中常见干扰源可以归结为:电磁耦合干扰、射频干扰、雷电干扰、操作干扰、短路干扰、局部放电千扰、对讲机和通信设备干扰、设备内部电子干扰等。其中雷电干扰、短路干扰和操作干扰囚其暂态过程中产生的屯磁脉冲幅值高、频域宽,因此在变电站这两种干扰源对二次系统影响最大。(2)变电站二次系统干扰传播途径主要有电容耦合、电感耦合、电磁场耦合、公共阻抗耦合和电磁波辐射五种,通常某一干扰源会具冇儿种不同的干扰传播方式。(3)分析变电站中常见的一次设备遭受雷击、一次设备发生接地短路和断路器或隔离幵关开合操作对变电站二次系统的干扰情况。对这三种干扰的分析可以得出在二次系统中敷设可靠的等电位接地网是减小二次系统干扰的有效方法。(4)结合在工程中的实际应用,提出变电站二次系统等电位接地网敷设原则,本原