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使用接地故障中和器（消弧线圈）方法进行电气接地
接线图
2024年10月20日 22:25 218
admin
接地故障中和器或彼得森线圈是一种高阻抗铁芯电抗器，用于三相网络以减少单线对地故障电流、减少断路器操作次数并提高服务连续性。
在电力系统中，电容性故障电流通过故障返回系统。同样，来自系统和地面之间其他导纳的任何故障电流的附加分量都将通过故障返回。最终的故障电流将是各种分量的叠加。如果两个大小相等、符号相反的故障电流在故障处合并，它们会相互抵消。
彼得森发明的一个重要特点是它增加了适当大小的感应电流来中和电容故障电流。
中和电流可以来自任何来源，只要正确的量流过故障即可。第一种方法可能是将三相电抗器与每个导体的接地电容并联（图 1）。
图 1.三相接地故障中和器
当某一相发生接地故障时，在无故障相与地之间流动的额定频率电容电流（充电电流）将与接地电抗器中流动的额定频率电流大致相等。这些分量在故障位置的相位差为 180°，中和效应很明显。
中性线电压升高到故障导线的相间电压和线间电压，并出现在整个系统内，即地面和两条无故障线路之间（增加 73%）。
流过电容的电流为：
Ic = VphωC
通过反应堆的电流为：
Ir = Vph/ω L
在哪里：
Vph = 均方根相量电压
ω = 弧度频率
C = 电容
L = 电感
通过满足条件 ω ? L = 1/ω ? C，我们可以确认通过电容和电抗器的电流相互中和。
三相法在理论上是正确的，但在经济上并不合理。与故障相连接的电抗器不工作，并将工作容量降低到总装机容量的三分之二（或更少）。通过两个运行电抗器的电流相位差 60°，产生的电流是通过单个电抗器电流 (I0L) 的 1.73 倍。
电抗器与发电机、配电变压器或之字形接地变压器的中性线相连。
系统导体与地面之间的相互作用等效地由转移到电源中性点的三个对地电容表示。直接或通过接地变压器连接到中性点的接地电感电抗将与转移电容并联出现。
在这种情况下，对地的总容抗为：
1/ΣωCn
其中，对于三相系统，n = 1、2 和 3。
满足条件的电感电抗
ω L = 1/ Σ ω ? Cn
就会抵消这种容抗，这个表达式就是彼得森用系统电容调谐接地电抗器的规则，与电路进入谐振的条件相一致。
系统可以 100% 调谐或失调。失调时，可能会补偿不足或过度，具体取决于电容和电感之间的平衡。
图 2 显示了单线接地故障期间流过的电容电流和电感电流的大小。显示的数字以单位 (pu) 为单位，故障前通过自然电容接地的电流为 1 pu。根据基尔霍夫电流定律，中性点处的 Ib + Ic + 3I0L = 0。
图 3 显示了得到的相量图。
图3. a相单线接地故障时的电压和电流
用对称分量法研究系统行为
让我们分析一下位于中性线且采用对称元件的接地故障中和器的效果。
图4示出了a相单相接地故障时正序、负序、零序网络的串联情况。
图 4.相 a 单线接地故障序网络连接
X1c、X2c 和 Xc 的值（即分布电容电抗）与 Z1s、Z2s、ZTx、Z1line、Z2line 和 Z?line 的串联阻抗值相比相当大。然后，Z1s 和 ZTx 在正序网络中使 X1c 短路，Z2s 和 ZTx 在负序网络中使 X2c 短路。此外，与 Xc 和 3X 的并联相比，电源、变压器和线路串联阻抗之和接近于零。
要计算故障电流，在a相中，零序网络就可以了。
图 5 以略有不同的方式显示了序列网络的连接，突出显示了电抗器、变压器和电容中的电流分布。该分析忽略了变压器阻抗的电阻。
图 5.零序网络中的电流分布
观察图 5 中通过电抗器的电流仅为零序网络电感分量的一倍，而图 2 中则是三倍。这种情况不应引起混淆，因为它只是一种代数技巧，其中数字三从电流变为电感，但它们的乘积电压保持不变。要记住的关键概念是中性线电抗的实际值是其实际值的三倍。
为了计算所需中性电抗的近似实际值（在系统的健康状态下），我们使用以下公式：
Xt + 3X = Xc
并得到：
X = 1/3(Xc – Xt)
从图 5 中我们可以看出：
Z= j(Xt + 3X) (-j Xc) / (j Xt + 3jX- j Xc)但在共振时：
Xt + 3X = Xc
然后：
Z? = j(Xt + 3X) (-j Xc) / 0 = 其作用类似于开路。
当 a 相发生单相接地故障，且 Z = 时，故障处的零序电压将为 a 相故障前的线对中性点电压。此电压将允许电容电流和电感电流在零序回路中流动，尽管正序和负序网络中不会有电流流动。
由于功率损耗分量（包括绝缘子漏电流损耗和电晕损耗）、谐波和不完善的调谐，通过故障的返回路径仅携带少量残余电流。功率损耗分量将与电压同相；电压和电流将同时通过零点，并将电弧熄灭到地面而不会重新触发。
剩余电流的一个有用方面是它有助于定位永久性故障。
此外，在熄灭电弧后，谐振条件将使跨越其的电压幅度非常接近零序电压。这种低电压条件将补充小的剩余电流，以熄灭电弧并防止重击。在补偿系统中，电压恢复时间比非接地网络要慢得多。
接地故障电流可能约为不接地系统的 3-10%。相比之下，由电抗器和自然接地电容形成的回路中的循环电流幅度可能很大。
通常，非换位线路或具有许多单相抽头的线路中的自然对地电容并不均衡（非对称配置）。这两种情况在配电系统中很常见。在这些情况下，负载电流可能会产生较小的零序电压。零序电压可能充当中性线和地之间的源，并与 X和 Xc 形成串联谐振电路。
在谐振时，电容和接地电抗器两端的电压大小相等，但相位相反。如果电路电阻较低，这些电压可能会变得非常大，甚至比施加的零序电压还要大。因此，所有网络都需要线间绝缘。
以前的装置使用固定值电抗器，调节条件根据系统布置而变化。安装在新型电抗器上的抽头允许手动或自动调节。其他设备（如带有控制系统的柱塞）为调节系统提供了安全的方法。
一个例子
13.8kV 配电网对地总充电电容（用表格计算）为 0.658 微法拉/相。额定频率为 60Hz，忽略变压器阻抗，计算：
每相零序容抗（X0c）
每相电容充电电流（I0c）
连接至中性线的电抗的实际值 (XL)
单线接地故障时，流过零序网络电感分量的电流 (I0L)额定频率故障电流（If）
流过实际电抗器的电流（3I0L）
回答：
-jX0c = -j/120πC = -j10/12π0.658 = -j4 031.40 Ω/相jI0c = jVLL/√3X0c = j13 800/√34 031.40 = j1.976 A/相jX= 1/3(Xc – Xt) = j Xc/3 = j4 031.40/3 = j1 343.80 Ω-jI0L = -jVLL/3√3XL = -j13 800/3√31 343.8 = -j1.976 A/相如果 = jI0c + (-jI0L) = j(I0c-I0L) = j(1.976 – 1.976) = 0 A3I0L = 31.976 = 5.928 ~ 6 A或VLL/√3XL = 13 800/√3?1 343.80 = 5.928 ~ 6 A优点和缺点
接地故障中和器在空中频繁发生单线接地故障的系统中非常有用，例如架空输电线。大多数此类故障都是瞬态的。使用这种方法的用户声称停电率很低，从而提高了电网质量。中和器将电弧电流保持在自熄水平以下，清除瞬态故障并使电弧路径消电离，而无需断开故障线路。
然而，故障中的剩余电流仍然对人员和设备构成危险，包括引发火灾。一些国家在中压网络中使用绝缘电缆。因此，未补偿的剩余电流会大幅增加，从而增加风险。
对于持续故障，公用事业公司使用接地故障中和器和跳闸方案。典型的保护系统包括一个单极旁路断路器，如果故障未消除，它会在设定的时间后使电抗器短路。旁路断路器的闭合将使中性线可靠接地，从而使标准接地继电器能够拾取并有选择地清除故障。延迟时间设定了电抗器的热额定值。
另一种方法是将电阻器和单相电源断路器与电抗器或辅助绕组并联。电抗器将在故障发生时将故障电流和瞬时过电压限制在安全值。对于永久性故障，电源断路器将在预设时间后关闭，电阻将允许足够的接地故障电流，使继电器拾取并发出警报或跳闸故障馈线的断路器。
许多国家都有规定设定允许的最长预设时间，以保护人身和财产安全。
传统接地故障中和器的一个显著缺点是它无法消除固体绝缘（如纸、涂漆的细麻布和橡胶）中的故障。使用接地故障中和器，电缆故障可能会再次发生并产生短路，故障电流足以使故障馈线的断路器跳闸。
接地故障中和器的其他缺点包括：
所有系统必须具有线间电压绝缘。
需要对反应堆进行重新调整，以适应系统配置的变化。
接地故障中和器的应用领域
接地故障中和器已在欧洲大部分地区用于架空输电、二次输电和配电线路多年，这些线路中的大多数故障都是瞬态单相接地。中国、以色列、巴西和世界其他地区也使用这种接地方法。
在美国，接地故障中和器并不流行，因此使用不多。然而，接地发电机是其中一种应用。在这种情况下，由于发电机与变压器之间的距离较短，系统电容较小且固定，从而减少了重新调整的需要。如果发生接地故障，发电机可能会继续工作，直到适当停机。然而，发电机最常见的方法是高电阻接地。
由于接地故障中和器缺乏换位和频繁单相抽头，因此其特性不对称，因此在配电系统中应谨慎使用接地故障中和器。此外，配电系统中的重复开关操作需要不断重新调整电抗器。在工业中，仅建议在关键工艺中使用接地故障中和器。
在电力系统中，电容性故障电流通过故障返回系统。同样，来自系统和地面之间其他导纳的任何故障电流的附加分量都将通过故障返回。最终的故障电流将是各种分量的叠加。如果两个大小相等、符号相反的故障电流在故障处合并，它们会相互抵消。
彼得森发明的一个重要特点是它增加了适当大小的感应电流来中和电容故障电流。
中和电流可以来自任何来源，只要正确的量流过故障即可。第一种方法可能是将三相电抗器与每个导体的接地电容并联（图 1）。
图 1.三相接地故障中和器当某一相发生接地故障时，在无故障相与地之间流动的额定频率电容电流（充电电流）将与接地电抗器中流动的额定频率电流大致相等。这些分量在故障位置的相位差为 180°，中和效应很明显。
中性线电压升高到故障导线的相间电压和线间电压，并出现在整个系统内，即地面和两条无故障线路之间（增加 73%）。
流过电容的电流为：
Ic = VphωC
通过反应堆的电流为：
Ir = Vph/ω L
在哪里：
Vph = 均方根相量电压
ω = 弧度频率
C = 电容
L = 电感
通过满足条件 ω ? L = 1/ω ? C，我们可以确认通过电容和电抗器的电流相互中和。
三相法在理论上是正确的，但在经济上并不合理。与故障相连接的电抗器不工作，并将工作容量降低到总装机容量的三分之二（或更少）。通过两个运行电抗器的电流相位差 60°，产生的电流是通过单个电抗器电流 (I0L) 的 1.73 倍。
图 1 所示的布置并不是一个实用的方案，但将这种基本形式的相接地与连接到中性点的电抗器的相同原理的优越应用进行比较是有益的，如图 2 所示。彼得森在他最初的德国专利中给出了这两种解决方案。
电抗器与发电机、配电变压器或之字形接地变压器的中性线相连。
系统导体与地面之间的相互作用等效地由转移到电源中性点的三个对地电容表示。直接或通过接地变压器连接到中性点的接地电感电抗将与转移电容并联出现。
在这种情况下，对地的总容抗为：
1/ΣωCn
其中，对于三相系统，n = 1、2 和 3。
满足条件的电感电抗
ω L = 1/ Σ ω ? Cn
就会抵消这种容抗，这个表达式就是彼得森用系统电容调谐接地电抗器的规则，与电路进入谐振的条件相一致。
系统可以 100% 调谐或失调。失调时，可能会补偿不足或过度，具体取决于电容和电感之间的平衡。
图 2 显示了单线接地故障期间流过的电容电流和电感电流的大小。显示的数字以单位 (pu) 为单位，故障前通过自然电容接地的电流为 1 pu。根据基尔霍夫电流定律，中性点处的 Ib + Ic + 3I0L = 0。
图 3 显示了得到的相量图。
图3. a相单线接地故障时的电压和电流用对称分量法研究系统行为
让我们分析一下位于中性线且采用对称元件的接地故障中和器的效果。
图4示出了a相单相接地故障时正序、负序、零序网络的串联情况。
图 4.相 a 单线接地故障序网络连接X1c、X2c 和 Xc 的值（即分布电容电抗）与 Z1s、Z2s、ZTx、Z1line、Z2line 和 Z?line 的串联阻抗值相比相当大。然后，Z1s 和 ZTx 在正序网络中使 X1c 短路，Z2s 和 ZTx 在负序网络中使 X2c 短路。此外，与 Xc 和 3X 的并联相比，电源、变压器和线路串联阻抗之和接近于零。
要计算故障电流，在a相中，零序网络就可以了。
图 5 以略有不同的方式显示了序列网络的连接，突出显示了电抗器、变压器和电容中的电流分布。该分析忽略了变压器阻抗的电阻。
图 5.零序网络中的电流分布观察图 5 中通过电抗器的电流仅为零序网络电感分量的一倍，而图 2 中则是三倍。这种情况不应引起混淆，因为它只是一种代数技巧，其中数字三从电流变为电感，但它们的乘积电压保持不变。要记住的关键概念是中性线电抗的实际值是其实际值的三倍。
为了计算所需中性电抗的近似实际值（在系统的健康状态下），我们使用以下公式：
Xt + 3X = Xc
并得到：
X = 1/3(Xc – Xt)
从图 5 中我们可以看出：
Z= j(Xt + 3X) (-j Xc) / (j Xt + 3jX- j Xc)但在共振时：
Xt + 3X = Xc
然后：
Z? = j(Xt + 3X) (-j Xc) / 0 = 其作用类似于开路。
当 a 相发生单相接地故障，且 Z = 时，故障处的零序电压将为 a 相故障前的线对中性点电压。此电压将允许电容电流和电感电流在零序回路中流动，尽管正序和负序网络中不会有电流流动。
由于功率损耗分量（包括绝缘子漏电流损耗和电晕损耗）、谐波和不完善的调谐，通过故障的返回路径仅携带少量残余电流。功率损耗分量将与电压同相；电压和电流将同时通过零点，并将电弧熄灭到地面而不会重新触发。
剩余电流的一个有用方面是它有助于定位永久性故障。
此外，在熄灭电弧后，谐振条件将使跨越其的电压幅度非常接近零序电压。这种低电压条件将补充小的剩余电流，以熄灭电弧并防止重击。在补偿系统中，电压恢复时间比非接地网络要慢得多。
接地故障电流可能约为不接地系统的 3-10%。相比之下，由电抗器和自然接地电容形成的回路中的循环电流幅度可能很大。
通常，非换位线路或具有许多单相抽头的线路中的自然对地电容并不均衡（非对称配置）。这两种情况在配电系统中很常见。在这些情况下，负载电流可能会产生较小的零序电压。零序电压可能充当中性线和地之间的源，并与 X和 Xc 形成串联谐振电路。
在谐振时，电容和接地电抗器两端的电压大小相等，但相位相反。如果电路电阻较低，这些电压可能会变得非常大，甚至比施加的零序电压还要大。因此，所有网络都需要线间绝缘。
以前的装置使用固定值电抗器，调节条件根据系统布置而变化。安装在新型电抗器上的抽头允许手动或自动调节。其他设备（如带有控制系统的柱塞）为调节系统提供了安全的方法。
一个例子
13.8kV 配电网对地总充电电容（用表格计算）为 0.658 微法拉/相。额定频率为 60Hz，忽略变压器阻抗，计算：
每相零序容抗（X0c）
每相电容充电电流（I0c）
连接至中性线的电抗的实际值 (XL)
单线接地故障时，流过零序网络电感分量的电流 (I0L)额定频率故障电流（If）
流过实际电抗器的电流（3I0L）
回答：
-jX0c = -j/120πC = -j10/12π0.658 = -j4 031.40 Ω/相jI0c = jVLL/√3X0c = j13 800/√34 031.40 = j1.976 A/相jX= 1/3(Xc – Xt) = j Xc/3 = j4 031.40/3 = j1 343.80 Ω-jI0L = -jVLL/3√3XL = -j13 800/3√31 343.8 = -j1.976 A/相如果 = jI0c + (-jI0L) = j(I0c-I0L) = j(1.976 – 1.976) = 0 A3I0L = 31.976 = 5.928 ~ 6 A或VLL/√3XL = 13 800/√3?1 343.80 = 5.928 ~ 6 A优点和缺点
接地故障中和器在空中频繁发生单线接地故障的系统中非常有用，例如架空输电线。大多数此类故障都是瞬态的。使用这种方法的用户声称停电率很低，从而提高了电网质量。中和器将电弧电流保持在自熄水平以下，清除瞬态故障并使电弧路径消电离，而无需断开故障线路。
然而，故障中的剩余电流仍然对人员和设备构成危险，包括引发火灾。一些国家在中压网络中使用绝缘电缆。因此，未补偿的剩余电流会大幅增加，从而增加风险。
对于持续故障，公用事业公司使用接地故障中和器和跳闸方案。典型的保护系统包括一个单极旁路断路器，如果故障未消除，它会在设定的时间后使电抗器短路。旁路断路器的闭合将使中性线可靠接地，从而使标准接地继电器能够拾取并有选择地清除故障。延迟时间设定了电抗器的热额定值。
另一种方法是将电阻器和单相电源断路器与电抗器或辅助绕组并联。电抗器将在故障发生时将故障电流和瞬时过电压限制在安全值。对于永久性故障，电源断路器将在预设时间后关闭，电阻将允许足够的接地故障电流，使继电器拾取并发出警报或跳闸故障馈线的断路器。
许多国家都有规定设定允许的最长预设时间，以保护人身和财产安全。
传统接地故障中和器的一个显著缺点是它无法消除固体绝缘（如纸、涂漆的细麻布和橡胶）中的故障。使用接地故障中和器，电缆故障可能会再次发生并产生短路，故障电流足以使故障馈线的断路器跳闸。
接地故障中和器的其他缺点包括：
所有系统必须具有线间电压绝缘。
需要对反应堆进行重新调整，以适应系统配置的变化。
接地故障中和器的应用领域
接地故障中和器已在欧洲大部分地区用于架空输电、二次输电和配电线路多年，这些线路中的大多数故障都是瞬态单相接地。中国、以色列、巴西和世界其他地区也使用这种接地方法。
在美国，接地故障中和器并不流行，因此使用不多。然而，接地发电机是其中一种应用。在这种情况下，由于发电机与变压器之间的距离较短，系统电容较小且固定，从而减少了重新调整的需要。如果发生接地故障，发电机可能会继续工作，直到适当停机。然而，发电机最常见的方法是高电阻接地。
由于接地故障中和器缺乏换位和频繁单相抽头，因此其特性不对称，因此在配电系统中应谨慎使用接地故障中和器。此外，配电系统中的重复开关操作需要不断重新调整电抗器。在工业中，仅建议在关键工艺中使用接地故障中和器。
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