三相交流电源研究

三相交流电源研究 南 京 气 象 学 院 系别: 电子工程系 专业: 电子信息工程,防雷与电磁兼容方向, 姓名: 唐小琴 学号 2000405259 论文目 供电电源系统的过电压引入途径和抑制措施 指导老师 李祥超 二O O四年五月二十日 accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policies 供电电源系统中的过电压引入途径和抑制措施 唐小琴 (南京气象学院 南京 210044) 摘要:本文介绍了供电电源系统引入过电压,电力系统的过电压包括内部过电压和外 部过电压，内部过电压包括暂时过电压和操作过电压，外部过电压为雷电(大气)过 电压。根据不同的低电压配电系统接地形式，防过电压措施也不同. The overvoltage , in the power system , includes the inside overvoltage and the outside overvoltage . The inside overvoltage includes the transient overvoltage and the operation overvoltage . The outside overvoltage is the lighting (atmosphere) overvoltage . According to these different ground connection forms in the lowvoltage power distribution system , there are the different measures to protect the overvoltage. 主题词:供电电源 过电压 中性点接地 引言:电力系统在运行过程中除了长期受到工作电压的作用外，由于种种原因还会受 到比工作电压高得多的电压作用，会直接危害到绝缘的正常工作，造成事故。这种对 绝缘有危险的电压升高和电位差升高为“过电压”。 三相交流电源是世界上目前使用最广泛的电源，它是由三相同步发电机产 生。所谓三相同步发电机是指在一台发电机的电枢有三个机械结构相同的绕组， 各个绕组间相互相差120º电角度。 一、供电制式 有三相交流电源供电的各种电器接线方式有下面几种: (1) 三相三线制供电系统(IT系统) 该系统供电线只有三条，而且都是相线。这种接线方式只供给三相对称的用 电器。如三相电动机、三相整流器等。由于用电器负载是对称的，各相电流大小 相等、相位互差120º。电力系统的带电部分与大地间无直接连接(或有一点经 足够大的阻抗接地)，用电设备的外露可导电部分通过保护线至接地极，(这种系 统在我国少用)。如图: onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric1 (2) 三相四线制供电系统 当与三相电源连接的是非对称负载时，因三相负载的电流不对称，它们的矢量和不为零，即以,,点流回O点的电流不为零。,,,之间的导线不能取消。但是只需一根导线，既可以应付三相回流的电流，这就构成三相四线制。 三相四线制又分两种。其中一种是三相电源和负载的O点和O,都不接地，并且,,,整条导线中间的所有部分也不接地。习惯上把这种方式叫做三相四线接中制，如图。 其中,,,导线叫做中线。这种接线方式的特点是整个系统(含电源、负载、零线)都与大地绝缘。它的优点是，万一有一条相线碰了地，也不会发生短路，不会出现火花。 三相四线制接线的另一种连接方式是,,,点都接地，这种接线方式叫做三相四线接零制。(TN,,系统)其中,,,导线叫做零线。整个系统中线(N)与保护线(PE)是合一的。 在住宅区范围内零线至多每隔50m必须重复接地一次。电源进入每座房屋时零线必须与房屋的主钢筋连接作为进户重复接地。 中线与零线区别在于导线,,,不接地与接地。接零系统对于防雷有更大的优越性。 (3) 三相五线制供电系统 vel. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesxxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and lete green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advoca2 所谓三相五线制供电系统，是三相四线接零制派生的一种接线方式。 a.三相四线制接零系统的基础上，在大楼总开关的接零点,,处，多引一条线处来到各用户，供各用户的机器、仪器、做保安接地用(即三脚插座接地脚的引线)。通常把它叫做保护地线(PE)。零线用“N”表示。所以对于单相供电的拥护，入室的导线便有相线、零线和地线三条了。整个系统的中线(N)与保护线(PE)分开的。(,,,,系统) b.系统中，前一部分中线和保护线是合一的，后一部分分开。(,,,,,,系统) 我国民用低压电力系统实际用的就是,,,,，,,,,,,和，,系统 二、高电位的引入 1、由于输电线路长度大，分布面广，地处旷野，易受雷击。在电力系统中，出现的由于大气环境中雷电放电所引起的过电压，称为大气过电压。输电线路上出现的大气过电压有两种，一种是雷直击于线路引起的，称直击雷过电压;另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称为感应雷过电压。 ,、除大气过电压(又称雷电过电压或外部过电压)外，供电系统中还会由于自己内部原因引起的过电压，统称为内部过电压。这是由于在电力系统中有电 onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric3 场惯性元件(电容)和磁场惯性元件(电感)，当进行开关操作时(包括正常操作和事故操作)，电力系统就会由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。系统元件中的电磁场能量要进行重新分配，这是一个震荡过程，当系统参数配合不当时，就会出现很高的过电压。电力系统的内部过电压包括两类，即稳态过电压(又称暂态过电压)和操作过电压。 三、高电位的抑制措施 、对直击雷的防护，采取的措施有: 1 (1)架设避雷线 避雷线是高压和超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要目的是防止雷直击导线。此外，避雷线对雷电流有分流作用，可以减小流入杆塔的雷电流，使杆塔的电位下降;通过对导线的耦合作用可以减少线路绝缘上的电压;对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。 ? 35kv线路不宜全线架设避雷线，一般在变电所的进线段架设1,2km的避雷线，同时在雷电活动强烈的地段架设避雷线，或者安装线路金属氧化物避雷器。 ? 110kv线路应全线架设避雷线，山区应采用双避雷线;但在年平均雷暴日数不超过15日或运行经验雷电活动轻微的地区，可不架设避雷线。 vel. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesxxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and lete green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advoca4 ? 220 kv线路应全线架设避雷线，同时应采用双避雷线。 对于架设避雷线的线路，应注意杆塔上避雷线对边导线的保护角，一般采用20?,30?保护角，同时做好杆塔的接地。 (2)降低杆塔接地电阻 对于一般高度的杆塔，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击的有效措施。规定，有避雷线的线路，每基杆塔(不连避雷线)的工频接地电阻，在雷季干燥时不宜超过下表所列数值。 表1有避雷线输电线路杆塔的工频接地电阻(Ω) (3)架设耦合地线 在降低杆塔接地电阻有困难时，可以采用在导线下方架设地线的措施，其作用是增加避雷线与导线间的耦合作用以降低绝缘子串上的电压。此外，耦合地线还可以增加对雷电流的分流作用。 (4)采用不平衡绝缘方式 不平衡绝缘的原则是使二回路的绝缘子串片数有差异，这样雷击时绝缘子片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回导线的耦合作用。提高了另一回的耐雷水平，使之不发生闪络，以保证另一回继续供电。一般认为两回路绝缘水平的差异宜为?3 倍相电压(峰值)，差异过大将使线路总故障率增加。 (5)装设自动重合闸 由于线路绝缘具有恢复功能，大多数雷击造成的冲击闪络和工频电弧在线路跳闸后能迅速去游离，线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化，因此装设自动重合闸的效果很好。在中性点直接接地的电网中实验表明，绝大多数雷击事故是单相闪络，所以可采用单相重合闸以减轻断路器的检修工作量及减轻对用户供电的影响。 (6)采用消弧线圈接地方式 对于雷电活动强烈，接地电阻又难以降低的地区，可考虑采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式，绝大多数的单相着雷闪络接地故障将被消弧线圈所消除。而在二相或三相着雷时，雷击引起第一相导线闪络并不会造成跳闸，闪络后的导线相当于地线，增加了耦合作用，使未闪络相绝缘子串上的电压下降，从而提高了耐雷水平。 (7)装设管型避雷器 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘冲击闪络，并能使建弧率降为零。在现代输电线路上，管型避雷器安装在高压线路之间及高压线路与通信线路之间的交叉跨越杆、过江大跨越高塔杆、换位塔杆，即变电站的进线保护段等处。 (8)加强绝缘 由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆塔，这就增加了杆塔着雷的机会。对于高塔杆，可以采用增加绝缘子串片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等来提高其防雷性能。高杆塔的等值电感大，感应过电压大，绕击率也随高度而增加。因此规程规定，全高超过40m有避雷线的杆塔，每增高10m应增加一片绝缘子，全高超过100m的杆塔，绝缘子数应结合运行经验通过计算确定。 2、在低压供电系统中的低压避雷器的应从以下四个方面选择: ?按被保护负载的特性选择;? 根据雷电密度和安装现场环境特征决定通流电流; ?按避雷器的最大通流电流选择分断开关 ，其分断容量应与系统的短路电流相匹配; ?考虑与漏电保护设备配合。 避雷器原则上与负载(用电器)并联，目的是把沿金属线(电力线、信号线) onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric5 传来的雷电电压峰值抑制在用电器可以承受的电压范围内。或者说，把用电器两端实际承受的电压限制在避雷器的残压值内。 (1) 三相三线供电且有相间负荷的情况按下图接线。 注:1—为避雷器符号(以下各图同); 2—两相线间接避雷器成为横向避雷器; 3—相线与地之间接避雷器成为纵向避雷器。 横向避雷的目的是防止各相避雷器响应时间不同或其中一相避雷器失效造成相间高电位。对三相三线供电无相间负载的情况可以免去横向避雷措施。 (2) 三相四线接中线情况的避雷器接线法如图所示。 它的特点是中线不接地，所以这时的中线必须对地加接避雷器。 同理，如果相间有负载的情况应加接横向避雷器。 (3) 三相四线接零线供电时。 零线在进户前必须重复接地，因此零线不必接避雷器， vel. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesxxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and lete green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advoca6 由于零线在进户时已重复接地，对于高、大建筑物每层楼或每隔两层楼，对于零线长度超过50m的大面积建筑物，零线宜分别与建筑物主钢筋再次连接，以保证等电位连接可靠，所以允许利用零线作避雷器的接地线。 关于三相四线有相间负载时是否都接横向避雷器，有以下考虑:横向保护的目的在于当三个纵向避雷器动作时间响应不一致时，动作慢的那条相线对动作快的相线存在瞬间雷电高电压，有时间把两相间的用电设备击穿，但由于两相间存在雷电高电压时间为两相纵向避雷器响应时间之差，即它们的极限值只有50ns，因此对于没有特别敏感的电子器件的设备，也可以考虑不装横向避雷器。 (4) 单相供电与避雷器的连接。 (5) 整流电路交流侧与直流侧避雷器接法， onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric7 三端双向可控硅开关元件保护电路如图 (6) 避雷器与漏电开关配合接线法 在有漏电开关的情况下，安装避雷器有以下两种连接。 A图是把避雷器放在漏电开关的前面，再连接起来，这种方法的优点是漏电开关也得到保护。 B图是把避雷器接在漏电开关的后面，并且避雷器一端接相线，另一端接到保护接地线上(即三相五线制供电的PE，即三脚插座的地线)，这种接法的优点是每次雷击时，漏电开关也会跳闸，让人们知道避雷器正在起作用，同时当避雷器老化到一定程度时，或电网电压太高，致使避雷器漏电流大于 vel. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesxxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and lete green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advoca8 20,,,30mA (漏电开关的阈值)时也能自行跳闸。 一般在选择电力系统的绝缘水平时，要求各种绝缘均能可靠地耐受尚有可能出现的谐振过电压的作用，而不用专门设置限压保护措施。工频电压升高，其幅值不大对系统正常绝缘电气设备一般是不够成为危险的。 (7)注意事项: ?低压避雷器一般只做防避感应雷之用，故通常通流容量取10kA足矣。至于直击雷袭击附近架空电线或雷电直接击中本楼房时，雷电流会远远超过10kA，这时避雷器把雷电流短接入地后，会自行爆炸，以便保护设备。为了防止这种事故发生，凡是电源进线的路径，如果是开阔地带，有可能遇到直击雷袭击的地方，必须在不小于2?ρ (ρ为土电阻率)距离内改用金属铠装电缆，或普通电线穿金属管直接埋地进线，并且在进线端的相线对地装金属间隙避雷器，出口端装氧化锌避雷器。 ?若架空电力线在开阔地带通过、又无法执行电力线穿金属管直接接地时，只好把氧化锌避雷器的通流容量增加到30,40kA，并且最低限度在进线前的三支电杆的金属支架直接引线接地，接地电阻不应大于30Ω。 ?如架空线(非开阔地带)入户前其零线每隔不多于50m处必须重复接地一次，其接地电阻不应大于10Ω。 ?由金属屏蔽层的通信电缆除接避雷器外，应该用线码把电缆夹好，排列整齐避免凌乱，至于电缆走线弯曲问题，可适当放宽，因为通常这种通信电缆的感应电流较小，而且波形相对平缓。 ?通信电缆的金属屏蔽层接地线，必须与该楼房的电源工作接地和保护接地连成统一接地网，以保证通信系统(包括数字通信系统)与电源系统有共同的零电位，避免由于两个系统的零电位不同，而造成击穿。 四、中性点接地方式的选择 交流电力系统的最高工作电压分为两个范围: 范围? 3.5KV?,m?252KV 范围? ,m>252KV 这两个电压范围最重要的区别是中性点接地方式。中性点接地方式是涉及电网过电压水平、单相接地电流、通信干扰、人身安全、设备绝缘水平、系统动态稳定性能以及继电保护可靠性等诸多方面的综合问题。由于中性点接地方式的不同，过电压类型、过电压保护方式和绝缘配合的原则将有很大区别。 (1)范围?电网中性点接地方式有以下几种形式: 1)3,10KV不直接和发电机相连的电网以及35KV、66KV电网，当单相故障接地电容电流不超过10A时，中性点采用不接地方式。当超过此值并有需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式，它可使单相接地电流大为减少，并使高幅值的过电压出现的概率减小。 2)6,35KV主要由电缆线路构成的电网，电容电流大，运行方式多变，消弧线圈很难调整，发生单相接地故障的时间长，往往可能发展成两相短路，可用中性点经低电阻接地的方式。 3)6KV和10KV配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式。 4)110KV和220KV系统采用中性点有效接地方式。有些110KV和220KV系统为了减少单相接地电流，部分变压器的中性点可以不接地，但要采用放电间隙等保护措施，也可以在部分变压器中性点采用经低阻抗接地的方式。 onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric9 (2)范围?电网中性点接地方式针对330KV和500KV系统必须采用有效接地方式，不允许变压器的中性点不接地运行。 1、中性点不接地方式 中性点不接地方式适用于故障电容电流Ic,10A，以架空线路为主的配电网。此配电电网瞬时性单相接地故障占故障总数的60,,70,，一般在瞬时性单相接地故障时不要求立即跳闸。 这种方式的特点主要有:(1)单相接地时不破坏系统对称性，可以带故障运行一段时间以便查找故障线路。 (2)单相接地故障电流小于10A,故障点电弧可以自熄，熄弧后故障点绝缘可以自行恢复。 (3)对通讯干扰小。 (4)简单、经济。 (5)当电容电流大于10A时，可能产生相当高的间歇性接地过电压，这种电压持续时间长且遍及全网，对网络绝缘薄弱的设备存在较大威胁，在一定程度上影响电网的安全运行。 (6)系统发生谐振过电压引起电压互感器熔断器熔断烧毁PT、甚至烧毁主设备的事故时有发生。 中性点不接地系统，在正常运行情况下，当人体接触带电体时，通过人体电流，比接地系统减少很多，因而保证了人身安全。但是当不接地系统对地绝缘降低或接地时，如有人触及非故障相带电体，则更加危险。另外如果变压器发生绝缘击穿高压窜入低压，则更造成重大事故。为了克服上述缺点，我们对中性点不接地系统，加装了击穿保险和绝缘监视装置。 2、中性点直接接地方式 中性点直接接地方式，当一相接地时，其他两相对地电压不升高，仍是相电压，因此，可降低对系统绝缘水平的要求。在110KV以上的超高压系统中，线路的绝缘投资占比重很大，采用中性点直接接地方式对降低系统造价很有益处。这种接地方式单相接地时构成短路，继电保护装置动作切断故障点。 、经消弧线圈接地方式 3 中性点经消弧线圈接地方式适用于单相接地故障电容电流Ic,10A、瞬时性单相接地故障多的，以架空线路为主的电网。采用中性点经消弧线圈接地方式，在系统发生单相接地时，流过接地点的电流较小，可不立即跳闸。按规程规定，电网可带单相接地故障运行2h。这种方式的特点如下: (1)利用消弧线圈的感性电流对电网的对地电容电流进行补偿，使单相接地电流小于10A，因此使故障点电弧可以自熄。 (2)可以减少间隙弧光接地过电压的概率。 (3)单相接地时不破坏系统对称性，可以带故障运行一段时间以便查找故障线路。 从实际运行经验和资料表明，当接地电流小于10A时，因消弧线圈的电感电流可抵消接地点流过的电容电流，电弧能自灭。对于电网中日益增加的电缆馈电回路，虽接地故障的概率有上升的趋势，但因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障。因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大高于中性点经小电阻接地方式，但中性点经消弧线圈接地方式也存在着两个问题: ?当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序电流、零序方向保护无法出已接地的故障线路。 ?因目前运行在中压电网的消弧线圈大多为手动调匝的结构，必须退出运行才能调整，也没有在线实时监测电网单相接地电容电流的设备，故在运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节，所以不能很好地起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压的问题。 vel. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesxxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve led economic development new normal of capacity and lete green, and thick plant open, and advance shared, put five big development concept implementation to "accurate grasp five big development concept of rich connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advoca10 4、中性点经电阻接地方式 中性点经电阻接地方式简单、经济、可靠，主要有三种: 中性点经高电阻接地方式，适用于对地电容电流小于10A的配电网，单相接地电流大于允许值的大型发电机，单相接地故障电流小于10A，中性点接地电阻值一般为数百欧姆至上千欧姆。中性点经高阻接地可以消除大部分谐振过电压，对单相间歇弧光接地过电压有一定的抑制作用。 中性点经中、小电阻接地方式，主要适用于以电缆线路为主，瞬时性单相接地故障很少的系统，电容电流比较大的城市配网，发电厂厂用电系统及大型矿厂企业配电系统。 中性点经小电阻接地方式中，一般选择的电阻值较小。在系统单相接地时，控制流过接地点的电流在500A左右，也有的控制在100A左右，通过流过接地点的电流来启动零序保护动作，切出故障线路。其特点是: ?系统单相接地时，健全相电压不升高或升幅较小，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择。 ?接地时，由于流过故障线路的电流较大，零序过流保护有较好的灵敏度，可以比较容易检出接地线路。 ?由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点和附近的绝缘受到更大的伤害，导致相间故障发生。 ?当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸， 使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。 结束语: 电网中性点接地方式的确定是一个系统工程，必须综合考虑供电安全可靠性和连续性，配电网和线路结构，过电压保护和绝缘配合，继电保护构成和跳闸方式，设备和人身安全，对通信和电子设备的电磁干扰等诸多因素。不同地区、不同配电网、不同发展阶段和不同受电对象，上述的各项条件是不同的。应从实际出发，对各种接地方式进行技术经济分析，权衡利弊，因地制宜，因时制宜。因此，所谓的最佳接地方式也只是在一定的使用条件下才成立。 参考文献: 1 苏邦礼，雷电与避雷工程，广州，中山大学出版社，1996 2 杨保初，高电压技术，重庆，重庆大学出版社，2002 3牟龙华， 供配电安全技术，北京，机械工业出版社，2003 onomic development new normal of capacity and level. Second, we must strive to improve capacity to implement policiesled ec, put five big development concept implementation to "xxxx xxxx" construction of specific practice in the, effective improve h connotation, advocate innovation, and focused on coordination, and advocate green, and thick plant open, and advance sharedaccurate grasp five big development concept of ric11