導(dǎo)讀：這是一篇完整優(yōu)秀的關(guān)于雷電論文范文的，共有4000多字符左右，題目是關(guān)于“因防雷器損壞導(dǎo)致斷路器無故障跳閘原因分析及對策”的。以及雷電流入地所引發(fā)的地電位反擊等問題。

論文發(fā)表找李老師(QQ/微信：請看本文頂部)版面費(fèi)低，出刊快！

作者：陳鐵 唐娟 田芝華 費(fèi)夕剛 曾春利 秦代春 蔣海軍 鄭建生 孫星

摘要：分析了防雷器因老化或雷擊等原因損壞所導(dǎo)致的直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地問題，詳細(xì)介紹了直流系統(tǒng)正、負(fù)極接地致使斷路器無故障跳閘的原理，以及雷電流入地所引發(fā)的地電位反擊等問題。

通過實(shí)驗(yàn)分析了電容值與環(huán)境參數(shù)(溫、濕度)的關(guān)系，以及致使繼電器動(dòng)作的臨界電壓與電容值的關(guān)系。并針對以上問題給出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地;地電位反擊;分布電容;斷路器無故障跳閘

引言

直流系統(tǒng)是變電站二次系統(tǒng)中最為重要的公用設(shè)備之一，其作用是為斷路器分合閘操作、自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)等提供直流電源。

直流系統(tǒng)幾乎遍布變電站的所有角落，且部分地方運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，因而直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地、交流電源串入直流系統(tǒng)等異常情況時(shí)有發(fā)生;雷電侵?jǐn)_、高壓開關(guān)操作、一次系統(tǒng)不對稱運(yùn)行等暫態(tài)過程引發(fā)的干擾也會(huì)通過各種方式耦合到直流系統(tǒng)中。

這些問題都極有可能引起中間繼電器的誤動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器無故障跳閘[1]。如2016年重慶某500kV變電站因負(fù)極母線上的防雷器損壞，導(dǎo)致直流系統(tǒng)負(fù)極接地，進(jìn)而造成斷路器無故障跳閘。

本文主要針對因防雷器損壞導(dǎo)致的斷路器誤動(dòng)問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決措施以供參考。

1 誤動(dòng)原因分析

1.1 直流系統(tǒng)因防雷器老化損壞導(dǎo)致接地故障

500kV變電站使用的控制電纜較長， 因此電纜對地的分布電容不可忽視[2]，而直流系統(tǒng)正、負(fù)極也存在相應(yīng)的對地電容，其等效電路如圖1所示。

當(dāng)發(fā)生直流接地或交流電源竄入直流回路等情況時(shí)，一些靈敏繼電器可能會(huì)誤動(dòng)作。這里主要介紹因防雷器自然老化損壞而導(dǎo)致的直流系統(tǒng)正極或負(fù)極接地問題。

其中C1為電源正極的等效對地電容;C2為長電纜的對地分布電容;C3為電源負(fù)極的等效對地電容。

在500kV變電站中，由于直流系統(tǒng)正負(fù)極所接電纜很多，C1、C3應(yīng)略大于C2，R1為長電纜等效電阻，R2為中間繼電器的等效電阻，R3、R4為直流電源正、負(fù)極對地絕緣電阻，R5為直流電源等效內(nèi)阻。(R2、R3、R4要遠(yuǎn)大于R1、R5)

正極或負(fù)極防雷器老化損壞可能會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)的正或負(fù)極直接接地，接地瞬間電路各點(diǎn)的電位會(huì)發(fā)生變化，C2、C3兩電容在暫態(tài)充放電過程中使得繼電器兩端產(chǎn)生電位差，即U45≠0，導(dǎo)致繼電器動(dòng)作，詳細(xì)分析過程如下。

1.1.1 直流系統(tǒng)正母線防雷器老化損壞造成接地故障

直流系統(tǒng)正母線防雷器損壞造成正極接地時(shí)，接地0+時(shí)刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。穩(wěn)態(tài)后，U1=0V，U4=U5=-220V、U45=0V。

從圖1中可看出，電流經(jīng)C2通過(R2+R5)流向接地點(diǎn)，經(jīng)C3通過R5流向接地點(diǎn)，其中R2遠(yuǎn)大于R5，C3略大于C2，但相差不大。由一階電路零輸入響應(yīng)時(shí)間常數(shù)T=RC可知，C2的充電時(shí)間將遠(yuǎn)大于C3的充電時(shí)間，即U4比U5變化慢很多。U45衰減過程的公式如下所示。

對該情況進(jìn)行SIMULINK仿真計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。繼電器兩端電壓(U45)在短暫上升過程后開始衰減，當(dāng)U45維持在繼電器動(dòng)作電壓以上的時(shí)間長于繼電器的動(dòng)作時(shí)間時(shí)，繼電器有可能會(huì)動(dòng)作。

1.1.2 直流系統(tǒng)負(fù)母線防雷器老化損壞造成接地故障

負(fù)極接地時(shí)，接地0+時(shí)刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。接地穩(wěn)態(tài)后，U1=+220V，U4=U5=0V、U45=0V。從圖1中可看出，電流經(jīng)C2通過R2流向接地點(diǎn)，經(jīng)C3通過導(dǎo)線電阻RL流向接地點(diǎn)，顯然R2>>RL，因此C2的放電時(shí)間將遠(yuǎn)大于C3的放電時(shí)間，即U4比U5變化慢很多，U45衰減過程的推導(dǎo)公式如下所示：

對該情況進(jìn)行SIMULINK仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖3所示。直流負(fù)極接地時(shí)U45的衰減過程與正極接地情況類似，只是極性相反，即繼電器兩端的電壓為負(fù)值。

通常直流繼電器兩端都會(huì)反向并聯(lián)一續(xù)流二極管，負(fù)極性的電流流經(jīng)二極管，與電容(C2)和地構(gòu)成回路，此時(shí)U45一般不會(huì)作用在繼電器上，因此單純的電源負(fù)極接地故障，導(dǎo)致繼電器發(fā)生誤動(dòng)的可能性很小。

1.2 防雷器因雷擊損壞造成繼電器誤動(dòng)

研究雷電沖擊電位變化之前應(yīng)明確了解遠(yuǎn)處接地裝置和本地接地裝置的區(qū)別，即“遠(yuǎn)地”與“本地”的區(qū)別。在沒有雷電活動(dòng)時(shí)，兩點(diǎn)的地電位都為零，不存在電位差。而當(dāng)雷電流通過“本地”接地裝置泄放時(shí)，情況便會(huì)發(fā)生變化。

在雷電流作用下，單元接地體可由電阻、電感和電容組成，雷電流會(huì)在“本地”接地裝置上產(chǎn)生電壓降。而就“本地”接地裝置相對于“遠(yuǎn)地”接地裝置而言具有不同的電位。即“本地”與“遠(yuǎn)地”之間存在著電位差[3]。

(1)當(dāng)有雷擊引起正極接地點(diǎn)電位急劇變化時(shí)，將造成“遠(yuǎn)地”與“本地”電位不同。由于接地體不同點(diǎn)之間存在電阻，當(dāng)雷電流通過2、6兩點(diǎn)時(shí)，如果兩點(diǎn)間接地電阻相對較大，則認(rèn)為U26之間存在較大的電位差，可用電壓源串聯(lián)電阻模型來等效2、6兩點(diǎn)間的雷擊干擾源。

其等效電路如圖4所示，R6為地網(wǎng)兩點(diǎn)之間的等效電阻。

此時(shí)C1、直流電源、繼電器(或續(xù)流二極管)、C2、R6和干擾源構(gòu)成回路，當(dāng)雷擊等效干擾源通過該回路對電容C1、C2進(jìn)行充電時(shí)，將造成C1、C2兩端電壓升高，一旦防雷器因兩端電壓過高而被擊穿(實(shí)際情況中正極防雷器接地點(diǎn)與C1的接地點(diǎn)離得很近，

可將兩者視為同一接地點(diǎn)，因而C1兩端電壓與正極防雷器兩端電壓相等)，會(huì)使得電源正極接地，當(dāng)電流流向?yàn)?→5時(shí)，C2通過繼電器放電，此時(shí)的繼電器兩端電壓變化情況與1.1.1中分析的情況類似，

但由于在之前C2被充電，會(huì)造成繼電器兩端電壓峰值變大，因此當(dāng)防雷器被擊穿造成直流電源正極接地時(shí)，繼電器動(dòng)作的可能性大大增加。

當(dāng)直流系統(tǒng)正極接地，電流流向?yàn)?→4時(shí)，由于繼電器兩端并有續(xù)流二極管，此時(shí)二極管導(dǎo)通，故繼電器兩端不會(huì)有過高電壓，此時(shí)繼電器不會(huì)動(dòng)作。

(2)當(dāng)有雷擊引起負(fù)極接地點(diǎn)電位急劇變化時(shí)，即U23之間存在較大的電位差，可用電壓源串聯(lián)電阻模型來等效2、3兩點(diǎn)的雷擊干擾源。其等效電路如圖5所示，R6為地網(wǎng)兩點(diǎn)之間等效電阻。

此時(shí)R6、C3、繼電器(或續(xù)流二極管)、C2和干擾源構(gòu)成回路，當(dāng)雷擊等效干擾源通過該回路對電容C2、C3進(jìn)行充電時(shí)，將造成C2、C3兩端電壓升高，而當(dāng)防雷器因兩端電壓過高而被擊穿(與正極分析時(shí)相同，C3兩端電壓即負(fù)極防雷器兩端電壓)，使得電源負(fù)極接地，

當(dāng)電流流向?yàn)?→5時(shí)，C2通過繼電器向接地點(diǎn)放電，此時(shí)繼電器兩端電壓變化情況與1.1.1中類似，同理由于之前C2被充電，所帶電能更大，放電時(shí)加在繼電器兩點(diǎn)的峰值電壓升高，繼電器動(dòng)作可能性大大增加。當(dāng)電流流向?yàn)?→4時(shí)，同樣由于續(xù)流二極管的存在，繼電器動(dòng)作可能性很小。

2 實(shí)驗(yàn)分析

由1.1分析可知，僅當(dāng)防雷器老化損壞而導(dǎo)致直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)，中間繼電器兩端的電壓峰值不會(huì)很大，且電纜對地分布電容較小，電壓衰減速度很快，這種情況下導(dǎo)致斷路器誤跳閘的可能性很小。

但發(fā)生雷擊時(shí)，如果防雷器因兩端電壓過大被擊穿，從而引發(fā)直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地，由1.2分析可知，此時(shí)中間繼電器兩端的瞬態(tài)電壓非常高，即使分布電容很小，中間繼電器仍有可能動(dòng)作，這種情況下斷路器誤跳閘的可能性很大。

因此，我們需要研究在某一分布電容值下可使繼電器動(dòng)作的臨界電壓值。

此外，由Wc=0.5CU2可看出，分布電容儲(chǔ)存的能量與電容值成正比關(guān)系，實(shí)際上分布電容的大小會(huì)隨著環(huán)境參數(shù)(溫、濕度)的變化而變化，因此我們也需要考慮環(huán)境參數(shù)改變對繼電器動(dòng)作的影響。

基于以上分析，我們有必要實(shí)際測試以下兩項(xiàng)數(shù)據(jù)：(1)在不同電容大小情況下，可以使繼電器動(dòng)作的臨界電壓值;(2)當(dāng)環(huán)境參數(shù)(溫、濕度)發(fā)生變化時(shí)，電容值的變化情況。

為此，我們進(jìn)行了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：

2.1 實(shí)驗(yàn)研究繼電器動(dòng)作與電容、電壓的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)使用的是許繼DZY-208中間繼電器(其額定電壓為220V，額定值下功率消耗不超過5W)，在不同電壓值下對不同電容值的電容充電，再通過充滿電的電容向繼電器放電，記錄使繼電器動(dòng)作的臨界電壓值，得到的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

繼電器動(dòng)作與電容、電壓關(guān)系曲線見圖6。

由圖6可知，電容兩端電壓越高，使繼電器動(dòng)作所需的電容值便越小。可將曲線上方視為繼電器動(dòng)作區(qū)，曲線下方可視為安全區(qū)。實(shí)際在變電站中1000m電纜芯線對地分布電容約0.3μF。

當(dāng)雷電流入地時(shí)，地電位差使得分布電容兩端的電壓隨之升高，如果電壓升高到一定程度，即使很小的電容值也會(huì)使得繼電器動(dòng)作。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究不同環(huán)境參數(shù)對分布電容的影響

電容介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫、濕度的變化而變化，因此我們選用平板電容器(極板間的介質(zhì)為空氣)和電纜與極板組成的電容器(之間的介質(zhì)為電纜絕緣橡膠和空氣)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

將其放入恒溫恒濕箱中，改變箱內(nèi)溫濕度，記錄實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷碾娙葜怠?/p>

(1)為測試溫度對平板電容器電容值的影響。控制箱內(nèi)濕度為70%RH，改變箱內(nèi)溫度(13℃-35℃)，利用阻抗測試儀測得不同溫度的電容值，得出其與溫度關(guān)系曲線，如圖7所示。

(2)為測試濕度對平板電容器電容的影響，控制箱內(nèi)溫度為30℃，改變箱內(nèi)濕度(30%RH-90%RH)，利用阻抗測試儀測得不同濕度的電容值，得出其與濕度的關(guān)系曲線，如圖8所示。

(3)為測試溫度變化對電纜與極板之間電容的影響，首先將一定長度的電纜分散開放在極板上，一起放入恒溫恒濕箱后，控制箱內(nèi)濕度為70%RH，改變箱內(nèi)溫度(10℃-45℃)，利用阻抗測試儀測得不同溫度的電容值，得出其與溫度的關(guān)系曲線，如圖9所示。

(4)為測試濕度變化對電纜與極板之間等效電容的影響，控制箱內(nèi)溫度為30℃，改變箱內(nèi)濕度(35%RH-95%RH)，利用阻抗測試儀測得不同濕度的電容，得出其與濕度的關(guān)系曲線，如圖10所示。

由圖7可知，當(dāng)濕度為70%RH，平板電容器的容值隨溫度的升高而減小，但明顯可見容值隨溫度變化的程度非常小，變化范圍約0.4%。

由圖8可知，當(dāng)溫度為30℃，平板電容器的容值隨濕度的升高而升高，變化范圍約3.1%。

由圖9可知，當(dāng)濕度一定時(shí)，分散電纜與極板之間的電容隨著溫度的升高而升高，變化范圍約5.3%。

由圖10可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，分散電纜與極板之間的電容隨著濕度的升高而升高，變化范圍約3.5%。

因此，在因防雷器老化導(dǎo)致的直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)，僅當(dāng)溫、濕度改變時(shí)，電容值的變化使繼電器動(dòng)作的可能性很小。

3 解決措施

為實(shí)現(xiàn)變電站直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)概率，可以從以下三個(gè)方面入手：提高二次設(shè)備抗干擾能力、抑制干擾源、降低干擾源與二次回路間耦合程度。

3.1 提高出口繼電器動(dòng)作可靠性的措施

為防止暫態(tài)干擾電壓引起的繼電器誤動(dòng)作，可以使用動(dòng)作功率較大的中間繼電器，同時(shí)提高繼電器的動(dòng)作電壓。

3.2 雷電流的應(yīng)對措施

從上文分析可知，應(yīng)盡量減小接地電阻，避免發(fā)生雷擊時(shí)，造成不同接地點(diǎn)之間的電位差過大。

(1)使二次回路接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離避雷器的接地點(diǎn)。

(2)通過增設(shè)人工垂直接地體，降低變電站接地系統(tǒng)的接地電阻，同時(shí)可有效減少在水平導(dǎo)體上的散流量，降低其他接地點(diǎn)的電位。

(3)避雷器的接地點(diǎn)盡可能架設(shè)在靠近地網(wǎng)中心的位置，令雷電流從接地網(wǎng)(正方形)的中心入地，使入地點(diǎn)地電位減半。

3.3 地電位差的抑制

(1)通過補(bǔ)充銅排以連接各接地點(diǎn)，使各接地點(diǎn)的電位差盡量降低。

(2)保證二次回路良好的對地絕緣性能，確保因雷擊等原因?qū)е碌仉娢徊钶^大時(shí)，二次回路絕緣不會(huì)被擊穿。

(3)保證有電氣連接的回路中只有一個(gè)接地點(diǎn)，防止因同時(shí)存在兩個(gè)接地點(diǎn)使電纜芯線與接地網(wǎng)之間形成閉合回路，地電位差產(chǎn)生的電流會(huì)穿入該閉合回路，從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)[2]。

4 結(jié)束語

本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)因防雷器自然老化損壞所導(dǎo)致的直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地問題，僅當(dāng)環(huán)境參數(shù)(溫、濕度)發(fā)生變化時(shí)，電容值的變化致使斷路器誤跳閘的可能性很小。

(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在分布電容較小的情況下，較大的電壓也可使繼電器動(dòng)作，因而當(dāng)雷擊造成地網(wǎng)電位急劇變化，致使防雷器被擊穿，從而引發(fā)直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)，斷路器跳閘的可能性很高。

(3)據(jù)以上分析給出了相應(yīng)解決措施，主要圍繞提高繼電器動(dòng)作的可靠性、雷電流的應(yīng)對措施和地電位差的抑制三方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢建國，裘愉濤.一種有效防止因直流系統(tǒng)異常導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)的新方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22)：174-177.

[2]湯磊.變電站二次回路抗干擾問題研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[3]趙喜軍.地電位反擊的機(jī)理及繼電保護(hù)產(chǎn)品的防雷設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2010，30(3)：60-62.

[4]馬福.雷擊變電所地電位干擾及防護(hù)措施研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

本文鏈接：http://www.0149161.com/3637.html

本站論文范文來源網(wǎng)絡(luò)，若內(nèi)容不實(shí)或侵害了您的合法權(quán)益，請及時(shí)聯(lián)系我們進(jìn)行刪除！原文鏈接： » (雷電論文)因防雷器損壞導(dǎo)致斷路器無故障跳閘原因分析及對策