6kV电网单相接地电流的暂态分析

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1997年10月

6kV电网单相接地电流的暂态分析

中国矿业大学北京研究生部󰀁󰀁王彦文󰀁刘玉英河北省滦南县第二水泥厂󰀁󰀁李向军󰀁󰀁󰀁󰀁南开大学󰀁󰀁任智勇󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁摘󰀁要󰀁分析了6kV电网变压器中性点各种接地方式下单相接地电流的过渡过程,并采用计算机数字仿真技术,计算了瞬态有效值,得到了大量的有用数据,

以寻求更合理、有效的补偿措施。

关键词󰀁电力系统󰀁接地电流󰀁暂态分析

󰀁󰀁目前,我国煤矿6kV电网的变压器中性点一般采用不接地方式。近年来,随着电缆长度的增加,对地分布电容越来越大,单相接地电流已超过20A,有的甚至高达50A。这么高的接地电流难以消弧,有可能造成电弧接地过电压而危及系统绝缘,造成电缆󰀁放炮󰀁,引发多点接地,甚至造成相间短路等故障,严重影响供电的安全性和可靠性。因此,研究中性点各种接地方式下发生单相接地故障时的过渡过程很有必要,以限制单相接地电流,防止产生过电压。近年来,虽进行了补偿技术的研究,但均是稳态,忽略了暂态分量所造成的影响。为了全面分析补偿效果,我们讨论了3种接地方式下发生单相接地故障时的过渡过程,并用计算机仿真技术计算了接地电流的瞬态有效值,以寻求安全性。1󰀁中性点不接地系统󰀁󰀁

󰀁󰀁设t=0时经电阻Rd发生单相接地故障,原理计算图及其等效电路如图1所示。为简化起见,设各相对地分布电容相等,即CA=CB=CC=C,因为电网的绝缘水平一般较高,假定各相对地电导为󰀁0󰀁,则RA=RB=RC=0。

图1中性点不接地系统单相接地

故障原理及其等效电路

由图1b可列出微分方程为:duc

+uc=Umsin(󰀁t+󰀁)dt

式中󰀁Rd󰀁󰀁󰀁接地电阻,󰀁;3RdC󰀁󰀁󰀁C

󰀁󰀁󰀁电网每相对地分布电容,F;

󰀁󰀁󰀁uc󰀁󰀁󰀁等效电容上的电压,V;󰀁󰀁󰀁Um󰀁󰀁󰀁相电压幅值,V;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁相电压初始相位。

初始条件为:uc(0+)=uc(0-)=0先求出uc的解,再求id(t):

id(t)=Idmsin(󰀁t+󰀁-󰀁)+[

Idmsin(󰀁-󰀁)]

式中󰀁Idm=󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

z=

Umz

t-󰀁e

Um

sin󰀁-Rd

(1)

212Rd+(3󰀁c),

1󰀁=tg-1

3󰀁CRd

13

第25卷第10期󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1997年10月

1T021/2

I(T0)=[Tid(t)d(t)]

001={[(id0+idn)+2(id2+

3N

󰀁id4+󰀁+idn-2)+4(i1+

从式(1)中可以看出,在发生单相接地故障时,故障电流中除稳态分量外,还有衰减的非周期分量。因此,在过渡过程中,接地电流的有效值要比稳态有效值大。为便于比较,引用一个󰀁瞬态有效值󰀁的概念,并依据󰀁方均根󰀁的原始定义,利用数值积分进行计算。如果用I(T0)表示id(t)在T0时间内的稳态有效值,采用辛普生法计算积分,则:

接地电阻Rd/󰀁1#变电站(15󰀁5󰀁F)2变电站(26󰀁5󰀁F)

#

󰀁󰀁i3+󰀁+idn-1)]}1/2

(2)

󰀁󰀁其中取T0=20ms,N=200.并代入式(2),编程、上机运算,瞬态有效值计算结果见表1。

表1󰀁中性点不接地系统单相接地故障电流(稳态/暂态)󰀁󰀁󰀁󰀁A

0󰀁116󰀁86/19󰀁3728󰀁80/33󰀁37

1016󰀁80/19󰀁0528󰀁70/31󰀁26

10015󰀁16/18󰀁6722󰀁10/30󰀁74

20012󰀁10/18󰀁4014󰀁80/29󰀁54

50016󰀁40/16󰀁866󰀁70/27󰀁80

󰀁󰀁由表1可以看出,对于中性点不接地系统,当接地电阻较小时,单相接地电流的稳态有效值和暂态有效值相差不大,但当接地电阻大于200󰀁时,暂态有效值却远大于稳态有效值。主要是因为时间常数较小,暂态分量维持的时间较短,反之亦然。2󰀁中性点经消弧线圈接地系统

󰀁󰀁中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的电气原理示意图及其等效电路如图2所示。根据图2,可列出如下微分方程:

假定采用自动跟踪技术,使消弧线圈的电感随电容变化而变化,则可变参数只有接地电阻Rd。当Rd变化时,特征方程的判别式将发生变化,微分方程式(3)有以下3种解:

(1)当Rd=Rm=式󰀁=0

iL(t)=ILmsin(󰀁t+󰀁-󰀁)+󰀁󰀁󰀁󰀁(A1+A2t)e-式中

A1=-ILmsin(󰀁-󰀁)A2=-󰀁ILmsin(󰀁-󰀁)-󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ILmcos(󰀁-󰀁)

ILm=1+PIdm,

PUm

Idm=

z

Um

󰀁󰀁󰀁=

1)2

R2d+(3󰀁CP1󰀁=

6RdC

󰀁L1+P󰀁=tg-1=tg-12

3󰀁CPRd(1-3󰀁LC)Rd

(2)当Rd0iL(t)=ILmsin(󰀁t+󰀁-󰀁)+A1e

pt

1

6

1时,判别

1+P󰀁C

󰀁t

(4)

图2󰀁消弧线圈接地系统单相接地故障原理及其等效电路

diLdiL

+L+RdiLdtdt

=Umsin(󰀁t+󰀁)3RdLC

2

(3)

diL

,uc(0)=0,iL(0)=0dt2

󰀁󰀁如果采用过补偿,且用脱谐度P来表示,

IL-Ic󰀁则:P=

Ic󰀁而id=iL+3Lc

14+

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1997年10月

(5)

式求出接地电流,并按式(2)求得瞬态有效值,计算结果见表2。由于接地瞬间电压的初始相位对接地电流的波形有较大影响,因此,表中只列出最大值及其󰀁,在Rd=10󰀁,󰀁C=26󰀁5󰀁F时,Id、IL、与󰀁,iL(t)、id(t)与时间t的关系曲线如图3、图4所示。

A2e-P2t

式中

󰀁2+P22

A1=Isin(󰀁-󰀁-󰀁)

P1-P2Lm

󰀁󰀁=tg-1

P2󰀁2+P21

A2=Isin(󰀁-󰀁-󰀁)

P2-P1Lm

󰀁=tg-1󰀁P1󰀁󰀁P1=-󰀁+󰀁󰀁P2=-󰀁-󰀁󰀁󰀁0=󰀁󰀁

󰀁-󰀁0

2󰀁-󰀁20221+P󰀁

(3)当Rd>Rm时,󰀁<0

(6)

图3󰀁电流瞬态有效值与初始相位的关系

󰀁󰀁iL(t)=ILmsin(󰀁t+󰀁-󰀁)+󰀁󰀁󰀁󰀁e-󰀁t(A1cos󰀁t+A2sin󰀁t)式中

󰀁󰀁A1=-ILmsin(󰀁-󰀁)󰀁󰀁A2=-ILm[-󰀁sin(󰀁-󰀁)-󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁cos(󰀁-󰀁)]󰀁󰀁󰀁=

2󰀁20-󰀁

󰀁󰀁󰀁0=󰀁1+P,󰀁󰀁P=5%、10%。

图4󰀁电感电流、接地电流波形(󰀁=90󰀁)

󰀁󰀁求出电感电流后,再按id与iL的关系

Rd/󰀁1#变(15󰀁5󰀁F)

󰀁m/(󰀁)2#变(26󰀁5󰀁F)

󰀁m/(󰀁)

0󰀁129󰀁16/29󰀁52

90/9045󰀁12/46󰀁68

90/90

1029󰀁10/29󰀁34150/15040󰀁86/41󰀁88160/140

󰀁󰀁表2󰀁消弧线圈接地系统单相接地故障电流/电感电流(暂态)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁A

10011󰀁04/11󰀁22

90/9014󰀁46/15󰀁12

90/90

1168󰀁70/14󰀁4090/9018󰀁12/18󰀁90

90/90

5006󰀁84/7󰀁0290/907󰀁50/8󰀁1690/100

󰀁󰀁根据脱谐度的定义,对照表1可以很容

易地求出补偿后的残余电流的稳定值,在此不再一一列出。再由表2不难看出,在单相接地故障发生后的过渡过程中,接地电流的暂态有效值很大,接地电阻对电流的影响较大;图3清楚地显示了过渡过程中电流有效值受电压初始相位角的影响程度;图4的波

形告诉我们,接地故障发生后的近1ms内,电流瞬时值非常大,是稳态电流最大值的10倍左右。尽管时间很短,但如此大的瞬时电流对系统产生的影响尚需进一步研究。3󰀁中性点经阻抗接地系统

󰀁󰀁如果在消弧线圈两端并联1个电阻就构

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d2iLLdiL

而id=i1+3LC2+R0dtdt

其解的形式与式(5)、(6)完全相同,只是󰀁不同,稳态分量也不同。

Rd1󰀁=6RC(1+R)

0

ILm=3󰀁C(1+P)Um,

成中性点经阻抗接地系统,见图5。

图5󰀁中性点经阻抗接地系统单相接地

原理图及其等效电路

󰀁󰀁若用Z2表示L-C-R0并联阻抗,则:R0+j3󰀁CPR20

Z2=,其模为:

1+(3󰀁CPR0)2

R01+(3󰀁CP)2Z2=21+(3󰀁CPR0)

󰀁󰀁为了寻找使Id最小的R0,首先求Z2对R0的偏导:󰀁Z2

=󰀁R0

1+(3󰀁CP)2[1-(3󰀁CPR0)2]

,

[1+(3󰀁CPR0)2]2

12

)+(3󰀁CP)2R1󰀁=tg-1

6󰀁CPRd+1

计算结果见表3、表4,关系曲线见图6、图7。Idm=Um

(图6󰀁电流瞬态有效值与初始相位的关系

󰀁Z2

令󰀁R=0,

0

则:󰀁1-(3󰀁CPR0)2=0,1于是R0=3󰀁CP

由图5b可列出微分方程:

d2iLRddiL

3RdLCdt+(1+R)Ldt+RdiL

0

=Umsin(󰀁t+󰀁)

Rd/󰀁

R0=4100/2050󰀁

󰀁m/(󰀁)

0󰀁124󰀁9/25󰀁390/90

(7)

10

图7󰀁电感电流、接地电流波形(󰀁=90󰀁)

表3󰀁1#站中性点经阻抗接地时单相接地故障电流(暂态)󰀁󰀁A

1007󰀁4/7󰀁690/90

1166󰀁6/6󰀁990/90

5004󰀁4/4󰀁690/90

24󰀁2/24󰀁4160/160

表4󰀁2#站中性点经阻抗接地时单相接地故障电流(暂态)󰀁󰀁A

Rd/󰀁R0=2040/1201󰀁

󰀁m/(󰀁)

0󰀁142󰀁7/44󰀁990/90

1034󰀁5/35󰀁3160/140

6016󰀁9/17󰀁790/90

10013󰀁2/13󰀁790/90

5005󰀁1/5󰀁290/90

󰀁󰀁表3、表4中所列数据比表2中相应的数据小,是因为在电感两端并联电阻后,相当于增大了衰减因子,从而加快了暂态分量16衰减速度,减小了瞬态有效值。通过图6、图7可看出接地电流受初始相位角的影响没有电感电流大,在接地故障发生瞬间,接地

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用热分析󰀁󰀁󰀁红外光谱技术

对配煤、型煤等混合燃料的综合研究

中国矿业大学北京研究生部环境工程室󰀁󰀁张明旭WesternKentuckyUniv.U.S.A󰀁󰀁

WeipingPan

󰀁󰀁摘󰀁要󰀁介绍一种对煤炭混合燃料(如配煤、型煤)配比确定、燃烧性能评价、污染控制和效果预测的实验室经济、快速方法;即热重󰀁差热󰀁红外光谱联合法(TG󰀁DTA󰀁FTIR)。采用此法对高硫粉煤、石灰(石)固硫剂及环保废弃物进行定性、定量研究后制成适合流化床燃烧的混合配(型)煤燃料,并对其进行详细地研究和评价。

关键词󰀁热分析󰀁配煤󰀁混合燃料

󰀁󰀁燃用高硫煤导致严重的大气和环境污染,现行的燃前脱硫技术可使粗粒黄铁矿在燃前排除,但当原煤中主要含有有机硫或细粒嵌布无机硫铁矿时,只能采用燃烧固硫或烟道气脱硫的方法以降低SOx排出数量。烟道气脱硫投资大,小型用户难以实现。因此,燃烧固硫是一种经济、实用的技术。而通过型煤或配煤技术,即在高硫煤中添加钙基固硫剂以及其它低热值或环保废弃物,制成既适合流化床燃烧,又能被环境所接受的混合燃料。

电流的瞬时冲击值比消弧线圈接地方式小得多。

󰀁󰀁通过以上分析,可以得出以下结论:

(1)接地电流瞬态有效值比稳态有效值大,瞬时值更大。

(2)在能够自动调整电感量,保证脱谐度小于10%的前提下,只用消弧线圈进行补偿,稳态情况下效果明显,但在过渡过程中,接地电流有效值并不小,甚至更大。

(3)采用R-L并联方式相当于加大了

󰀁󰀁作者简介󰀁王彦文󰀁1962年生,副教授,1982年毕业于河北矿业学院,1994年4月~1996年4月在清华大学进行博士后研究工作,发表论文10余篇。地址:北京市海淀区学院路丁11号,邮码:100083。

1󰀁研究对象和手段

项目的研究目的是利用美国中部大量废弃的高硫粉煤,加适当比例的当地丰富的石灰石,再加上部分环保废弃的生物性再生能源,如废纸类,将三者按合适比例混合、造粒,制成适合流化床燃烧,又符合环保标准的混合燃料。选用废纸是由于美国大量使用纸类印刷、包装、清洁和卫生用品,大量丢弃的废纸污染物占城市垃圾的很大比例,占用大量垃圾场地,已引起美国的极大重视。非周期分量的衰减因子,使过渡过程缩短,从而减小了瞬态电流有效值,尤其对高阻接地或间歇性接地的补偿,效果更佳。

(收稿日期:1996󰀁12󰀁09;责任编辑:任灌达)

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