一、概述
目前系統(tǒng)保護(hù)都是被動式的保護(hù)，是在故障發(fā)生后，防止故障擴(kuò)大化轉(zhuǎn)化為事故，只治標(biāo)不治本，系統(tǒng)依然經(jīng)常會發(fā)生電纜放炮、電機(jī)絕緣擊穿、避雷器爆炸、電壓互感器燒壞等事故。
過電壓治理保護(hù)方案，從源頭上全面治理過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，首先預(yù)防故障發(fā)生，其次治理故障，達(dá)到既防又治的目的。
在3～35KV中壓系統(tǒng)中，中性點(diǎn)有不接地、諧振接地即消弧線圈接地、小電阻接地、都是被動式保護(hù)接地，各種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本成果提出的虛擬接地方式為主動式保護(hù)接地方式，對工頻不接地，對非工頻量接地，充分發(fā)揮了各種接地方式的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的缺點(diǎn)。
1、故障發(fā)生的根源
系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起，過電壓的沖擊造成系統(tǒng)絕緣擊穿而發(fā)生故障。過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，一方面加速系統(tǒng)絕緣累積老化，另一方面直接引起絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
2、過電壓產(chǎn)生的根源
系統(tǒng)受到的“激勵”能量在系統(tǒng)電感、電容中相互交換，電感、電容間產(chǎn)生電磁振蕩產(chǎn)生過電壓。
3、裝置原理
MDT-OXJ系列中性點(diǎn)虛擬接地裝置的核心部件是根據(jù)方法實(shí)施特制的虛擬接地變壓器，二次側(cè)三相繞組串聯(lián)形成開口三角，接入大功率電阻，等效系統(tǒng)中性點(diǎn)接地，對工頻不接地，對非工頻接地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)虛擬接地。
科學(xué)的原理，新穎的方法，近理想化的效果，的虛擬接地方式，集合各種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)，主動吸收泄放產(chǎn)生各種過電壓的能量，從源頭上防止過電壓，拒絕過電壓于萌芽之中;泄放諧振和單相接地的電、磁能量，實(shí)現(xiàn)消弧，拒絕系統(tǒng)、PT鐵磁諧振，給系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。
可電壓互感器虛擬接地一體化，取代電壓互感器柜，可提供AC220V操作電源。
二、功 能 介 紹
1、主動式主動式過電壓保護(hù)
電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為貯能元件。當(dāng)系統(tǒng)中操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時，將產(chǎn)生電、磁能量震蕩的過渡過程。在此過程中，電感元件貯存的磁能會在某一瞬間轉(zhuǎn)換為電場貯存于電容元件之中，產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。
過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起。過電壓不僅造成事故且加速系統(tǒng)絕緣累積老化，而且直接引發(fā)絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
目前主要采用避雷器、組合式過電壓保護(hù)器、PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等被動式保護(hù)治理。
避雷器、組合式過電壓保護(hù)器，過電壓必須超過其整定值才會動作，為防止其在單相接地時吸收能量過多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系統(tǒng)其整定值要大于23kV。一方面系統(tǒng)內(nèi)小于其整定值的過電壓不會動作;另一方面即使大于其整定值的過電壓動作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系統(tǒng)，沖擊系統(tǒng)絕緣。
因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：避雷器、組合式過電壓保護(hù)器是被動式的過電壓保護(hù)，無論系統(tǒng)內(nèi)過電壓的峰值多大，都有小于其整定值的過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣，或加速系統(tǒng)絕緣老化，或使老化的絕緣擊穿發(fā)生故障?，F(xiàn)有的供電系統(tǒng)均安裝有避雷器或組合式過電壓保護(hù)器，依然發(fā)生故障就說明了這個問題。
PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等保護(hù)裝置，都是故障發(fā)生后才動作實(shí)施保護(hù)，是被動式保護(hù)，在后面的內(nèi)容中闡述。
主動式主動式過電壓保護(hù)原理：
中心點(diǎn)虛擬接地裝置，快速消耗系統(tǒng)電感電容儲存的非工頻等“激勵”能量，大幅度降低系統(tǒng)電感電容可交換的能量，充分阻尼其暫態(tài)過程，從源頭上阻止了暫態(tài)過電壓的形成，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，因而防止過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣延長系統(tǒng)壽命，大幅降低系統(tǒng)故障概率。
1、元件操作過電壓治理
中壓系統(tǒng)電纜的廣泛應(yīng)用，遭受雷擊的可能性越來越少，主要是內(nèi)部過電壓，操作過電壓是系統(tǒng)最主要的過電壓，從源頭治理了過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，就可以延長系統(tǒng)絕緣壽命，大幅度降低故障概率。
真空斷路器操作過電壓主要表現(xiàn)為截流過電壓、多次重燃過電壓、三相非同期開斷過電壓。操作過電壓又分為：①空載變壓器、電抗器投切過電壓，②電容器、空載線路投切過電壓，③合空母線過電壓，④投切電機(jī)過電壓，⑤系統(tǒng)擾動過電壓，⑥突然甩負(fù)荷過電壓，⑦發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過電壓等。
其中，以開斷電容器組、空載變壓器、空載線路的過電壓嚴(yán)重，過電壓水平，為此，我公司在武漢高壓研究院做了這三個典型的開斷模擬實(shí)驗(yàn)(見資料三)，圖1、2、3分別為開斷電容器組、空載線路、空載變壓器的模擬試驗(yàn)示波器波形圖，從三個圖中可以看出，只有開關(guān)觸頭打開時刻有一些小毛刺，而沒有幾倍的過電壓，驗(yàn)證了主動式主動式過電壓保護(hù)從源頭上消除過電壓的產(chǎn)生。
2、雷擊后避雷器殘壓下的電荷消耗
雷擊發(fā)生后氧化鋅過電壓保護(hù)器的1mA參考電壓在2.3倍左右，其對應(yīng)的電荷儲存在系統(tǒng)對地電容上，其與相電壓疊加形成過電壓。
避雷器動作后的殘余能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收泄放，防止了其與相電壓疊加產(chǎn)生的過電壓危害系統(tǒng)絕緣。也就是說超過避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收，避雷器整定值以下的能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收，達(dá)到的配合消除雷擊過電壓。
2、主動式消弧
中壓非有效接地系統(tǒng)，最難解決的問題是單相弧光接地過電壓。目前的消弧裝置有消弧線圈、故障相金屬性接地消弧裝置，都是被動式保護(hù)，不能預(yù)防故障發(fā)生，且這兩種消弧裝置存在著缺陷。特別是故障相金屬性接地消弧裝置存在特別嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全隱患。
故障點(diǎn)再次重燃的條件是：故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度。這里包含兩種含義，燃弧后故障點(diǎn)弧道被電離，絕緣強(qiáng)度大幅下降，其一故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度;其二故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度。
圖5 弧光接地過電壓的發(fā)展過程
如圖5(資料二P31)，是工頻熄弧理論分析圖，從圖中可以看出：次燃弧暫態(tài)過電壓為2.5倍，電容電流過零時弧光熄滅，熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷，與工頻電壓相疊加，一方面加快故障相對地電壓的恢復(fù)速度，另一方面故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暫態(tài)過電壓為3.5倍。
正是弧光熄滅時刻對地電容儲存的電荷，加快了故障相對地電壓的恢復(fù)速度，以及故障相對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，使得故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度，弧光再次重燃。
三、主動式消弧原理
如果快速把熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷消耗(泄放)掉，一方面降低故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度，使故障點(diǎn)弧道絕緣恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度;另一方面使故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值接近正常值，而不是相電壓的2倍，故障點(diǎn)就不會重燃，從而實(shí)現(xiàn)消弧。另外，中性點(diǎn)虛擬接地吸收燃弧“激發(fā)”的能量，降低燃弧暫態(tài)過程及暫態(tài)過電壓的幅值。
如圖6(資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消弧過程圖，試驗(yàn)證明了主動式消弧，且消弧時間﹤15ms。
3、主動式拒絕PT鐵磁諧振
PT鐵磁諧振是系統(tǒng)較常發(fā)生的故障，其危害非常大。PT鐵磁諧振具有7大性質(zhì)：
?、藕艽蟮姆秶鷥?nèi)的C值都可能發(fā)生;⑵需要“激發(fā)”才能發(fā)生，如變壓器突然合閘、故障等產(chǎn)生的“激勵”;⑶C值太大時出現(xiàn)鐵磁諧振的可能性將減少;小系統(tǒng)容易發(fā)生鐵磁諧振;⑷過電壓幅值一般不會很高，電流卻很大;⑸諧振狀態(tài)可能自保持;⑹電流引起電壓“翻相”現(xiàn)象;⑺具有各次諧波諧振。
資料二P40指出：“要基波鐵磁諧振，必須人為地加大電阻R， ……諧振就不能自保持了?！?R>E/I”。
資料一P313 ：“若在回路中人為地增加R值，……，則此非線性電感回路在相應(yīng)的E值作用下，只有非諧振工作點(diǎn)，了產(chǎn)生工頻諧振的可能性?！??！艾F(xiàn)將產(chǎn)生非線性諧振的條件歸納如下：……，諧振回路的損耗電阻小于臨界值，……”，也就是諧振回路的損耗電阻大于臨界值時，PT就不會發(fā)生鐵磁諧振。
主動式拒絕PT鐵磁諧振原理：
需要“激發(fā)”才能發(fā)生PT鐵磁諧振，中性點(diǎn)虛擬接地裝置快速消耗了“激勵”能量，從而使“激勵”不能激發(fā)PT發(fā)生鐵磁諧振，PT永遠(yuǎn)不會發(fā)生諧振。
從另一個角度說，中性點(diǎn)虛擬接地裝置，就是加大零序電阻，使R遠(yuǎn)大于E/I，因此根本不會發(fā)生鐵磁諧振。從能量的角度來看，就是虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常。
從資料一P319可知，無論二次諧波、三次諧波、基波、1/2次諧波PT鐵芯飽和過電壓，開口三角都有輸出，中性點(diǎn)虛擬接地裝置就能消耗諧振能量，只要消耗的能量大于鐵芯飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯就能恢復(fù)正常，阻止諧振。
圖7(見資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消除PT鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)電壓波形圖，試驗(yàn)證明了虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常，諧振消失。
4、主動式阻止系統(tǒng)線性諧振
資料一P304：如圖8，系統(tǒng)無耗自振頻率ω0= 1/√LC，μ=R/2L，對地電容會受溫度、濕度的影響發(fā)生變化，而系統(tǒng)的電源頻率也在波動，有可能ω0是電源頻率整倍數(shù)。當(dāng)ω0是電源頻率整倍數(shù)時，系統(tǒng)如有風(fēng)吹草動，就會發(fā)生事故。
μ/ω0的比值決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于供電系統(tǒng)送電距離長有較大的R，且架空線路對地電容很小，而對企業(yè)變電所送電距離很短有很小的R，因此，企業(yè)變電所更要注意系統(tǒng)可能出現(xiàn)線性諧振，系統(tǒng)操作、不對稱接地故障、斷線(熔斷器一相、兩相熔斷)時系統(tǒng)發(fā)生線性諧振。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置增大了零序阻抗的電阻R值，增大μ值，使μ/ω0遠(yuǎn)大于0.6，系統(tǒng)自振角頻率遠(yuǎn)離無耗自振頻率ω0，故可拒絕系統(tǒng)線性諧振。
5、阻止參數(shù)諧振過電壓
參數(shù)諧振就是系統(tǒng)參數(shù)的周期變化，產(chǎn)生周期的“激發(fā)”能量，由于系統(tǒng)中的電阻很小，無法消耗掉這種周期的“激發(fā)”能量，在系統(tǒng)中積累產(chǎn)生過電壓，這主要對發(fā)電機(jī)、變壓器而言。參見附件四(資料二P42-43)。
同步自勵磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受原動機(jī)的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)時，定子繞組的電感將周期性的改變，在一定條件下，就會出現(xiàn)參數(shù)諧振?？焖賱畲抛詣诱{(diào)節(jié)器可以解決。
異步自勵磁，電機(jī)處于異步狀態(tài)，定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場將切割轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組將感應(yīng)出角頻率ω0及2ω-ω0的電動勢，定子的電流將具有拍頻性質(zhì)。異步自勵磁過電壓上升速度很快，必須立即從系統(tǒng)中切除電機(jī)，以免造成事故。
自參數(shù)諧振，變壓器鐵芯飽和在工頻作用下以2倍頻率變化，產(chǎn)生諧振。目前由于競爭激烈，變壓器鐵芯的磁通密度設(shè)置很高，很容易飽和，必須注意。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置可加大消耗參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，使消耗的能量大于參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，從而系統(tǒng)不能形成參數(shù)諧振，系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。
6、其它功能(選用功能)
1、可附加電壓互感器功能
2、PT并列切換裝置，判斷PT一、二次斷線故障(備有485或232微機(jī)通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊)。
3、可以增加選線裝置，迅速查找故障線路(建議使用后臺選線)。
4、可提供AC 220V操作電源。 中性點(diǎn)虛擬接地及PT柜 。
一、概述
目前系統(tǒng)保護(hù)都是被動式的保護(hù)，是在故障發(fā)生后，防止故障擴(kuò)大化轉(zhuǎn)化為事故，只治標(biāo)不治本，系統(tǒng)依然經(jīng)常會發(fā)生電纜放炮、電機(jī)絕緣擊穿、避雷器爆炸、電壓互感器燒壞等事故。
過電壓治理保護(hù)方案，從源頭上全面治理過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，首先預(yù)防故障發(fā)生，其次治理故障，達(dá)到既防又治的目的。
在3～35KV中壓系統(tǒng)中，中性點(diǎn)有不接地、諧振接地即消弧線圈接地、小電阻接地、都是被動式保護(hù)接地，各種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本成果提出的虛擬接地方式為主動式保護(hù)接地方式，對工頻不接地，對非工頻量接地，充分發(fā)揮了各種接地方式的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的缺點(diǎn)。
1、故障發(fā)生的根源
系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起，過電壓的沖擊造成系統(tǒng)絕緣擊穿而發(fā)生故障。過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，一方面加速系統(tǒng)絕緣累積老化，另一方面直接引起絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
2、過電壓產(chǎn)生的根源
系統(tǒng)受到的“激勵”能量在系統(tǒng)電感、電容中相互交換，電感、電容間產(chǎn)生電磁振蕩產(chǎn)生過電壓。
3、裝置原理
MDT-OXJ系列中性點(diǎn)虛擬接地裝置的核心部件是根據(jù)方法實(shí)施特制的虛擬接地變壓器，二次側(cè)三相繞組串聯(lián)形成開口三角，接入大功率電阻，等效系統(tǒng)中性點(diǎn)接地，對工頻不接地，對非工頻接地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)虛擬接地。
科學(xué)的原理，新穎的方法，近理想化的效果，的虛擬接地方式，集合各種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)，主動吸收泄放產(chǎn)生各種過電壓的能量，從源頭上防止過電壓，拒絕過電壓于萌芽之中;泄放諧振和單相接地的電、磁能量，實(shí)現(xiàn)消弧，拒絕系統(tǒng)、PT鐵磁諧振，給系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。
可電壓互感器虛擬接地一體化，取代電壓互感器柜，可提供AC220V操作電源。
二、功 能 介 紹
1、主動式主動式過電壓保護(hù)
電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為貯能元件。當(dāng)系統(tǒng)中操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時，將產(chǎn)生電、磁能量震蕩的過渡過程。在此過程中，電感元件貯存的磁能會在某一瞬間轉(zhuǎn)換為電場貯存于電容元件之中，產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。
過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起。過電壓不僅造成事故且加速系統(tǒng)絕緣累積老化，而且直接引發(fā)絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
目前主要采用避雷器、組合式過電壓保護(hù)器、PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等被動式保護(hù)治理。
避雷器、組合式過電壓保護(hù)器，過電壓必須超過其整定值才會動作，為防止其在單相接地時吸收能量過多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系統(tǒng)其整定值要大于23kV。一方面系統(tǒng)內(nèi)小于其整定值的過電壓不會動作;另一方面即使大于其整定值的過電壓動作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系統(tǒng)，沖擊系統(tǒng)絕緣。
因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：避雷器、組合式過電壓保護(hù)器是被動式的過電壓保護(hù)，無論系統(tǒng)內(nèi)過電壓的峰值多大，都有小于其整定值的過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣，或加速系統(tǒng)絕緣老化，或使老化的絕緣擊穿發(fā)生故障。現(xiàn)有的供電系統(tǒng)均安裝有避雷器或組合式過電壓保護(hù)器，依然發(fā)生故障就說明了這個問題。
PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等保護(hù)裝置，都是故障發(fā)生后才動作實(shí)施保護(hù)，是被動式保護(hù)，在后面的內(nèi)容中闡述。
主動式主動式過電壓保護(hù)原理：
中心點(diǎn)虛擬接地裝置，快速消耗系統(tǒng)電感電容儲存的非工頻等“激勵”能量，大幅度降低系統(tǒng)電感電容可交換的能量，充分阻尼其暫態(tài)過程，從源頭上阻止了暫態(tài)過電壓的形成，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，因而防止過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣延長系統(tǒng)壽命，大幅降低系統(tǒng)故障概率。
1、元件操作過電壓治理
中壓系統(tǒng)電纜的廣泛應(yīng)用，遭受雷擊的可能性越來越少，主要是內(nèi)部過電壓，操作過電壓是系統(tǒng)最主要的過電壓，從源頭治理了過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，就可以延長系統(tǒng)絕緣壽命，大幅度降低故障概率。
真空斷路器操作過電壓主要表現(xiàn)為截流過電壓、多次重燃過電壓、三相非同期開斷過電壓。操作過電壓又分為：①空載變壓器、電抗器投切過電壓，②電容器、空載線路投切過電壓，③合空母線過電壓，④投切電機(jī)過電壓，⑤系統(tǒng)擾動過電壓，⑥突然甩負(fù)荷過電壓，⑦發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過電壓等。
其中，以開斷電容器組、空載變壓器、空載線路的過電壓嚴(yán)重，過電壓水平，為此，我公司在武漢高壓研究院做了這三個典型的開斷模擬實(shí)驗(yàn)(見資料三)，圖1、2、3分別為開斷電容器組、空載線路、空載變壓器的模擬試驗(yàn)示波器波形圖，從三個圖中可以看出，只有開關(guān)觸頭打開時刻有一些小毛刺，而沒有幾倍的過電壓，驗(yàn)證了主動式主動式過電壓保護(hù)從源頭上消除過電壓的產(chǎn)生。
2、雷擊后避雷器殘壓下的電荷消耗
雷擊發(fā)生后氧化鋅過電壓保護(hù)器的1mA參考電壓在2.3倍左右，其對應(yīng)的電荷儲存在系統(tǒng)對地電容上，其與相電壓疊加形成過電壓。
避雷器動作后的殘余能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收泄放，防止了其與相電壓疊加產(chǎn)生的過電壓危害系統(tǒng)絕緣。也就是說超過避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收，避雷器整定值以下的能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收，達(dá)到的配合消除雷擊過電壓。
2、主動式消弧
中壓非有效接地系統(tǒng)，最難解決的問題是單相弧光接地過電壓。目前的消弧裝置有消弧線圈、故障相金屬性接地消弧裝置，都是被動式保護(hù)，不能預(yù)防故障發(fā)生，且這兩種消弧裝置存在著缺陷。特別是故障相金屬性接地消弧裝置存在特別嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全隱患。
故障點(diǎn)再次重燃的條件是：故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度。這里包含兩種含義，燃弧后故障點(diǎn)弧道被電離，絕緣強(qiáng)度大幅下降，其一故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度;其二故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度。
圖5 弧光接地過電壓的發(fā)展過程
如圖5(資料二P31)，是工頻熄弧理論分析圖，從圖中可以看出：次燃弧暫態(tài)過電壓為2.5倍，電容電流過零時弧光熄滅，熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷，與工頻電壓相疊加，一方面加快故障相對地電壓的恢復(fù)速度，另一方面故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暫態(tài)過電壓為3.5倍。
正是弧光熄滅時刻對地電容儲存的電荷，加快了故障相對地電壓的恢復(fù)速度，以及故障相對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，使得故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度，弧光再次重燃。
三、主動式消弧原理
如果快速把熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷消耗(泄放)掉，一方面降低故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度，使故障點(diǎn)弧道絕緣恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度;另一方面使故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值接近正常值，而不是相電壓的2倍，故障點(diǎn)就不會重燃，從而實(shí)現(xiàn)消弧。另外，中性點(diǎn)虛擬接地吸收燃弧“激發(fā)”的能量，降低燃弧暫態(tài)過程及暫態(tài)過電壓的幅值。
如圖6(資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消弧過程圖，試驗(yàn)證明了主動式消弧，且消弧時間﹤15ms。
3、主動式拒絕PT鐵磁諧振
PT鐵磁諧振是系統(tǒng)較常發(fā)生的故障，其危害非常大。PT鐵磁諧振具有7大性質(zhì)：
?、藕艽蟮姆秶鷥?nèi)的C值都可能發(fā)生;⑵需要“激發(fā)”才能發(fā)生，如變壓器突然合閘、故障等產(chǎn)生的“激勵”;⑶C值太大時出現(xiàn)鐵磁諧振的可能性將減少;小系統(tǒng)容易發(fā)生鐵磁諧振;⑷過電壓幅值一般不會很高，電流卻很大;⑸諧振狀態(tài)可能自保持;⑹電流引起電壓“翻相”現(xiàn)象;⑺具有各次諧波諧振。
資料二P40指出：“要基波鐵磁諧振，必須人為地加大電阻R， ……諧振就不能自保持了?！?R>E/I”。
資料一P313 ：“若在回路中人為地增加R值，……，則此非線性電感回路在相應(yīng)的E值作用下，只有非諧振工作點(diǎn)，了產(chǎn)生工頻諧振的可能性?！??！艾F(xiàn)將產(chǎn)生非線性諧振的條件歸納如下：……，諧振回路的損耗電阻小于臨界值，……”，也就是諧振回路的損耗電阻大于臨界值時，PT就不會發(fā)生鐵磁諧振。
主動式拒絕PT鐵磁諧振原理：
需要“激發(fā)”才能發(fā)生PT鐵磁諧振，中性點(diǎn)虛擬接地裝置快速消耗了“激勵”能量，從而使“激勵”不能激發(fā)PT發(fā)生鐵磁諧振，PT永遠(yuǎn)不會發(fā)生諧振。
從另一個角度說，中性點(diǎn)虛擬接地裝置，就是加大零序電阻，使R遠(yuǎn)大于E/I，因此根本不會發(fā)生鐵磁諧振。從能量的角度來看，就是虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常。
從資料一P319可知，無論二次諧波、三次諧波、基波、1/2次諧波PT鐵芯飽和過電壓，開口三角都有輸出，中性點(diǎn)虛擬接地裝置就能消耗諧振能量，只要消耗的能量大于鐵芯飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯就能恢復(fù)正常，阻止諧振。
圖7(見資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消除PT鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)電壓波形圖，試驗(yàn)證明了虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常，諧振消失。
4、主動式阻止系統(tǒng)線性諧振
資料一P304：如圖8，系統(tǒng)無耗自振頻率ω0= 1/√LC，μ=R/2L，對地電容會受溫度、濕度的影響發(fā)生變化，而系統(tǒng)的電源頻率也在波動，有可能ω0是電源頻率整倍數(shù)。當(dāng)ω0是電源頻率整倍數(shù)時，系統(tǒng)如有風(fēng)吹草動，就會發(fā)生事故。
μ/ω0的比值決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于供電系統(tǒng)送電距離長有較大的R，且架空線路對地電容很小，而對企業(yè)變電所送電距離很短有很小的R，因此，企業(yè)變電所更要注意系統(tǒng)可能出現(xiàn)線性諧振，系統(tǒng)操作、不對稱接地故障、斷線(熔斷器一相、兩相熔斷)時系統(tǒng)發(fā)生線性諧振。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置增大了零序阻抗的電阻R值，增大μ值，使μ/ω0遠(yuǎn)大于0.6，系統(tǒng)自振角頻率遠(yuǎn)離無耗自振頻率ω0，故可拒絕系統(tǒng)線性諧振。
5、阻止參數(shù)諧振過電壓
參數(shù)諧振就是系統(tǒng)參數(shù)的周期變化，產(chǎn)生周期的“激發(fā)”能量，由于系統(tǒng)中的電阻很小，無法消耗掉這種周期的“激發(fā)”能量，在系統(tǒng)中積累產(chǎn)生過電壓，這主要對發(fā)電機(jī)、變壓器而言。參見附件四(資料二P42-43)。
同步自勵磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受原動機(jī)的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)時，定子繞組的電感將周期性的改變，在一定條件下，就會出現(xiàn)參數(shù)諧振?？焖賱畲抛詣诱{(diào)節(jié)器可以解決。
異步自勵磁，電機(jī)處于異步狀態(tài)，定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場將切割轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組將感應(yīng)出角頻率ω0及2ω-ω0的電動勢，定子的電流將具有拍頻性質(zhì)。異步自勵磁過電壓上升速度很快，必須立即從系統(tǒng)中切除電機(jī)，以免造成事故。
自參數(shù)諧振，變壓器鐵芯飽和在工頻作用下以2倍頻率變化，產(chǎn)生諧振。目前由于競爭激烈，變壓器鐵芯的磁通密度設(shè)置很高，很容易飽和，必須注意。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置可加大消耗參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，使消耗的能量大于參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，從而系統(tǒng)不能形成參數(shù)諧振，系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。
6、其它功能(選用功能)
1、可附加電壓互感器功能
2、PT并列切換裝置，判斷PT一、二次斷線故障(備有485或232微機(jī)通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊)。
3、可以增加選線裝置，迅速查找故障線路(建議使用后臺選線)。
4、可提供AC 220V操作電源。 中性點(diǎn)虛擬接地及PT柜 。
一、概述
目前系統(tǒng)保護(hù)都是被動式的保護(hù)，是在故障發(fā)生后，防止故障擴(kuò)大化轉(zhuǎn)化為事故，只治標(biāo)不治本，系統(tǒng)依然經(jīng)常會發(fā)生電纜放炮、電機(jī)絕緣擊穿、避雷器爆炸、電壓互感器燒壞等事故。
過電壓治理保護(hù)方案，從源頭上全面治理過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，首先預(yù)防故障發(fā)生，其次治理故障，達(dá)到既防又治的目的。
在3～35KV中壓系統(tǒng)中，中性點(diǎn)有不接地、諧振接地即消弧線圈接地、小電阻接地、都是被動式保護(hù)接地，各種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本成果提出的虛擬接地方式為主動式保護(hù)接地方式，對工頻不接地，對非工頻量接地，充分發(fā)揮了各種接地方式的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的缺點(diǎn)。
1、故障發(fā)生的根源
系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起，過電壓的沖擊造成系統(tǒng)絕緣擊穿而發(fā)生故障。過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，一方面加速系統(tǒng)絕緣累積老化，另一方面直接引起絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
2、過電壓產(chǎn)生的根源
系統(tǒng)受到的“激勵”能量在系統(tǒng)電感、電容中相互交換，電感、電容間產(chǎn)生電磁振蕩產(chǎn)生過電壓。
3、裝置原理
MDT-OXJ系列中性點(diǎn)虛擬接地裝置的核心部件是根據(jù)方法實(shí)施特制的虛擬接地變壓器，二次側(cè)三相繞組串聯(lián)形成開口三角，接入大功率電阻，等效系統(tǒng)中性點(diǎn)接地，對工頻不接地，對非工頻接地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)虛擬接地。
科學(xué)的原理，新穎的方法，近理想化的效果，的虛擬接地方式，集合各種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)點(diǎn)，主動吸收泄放產(chǎn)生各種過電壓的能量，從源頭上防止過電壓，拒絕過電壓于萌芽之中;泄放諧振和單相接地的電、磁能量，實(shí)現(xiàn)消弧，拒絕系統(tǒng)、PT鐵磁諧振，給系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。
可電壓互感器虛擬接地一體化，取代電壓互感器柜，可提供AC220V操作電源。
二、功 能 介 紹
1、主動式主動式過電壓保護(hù)
電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為貯能元件。當(dāng)系統(tǒng)中操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時，將產(chǎn)生電、磁能量震蕩的過渡過程。在此過程中，電感元件貯存的磁能會在某一瞬間轉(zhuǎn)換為電場貯存于電容元件之中，產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。
過電壓是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行殺手，系統(tǒng)故障及事故都是由過電壓引起。過電壓不僅造成事故且加速系統(tǒng)絕緣累積老化，而且直接引發(fā)絕緣擊穿發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。
目前主要采用避雷器、組合式過電壓保護(hù)器、PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等被動式保護(hù)治理。
避雷器、組合式過電壓保護(hù)器，過電壓必須超過其整定值才會動作，為防止其在單相接地時吸收能量過多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系統(tǒng)其整定值要大于23kV。一方面系統(tǒng)內(nèi)小于其整定值的過電壓不會動作;另一方面即使大于其整定值的過電壓動作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系統(tǒng)，沖擊系統(tǒng)絕緣。
因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：避雷器、組合式過電壓保護(hù)器是被動式的過電壓保護(hù)，無論系統(tǒng)內(nèi)過電壓的峰值多大，都有小于其整定值的過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣，或加速系統(tǒng)絕緣老化，或使老化的絕緣擊穿發(fā)生故障?，F(xiàn)有的供電系統(tǒng)均安裝有避雷器或組合式過電壓保護(hù)器，依然發(fā)生故障就說明了這個問題。
PT消諧器、消弧線圈、消弧裝置等保護(hù)裝置，都是故障發(fā)生后才動作實(shí)施保護(hù)，是被動式保護(hù)，在后面的內(nèi)容中闡述。
主動式主動式過電壓保護(hù)原理：
中心點(diǎn)虛擬接地裝置，快速消耗系統(tǒng)電感電容儲存的非工頻等“激勵”能量，大幅度降低系統(tǒng)電感電容可交換的能量，充分阻尼其暫態(tài)過程，從源頭上阻止了暫態(tài)過電壓的形成，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，因而防止過電壓沖擊系統(tǒng)絕緣延長系統(tǒng)壽命，大幅降低系統(tǒng)故障概率。
1、元件操作過電壓治理
中壓系統(tǒng)電纜的廣泛應(yīng)用，遭受雷擊的可能性越來越少，主要是內(nèi)部過電壓，操作過電壓是系統(tǒng)最主要的過電壓，從源頭治理了過電壓，消除過電壓于萌芽狀態(tài)，就可以延長系統(tǒng)絕緣壽命，大幅度降低故障概率。
真空斷路器操作過電壓主要表現(xiàn)為截流過電壓、多次重燃過電壓、三相非同期開斷過電壓。操作過電壓又分為：①空載變壓器、電抗器投切過電壓，②電容器、空載線路投切過電壓，③合空母線過電壓，④投切電機(jī)過電壓，⑤系統(tǒng)擾動過電壓，⑥突然甩負(fù)荷過電壓，⑦發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過電壓等。
其中，以開斷電容器組、空載變壓器、空載線路的過電壓嚴(yán)重，過電壓水平，為此，我公司在武漢高壓研究院做了這三個典型的開斷模擬實(shí)驗(yàn)(見資料三)，圖1、2、3分別為開斷電容器組、空載線路、空載變壓器的模擬試驗(yàn)示波器波形圖，從三個圖中可以看出，只有開關(guān)觸頭打開時刻有一些小毛刺，而沒有幾倍的過電壓，驗(yàn)證了主動式主動式過電壓保護(hù)從源頭上消除過電壓的產(chǎn)生。
2、雷擊后避雷器殘壓下的電荷消耗
雷擊發(fā)生后氧化鋅過電壓保護(hù)器的1mA參考電壓在2.3倍左右，其對應(yīng)的電荷儲存在系統(tǒng)對地電容上，其與相電壓疊加形成過電壓。
避雷器動作后的殘余能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收泄放，防止了其與相電壓疊加產(chǎn)生的過電壓危害系統(tǒng)絕緣。也就是說超過避雷器整定值以上的能量被避雷器吸收，避雷器整定值以下的能量被中性點(diǎn)虛擬接地裝置吸收，達(dá)到的配合消除雷擊過電壓。
2、主動式消弧
中壓非有效接地系統(tǒng)，最難解決的問題是單相弧光接地過電壓。目前的消弧裝置有消弧線圈、故障相金屬性接地消弧裝置，都是被動式保護(hù)，不能預(yù)防故障發(fā)生，且這兩種消弧裝置存在著缺陷。特別是故障相金屬性接地消弧裝置存在特別嚴(yán)重的技術(shù)缺陷，會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全隱患。
故障點(diǎn)再次重燃的條件是：故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度。這里包含兩種含義，燃弧后故障點(diǎn)弧道被電離，絕緣強(qiáng)度大幅下降，其一故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度;其二故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值大于故障點(diǎn)絕緣強(qiáng)度。
圖5 弧光接地過電壓的發(fā)展過程
如圖5(資料二P31)，是工頻熄弧理論分析圖，從圖中可以看出：次燃弧暫態(tài)過電壓為2.5倍，電容電流過零時弧光熄滅，熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷，與工頻電壓相疊加，一方面加快故障相對地電壓的恢復(fù)速度，另一方面故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暫態(tài)過電壓為3.5倍。
正是弧光熄滅時刻對地電容儲存的電荷，加快了故障相對地電壓的恢復(fù)速度，以及故障相對地電壓恢復(fù)峰值為正常值的2倍，使得故障點(diǎn)對地電壓大于故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度，弧光再次重燃。
三、主動式消弧原理
如果快速把熄弧時刻系統(tǒng)對地電容儲存的電荷消耗(泄放)掉，一方面降低故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度，使故障點(diǎn)弧道絕緣恢復(fù)速度大于故障點(diǎn)對地電壓的恢復(fù)速度;另一方面使故障點(diǎn)對地電壓恢復(fù)峰值接近正常值，而不是相電壓的2倍，故障點(diǎn)就不會重燃，從而實(shí)現(xiàn)消弧。另外，中性點(diǎn)虛擬接地吸收燃弧“激發(fā)”的能量，降低燃弧暫態(tài)過程及暫態(tài)過電壓的幅值。
如圖6(資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消弧過程圖，試驗(yàn)證明了主動式消弧，且消弧時間﹤15ms。
3、主動式拒絕PT鐵磁諧振
PT鐵磁諧振是系統(tǒng)較常發(fā)生的故障，其危害非常大。PT鐵磁諧振具有7大性質(zhì)：
⑴很大的范圍內(nèi)的C值都可能發(fā)生;⑵需要“激發(fā)”才能發(fā)生，如變壓器突然合閘、故障等產(chǎn)生的“激勵”;⑶C值太大時出現(xiàn)鐵磁諧振的可能性將減少;小系統(tǒng)容易發(fā)生鐵磁諧振;⑷過電壓幅值一般不會很高，電流卻很大;⑸諧振狀態(tài)可能自保持;⑹電流引起電壓“翻相”現(xiàn)象;⑺具有各次諧波諧振。
資料二P40指出：“要基波鐵磁諧振，必須人為地加大電阻R， ……諧振就不能自保持了?！?R>E/I”。
資料一P313 ：“若在回路中人為地增加R值，……，則此非線性電感回路在相應(yīng)的E值作用下，只有非諧振工作點(diǎn)，了產(chǎn)生工頻諧振的可能性?！?。“現(xiàn)將產(chǎn)生非線性諧振的條件歸納如下：……，諧振回路的損耗電阻小于臨界值，……”，也就是諧振回路的損耗電阻大于臨界值時，PT就不會發(fā)生鐵磁諧振。
主動式拒絕PT鐵磁諧振原理：
需要“激發(fā)”才能發(fā)生PT鐵磁諧振，中性點(diǎn)虛擬接地裝置快速消耗了“激勵”能量，從而使“激勵”不能激發(fā)PT發(fā)生鐵磁諧振，PT永遠(yuǎn)不會發(fā)生諧振。
從另一個角度說，中性點(diǎn)虛擬接地裝置，就是加大零序電阻，使R遠(yuǎn)大于E/I，因此根本不會發(fā)生鐵磁諧振。從能量的角度來看，就是虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常。
從資料一P319可知，無論二次諧波、三次諧波、基波、1/2次諧波PT鐵芯飽和過電壓，開口三角都有輸出，中性點(diǎn)虛擬接地裝置就能消耗諧振能量，只要消耗的能量大于鐵芯飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯就能恢復(fù)正常，阻止諧振。
圖7(見資料三)是中性點(diǎn)虛擬接地裝置消除PT鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)電壓波形圖，試驗(yàn)證明了虛擬接地裝置吸收的能量遠(yuǎn)大于鐵磁諧振飽和“激發(fā)”的能量，PT鐵芯恢復(fù)正常，諧振消失。
4、主動式阻止系統(tǒng)線性諧振
資料一P304：如圖8，系統(tǒng)無耗自振頻率ω0= 1/√LC，μ=R/2L，對地電容會受溫度、濕度的影響發(fā)生變化，而系統(tǒng)的電源頻率也在波動，有可能ω0是電源頻率整倍數(shù)。當(dāng)ω0是電源頻率整倍數(shù)時，系統(tǒng)如有風(fēng)吹草動，就會發(fā)生事故。
μ/ω0的比值決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于供電系統(tǒng)送電距離長有較大的R，且架空線路對地電容很小，而對企業(yè)變電所送電距離很短有很小的R，因此，企業(yè)變電所更要注意系統(tǒng)可能出現(xiàn)線性諧振，系統(tǒng)操作、不對稱接地故障、斷線(熔斷器一相、兩相熔斷)時系統(tǒng)發(fā)生線性諧振。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置增大了零序阻抗的電阻R值，增大μ值，使μ/ω0遠(yuǎn)大于0.6，系統(tǒng)自振角頻率遠(yuǎn)離無耗自振頻率ω0，故可拒絕系統(tǒng)線性諧振。
5、阻止參數(shù)諧振過電壓
參數(shù)諧振就是系統(tǒng)參數(shù)的周期變化，產(chǎn)生周期的“激發(fā)”能量，由于系統(tǒng)中的電阻很小，無法消耗掉這種周期的“激發(fā)”能量，在系統(tǒng)中積累產(chǎn)生過電壓，這主要對發(fā)電機(jī)、變壓器而言。參見附件四(資料二P42-43)。
同步自勵磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受原動機(jī)的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)時，定子繞組的電感將周期性的改變，在一定條件下，就會出現(xiàn)參數(shù)諧振。快速勵磁自動調(diào)節(jié)器可以解決。
異步自勵磁，電機(jī)處于異步狀態(tài)，定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場將切割轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組將感應(yīng)出角頻率ω0及2ω-ω0的電動勢，定子的電流將具有拍頻性質(zhì)。異步自勵磁過電壓上升速度很快，必須立即從系統(tǒng)中切除電機(jī)，以免造成事故。
自參數(shù)諧振，變壓器鐵芯飽和在工頻作用下以2倍頻率變化，產(chǎn)生諧振。目前由于競爭激烈，變壓器鐵芯的磁通密度設(shè)置很高，很容易飽和，必須注意。
中性點(diǎn)虛擬接地裝置可加大消耗參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，使消耗的能量大于參數(shù)變化“激發(fā)”的能量，從而系統(tǒng)不能形成參數(shù)諧振，系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。
6、其它功能(選用功能)
1、可附加電壓互感器功能
2、PT并列切換裝置，判斷PT一、二次斷線故障(備有485或232微機(jī)通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊)。
3、可以增加選線裝置，迅速查找故障線路(建議使用后臺選線)。
4、可提供AC 220V操作電源。 中性點(diǎn)虛擬接地及PT柜 。
