变压器中性点气水间隙与避雷器并联保护研究

发布时间：2018-02-23 03:14

本文关键词： 变压器中性点避雷器气水间隙过电压保护 Picard迭代原理多频输入非线性离散系统机理研究数学解析模拟试验　出处：《武汉大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国电网110kV、220kV系统属于有效接地系统,同时由于限制系统单相接地短路电流及满足继电保护的要求等原因,按照行业有关标准,其中部分变压器中性点可不接地运行。当系统输电线路发生各种故障(主要为单相接地短路、雷电波侵入、非全相运行)时,不接地的变压器中性点会产生幅值较高的过电压。同时,我国110kV、220kV变压器通常采用分级绝缘,其中性点绝缘水平比相线端部低得多,当变压器中性点上出现的过电压达到较高值时,将对变压器中性点绝缘安全和避雷器构成威胁。因此,对电力系统不接地运行的变压器中性点,必须采取有效措施予以保护。为保护110kV、220kV系统中不接地变压器中性点绝缘,一般可以采用单独用避雷器、单独用空气间隙以及空气间隙与避雷器并联等三种保护方式,其中采用空气间隙和避雷器并联的保护方式最为普遍。但是空气间隙和避雷器并联的传统保护方式也存在若干明显的缺陷：空气间隙的距离大小较难掌握并且空气间隙的放电分散性较大,容易引发误动或者拒动的情况；空气间隙误动事故经常是因为空气间隙在较高的暂态电压作用下击穿,导致继电保护误动；避雷器和空气间隙的参数配合困难,要完全满足保护原则有一定的难度。为克服传统保护方式的缺点,本文提出了一种气水间隙和避雷器并联的变压器中性点过电压新型保护方式,构建了其控制系统,研制了满足系统要求的控制装置样机。并针对110kV不接地变压器中性点过电压成功进行了模拟试验研究。为此,本文先在绪论部分对研究的背景和目的、MOA避雷器、流体电介质击穿理论以及变压器中性点保护等方面进行了概括介绍,然后从如下五个方面,力求较完整地对这种新型保护方式以及相关方面,开展了研究工作。首先,分析了变压器中性点上可能出现的工频过电压和包括雷电过电压在内的暂态过电压,为中性点保护的配置提供依据。当110kV有效接地系统发生单相接地故障时,变压器中性点工频稳态过电压不会超过43.8kV；当220kV有效接地系统发生单相接地故障时,变压器中性点工频稳态过电压不会超过87.6kV；当系统发生单相接地且失地或非全相运行时,变压器中性点工频过电压将达到系统相电压或更高；中性点雷电过电压一般不会超过避雷器在其标称冲击电流下的残压,等等。其次,由于MOA避雷器是本文提出的保护方式的重要组成部分,因此对MOA避雷器的伏安特性进行了相关试验和计算研究。试验方面,对110kV变压器中性点保护用避雷器Y1.5W--55/140进行了试验,测试了其直流伏安特性和交流全电流伏安特性和等效电容值。计算方面,针对在MOA避雷器的计算中所主要涉及的两个方面,即MOA伏安特性的拟合和相应非线性方程(组)的求解进行了研究：通过数值拟合试验数据建立了MOA直流伏安特性的新型数学模型—指数函数和幂函数混合模型,然后提出并采用基于Picard迭代原理的非线性离散系统多频输入稳态响应计算方法对相应的非线性方程组进行了求解。对试验结果和计算结果进行了对比分析,指出该计算方法具有精度高、收敛速度快等优点,且该避雷器新型数学模型是正确有效的。第三,提出了“气水间隙”这一新型间隙概念。为研究和掌握气水间隙放电特性和机理,本文构建了专门的试验装置,进行了气水间隙工频放电特性试验。通过试验结果得出了若干规律：气水间隙比空气间隙和全水间隙容易击穿；当固定间隙总长度时,工频击穿电压与气段长度呈V型曲线关系；等等。空气和水是两种常见的流体,但两者具有不同的电特性,空气通常是绝缘体,而水通常是电阻很大的导体,因此将两者组合在一起进行放电试验时,表现出了其自身特有的现象和规律。文章中基于气泡击穿理论和空气与水不同的电特性,对试验观察到的各种放电现象与规律进行了分析,对气水间隙的击穿机理进行了研究。第四,为了进一步理解和掌握气水间隙放电更普遍的规律,以便于工程应用,本文在上述试验研究和机理分析的基础上,对气水间隙的放电规律进行了进一步的分析探讨,并利用数值拟合方法,建立了气水间隙工频放电特性相应的数学解析式。计算与试验表明,所建立的数学解析式计算结果与试验数据吻合较好。第五,在上述研究的基础上,本文提出了一种气水间隙和避雷器并联的变压器中性点过电压新型保护方式,构建了其控制系统,研制了满足系统要求的控制装置样机；介绍了保护装置动作原理、动作条件和动作过程,提出了110kV变压器中性点过电压保护气水间隙较为适宜的间隙距离取值范围；针对典型故障情况下110kV不接地变压器中性点过电压进行了整套保护系统的实验室模拟试验研究。试验表明,本文提出的新型间隙与保护方式,可以较好的克服传统保护方式的不足,以保护不接地变压器中性点绝缘。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM862

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