仪用互感器第六章

第七节电压互感器的绝缘作用

一、中性点不接地系统一相接地故障

在我国电力供电系统中,3kV ~ 10kV的电力网从供电可靠性及故障发生的情况来看，目前均采用中性点不接地方式或经消弧电抗器接地的方式。

在中性点不接地的电力供电系统中，中性点的电位随系统三相对地电容的不平衡而改变， 通常在架设电力线路时,采取合理的换位措施，从而使各相对地分布电容尽可能相等,这样可以认为三相系统是对称的，系统中性点与大地等电位。为便于分析，我们将系统中每相对地的分布电容可以用一个集中电容C来代替，如图3 -22(a)所示。

在正常工作状态下，电源的相电流等于负载电流和对地电容电流的相量和，每相对地电容电流大小相等，彼此相位差120°,每相电容相电流超前相电压90°,如图3-22(b)所示。三相对地电容电流的相量和等于零，没有电流在大地中流动。每相对地电压Uu、Uv和U_w是对称 的，在数值上等于电源的相电压。

如果线路换位不完善，使各相对地电容不相等时，三相对地电容电流相量和不等于零，系统的中性点与大地的电位不等，产生电位差，使得三相对地电压不对称。

当系统发生一相金属性接地故障时，如果当W相发生金属性接地时，它与大地间的电压变为零(Uw=0),而其他未接地故障的两相(U相和V相)对地电压各升高到正常情况下的在√3 倍，即等于电源的线电压值：Uu=√3Uu、Uv=√3Uv，如图3 -23(a)所示。可以假设在W相发生接地故障时，在接地处产生一个与电压Uw大小相等而符号相反的-Uw电压，这样各相对地电压的相量和为

Uu=Uu+（-Uw）=Uu-Uw=√3Uu

Uv=Uv+（-Uw）=Uv-Uw=√3Uv

从图3 -23(b)可知，Uu与Uv之间的相角是60°,由于U相和V相的对地电压都增大到√3倍，所以u相和V相的对地电容电流也都增大到√3倍，即Ioc=√3Ico,Ic =√3Ico。W相因发 生接地，所以本身对地电容被短路，电容电流等于零，接地点的故障电流(图3-23)可根据节点电流定律写出：Ic=-(Icu+Icv)

从图3 -23(b)可以看出；Icu超前U_u90°,Icv超前U_v90°,可见，这两个电流之间的相角差也是60°。通过相量分析计算可以求得：Ic=√3Icu=√3Icv

又因为：Icu=√3Ico

所以：Icv=3Ico

由此可知，系统发生金属性接地故障时，接地电容电流是每相正常电容电流的3倍。如果知道系统每相对地电容C，通过欧姆定律可以推出接地电容电流绝对值为I_c =3ωCUu

式中Uu——系统的相电压(V);

ω——角频率(red/_S)_;

C——相对地电容(F)。

上式说明，接地电容电流I_c与系统的相电压、角频率和相对地电容成正比关系。接地电容电流I_c还可以近似利用下列公式估算：对于架空网路，有:

对于电缆网路，有

式中U—电网线电庄(kV);

L——同一电压系统电网总长度(km) 。

综上所述，在中性点不接地的三相电力供电系统中，发生一相接地故障时，会出现以下情况：

(1) 金属性接地时，接地相对地电压为零，非接地两相对地电压升高到相电压的万倍，即等于线电压,而各相之间电压大小和相位保持不变，可概括为:“一低，两高,三不变”。

(2) 虽然发生一相接地后，三相系统的平衡没有破坏(相电压和线电压大小、相位均不 变)，用电器可以继续运行,但由于未接地，相对地电压升高，在绝缘薄弱系统中有可能发生另外一相接地故障，造成两相短路,使事故扩大。因此，不允许长时间一相接地运行(一般规定不超过2h)。应注意，对于电缆线路一旦发生单相接地,其绝缘一般不可能自行恢复，因此不宜继续运行,应尽快切断故障电缆的电源，避免事故扩大。

(3) 单相弧光接地具有很大的危险性,因为电弧容易引起两相或三相短路，会造或事故扩大。此外，断续性电弧还能引起系统内过电压，这种内部过电压能达到4倍相电压，其至更高，容易使系统内绝缘薄弱的电气设备志穿，造成较难修复的故障。弧光接地故障的形成与接地故障点通过容性电流的大小有关，为避免弧光接地对电力供电系统造成的危险， 当系统接地电流大于5A时，发电机、变压器和高压电动机应考虑装设动作跳闸的接地保护装置。当10kV系统接地电流大于30A时,为避免出现的电弧接地危害，中性点应采用经消 弧线圈接地的方式(图3-24)。消弧电抗器是一个带有可调铁芯的线圈，当发生单相接地故障时，它产生一个与接地电容电流相位差180°的电感电流，来达到补偿作用，通过调 整铁芯电感来达到适当地补偿，能使接地故障处的电流变得很小，从而减轻了电弧接地的危害 。

(4) 在单相不完全接地故障时，各相对地电压的变化与接地过渡电阻的大小有关系，具体情况比较复杂。一般情况下，接地时相对地电压降低，但不到零；非接地时两相对地电压升高， 但不相等，其中一相电压低于线电压，另一相允许超过线电压。

二、绝缘作用

如前所述，在中性点不接地系统屮，由于单相接地故障不会破坏三相系统的平衡,相电压和线电压的数值和相位均不变，只是接地相对地电压降低，未接地的两相对地电压升高，系统仍能继续运行。但是这种接地故障必须及早发现和排除，以防止发展成两相短路或其他形式的短路故障。由于在中性点不接地系统中，任何一处发生接地故障都会出现零序电压,可以利用零序电压来产生信号，实现对系统接地故障的监视系统，称为绝缘监察装置。

1. 绝缘装置原理接线

绝缘电压互感器原理接线图如图3-25所示，它是由一台三相五铁芯、油浸式电压互感器 （JSJW- 10）或三只单相电压互感器（JDZJ - 10）组成，为能进行绝缘监察，电压互感器高压侧中性点应接地。互感器二次侧的基本绕组接成星形,供测量电压及提供信号、操作电源用，辅助绕组连接成开口三角形，在开口三角形两端接有过电压继电器。

电压互感器通常安装在变电站电源进线侧或母线上，正常运行情况下，系统三相对地电压 对称，没有零序电压,三只相电压表读数基本相同（由于系统三相对地电容不完全平衡及互感 器磁路不对称等原因使三只相电压表读数会略有差别），开口三角形绕组二端没有电压或有 —个很小的不平衡电压（通常不超过10V）,当系统某一相发生金属性接地故障时，接地相对 地电压为零，而其他两相对地电压升高万倍,此时接在电压互感器二次星形绕组上的三只电压表反映出“一低，两高”。同时，在开口三角处两端出现零序电压，使过电压继电器KV动作，发出接地故障预告信号。

当系统发生金属性接地故障时,开口三角形绕组两端出现的零序电压约为100V;如果是 非金属性接地故障，则开口三角形绕组两端的零序电压小于100V。在系统发生接地故障时， 为保证电压继电器可靠、灵敏地发出信号，通常电压继电器设定电压为26V-40V。

2.开口三角形两端零序电压相量分析

正常运行时，由于电力供电系统三个相电压Uu、Uv、Uw是对称的，感应到电压互感器二

次绕组中的三个相电压Uu、Uv、Uw也是对称的，它们的接线原理和相量图如图3-26所示。 开口三角形的三个绕组是首尾串联接线。因此,开口端（a_D、x_D）的电压是三个相电压的相量和，在正常运行情况下应为零（或有一个很小的不平衡电压），即UAX=Uv ₊Uu₊U_w =0,当电

力供电系统发生接地故障时(如假定w相接地)，从图3-27(a)中可以看出，电压互感器一次侧W相绕组的首端和尾端均是等电位，因此W相绕组上没有电压，感应到电压互感器二次W 相绕组的电压也为零。由于W相接地后,W相与大地等电位，因此，电压互感器一次侧V相 绕组两端的电压为U_VW,U相绕组两端的电压为U_uw，即都等于线电压。显然,感应到电压互 感器二次侧相应的U相、V相绕组电压也应该为正常情况下相电压的√3倍。

由图3-27(b)分析，W相接地时，系统电源中性点对地电位为-Uw，各相对地电压为

Uwe=Uw+(-Uw)=0 , Uue=Uu+(-Uu)=√3Uu , Uve=Uv+(-Uw)=√3Uv

这个结论和前面分析基本相同，即系统发生金属性接地故障时,接地相对地电压为零，其他未接地两相对地电压在数值上为相电压的√3倍,等于线电压。从向量图还可以看出，Uue和Uve的夹角为60°，在这种情况下,加在电压互感器一次侧的三个相电压Ue、Uwe、Uve对称，通过相量计算不难求得,Uue+Uve =3Uo,即合成电压为3倍的零序电压。同理，感应到电压互感器二次侧开口三角形两端的电压Uax=Uu+Uv =3Uo,即此开口三角形两个端头间出现3倍的零序电压。