（控制理论与控制工程专业论文）磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计.pdf

大连理【大学硕十学位论文 摘要 城市配电网因为其电压等级较低，为了提高系统供电的可靠性，曾广泛采用中性点 不接地系统方式。近年来，由于国家对城市电网的大规模改造，城市配电网的规模不断 发展，使得配电网络越来越大，再加上城网中大量使用电缆，使系统的接地电容电流大 大增加，这使得系统单相接地故障电流大大增加，接地电弧不能自动熄灭，越来越多的 瞬间单相接地故障不能自动消除。为了解决这一问题，我国现在普遍采用中性点经消弧 线圈接地的补偿方式。 现有的消弧线圈的调谐方法很多，但各有其优缺点。本文在对大量参考文献分析的 基础上，提出基于外加信号法调谐的新方法，弥补了现有各种调谐方法的不足之处。本 方法采用带p t 的磁阀式消弧线圈，从p t 低压侧注入零序恒流信号，通过频率扫描确 定系统的谐振频率，再由公式计算出脱谐度，然后根据脱谐度的预先设定的偏离值调节 消弧线圈分接头，实现消弧线圈的调谐。外加信号法测量脱谐度是在系统正常运行情况 下进行的，不影响系统正常运行，且不受系统运行的影响，对于具有多个消弧线圈的配 电网，只需选定一个消弧线圈进行测量，就可完成整个配电网脱谐度的测量，无需通讯 配合。采用外加变频信号法可以使电网脱谐度的测量由p t 高压侧移至低压侧，使测量 更加安全、方便。 本文详细论述了磁阀式可控电抗器的结构和工作原理，分析了小电流接地系统的运 行情况和发生单相接地时的特点，并在此基础上将零序电流变量法接地选线和磁阀式可 控消弧线圈自动控制有机地结合起来，实现了小电流接地电网单相接地选线和接地电流 补偿的综合最优控制。 关键词：磁阀式消弧线圈；脱谐度；单相接地；外加信号法；故障选线 大连理工大学硕十学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no na u t o m a t i cc o n t r o l l e ro f m a g n e t i cv a l v ea r c e x t i n g u i s h i n gc o i l a b s t r a c t i nd i s t r i b u t i o n s ，b e c a u s eo fi t sl o w 1 e v e lv o l t a g e i t sn e u t r a lp o i n tu s e dt od i s c o r m e e tt o t h eg r o u n di no r d e rt oi m p r o v ei t sr e l i a b i l i t y h o w e v e r , i nr e c e n ty e a r st h ed i s t r i b u t i o n sa r e b e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e ra n dt h ee n o r m o u su s eo fc a b l e si nc i t yp o w e rs y s t e m , w h i c h i n c r e a s e st h ec u r r e n tt h r o u g ht h eg r o u n d e dc a p a c i t o r 。t h e s em a k et h es i n g l e - p h a s ef a u l t y c u r r e n tg e tg r e a t e r , w h i c hl e a dt om o r ea n dm o i n s t a n t a n e o u s l yg r o u n d i n gf a u l t su n a b l et o e l i m i n a t en a t u r a l l y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ec o m p e n s a t i n gm e t h o do fn e u t r a lp o i n t g r o u n d i n gt h r o u g ha r ce x t i n g u i s h i n gc o i li sc o m m o n l yu s e di no u rc o u n t r y t h g r ee x i s t ss o m ed e f e c t st ot h ep r e s e n tr e s o n a n tr e g u l a t i o nm e t h o d s ，an e wm e t h o do f r e s o n a n tr e g u l a t i o nb a s e do i l e e t i n gc u r r a n ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r v a r i o u sf r e q u e n c y c o n s t a n tc u r r e n ti si n j c o t e dt os e c o n ds i d eo fp t ( p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ) w h i c ht h em a g n e t i c v a l v ea r ce x t i n g u i s h i n gc o i li st h ef i r s ts i d e a r ce x t i n g u i s h i n gc o i lt u n i n gs y s t e mi s i m p l e m e n t e d w h i c hi sb a s e do nm e a s u r i n gt h es y s t e mr e s o n a n c ef r e q u e n c y n l i sp r i n c i p l ei s n o ta f f e c t e db ys y s t e mo p e r a t i o n ，a n do n l yn e e dt oc h o o s eo n ea r ce x t i n g u i s h i n gc o i lt o m e a s u r ea n dn o tn e e dc o m m u n i c a t i o n i th a sh i 曲p r e c i s i o na n dh i 曲r e l i a b i l i t y t k sd i s s e r t a t i o ne x p l a i n si nd e t a i lt h es t r u c t u r ea n dt e n e to fw o r k i n go ft h ec o n t r o l l a b l e m a g n e t i cv a l v ea r ce x t i n g u i s h i n gr e a e t o ra n da n a l y s e st h es m a l lc u r r e n tn e u t r a lg r o u n d i n g s y s t e ma n dt h es p e c i a lf e a t u r eo ft h es i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gh a p p e n i n g ，b a s e do na b o v ea l l ， b yan e wc o n t r o lm e t h o dw h i c ho r g a n i c a l l yc o m b i n e sl i n es e l e c t i o nb a s e do nz e r oo r d e r c u r r e n tc h a n g i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ec o n t r o l l a b l em a g n e t i cv a l v ea r ce x t i n g u i s h i n g c o i l ，w ec a nr e a l i z es y n t h e t i c a l l yo p t i m a lc o n t r o lo fl i n es e l e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nt o c a p a c i t i v ec u r r e n ti ns i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l t k e yw o r d s ：m a g n e t i cv a l r ea r ee x t i n g u i s h i n gc o i l ) o f ft u n i n gd e g r e e ；o n e - p h a s e g r o u n d i n g ；i n j e c t i n gc u r r e n t ) s d e e t i o no ft h ed e f a u hl i n e s 独创性现明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 帮蹲 作者签名： 鄞缝：日期：至鲤鱼生! 至旦1 2 旦 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博= = 学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 鄞些望蛭 王耋良堡艮 2 q q 年! ! 月1 2 日 大连理工大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 中性点接地方式的发展与现状 电力系统由发电厂、变电所、输配电线路及用户等组成。它包括从发电、输电、配 电到用电这样一个全过程。如果把输配电线路以及由它所联系起来的各类变电所总称为 电力网( 简称电网) ，电力系统也可以看作是由各类发电厂和电网以及用户所组成。 三相交流电网中性点与大地间电气连接的方式，称为电网中性点接地方式。 电网中性点接地方式分为有效接地和非有效接地两大类： ( 1 ) 有效接地：包括中性点直接接地和中性点经低电阻接地、小电抗接地和低阻抗 接地。当发生单相接地故障时，故障相电流较大，大的故障电流对电气设备要求有高机 械强度和高热稳定性。 ( 2 ) 非有效接地：包括中性点经消弧线圈接地、高电阻接地、高阻抗按地和中性点 不接地。在非有效接地方式中，单相接地时，非故障相的对地电压最高可达线电压的 1 0 5 ，单相接地故障接地电流较小。 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠性、人 身安全、绝缘水平、继电保护、通信干扰等问题有着密切的联系。 近年来，随着国家对城市电网改造的大量资金投入和逐步实施，电网规模不断发展， 城网中又大量使用电力电缆，电网中的中压电气设备增多，我国过去l o k v 系统多采用 中性点不接地方式运行，因而导致配电网单相接地电流剧增。单相接地故障是配电网的 主要故障形式，据初步估计约占系统故障的7 0 以上【”。单相接地电流过大，造成故障 处绝缘严重破坏，常常发展为两相或三相短路，引发停电事故，严重影响了配电网的安 全运行，给国家造成大量的经济损失。 为了解决这些问题，各国走过不同的发展道路。德国为了避免对通信线路的干扰和 保障铁路信号的正确动作，采用了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，自动消除 瞬间的单相接地故障，它是电力系统中性点不接地方式发展到一定规模后的产物。而电 力工业发达的美国则采用中性点直接接地或经小电阻接地等接地方式，并配合快速继电 保护和开关装置瞬间跳开故障线路；美国也承认谐振接地方式的诸多优点，过去不采用 该接地方式的主要技术原因是接地继电保护存在问题。这两种具有代表性的解决办法， 对后来世界上许多国家的电力系统中性点接地方式的发展产生了很大的影响。 改革开放以来，我国引进了大量的国外设备，由于各个国家的接地方式不同，设备 的设计依据标准不一致，特别是设备的耐压不同，要使用这些设备，首先必须决定电力 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 系统的接地方式问题，因此我国专家对接地方式的选择存在争论。有的大城市己局部将 配电网的中性点不接地方式改为低电阻接地方式，以消除间隙电弧过电压，减少异相接 地的发生。也有的改为大电阻接地方式，以消除谐振过电压的危害。但是大部分人仍主 张采用经消弧线圈补偿接地方式。 1 2 中性点经消弧线圈接地系统 消弧线圈是德国的彼得生( w p e t e r s o n ) 于1 9 1 6 年发明的，所以消弧线圈又称为彼 得生线圈( p e t e r s o nc o i l ) ，它是用来补偿中性点不直接接地系统中，由于单相接地故 障而产生的接地点电容电流的一种中性点接地的电抗器【2 圳。中性点经消弧线圈接地又 叫谐振接地，采用这种接地方式的电网称为补偿电网。这种电网中，使用消弧线圈的目 的是补偿电网中的接地电容电流，单相接地电流被补偿到很小的数值，因此一般情况下 接地电弧不能维持，而且在电流过零时电弧熄灭，消弧线圈的存在还能显著减小故障相 电压的恢复速度，减小了电弧重燃的可能性，使单相接地故障所引起的停电事故大大减 少。 在我国，1 0 - 3 5 k v 配电系统均采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，大多数专 家认为：当对地电容电流较大时，应该采用消弧线圈接地方式。对消弧线圈接地系统的 要求是：在正常运行时，中性点位移电压不超过额定相电压的1 5 。对未经补偿时单相接 地故障电流超过3 0 a 的3 - 1 0 k v 系统和2 0 k v 及以上系统，应装设消弧线圈；故障点的残 余电流分别不能超过1 0 a ( 许多文献报道应小于5 a , 才可能可靠地熄弧) 和5 a 。 对于6 k v 经消弧线圈接地电网的单相接地残流值，我国现行规程规定不宜超过1 0 a ， 德国工程通常要求不大于4 a ，瑞典要求不大于5 a ，我国煤炭部规定不大于5 a n ，有文 献提出接地电流不大于4 a 为好l ”。 1 3 消弧线圈调谐技术的发展 目前我国正在进行城网改造，电缆大量使用，馈线增多，增大了系统的电容电流， 1 9 9 7 年原电力部颁布的电力行业标准d l w 6 2 0 1 9 9 7 针对城网中面广量大的1 0 k v 系统中 性点接地方式的有关规定对原标准进行了相应修改，规定当接地电容电流大于3 0 a 又需 在接地故障条件下运行时应采用消弧线圈接地方式。消弧线圈可以补偿单相接地电流， 限制电弧接地过电压。我国目前采用的消弧线圈大多是手动调匝的，存在许多问题：如 当系统的运行方式改变时，为避免谐振，必须同时调整消弧线圈的抽头。而这种线圈是 无载调节的，要退出运行才能调节，十分不便，同时频繁的操作会降低消弧线圈的机械 寿命。另外，系统运行方式变化频繁，手动调匝式消弧线圈不能根据电网电容电流的变 大连理工大学硕士学位论文 化及时调节，无法保证合理的脱谐度，有可能出现过补偿太大，残流超标或谐振补偿问 题，还可能会出现严重的弧光接地过电压或谐振过电压。 当消弧线圈不采用自动跟踪调整方法时，由于消弧线圈不能始终运行在最佳档位， 其补偿作用得不到充分发挥。从7 0 年代到现在，世界上采用消弧线圈接地方式的国家 大量应用自动调谐方法1 6 。对国内和国际上的资料和运行经验的综合统计分析表明，不 采用自动调整方法的补偿电网的补偿有效性大约为o 6 ，即6 0 的单相接地故障不发展 为相间短路。采用自动调整方法后的补偿电网补偿有效性可提高到o 9 左右，即9 0 的 单相接地故障不发展为相间短路川。补偿的有效性大大提高。消弧线圈自动调谐技术的 开发应用越来越有重要的意义。 国内已有的自动消弧线圈调节方案大体有以下几种： ( 1 ) 预调式：是指电网无接地故障情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。 调谐通常由机械传动机构完成，故所需时间较长，且一般需加装限压电阻，以保证中性 点位移电压不大于额定相电压的1 5 。包括：可调匝式消弧线圈方案，其缺点是电感 量无法连续调节； 铁芯气隙可调式消弧线圈方案，电感量可以连续调节，结构也简单， 但是电感重复性差，响应慢，噪声也很大。 ( 2 ) 随调式：是指电网发生单相接地故障时，消弧线圈自动调谐到合理补偿位置。 由于调谐时间要求甚短，所以须依靠电气调节实现。随调式自动消弧线圈，无需限压电 阻，无机械传动部件，所以振动和噪音较小，结构也相对简单，且便于与微机接地保护 或微机选线装置配合，迅速检出并切除单相永久接地故障。包括：调容式消弧线圈方 案，特点是调节范围宽，但响应时间长，可靠性较差；o 直流偏磁式消弧线圈方案，其 电流可连续调节，失谐度小，但在运行时，铁芯处于磁饱和状态，损耗大，噪声大，且 要通过磁饱和使电抗器励磁阻抗变得很小是很难的；o 调感式消弧线圈方案，此方式虽 可提高调谐精度，但调谐范围依然较难扩展。 本文采用磁阀式消弧线圈方案，这种快速可调消弧线圈的响应速度快，谐波含量小， 结构紧凑，可靠性高，可满足多种接地方式的要求。 1 4 电容电流的测量问题 如前所分析的，消弧线圈接地系统运行应能满足以下原则：当发生单相接地故障时， 使残流最小，以利于熄弧；在正常运行情况下，中性点位移电压不得超过额定相电压的 1 5 。这就涉及到电网对地电容电流的测量问题j 。 国内外对电容电流的测量做了大量的研究，提出了很多方法，主要包括电容电流离 线测量方法以及跟踪测量方法两大类，但这些方法都存在一定的问题。本文在前人研究 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 的基础上，结合实际的项目特点，使用了一种新的基于信号注入法测量电容电流的方法， 获得了十分不错的效果。 1 5 小电流接地系统的选线问题 电网发生故障时，寻找故障线的问题称为选线1 9 1 。| 在小电流接地系统中，系统零序 电流分布复杂( 和大电流接地系统相比) ，在故障线路和非故障线路均有零序电流，而中 性点经消弧线圈接地的系统中，故障线路零序电流的大小和方向与系统的脱谐度有关。 正因为如此，小电流接地系统单相接地故障时的选线是比较复杂的。下面将就小电流接 地系统单相接地故障选线的研究状态作一个简单的描述。 1 5 1 国外的研究现状 由于各国接地方式不同，接地保护方式也不尽相同。前苏联的小电流接地系统采用 中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理；日本 的小电流接地系统中高阻抗和不接地方式均有采用，但以电阻接地方式居多，其选线原 理较为简单，不接地系统主要采用功率方向继电器。电阻接地系统则采用零序过电流保 护瞬间切除故障线路，近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面作了不 少工作，并已将人工神经网络应用于接地保护；美国由于历史原因，电网中性点主要采 用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但是，故障跳闸用于中性 点经低阻接地系统，对高阻接地系统接地时仅有报警功能；法国过去以低电阻接地方式 居多，采用零序过电流原理实现接地故障保护，随着城市电缆线路的不断投入，电容电 流迅速增大，故已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流。为解决此系统的接地 选线问题，提出了利用p r o n y 方法和小波变换方法以提取故障暂态信号中的信息( 如频 率、幅值相位) ，以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未用于具体装置；，挪威一 公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂式接地 故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上；加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器， 也采用零序过电流保护原理，其软件算法部分利用了沃尔什函数，以提高计算接地故障 电流有效值的速度。 1 5 2 国内的研究现状 7 0 年代前，我国基本上采用“拉闸试停”的原始办法来选线。7 0 年代后期，相继 出现了零序功率方向保护和首半波原理等的选线装置。这些装置由于原理的不足，都存 在着误判漏判。 大连理工大学硕士学位论文 我国配电网和大型工矿企业的供电系统绝大多数采用中性点不接地或经消弧线圈 接地的运行方式。目前国内的选线装置主要是基于中性点不接地系统，近年来出现了一 些基于经消弧线圈接地的选线保护，这些以及本文所使用的选线方法都将在以下的章节 中具体介绍。 1 6 本文作者研究的内容和意义 本文首先介绍了小电流接地系统，然后分析了消弧线圈的工作特性以及所应用的磁 阀式消弧线圈的原理，接着论述了电容电流的检测以及小电流接地系统选线的相关方 法，最后根据上述内容详细介绍了作者设计的这套磁阀式消弧线圈自动控制系统。 本文使用的这种磁阀式消弧线圈自动控制系统是总结前人的研究经验以及根据项 目的实际特点而设计出来的，具有一定的创新意义和实用价值。 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 2 小电流接地系统 2 1 小电流接地系统简介 小电流接地系统即中性点不直接接地系统( n u g s ) ，它包括中性点不接地系统( 1 0 l ( n u s ) 、中性点经电阻接地系统( n r s ) 和中性点经消弧线圈接地系统【1 1 1 2 】( n e s ) 。在n u g s 系统中，单相接地不形成短路回路。规程规定n r s 系统发生单相接地必须立即切除故障 线路，而n u s 和n e s 系统发生单相接地可继续运行i - 2 小时。n u g s 系统多应用在3 5 k v 及以下电压等级的电网中。下面主要讨论n u s 和n e s 系统。 2 2 中- 眭点不接地系统单相接地的特点 2 2 1 系统单相金属性接地故障的特点 ( i ) 中性点不接地系统发生单相接地后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压 为电网线电压。整个系统出现零序电压，零序电压大小由0 伏上升到电网正常工作时的 相电压，电网中各处的零序电压基本相等，线电压仍然保持对称； ( 2 ) 故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流数值上等 于本线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非 故障线路的零序电流之和，方向由线路流向母线； ( 3 ) 所有非故障线路的零序电流的相位相同，超前于零序电压9 0 度，故障线路零 序电流的相位滞后零序电压9 0 度，即故障线路零序电流与非故障线路零序电流相位相 差1 8 0 度。 以上三点不受电网的运行方式、负荷大小的影响。 2 2 2 系统发生非金属性接地的特点 ( 1 ) 各线路零序电压、零序电流的大小受接地点过渡电阻的影响； ( 2 ) 故障线路与非故障线路零序电压与零序电流的相位关系仍与金属性接地时相 同。 但是，对于中性点经消弧线圈接地的系统，由于消弧线圈在电网单相接地时提供电 感电流以补偿接地电容电流，引起电网中电流分布发生变化，上述规律不再成立。对中 性点经消弧线圈接地的系统，有必要认真研究发生单相接地故障时的特点。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 中性点经消弧线圈接地系统单相接地的特点 2 3 1 系统单相金属性接地的稳态特征 为了便于理论分析，在以下的推导运算中， ( 1 ) 每相分布电容用集中电容c 。表示； ( 2 ) 负荷是对称的，对零序电流没有影响， 有关特性； 作了三点假设： 因此我们可以只研究空载时单相接地的 ( 3 ) 稳态分析中不考虑谐波影响的问题，即认为电流电压均为严格的正弦波。 在中性点不接地电网中发生单相接地故障时，流过接地点的电流为全系统的电容电 流的和，因此它是容性电流；系统采用消弧线圈接地方式后，单相接地时的故障电流分 布将发生重大变化，接地点电流是消弧线圈的感性电流和全系统电容电流的矢量和( 在 配电系统中，经系统对地电导支路的电流可以忽略) 。在图2 1 中，设线路x l - 2 的a 相 在d 点发生金属性短路接地，则流过接地点的总电流为： i j a = ，4 2 = i l 4 - i c = i l + 3 ，0 1 + 3 ，0 2 4 - 3 1 0 l( 2 1 ) - ，占l 以 u ，j - 三l = lu ? f vvv1 。o ，一 二i 二 一i 。：喜， j i8 f ， ，l： = 一，2 哮畔= = i 二；l 1 - 图2 1 中性点经消弧线圈接地电网 f i g 2 1p o w e rc i r c u i to f n e u t r a lw i t hr e s o n a n tg r o u n d i n g x l 一1 x l 一2 c 矗 式中，j 为消弧线圈电感电流，用l 表示消弧线圈的电感量，则 j 。；坐( 2 2 ) j l 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 y j l 为全系统的对地电容电流，则其有效值为： j c = 3 u p 0 ) ( c o l + + c 。，) = 3 u p 0 z ( 2 3 ) 3 j o 为非故障线路零序电流，3 1 0 2 为故障线路零序电流，3 1 0 f 为系统零序电流。非故 障线路零序电流为： 3 l o l = i b i4 - i o( 2 4 ) 故障线路零序电流： 3 1 0 2 = i a 2 + i m + i c 2 = i l + 1 b i + j c l + j + i c l( 2 5 ) 其有效值为： 3 1 0 2 = 3 u ，0 ) ( c o z - - c a ) 一等= ( c o ：- c 0 2 ) 一扫 ( 2 6 ) 此时，作用在消弧线圈上的电压为中性点对地的电压u 一，则消弧线圈上将产生一 感性电流j 。，此电流将经过消弧线圈和接地点，z 滞后于电压u 。9 0 度，而系统对地 电容电流i c 超h - i i ：f ：u a 9 0 度，接地点电流为系统对地电容电流l c 和消弧线圈电感 电流，t 的矢量和，因此，接地点电流的大小和方向与消弧线圈的补偿度有关。 而其电压特征与中性点不接地系统相同。故其特点为： ( 1 ) 整个系统出现零序电压，零序电压大小由0 伏上升到电网正常运行时的相电压， 而且电网中各处的零序电压基本相等； ( 2 ) 故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流在数值上 等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，零序电流的相位超前零序电压9 0 度，而且所有非故障线路零序电流的相位相同； ( 3 ) 故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流与消弧线圈电感 电流之和，方向不定，视补偿电流大小而定。 2 3 2 系统单相非金属性接地的稳态特征 当系统在a 相的d 点发生经过渡电阻心接地时，则系统的简化网络如图2 2 所示， 此时系统中性点电压的偏移比金属性接地时要小，将线路阻抗和电源内抗忽略时，线路 每相对地导纳为： l 2 玄+ ，葩，2y c = ，钌，匕2 j 瓦1 8 大连理工大学硕士学位论文 6：一=yaeai-ybeb+ycec：一兰兰-：；三。 ( 2 7 )” l + + 圪+ 瓦 1 + 皿。( 3 葩一与 6 = 一j t 1 + 弘d ( 3 们一) 式中u w 为系统中性点的电压，b 称为接地系数，它是复数，当r 。= 0 时，b = l ，与前而 稳态分析相同；当局- - - o o 时，b = 0 ，相当于正常运行，接地系数的变化范围为o 1 。 e 堇：二 ll 。盘 l l ，种仁 l 守f 守? 如 童 皇 e 图2 2 经过渡电阻接地简化网络 f i g 2 2s i m p l i f i e dc i r c u i tw i t hr e s i s t o rg r o u n d i n g u 幻= u + e o = ( 1 + 6 ) e a u 拍= u n + e b = ( 6 + 口一7 1 2 旷) e o ( 2 8 ) u k = un + e c = + e j l 2 0 ) e o 全系统的零序电压为 3 u o = u k + u b + u k = 3 b e 。( 2 9 ) 1 令：m = 3 m c 一，则式( 2 5 ) 可写为 f - 0 1 , 一e 。= u n + j m u nr d ( 2 1 0 ) 根据( 2 1 0 ) 式，可以画出在m o ( 欠补偿) 时u 随彤的变化规律， 如图2 3 所示。 一9 一 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 图2 3 中性点电压u s 随接地电阻吼的变化规律 f i g 2 3t h ev a r yr e g u l a t i o no f n e u t r a lp o i n tu ma r i s i n gf r o mt h ev a r y i n gr e s i s t a n c eo fr d 当欠补偿时，即m o ，彤从o o o ，u ”则从e 。出发，以一e 。为直径沿顺时针前 进，终止于零点；当过补偿时，即m u 。，在中性点经消弧线圈接地的电网中，为减小电网正常运行中三相对 地电压的差别，必须限制砜的大小，使其不超过额定相电压的1 5 ，这是调谐时应满 足的第一条基本原则。 3 2 脱谐度的定义 随着我国电力工业的发展，电网的对地电容电流不断上升，老式的中性点不接地的 配电网的运行方式已不能满足社会生产及安全方面的需求，故现在城市电网和一些大型 工矿企业电网的中性点都采用消弧线圈接地方式【。当电网发生单相接地故障时，消弧 线圈的电感电流将有效的补偿电网对地的电容电流，减小故障点残流，使得故障相接地 电弧两端的恢复电压迅速降低，熄灭电弧，提高了供电的安全性和可靠性，在我国6 - 3 5 k v 电压配电网获得了广泛的应用。 图3 3 表示当中性点经消弧线圈接地时电力网中发生单相接地故障时的电路图和向 量图。当发生单相接地故障时，中性点电压u 0 = - u 。，此时消弧线圈中流过一感性电 流i l = u 0 五= c o l ，其中以为电源的相电压，l 为消弧线圈的电感。从向量图上 可以看出，a ，b 相电压升高至0 线电压，a ，b 相对地电容电流，c 合成的总电容电流将超 大连理工大学硕士学位论文 前6 。9 0 。电感电流与电容电流相位相反，且都流过故障点，从而实现了对单相接地时 所产生的电容电流的补偿。 图3 3 中性点经消弧线圈接地时电网单相接地电路图和向量图 f i g 3 3o n e - p h a s eg r o u n d i n gc i r c u i ta n dv e c t o ro f n e u t r a lp o i n tt h r o u g h a a ce x t i n g u i s h i n gc o i lg r o u n d i n g 如果忽略网络的电阻、绝缘的泄漏电阻和线路的电晕损失，则单相接地时，电容电 流为： i c = 3 u 。c o c ( 3 8 ) 如果使l = i o ，o p 3 u ，c o c = 瓦u q , ，则有3 国2 观= l ，即 三：( 3 9 ) 3 c 上式表明当选择的消弧线圈电感值满足此条件时，接地处电流将全部被补偿，接地处的 电流为零，这种情况称为完全补偿。 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 采用完全补偿使接地电流为零似乎是一件理想的事，但实际上这样做却存在着严重 问题。对此，进一步分析如下： 对消弧线圈接地的电网，中性点的位移电压可由( 3 7 ) 式求得，当采用完全补偿时， 1 容抗等于感抗，即= ( c + c 口+ c c ) ，网络发生串联谐振，式( 3 7 ) 的分母将 g o , h 变为零( 或接近零) 。这时如各相电容值不等，则上式的分子不会为零，从而消弧线圈的 中性点位移电压“将达到极高的数值。这时，由于电容不对称引起的中性点位移电压 将在串联谐振电路内产生很大的电流，这个电流将在消弧线圈的阻抗上形成极大的压 降，从而使得中性点对地电位大为提高，甚至可能使设备的绝缘损坏。为此，一般系统 都采取不完全补偿的方式。 在不完全补偿方式中又有欠补偿与过补偿的方式之分。如果消弧线圈的电感值大于 网络的总对地电容值，则i l i c ，称 为过补偿，这时接地处将残余有电感性过补偿电流。 不管欠补偿还是过补偿，都可以使式( 3 7 ) 中的分母项不等于零( 或较完全补偿时的 值为大) ，从而达到减小中性点位移过电压的目的。但是，实际上往往是采取过补偿的 方式，因为当过补偿时l 如，消弧线圈保留有一定的裕度，即使将来电力网发展，对 地电容增加后，原有消弧线圈还可以使用。如果采用欠补偿方式，则当运行方式变更而 切除部分线路时，整个网络的容抗减小，又可能变得接近完全补偿的方式，从而出现不 容许的过电压。再者，欠补偿方式还有可能出现数值很大的铁磁谐振过电压，因此欠补 偿方式目前很少采用。按规定只有当消弧线圈容量不足时才允许短时间以欠补偿方式运 行。 补偿电网的特性可以用下列指标来表示： 补偿电网补偿度 p f f i 生生：篓一l( 3 1 0 ) c国i 补偿电网调谐度 k ：善：篓 ( 3 1 1 ) l c 嘶 补偿电网脱谐度 大连理工大学硕士学位论文 u ：l k ：乏生：1 一譬：1 一譬 ( 3 1 2 ) 1 c ；j i 其中国一电路自振角频率， 纨一电源角频率， 厂一电路自振频率， 以一电源频率，一般为5 0 h z 。 全补偿时：p = 0 ，k = i ，d = oo 过补偿时：p 0 ，k i ，v 05 欠补偿时：p 0 ，k 0 。 消弧线圈可以减小故障残流，促使电弧自熄，而且使弧隙恢复电压的上升速度减慢， 为电弧的最终熄灭创造了良好的条件。d 越小，恢复电压的上升速度愈慢，对抑制电弧 重燃有利；u 越大，弧隙电压恢复速度越快，电弧重燃的可能性加大，甚至接地电弧不 能熄灭。 脱谐度越小越有利于熄弧，但脱谐度过小会使中性点位移电压增大。所以要根据运 行经验合理地选择脱谐度，使得既可以熄灭接地处的电弧，又能防止危险的中性点位移 过电压。 3 3 脱谐度的设定范围 由前面的定性分析可得出这样一个结论，即脱谐度应选择一个比较合理的整定范 围。消弧线圈的脱谐度不能太大，太大时残流增大，且脱谐度太大时故障点恢复电压增 长速度太快，消弧线圈就起不到消灭单相接地电弧的作用。脱谐度愈小，残流愈小，故 障点恢复电压速度减小，电弧容易熄灭。但脱谐度也不能太小，当d 专o 时，接近并联 谐振状态，正常运行时的中性点将发生很大偏移。规程规定中性点经消弧线圈接地电网 中性点位移电压不应超过1 5 的相电压。经推算和实际运行经验证明脱谐度的整定范围 不宜超过3 0 ，这也是一般设计手册上的推荐整定范围。 3 4 消弧线圈的调谐 按消除电网单相接地电弧的要求，消弧线圈脱谐度u 应愈小愈好，u = 0 是最理想的 状态。按电网正常运行时中性点位移电压不能过大的要求，u 值不能过小，若u = 0 ，处 于谐振状态是不能运行的。补偿电网正常运行和故障运行对消弧线圈的要求是矛盾的。 为此，需进行合理的协调，这就是消弧线圈的调谐。 按我国有关规定，消弧线圈的调谐应满足【1 5 】： 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 ( 1 ) 在正常情况下，中性点长时间位移电压不超过额定相电压的1 5 ： ( 2 ) 3 1 0 k v 和2 0 k v 及以上电网，故障点残余电流不宜超过1 0 a 和5 a 。对于与发 电机有大气连接的3 1 0 k v 电网，若要求发电机在内部单相接地故障时运行，补偿后 的残余电流应小于3 a ； ( 3 ) 应采用过补偿运行方式。当消弧线圈容量不足时，允许在一定期限内以欠补偿 方式运行，但脱谐度不宜大于1 0 。 满足以上要求的关键是合理确定消弧线圈的脱谐度。脱谐度决定于电网运行线路总 长度( 厶值) 与消弧线圈分接头的选择( l 值) 。因此，消弧线圈的调谐，实际上是根据电 网运行方式确定分接头的位置。一般说，电网改变运行方式时，需改变分接头与之相适 应。但在调谐时，要考虑尽量少切换分接头，以适应电网不同的运行方式。 3 4 1 消弧线圈的调谐步骤 消弧线圈的调谐需完成以下工作【l6 】： ( 1 ) 估算并测量不同运行方式下的电网对地电容，以及各条线路的对地电容或电容 电流i c ： ( 2 ) 掌握消弧线圈分接头的补偿电流值，或测量消弧线圈的伏安特性； ( 3 ) 计算不同运行方式( j c ) 时，投入消弧线圈后，电网中性点的位移电压c ，值，并 做出调谐特性曲线； ( 4 ) 试投消弧线圈，测量调谐特性，与计算值比较分析； ( 5 ) 确定各运行方式时的消弧线圈分接头。 完成调谐实验后，应将计算结果和实测结果整理存档，同时，将确定的消弧线圈运 行分接头位置列表。 由此可知，调谐实验的关键参数是消弧线圈各分接头的补偿电流值j ，和不同运行方 式时的电容电流值j ，。 通常，消弧线圈铭牌上标有各分接头的额定补偿电流值，但此值受电网实际运行电 压和频率的影响而有所变化，调谐时要注意修正。若为自制、改制的消弧线圈，则需测 量各分接头的伏安特性。可以利用人工单相金属接地测量电网电流时所得到的中性点位 移电压u 。、补偿电流，：值，以及已知的分接头线圈匝数n ，通过磁动势n i l 和每匝电 压u 、，n 的关系，计算各分接头的伏安特性曲线。 电网电容l 值，一般可根据运行线路总长度进行计算。准确的电容电流值要在电网 中实际测量获得。 大连理工大学硕t ：学位论文 3 4 2 消弧线圈的调谐方法 电网中性点经消弧线圈接地已成为6 3 5 k v 电网减小单相接地电流、降低故障相恢 复电压和抑制弧光接地过电压的一种行之有效的措施。然而现有的调谐方法 1 7 - 1 8 l 虽有一 定的优点，但又有着各自的缺陷，现分析如下： 目前，我国大中城市及冶金、化工、钢铁等企业6 - 3 5 k v 电网中性点普遍采用仿原 苏联5 0 年代的调匝式消弧线圈接地方式。这种消弧线圈调谐方式是，根据已设定的方 案对不同的运行方式通过人工调节消弧线圈的分接头，使电网的脱谐度、残流和中性点 位移电压在规定的范围内。这种方法需将消弧线圈从电网上脱离，而且用手工操作来调 整消弧线圈的分接头，对于复杂的电网，确定调谐方案相当费时。另外，规程要求每年 对电网电容电流实测一次，重新设定补偿方案，工作量很大。如今，配电网迅速发展， 特别是城市电网越来越多地采用电缆供电，使系统单相接地电流增大，电网的运行方式 变化频繁，使得人工调节无法满足调谐要求，经常出现电网脱谐度远远超过规定范围的 情况，故障点的电容电流可能使单相接地故障扩大，发展成为相间短路故障，不能保证 电网的安全运行。长期运行经验表明，这种消弧线圈存在以下严重的技术问题：不能 自动地连续跟随电网参数变化进行最佳调节，即不能随时使故障点残流处于最小状态； 为了降低电网的暂、稳态过电压，调匝式消弧线圈不能进行全补偿，而只能过补偿， 因此故障点的残流不可能减少到最小；脱谐度不易控制，甚至在超出允许值时也不能 及时发现，以至常发生不允许的过电压。 总之，传统的中性点经消弧线圈接地方式普遍存在这样两个问题：一是发生单相接 地后不能快速且准确地选出故障线路；二是消弧线圈电感不能平滑调节，补偿效果不能 保持最佳状态。 国内外近几年来对消弧线圈自动调谐作了多方面的研究，按改变电感的方法不同， 消弧线圈主要有3 类：调节分接头或可调匝数式( 电感不连续可调) ；可调气隙式( 电 感连续可调) ；外加直流助磁式( 电感连续可调) 。从自动调谐角度而言，消弧线圈电 感应是连续可调的。这3 种类型的消弧线圈我国目前均有产品投入运行，但它们都有一 定的局限性： ( 1 ) 调节分接头式是利用老式调匝消弧线圈改型而得，成本很低，调节方便。但存 在的问题是：电感不能平滑调节，补偿效果不能达到最佳状态，同时采用消弧线圈串联 电阻接地方式，限制了中性点位移，在单相接地发生故障时，立即短接电阻，增加了附 加装置及控制的复杂性。 ( 2 ) 可调气隙式电感可以连续调节，结构简单，线性度好，价格也不高。缺点是： 需要较为精密的机械传动装置，响应慢( 动作时间取决于可动铁心的移动时间，可至数 磁阀式消弧线圈自动控制器的研究与设计 十秒) ；有时会因脏污引起机械动作失灵；而且同样也须采用消弧线圈串联电阻接地方 式。 ( 3 ) 直流助磁式通过调节直流激磁电流的大小，改变交流等值磁导，实现电感的连 续可调。其优点是无传动装置，电感调节范围大，响应速度快，特别适用于调节频繁的 场合。缺点是需要附加大容量直流激磁电源( 直流控制电流往往比交流工作电流的有效 值还大) ，结构复杂，谐波较大，造价也较高。 为更好地补偿配电网单相接地电容电流，在对现行各种方法分析、研究的基础上， 作者提出一种新型的磁阀式可控消弧线圈及其控制装置，它也属于直流助磁式，但它的 结构与常见的消弧线圈有很大的差别。由于采用了自耦直流助磁等技术，具有结构简单、 控制灵活，响应速度快、伏安特性线性度好、谐波小、噪音低、无需单独的大容量直流 助磁电源等显著优点，能自动跟踪电网电容电流的变化，实施最佳补偿，克服了最佳补 偿与谐振过电压的矛盾，大大提高了电网运行的可靠性。因此除了具有上述第( 3 ) 种类 型的优点外，还克服了此类产品的不足。 3 5 本章小结 本章介绍了中性点位移电压的计算方法，脱谐度的定义及计算公式，并依据消弧线 圈的调谐原则，考虑弧隙恢复电压增长速度与脱谐度的关系选择脱谐度的整定范围不超 过士3 0 ；此外还介绍了消弧线圈的调谐步骤及方法。 大连理工大学硕士学位论文 4 磁阀式可控电抗器的结构及工作原理 磁阀