（电力电子与电力传动专业论文）中性点经消弧线圈接地保护及自动选线装置研究.pdf

东南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do n t h e t e c h n o l o g i c a lr e g u l a t i o n so fp o w e rs e t se x c e e d i n gv 0 1c a g e p r o t e c t i o n a n d c o o p e r a t i o no fe x c e e d i n gv o l t a g ea n di n s u l a t i o no fa ce l e c t r i cp o w e r s e t ) ) ，w h e nm i d d l i n gv o lc a g ep o w e rs y s t e mm e e t st h e s i n g l e p h a s ee a r t h i n g m a f u n e t i o n ， i ft h ee a p a c i t i v ec u r r e n ti sh i g h e rt h a nt h ed e c i d e dh u m e r i c a lv a l u e t h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mm u s tu s et h ec o m p e n s a t i o np e t e r s e n c o i1s e tt oq u e n c ht h e9 1 - o u n d i n gc u r r e n t s ot h e m a j o rt a s ko ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h ea u t o p r o t e c ts e tu s e di nt h em i d d li n gv o l t a g e p o w e rs y s t e mw i t hn e u t r a lg r o u n d i n gp a s tt h ep e t e r s e n c o l l i nt h i sp a p e r ，f i r s td i s s e r t a t et h en e c e s s a r yo fu s i n gp e t e r s e n c o l1i nt h em i d d li n g v 0 1 t a g e e l e c t r i e p o w e rs y s t e m a n dt h i sp a p e r d i s e u s s e st h er e a l i s t i c a p p l i c a t i o n f e a s i b i l i t yo fi tb yt h et h e o r e t i c a l l yd e m o n s t r a t i n ga n dt h ee m p l o y i n ge x p e r i e n c eo fs o m e k j n d so fp r o d u c t se m p o y e db yo t h e rc o m p a n i e s w i t ht h ea n a l y s i so ft h et h r e e - p h a s ee l e c t r i c d o w e rs y s t e mt h i sp a p e rc o n c l u d et h ep r o c e s so ft h ep r o t e c t i o ns e t e s p e c i a ll y ，t h ea n a l y s i s o fn e u t r a lv o l t a g eo ft h e s y s t e ma n dg r o u n d i n g c u r r e n ta n do f f l - r e s o n a n c ed u t yi sv e r y i m p o r t a n tf o ru st oa p p r a is eo u rs e t t h e nw eu s em a t l a bt os i m u l a t ea l lk i n d so ft h ec o n d i t i o n so ft h em i d d l i n gv o l t a g e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mw i t hn e u t r a lg r o u n d i n gp a s tt h ep e t e r s e n c o l l - t h ep r a c t i c a l i t y e x p e r i m e n tw a sd o n et ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo fo u rs e tt oq u e n c hg r o u n d i n gc u r r e n t a l lo ft h er e s u l t so ft h e s es i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h er u n e t o no ft h i ss e t d e p e n d i n gt h et h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec o n t r o ls e t b a s e do n8 0 1 9 6 k c t h i se q u i p m e n tc a nc o m p e n s a t et h eg r o u n d i n gc u r r e n ta u t o m a t i c a l l yu s i n g p e t e r s e n c o i l i nr e a l i s t i ca p p l i c a t i o n ，t h i sp r o t e c ts e ts h o u j d c h o o s et h em a l f u n c t i o nl i n e a u t o m a t i c a l l y s ow i t ht h er e s e a r c ha n dc o n t r a s t i n gm a n yk i n d so fm e t h o dt oj u d g et h ef a u l t 1 i n e ，t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dt w op r a t t i c a b l yt e c h n i q u e sa n ds i m u l a t et h e m t h er e s u l t o ft h ee m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h e s et w om e a n sc a ns a t i s f yu s f i n a l l y ， s o m em e a s u r e sa r ea l s op r o p o s e df o rt h ei m p r o v e m e n to ft h es e t k e y w o r d sp e t e r s e n c o i1 r e l a ya p p li c a t i o no fm i c r o p r o c e s s o r m a t l a bs i m u l a t i o n c h o o s i n gf a u l t1 i n ea u t o m a t i c a l l y i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：佳登日期：丝堕：三互 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：砸啦导师签名：攀日期：兰璺幽 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与电力系统的供电可靠性、人身安全、 设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护装置、通信干扰( 电磁环境) 及接地装置等问题有密 切的联系。电力系统的中性点接地方式是人们防止系统事故的项重要应用技术，具有理论研究与 实践经验密切结合的特点，闻而是电力系统实现安全与经济运行的基础。 电力系统的中性点接地方式虽然有多种表现形式，但总结起来基本上可以分为两大类：凡是需 要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够自行熄灭者，属于小 电流接地方式。 在大电流接地方式中，主要有： 1 中性点有效接地方式。 2 中性点全接地方式，即非常有效接地方式。此外，还有中性点经低电抗、中电阻和低电阻接 地方式。 在小电流接地方式中，主要有： l ，中性点谐振( 经消弧线圈) 接地方式。 2 中性点不接地方式。 3 中性点经高阻接地方式。 文章中所关心的问题是针对于小电流接地方式的。主要应用于中压配电网。对于中压配电网的 中性点接地方式问题，长期以来都存在着不同看法，早期大多数中压配电网都采用中性点绝缘方式 ( n u g s ) 。随着经济的发展以及电力系统的扩大和线路长度的增加，加之大量架空线路被电缆线路所 代替，导致线路的对地电容越来越大，越来越多的瞬时单相接地故障不能自动消除，间歇性的弧光 接地过电压频繁出现，从而经常对系统的安全运行形成威胁。为此一些国家开始采用中性点经消 弧线圈接地方式( n e s ) ，或采用中性点经电阻接地或直接接地方式。一般来讲在电容电流超过一定 数值的地区大多采用中性点经消弧线圈接地，当电容电流较小时则采用中性点绝缘方式。 在我国6 3 5 k v 中压配电网中，当单相接地电容电流犬于规程规定值时，大多采用中性点经消 弧线圈接地方式，利用消弧线圈的电感电流补偿配电网接地点的对地电容电流，使得接地点短路残 流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，从而使得电弧能够自行熄灭，提高配电 网的供电可靠性。为了保证电弧能够可靠熄灭，一般要求消弧线圈对接地电容电流的补偿接近于谐 振状态。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的几率，同时也最大限 度的减小了故障点热破坏作用及接地网电压等。 一般中压配电网对补偿装置的基本要求是： 1 在发生单相接地故障时，补偿装置使流经故障点的残流尽可能的减小，最好只有接地电流的 有效分量和不能被补偿的高次谐波电流。 2 在中压配电网网络正常和故障情况下，因中性点位移引起的相对地电压升高不得危害电网的 正常绝缘。 然而，l 、2 条又是相互矛盾地。为了使得在发生单相接地故障时补偿装置使流经故障点的残 流尽可能的减小最好就是使得消弧线圈的电感量能够完全补偿全系统的对地电容量。如果系统运 行在完全补偿状态的附近，正常运行时中性点的位移电压很可能会因此而超过限定值。因此，在本 论文后面得内容中提出了动态补偿的概念解决这个矛盾。”1 l 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 传统消弧装置的研究情况及其不足 自1 8 9 1 年在德国莱茵和法兰克福之间的三相高压交流输电试验成功以来，三相高压电网在世界 各地迅速发展。随着中压配电网的不断扩大，对地电容在电网发生单相接地故障时的短路电流引起 的弧光过电压问题也日趋严重，直接威胁电力系统的安全可靠运行。 为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上主要推出的有两种方法。 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，采用了中性点经消弧线圈接地的 方式，自动消除瞬间的单相接地故障。1 9 1 6 年，由德国工程师彼得逊首先提出并应用中性点经消弧 线圈接地方法来解决因电网对地电容电流引起的单相接地弧光过电压问题。而后，在多种电压等级 的电力网中大量发展采用中性点经消弧线圈接地方式保护。如柏林市的3 0 k v 电力网中电缆长达 1 6 0 0 k m ，对地电容电流高达4 0 0 0 a ，于是分别在1 8 个变电站装设4 l 台消弧线圈，较好的解决了单 相接地引起的弧光过电压，同时很好的解决了电网这个强干扰源对电信和铁路通信的危害。 美国采用了中性点直接接地和经低电阻，低电抗等接地方式，并配合快速继电保护和开关装置， 瞬间跳开故障线路。 我国是较早在电力系统中性点采用消弧线圈接地运行方式的，尤其在3 5 k v 系统中采用消弧线圈 接地方式取得了明显的效果。8 0 年代消弧线圈开始应用于煤矿等企业的6 k v 系统，效果也不错。如 邯郸矿务局九龙矿投产初期，单相接地时曾发生过多起电缆放炮事故，直接影响了安全生产，后来 装设了l 台型号为x d j l 1 7 5 6 的传统消弧线圈后，电缆放炮次数明显f 降。 传统消弧线圈( 即手动无载调匝式消弧线圈) ，是一种具有多气隙铁芯的电抗器，通常制成油浸 自冷式。运行中其一端接在电网变压器或者直配线的发电机中性点或经曲折变( z 形变) 人造中性点t 另一端接地，利用电网单相接地时零序电压产生的与电网分布电容电流i r 方向相反的电感电流i j 来 抵消i 。，使单相接地电流i “由原来的电网电容电流i r 变成补偿后的残流i 一根据电网电容电流大小 手动调节开关档位，控制残流，可降低间歇性弧光过电压的幅值。尤其在雷雨季节，采用这种接地 方式来减少事故跳闸次数，提高供电可靠性是有效的。 然而，由于传统消弧线圈不能自动测量电网电容电流，系统运行方式又不固定，电容电流多变， 调节时又需要停电，十分不方便，有的还没有加阻尼电阻等等，因此，实际运行中的传统消弧线圈 很少能根据电网对地电容电流的变化及时调节。根据实际电网中接地补偿的需要，传统消弧线圈接 地补偿装置主要存在以下一系列问题。” 1 由于缺少快速的控制装置与之配合，传统的消弧线圈不能实时测量电网对地电容电流和位移 电压，从而也就不能跟踪调节消弧线圈的档位和投切与消弧线圈串连的阻尼电阻，因此保证 不了脱谐度小于1 0 ，中性点位移电压u o 1 5 相电压，不易达到晟佳补偿。 2 传统消弧线圈调谐时由于缺乏先进的传动装置，从而需要停电并且退出消弧线圈，因此失去 了消弧补偿的连续性。 3 传统消弧线圈保护装置无人机界面，或者只有简单的人机操作界面，因而对于对装置的运行 不是很熟悉的操作人员来讲操作起来比较困难。 4 传统消弧线圈的调节级数一般只分为有限的几级，级数少级差电流大。由上面所说的消弧原 理可以看到，这样的线圈很难正好调节到完全补偿状态或者很接近完全补偿状态，因而补偿 精度很低。 5 传统消弧线圈为了避免谐振，当系统运行方式改变时必须同时调整消弧线圈的抽头，而频繁 的操作又会降低消弧线圈机械转动部分的寿命。 6 运行中的消弧线圈补偿方式不明确，当运行在欠补偿状态时，若遇到电网断线事故则易产生 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 谐振过电压，这种过电压对电力系统绝缘的危害性比由电弧接地过电压更大，因而潜伏着很 大的危险。 7 消弧线圈抑制过电压的效果与脱谐度有关，只有当脱谐度小于某值时，才能限制过电压的水 平，而传统消弧线圈由于不能运行在完全补偿状态下，因此在电网发生其他故障时容易使得 中性点位移电压超标。 8 传统消弧线圈由于大多数没有串连阻尼电阻( 其与电网对地电容构成串联谐振回路) 因此 不能运行在全补方式( 即电压谐振状态) 。为了保证中性点位移电压不超标，往往将脱谐度控 制在1 5 2 5 ，甚至更大，这样消弧线圈抑制弧光过电压的效果就很差，很难达到规定 的要求。 9 单相接地时，由于补偿方式、残流大小均不明确，不能得到比较准确的计算值，因此补偿以 后的微机选线难以实现。 1 0 传统消弧线圈不具备变电站自动化技术的应用条件，难以实现无人值守和四遥功能。如今， 变电站自动化系统是发展方向，因此传统消弧线圈必须要进行改进。 因此综上所述，我国配电网中传统消弧线圈必须及早改造或新装自动跟踪补偿消弧装置，以增 加中压配电网的安全性与可靠性。 1 3 我国目前中压配电网采用中性点经消弧线圈接地现状 我国6 一i o k v 中压配电网都是采用中性点不接地或者经消弧线圈接地方式，实践证明，这两种 运行方式基本上合适中压配电网的实际情况，运行效果显著。在电网规模及单相接地电容电流均较 小的情况下，这种不接地方式的优点是发生单相接地故障后，允许继续运行2 小时，不致于引起用 户断电，提高了供电可靠性。但是，近年来中压配电网容量不断扩大，城市配电网大量采用电缆线 路，致使电网对地电容电流随电网运行方式变化而变化，也受环境条件的影响，要很好的实现对地 电容电流的补偿，消弧线圈的电感值应该随电容电流的变化而不断得到调节，实现电网精确调节。 由于故障电容电流的增大已经危害到电网的安全运行，因此改变配网中性点运行方式、提高供 电可靠性己成为供电部门的当务之急。电力设备过电压保护设计技术规程中规定：3 1 0 k v 的电 力网，当单相接地故障电流大于3 0 a 时应装设消弧线圈。电力行业标准交流电气装置的过电压保 护和绝缘配合中规定：1 0 k v 架空线路系统单相接地故障电流大于2 0 a 或1 0 k v 电缆线路系统单相 接地故障电流大于3 0 a 时应装设消弧线圈。其理由是在此电流下电弧能自行熄灭国内有不少单位 研究证明，单相接地电容电流的上限值应取1 0 a ，以便于提高配电网供电的可靠性。城市配电网长 期以来一直未采用中性点经消弧线圈接地方式，主要原因是： 1 _ 受技术条件限制，对地电容的具体数值不是很清楚。 2 受规程规定约束，有的配电网电容电流未超过3 0 a ，从而没有引起足够的重视。 3 有的中压配电网无中性点，若考虑补偿措施，需专用的人工中性点变压器，实现上有困难。 电力系统的运行经验表明，单相接地故障绝大多数是瞬间性的，特别是架空线路电网，只要是 小电流接地系统，便无需继电保护和断路器动作，在系统和用户几乎无感觉的情况f ，接地电弧便 可以自动熄灭，系统可以保持连续供电；对于极少数的永久性单相接地故障，可以允许电网在一定 时间内带故障运行。过去，由于接地继电保护不能有选择性的动作，要依靠人工逐条试拉以检验出 故障线路，待负荷转移后再将故障切除。以前长期如此运行，避免了许多停电事故，但是很不方便， 现在则利用了微机选线或者微机接地保护装置自动检验出故障馈线，可以瞬时或者延时t l 动切除， 也可以延时手动切除，进一步提高了供电的可靠性。 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文的主要工作 本课题的主要目的是，研究中性点经消弧线圈接地保护装置，并实现补偿后的自动选线功能。 本装置的自动跟踪型消弧线圈可对整个系统无法预知的电容电流的波动进行实时补偿，并始终运行 在最佳状态，在增强系统过电压能力的同时，大大减少了原有消弧线圈的调整操作，使运行安全可 靠性进一步提高，也降低了运行和调度人员的工作强度。可以大大减少故障点工频无功电流，并且 减少了单相接地故障发展为相间短路的机率。 本论文的主要工作： 1 中性点经消弧线圈接地保护的原理分析。在这部分中，主要从电容电流测量方法、中性点 位移电压的控制、系统接地的原因分析、消弧作用的影响因素、保护装置功能的实现这五 个方面来讲述了装置的可行性。 2 ，中性点经消孤线圈接地的各项仿真。其中包括基于m a t l a b 的软件仿真和实验室硬件仿真。 在基于m a t l a b 的仿真中，主要包含了1 0 k v 、3 5 k v 系统的仿真，其各种参数接近于实际参 数。实验室硬件仿真主要是数十伏电压的仿真，可以验证本装置的所有理论依据。 3 控制装置的实现，主要包括装置基于1 9 6 k c 单片机的硬件系统的设计，制作，调试，和软 件系统的开发，调试。 4 选线方法的综合比较。其中主要比较了零序电流群体比幅比相选线方法、5 次谐波选线方 法、零序电流有功分量选线方法、注入变频信号选线方法、基于暂态测量值选线方法，基 于最大( i s i n 中) 原理的选线方法。并且对本装置采用的5 次谐波选线方法和零序电流有 功分量选线方法进行仿真。 4 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 本装置是属于预补偿装置，在正常运行情况下中性点已经是经消弧线圈接地。通过微控制器采 集中性点经消弧线圈接地支路的电流电压参数并计算得到应该投入的消弧线圈电感量，在正常运行 时就对消弧线圈进行调节。当发生单相接地故障时，由于消弧线圈的作用使得故障点处的接地电流 被控制在国家规定的安全范围内。实际应用中对补偿系统的基本要求是： 1 在发生单相接地故障时，补偿装置使流经故障点的接地残流减小，尽可能只有接地电流的有 效分量和不能被补偿的高次谐波电流。 2 在网络正常和故障情况下，中性点位移电压升高不得危害电网的正常绝缘。 2 1 中性点位移电压分析 为了使装置能够实际投入运行，必须满足在本章开始时提到的第2 个要求：在网络正常和故障 情况下，因中性点位移引起的相对地电压升高不得危害电网的正常绝缘。 当系统直接为中性点不接地系统时，正常运行时系统的中性点不平衡电压基本上由负载的不平 衡来决定。 一旦卸竺竖：璺! ：坠! 曼! 生望苎( ! 堡壁! ：! ! ! ! ! ! 生 岫一 圭丧杀+ j 。( c a + c b + c c ) 。耽。 c 。、c 。、c ：分别为电网三相对地电容 艮、i l b 、r 。分别为电网三相负载的阻值 一般情况下没有消弧线圈的不接地系统发生单相接地短路时易引起其它故障，如相间短路等等。 但是，在消弧线圈不接地系统中也有对系统有利的面，由于系统的中性点没有接感性负载，因此 在正常运行时的不平衡电压一般较小。在加装了消弧线圈以后如果发生单相短路则此时的接地电 流减小，但是消弧线圈本身给配电网系统也带来了不利的因素：在正常运行状态下的系统不平衡电 压往往会增加。 由三相网络可以推导出加装了消弧线圈后在正常运行状态f 的系统不平衡电压( 即中性点位移 电压) 为： 。一堕生竺( 曼生! ：坠! 堡尘望! f ! ! 里璺! ：! ! ! ! ! ! ! ! 吣一忐嗑噎巾( c a + c b + c c b + c c 暗瓦气瓦+ j 。r 赢 ：j ! 址u “ 痂 式( 2 _ 2 ) 中： k 。= 鬻 为电网的不对称度 v = i c f - i l 为脱谐度 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 d 3 百i 瓦而为阻尼率 c 。、c “、c 分别为电网三相对地电容 对于消弧线圈接地系统来说其衡量指标是脱谐度。一般要求的是脱谐度v 越小则补偿电流越 接近对地电容电流，从而对于消弧越有利，但由公式( 2 一1 ) 可见，加装了消弧线圈后随着脱谐度 v 的减小，中性点位移电压u w 往往会增加，而且很可能会超出安全范围，因此需要加装串联电阻以 减少正常状态下的中性点位移电压。 当存在串联电阻时，在正常运行状态下电网的不平衡电压可近似为等式： ，一旦塑| 竺( 垦璺! ：竺坠! 曼! 生堕塑f ! ! 垦生! ：! ! ! ! ! ! ! ! 吣一丧衰衰小c c a + c b + c c 峨嶙 = 、2 磊1 西 r ：与消弧线圈串联的电阻阻值 式( 2 3 ) 式( z 3 ) 中的3 已为线路对地总电容，通过式( 2 - - 2 ) 与式( 2 - - 3 ) 的比较，可见通过接入适 当阻值的串联电阻，可以将中性点位移控制在规定的1 5 的范围内，在系统发生单相接地时通过控 制系统将串联电阻切除，以取得较好的补偿效果。 串联电阻通常采用漆包镍铬电阻丝绕制而成。电阻值稳定。阻尼电阻太大会使正常运行中调节 回路电流太小，不能满足微机输入信号要求，调节灵敏度降低，并且会增加接地残流。阻尼电阻的 选取应能够满足电网发生谐振时，消弧线圈上的压降和主变中性点位移电压的允许的范围内。 在此前分析谐振接地系统的熄弧原理和暂态过程时，均是在单相金属性接地的条件下进行的a 可是运行经验表明，补偿电网中的单相接地故障多是非金属性接地。例如，针式和悬式绝缘子在没 有大气或内部过电压引发的条件下，因瓷体裂缝或表面伤痕发生的电晕现象导致泄漏电流增大，而 爬闪：风吹树枝摇晃与架空线路导线相碰，或木杆线路上长距离木质绝缘的表面闪络：架空线路导 线断线后接触到岩石，冰雪，砂砾地面或干燥的水泥，沥青路面；电缆的密封接头，密封套存在缺 陷或机械损伤和电缆内部原因等引起的单相接地故障；发生在高土壤电阻率地区的单相接地故障， 以及导线断线后，只有负荷导线接地时引起的所谓反馈接地故障等。 这些非金属性的单相接地故障实际上等于在故障点增加了一个过渡电阻，由此产生了一个附 加的阻尼率。关键是弄清楚附加的阻尼率对中性点位移电压u n ，残余电流i 的影响。 当三相负荷基本对称并且发生的故障是金属性直接接地时，可以用以下公式计算中性点的位移 电压。 慧端盖+ j u ( c a + c b + c c ) 黼 式( 2 _ 4 ) 当三相负荷不对称并且是高阻接地时，可以用以下公式计算中性点的位移电压。 一! 竺( 垦生! 竺坠! 亟世望塑( ! 堡生12 1 坠! ! 墼：2 吣一上4 击+ j u ( c a + c b r ar br c+ c c ) 击l 。 。 7 。j u 。，u 其中的r c 为c 相接地的时候c 相所产生的不平衡电阻。 6 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 2 2 电容电流的实时测量 本文为了要尽可能准确的对故障时的接地电容电流进行补偿，所以要对电容电流进行在线的测 量，其主要特点是利用系统固有的部件，通过微机采集相应的数据计算出系统的单相接地电容电流， 目前主要用的方法有位移电压曲线法，中性点位移电压电流相位法。“” 2 2 1 位移电压曲线法 根据系统正常运行时的零序等效网络图2 - 1 图2 一i 系统零序等效网络 当系统中一定的时候，调节消弧线圈l ，则可以得到中性点位移电压u 一与消弧线圈感抗 的关系曲线，称为位移电压曲线，如图2 2 。 l - i i 1 r ：l x l x c 图2 2 位移电压曲线 7 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 根据位移电压曲线可以看到： 1 位移电压最高时，电感感抗最接近容抗，因消弧线圈各档感抗为已知的，所以可知对地电容 容抗，从而计算出来系统接地电容电流。 2 调节消弧线圈至某一档，测得中性点位移电压u ”再调节消弧线圈至相邻档 电压u 一假定过程中l 不变，则可通过计算： u 一u o i 托7 i 五i i o l = u n l x l f ( u i u # ) i l l i 坩= u n 2 x l 2 = ( u u * ) i u i mi 。z 为消弧线圈铭牌上的各档电流 因此x c u 眦一u n l ( m j i lj l k i 比) u 月 系统的接地电容电流i r = uh x c u n l i l l u i u u 一u i c 即为待测系统的接地电容电流 点： 测得中性点位移 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 式( 2 一l o ) 上述方法由于在测量时必需进行调档操作，存在如下缺 1 有载开关调节频繁，减少了开关的使用寿命。 2 无法将测量周期压缩至很短的时间内，实时性差，系统接地电容发生变化时，不能及时发现， 实现最佳补偿。 3 必须设置测量起调条件，一般用位移电压作为参考量，当u 变化不是因为系统对地电容变化 引起时，会进行无谓调节。 2 2 2 中性点位移电压电流相位法 设x u 、i 是上一档的电抗和电流，ic i + l ，是下一档的数值；n 是两档电流的夹角：v 为同档电 压和电流的夹角；v 为脱谐度。 调档时，由图2 3 可见t g v = 墨芝箸 其中z 。= e i 。 z i = e o i - 可以推出t g = 警 又因t g v ：毕 t g ( ，= 学篙 。一坠垫型21 1 ：塑! ! g12 “一t gq ( 1 + t 矿) 由阻上式子可以推出 旦裂涮 a c t gq ( 1 + t 9 2 v ) u u 。 不调节时，由图2 - - 4 可知 t g ( v + a ) = ( x l f 墨) r ) 【c 2 = rt g ( v + q ) + ) ( l 8 式( 2 一1 7 ) 式( 2 1 8 ) 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装聋原删分析 n f1 x cx u il l i 舡x 1 l x 1 2f 上一 艮 f1 x c l x l 1 l i 土x c 2 i l j 图2 3 零序阻抗三角形 图2 4 零序阻抗三角形 0 为消弧线圈分头不调时，因系统电容变化引起的两次电流采撵值之间的夹角。由i c = u * x c 可以求得系统电容电流i c 。该方法巧妙运用了中性点位移电压( 电流) 的相位，只在系统刚开始运 行时调节一次当位，计算出脱谐度。然后通过采集数据计算出系统的对地容抗，克服了位移电压曲 线法需要频繁调节消弧线圈的缺点。 在本装置中就是采用了中性点位移电压电流相位法来进行系统对地电容电流的实时跟踪计算。 本装置主要由两个部分组成 1 消弧线圈部分 2 自动控制部分 2 3 装置保护功能的实现方法 2 3 1 消弧线圈部分 消弧线圈部分由接地变压器、消弧线圈、串联电阻组成，如图2 - 5 所示 r k 图2 5 消弧线圈部分原理图 近几年来国内研制了多种自动跟踪补偿消弧装置，与老式消弧线圈相比进步不小。应用在新式 9 东南大学硕士学位论文 第一章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 消弧线圈装置中的线圈主要有以下优点： 1 调气隙式利用电动机驱动传动机构带动铁芯上下调节铁芯气隙，以便达到最大位移电压，可 实现连续调节电感电流来补偿电网对地电容电流，从而达到控制残流、消弧、抑制过电压的 目的。但由于系统运行方式不固定，对地容抗随时变化，铁芯需不断地上下移动，传动机构 机械磨损快降低了使用寿命。 2 直流偏磁式在零序电压或外加可控直流电源作用f n 用调节晶闸管导通角来控制磁路饱和 程度以实现调感来控制残流，避免了调气隙的不足，具有连续可调、响应速度快等优点，但 消弧线圈使用强励磁会使其补偿电流波形畸变，增大了残流，而且直接将谐波注入电网而污 染电网，因而此方法还有待时间的考验。 3 调匝式此方式是在老式调匝消弧线圈基础上增设多档有载开关和阻尼电阻，解决了老式消弧 线圈谐振或因远离谐振点而残流大等缺点，但调匝式电感电流的调节是分级分档的，不能实 现连续调节。 4 调容式自动跟踪补偿消弧装置利用消弧线圈的特点增加了二次电容负荷线圈，根据变压器阻 抗变换原理，通过若干组真空开关或晶闸管通断的组合来调节二次电容的容抗值，使一次侧 的容抗产生可调的容性电流，而且该电流的相位与消弧线圈电感电流的相位相反。因而可通 过调节消弧线圈二次容抗的大小来调节接地点的接地电流( 即残流) ，以达到消弧抑制过电压 的目的。其优点是响应速度快( m s 级) 、调节范围宽、调节级数多( 如5 组补偿电容可达3 2 级) 、补偿方式灵活、可预调也可在发生接地故障后调节、可靠性高、成本低、抗干扰能力 强，是老式消弧线圈的更新换代产品。 2 3 2 自动控制系统部分 对于不同的消弧线圈，配合以适当的自动测控系统后，即可以具有自动跟踪补偿的功能，当电 网的运行方式改变的时候，可以实现对电网接地电容电流的自动跟踪测量和补偿，同时能够保证调 谐的精度这样当发生单相接地时，可以使接地电弧瞬间熄灭。 控制系统应该能满足以下基本功能： 1 跟踪测量和跟踪调谐：当电网运行方式改变以后，能够在较短时间内自动启动并且完 成跟踪测量和合理的调谐。 2 灵敏度高：对于电网参数的少量改变，也能及时做出反应，以便进行跟踪。 3 动作可靠性高：抗电磁干扰能力强，具有自检功能，动作简洁准确使用寿命长。 4 监测参数直观实用：主要包括电容电流，补偿电流( 以及相应档位) ，残余电流，和中 性点的位移电压等参数的测量，以及接地故障的自动记录等，并且能够具有显示，打印， 报警等人机界面。 5 工作方式灵活：可自动也能手动控制，可独立也能并联运行，可就地控制，也能远程 控制。 6 适用性较广：能适用于架空线路电网，混合电网和中性点不对称电压较低的电缆电网。 7 定时测控：在电网正常运行下，测控应该能够尽量减少调节次数，并且周期性的进行 测控，不能死机。 8 测控保护一体化：测量控制装置与接地保护合成一个装置，便于瞬间熄灭接地电弧或 者迅速清除接地故障等等。 根据以上要求本文设计了装置的核心控制器部分，其中对于故障的判断以及电容电流的实时计 算主要根据以下方怯： 1 0 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 1 中性点位移电压的监测 在装置中根据u 。的变化来判断是否有单相接地。当u 。的变化超过定数值n u 。时，控制 系统会自动测量电容电流，然而u i 的值受很多因素的影响( 如绝缘泄露的变化，式( 2 - 2 ) 中各参 数的变化等等) ，在本系统中采用以固定时间间隔采集，分析其变化量，根据测量值若确定其对 地电容发生变化则测量电容电流。 2 电容电流的实时测量 当根据u 。的变化值判断茇生单相接地时，要实时测量电容电流并据此调节消弧线圈，尽 量实施完全补偿。在本装置中采用中性点位移电流相位角法测电容电流。在系统初始化时凋节 一次档位，根据测量值计算电容电流。在消弧线圈的初始档位测量此时的电流i 电流相位角 为0 ：再调节一次档位测得此时的电流值i 。电流相位角为0 。并测出相电压u 月为调节 一次档位后电流与电压的夹角。测得的两个相位角代入o = 0i * l - - 0 中算出两次的相位差。系 统中采用富氏短数据窗算法得到相位信号的值。为了实现精确计算，以下计算部分的程序均用 c 编写，并嵌套在汇编中。 i l - i c o s8 g 中i 万 ，( x u 一+ 1 ) ( t g ( 1 ) 一t g 日1 。 x=-tg0 ( 1 + t g 。中) “4 脱谐度为v 等 根据输入量由公式( 2 5 ) 计算的电容电流i t 由公式( 2 6 ) 计算脱谐度。 3 对地电容电流的补偿 当确定为单相接地时，单片机控制系统会立即切除串联电阻，同时根据上面计算部分所 得的电容电流值对消弧线圈的档位进行调节。然后再次测量电容电流，若此时计算所得的电 容电流值还在规定范围以外，则继续调节消弧线圈，反复这个控制过程直至对地电容电流减 小至5 a 以下。 2 4 影响熄弧的其他因素 装置的原理是用消弧线圈上的电感电流对系统的对地电容电流进行补偿，也即是无功电流的补 偿，如图2 6 所示。各种仿真和实验也都能证明消弧线圈的熄弧作用是很明显的。 可是在很多情况下，当发生单相接地故障时，消弧线圈的熄弧作用并不如前面预想的那样，或 者和预先计算值不同。因此，本文对影响熄弧的其他因素进行了详细的研究。 东南大学硕士学位论文第二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 图2 - - 6 单相接地时的无功电流分布 通过对实际情况的分析，电力系统中的单相电弧接地现象是比较复杂的，故障点接地电弧的熄 灭要受到故障点的过渡电阻，残流中的高次谐波和有功分量，电网频率和电压波动，消弧线圈伏安 特性不良和自然界一些气象条件等诸多因素的影响。 1 补偿电网中的有功分量。 补偿电网中的有功分量主要是由于电力设备的泄漏电流，零序回路中的有功损耗，电晕损 耗和消弧线圈的有功损耗引起的。代表有功损耗并联或串连于谐振回路的等值电阻，对自由振 荡现象的阻尼作用具有双重的影响。若阻尼作用很小，自由振荡电压衰减就很慢，则故障相的 电压较难建立，三相对地电压恢复正常的时间显著延长：反之，若阻尼作用很大，自由振荡电 压衰减很快，则必然加速故障相电压的恢复，其作用与增大脱谐度一样，对接地电弧的熄灭也 会产生一定的不良影响。 2 故障点的过渡电阻。 当接地故障电流过零熄弧后，不论过渡电阻的大小如何，均不再对补偿电网产生影响，故 障相电压的恢复过程与金属接地基本相同。从恢复电压特性方面考虑，只要适当靠近谐振点运 行，则谐振接地方式的优点几乎能完全保存，这已经被很多运行经验所证实。 3 高次谐波电流分量。 电力系统中含有铁心及整流元件的电气设备，是高次谐波的重要来源，现在运行中的补偿 电网一般是经过变压器供电的，因此谐波的产生是不可避免的。一般来说，其中的5 次及7 次 谐波分量较为突出，但是对接地电弧的熄灭不一定产生明显的不利影响。 系统的负荷可以看成是与谐波回路并联的元件。在一般情况下高峰负荷期间的5 次谐波 较小，当负荷减小时，该次谐波可能增大：而负荷减轻时可能会更加突出。即使5 次谐波的电 流分量等于接地电容电流的基波分量，对应的5 次谐波电压也只有相应中性点电压的2 0 可 见，即使在这一极端的情况下，与中性点不接地的同一系统相比，前者仅为后者地- - + 部分一 由于谐振接地系统故障相恢复电压的时延对熄灭接地电弧地作用非常重要，故5 次谐波电流对 接地电弧地影响，在一般情况下可以忽略不计。 然而在个别情况下，对5 次谐波电流地危害作用需要采用限制措施。当需要采用限制措施 时，一般可以采用5 次谐波过滤装置来滤除造成大量残流的5 次谐波。 4 残流的无功分量。 2 东南大学硕士学位论文第二二章中性点经消弧线圈接地保护装置原理分析 在系统中，对残流中的高次谐波分量和有功电流分量一般无需进行补偿，这样通过改变消 弧线圈的脱谐度，控制残流中的无功分量，便可以达到瞬间熄弧的目的，所以残流中的无功分 量是和脱谐度相对应的。 5 消弧线圈的伏安特性。 消弧线圈的伏安特性的好坏，直接关系到电孤的熄灭和系统的安全运行，我国过去生产的 消弧线圈因为铁心材料和磁密选定的差异，造成伏安特性的起始饱和电压过低，有的仅为额定 相电压的6 0 左右，加上试验条件的限制，造成了铭牌电流的误差很大。而运行中的消弧线圈， 由于安装地点不同和系统电压经常波动等原因，补偿电流的实际差值可能更大，这些情况的存 在，会影响接地电弧的熄灭，导致消弧线圈的异常动作，降低动作的成功率。 从本装置要求的接地电弧容易熄灭这个方面来看，消弧线圈的伏安特性应该保持线性关系， 以使得补偿电流与电容电流相应的变化，从而谐振接地系统能够维持良好的调谐状态。然而从 限制过电压方面考虑，有需要该伏安特性呈现非线性关系，以便在过电压的作用下使得铁心迅 速饱和，从而限制中性点位移电压的升高，防止过电压事故的发生。所以，兼顾两个方面的综 合考虑，消弧线圈的伏安特性应该在1 1 5 * u 的时候开始饱和。 6 系统频率和电压的波动。 运行中的电力系统，因负荷变动，运行方式改变等原因，其工作频率和电压会在额定值附 近波动，若遇到突发事故，则波动会更加严重。而明显系统频率的波动会对谐振接地系统的调 谐状态产生影响。 对于人工调谐的消弧线圈来说，当系统频率波动较大时，补偿装置可能远离谐振点，此时会对 接地电弧的熄灭带来不利的影响；也可能更加逼近谐振点，导致消弧线圈异常动作。作为这两 种情况的集中体现，就是中性点位移电压发生了变动。 7 电容电流的自然变化。 架空线路的对地电容会随自然条件的不同而改变，可以概括的认为，这主要是由丁架空线 路有效对称平面的水平位置自然升高或降l 畦j i 起的，例如，植物的生长与凋谢，积雪与消融， 导线覆冰以及地下水位的升降等，均可能使得架空线路的对地电容自然的发生变化，若把大地 作为线路的有效对称平面，则线路的对地电容将由线路的几何尺寸，导线与大地之间的空气和 其他介质的介电系数来确定。另外，一些自然现象对电容电流也会产生影响，例如风力雨雪 等。 综上所述，如果想要设计出符合现场需要的装置，在考虑了主要的熄弧特性以外还需要考虑 以上各个因素对于装置消弧性能的影响。 东南大学硕士学位论文 第三章保护系统的仿真分析 第三章保护系统的仿真分析 为了进一步验证在小电流接地系统中采用中性点经消弧线圈接地保护装置的可行性，本 文通过m a t l a b 进行了软件仿真并在实验室做了相关的硬件试验。 3 1 m a t l a b 简介 现代科学研究和工程应用中，往往需要进行大量的数学计算，传统的纸笔和计算器已经根 本不能满足海量计算的要求。因此一些技术人员尝试用编程来解决计算的工作量。但编写程序不仅 需要掌握相关的语法，还要对有关的算法进行研究，对大多数科学工作者来讲有一定难度，而且从 投入于产出的比值来看也是不经济的。为了满足用户对工程数学计算的要求，一些软件公司相继推 出了一批数学类科技应用软件，如姒t l a b 、x m a t h ，m a t h e m a t i c a 、m a p l e 等。其中，m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 以其强大的功能和易于使用的特性受到越来越多的科技工作者的欢迎。 i a t l a b 起初是作为矩阵实验室提供对科学计算软件包的接口。与其他语言相比，m a t l a b 的 语法规则更简单，编程特点更贴近人的思维方式。姒t l a b 由