（电力电子与电力传动专业论文）新型偏磁式消弧线圈控制系统研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 本文在对现有消弧线圈的各种自动调谐原理系统分析的基础上，提出了基于电 网自然参数的注入信号法的自动调谐新原理；通过详细的理论分析提出用零序电流 变量法选择接地故障线路，依据这种选线原理可以在线路发生单相接地故障后快速 准确地选出故障线路。 本文采用双机调节控制模式，在此基础上，对新型偏磁式消弧线圈控制系统进 行了硬件和软件设计，并结合控制系统的需要，完成图形界面的设计和开发。将零 序电流变量法选线和新型偏磁式消弧线圈自动调谐有机结合，实现小电流接地电网 单相接地选线和接地电流补偿的综合最优控制。 关键词：偏磁式消弧线圈，单相接地，自动调谐，故障选线，双机系统 a b s t r a c t a f t e rt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ev a r i o u sa u t o m a t i ct u n i n gp r i n c i p l e so ft h e a r c - s u p p r e s s i o nc o i l s ，an e wt u n i n gm e t h o d ，t h a ti s ，as i n g l ei n j e c t i o nm e t h o db a s e do n n a t u r a lp a r a m e t e r si np o w e rs y s t e mi sp r e s e n t e d t h el 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 gi sp u tf o r w a r db yd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em e t h o di sa b l et o f i g u r eo u tt h ef a u l tl i n eq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya f t e rs i n g l e p h a s ef a u l t 。 t h er e g u l a t i o na n dc o n t r o lm o d e lo fd u a l - c o m p u t e ri sa d o p t e d t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fn e wa r c s u p p r e s s i o nc o i lw i t hm a g n e t i cb i a si s a c h i e v e d a c c o r d i n gt op r a c t i c a ln e e d so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f g r a p h i ci n t e r f a c ei sr e a l i z e d w e c 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 e s e l e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nt oc 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 ef a u l t ，b yan e wc o n t r o l m 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 rc u r r e n tc h a n g i n g a n da u t o m a t i ct u n i n go fn e wt h ea r c s u p p r e s s i o nc o i lw i t hm a g n e t i cb i a s k e yw o r d s ：t h ea r c s u p p r e s s i o nc o i lw i t hm a g n e t i c b i a s ，s i n g l e p h a s ef a u l t ， a u t o m a t i ct u n i n g ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ，d u a l - c o m p u t e rs y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型偏磁式消弧线圈控制系统研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塑壁霆日期：2 2 望匠：鱼：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 导师签名： 日期：2 ：色l 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 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【1 1 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1 2 , 3 1 。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 一3 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t 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i o 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 i o a ，德国工程通常要求不大于4 a ，瑞典要求不大于5 a1 4 1 ，有文献提出接地电流不大 于4 a 为好 s l 。 目前，国产的自动补偿的消弧线圈主要有四种产品：分别是调气隙式、调匝式、 调容式、偏磁式。 调气隙式消弧线圈 调气隙式消弧线圈为动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电 感的目的，其调整只能在低电压或无电压的情况下进行。在实际运行中，由于机械 的惯性和电机的控制精度问题，调节精度相对较差，工作噪音大。 调匝式消弧线圈 调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出若干个分接头，用有载分接开关进 行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。调匝式因调节速度慢，只能在预调谐 方式下工作，为保证较小的残流，必须在谐振点附近运行。这将导致中性点位移电 压升高，因此需加阻尼电阻进行限压，保证中性点的位移电压不超过t 5 相电压。 为避免阻尼电阻上的有功电流使接地残流增大，在发生单相接地时，必须将阻尼电 华北电力大学硕士学位论文 阻延时0 5 s 后短接( 为与选线装置配合) ，其原理如图1 1 所示。 l 图1 - 1 调匝式消弧线圈结构示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm u l t i t a pa r c s u p p r e s s i o nc o i l 调容式消弧线圈 调容式消弧线圈跟调匝式消弧线圈类似，不能实现电感的连续调节。但是，它 采用不同容量的电容组配合，通过调节消弧线圈二次侧电容量大小来调节消弧线圈 的电感电流。结构如图1 - 2 所示。调容式消弧线圈成套装置由接地变压器、消弧线 圈( 带二次绕组) 、电容控制柜、消弧线圈控制器四部分组成。其中电容控制柜内 含电力电容器组、晶闸管开关及其触发控制器、保护回路，与接地变压器、消弧线 圈一起置于高压场地。 图1 - 2 调容式消弧线罔结构示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fa d j u s t a b l ec a p a c i t i v e - b a s e da r c - s u p p r e s s i o nc o i l 偏磁式消弧线圈 偏磁式消弧线圈内部为全静态结构，无任何运动部件，电感的调节通过辅助励 磁的方法实现，可以在高电压下调节电感，调节范围大，精度高，可靠性高。控制 2 华北电力大学硕士学位论文 器在电网正常运行时实时检测电容电流数值，调节消弧线圈远离谐振点，通常处于 其下限位置，从根本上避免了串联谐振过电压产生的可能性。当电网发生单相接地 后，在5 m s 内调整消弧线圈达到晟佳补偿状态，使接地电弧自动熄灭。 1 2 消弧线圈自动调谐技术的发展 消弧线圈的调谐方式，直接影响消弧线圈的熄弧效果。根据消弧线圈能否自动 跟踪系统接地电容电流的变化而调节消弧线圈投入补偿的电感值，通常又将消弧线 圈分为传统消弧线圈和自动调谐消弧线圈两大类。饽i 随着国民经济的发展，有些城市配电网已改变了过去以架空线为主的局面，而 以电缆为主；同时一些新型设备，如结构紧凑的封闭式s f 6 开关柜，交联聚乙烯电 缆以及氧化锌避雷器等得到广泛的应用，对传统的采用离线式手动调节消弧线圈应 用起到极大制约作用，其主要表现在： ( 1 ) 调整困难，操作繁琐。采用中性点谐振接地，在电网改变运行方式投切 线路时，系统的接地电容电流变化大，需要及时调整消弧线圈挡位，这个操作需要 离线进行，操作麻烦。 ( 2 ) 残流增大，难于熄弧。传统的消弧线圈为了防止发生谐振，运行在过补 偿1 5 左右，该方式能够熄灭电网中大概7 0 - 8 0 的电弧，但是随着电网规模的 扩大，系统接地电容电流增大，其没能够补偿2 0 - - - - 3 0 的残流也在增大，以致达 到不能自熄电弧的目的。 ( 2 ) 脱谐度测量困难。传统电容电流的测量采用单相金属接地法或中性点外 加电容法，测量时需要改变一次设备，而且具有一定的危险性，要花费很大的人力 和物力，测量困难大，所以配电系统一般很少测量脱谐度，平时估算运行。 ( 3 ) 调谐不当易产生谐振过电压。采用中性点经消弧线圈接地方式，如果调 谐不当，造成接地电弧频繁重燃，其工频过电压、弧光接地过电压、各种谐振过电 压的幅值将具有较高水平，持续时间长，对设备绝缘和间隙氧化锌避雷器的安全运 行具有严重的威胁。 ( 4 ) 部分引进电气设备不适合消弧线圈的运行。近年来引进的不少国外电气 设备，特别是引进的美国设备，有些是只适用于中性点有效接地的配电网，其绝缘 耐受的电压比我国的相应电压等级低，这些设备在我国非有效接地配电网中运行是 不安全的，极易发生绝缘事故。 ( 5 ) 继电保护动作困难。采用中性点经消弧线圈接地方式，零序电抗与正序 电抗的比值大( 大于4 5 ) ，单相接地电流往往由于消弧线圈的补偿作用而变得很 小，与零序滤过器的不平衡电流相差不多，因而很难用普通的方向继电器来判断故 障线路，这样给继电保护带来一定困难。1 7 1 华北电力入学硕士学位论文 由于传统消弧线圈存在以上的缺点，国内外近些年来对消弧线圈的自动调谐作 了大量的研究，现今较为成熟的自动跟踪补偿消弧装置既保留了传统消弧线圈的优 点，又克服了传统消弧线圈的不足。它的最大优势就是实时在线对电网电容电流进 行测量，自动调整消弧线圈的补偿电流，使之永远处于最佳补偿状态。有的消弧线 圈还在中性点串有线性或非线性电阻，以有效地阻尼谐振过电压，使自动跟踪消弧 补偿装置不但能工作在过补偿、欠补偿状态，还能工作在全补偿状态，大大降低了 接地残流对系统的危害。f 8 j 消弧线圈自动调谐的核心问题，是怎样实现在线准确测量系统的接地电容电 流。目前，消弧线圈的自动调谐原理主要有以下几种：信号注入法、节点方程法、 最大位移电压法、状态比较法、相角控制法等。1 9 1 上述几种方法，存在的根本的问题还是系统接地电容电流的检测精度，以及操 作上的快速性与便捷性。为此，本文提出了一种新的调谐方法一一基于电网自然参 数的信号注入检测法，在第三章中将作详细介绍。 1 3 消弧线圈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，消弧线圈接地系统单相接地故障时的选线是比较复杂 的。下面将就消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究现状做一个简单说明。 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 理进行选线。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。 上世纪7 0 年代以前，我国基本上采用“拉闸试停 的原始办法来选线。1 9 7 0 年 代后期，相继出现了零序电流保护，零序功率方向保护和首半波原理的选线装置。 这些装置由于原理的不足，都存在着误判和漏判。 国内外对消弧线圈接地系统单相接地选线的工作已经做了许多。究其原理不外 乎利用单相接地时系统电气量所呈现出来的特殊现象及其规律性。这些现象可以在 基波频率的电流、电压中找出，也可以在谐波电流、电压中找出。已有的方法主要 4 华北电力大学硕士学位论文 有5 次谐波功率方向法、群体比幅比相法、有功法、注入法、暂态首半波法、小波 法、零序导纳接地法等。本文通过详细的理论分析，提出了零序电流变量法的选线 方法。调节消弧线圈电感量时，接地故障线路零序电流的变化量较大，而非故障线 路零序电流变化量很小。接地线路的长短及接地点位置对这一结论没有影响。由此， 依据这种选线原理可以在线路发生单相接地故障后快速选出接地故障线路。 1 4 消弧线圈控制器的选择 以往的消弧线圈大多选择单片机作为核心控制器，本文选择工控机作为核心控 制系统，其主要优势如下： 可靠性：目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，其它外围元件( 如 电阻、电容等) 也均不是工业级的，参数的离散性很大。抗干扰性特别是抗电源干扰 能力很弱，这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性。工控机所采用的机箱都 是生产厂家专门设计的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力，各元件也是直接 向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是高度可靠 的工业电源，并有过压、过流保护，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高。 可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增 加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。而工控机要增加一 个功能只需修改对应的程序即可，有利于缩短开发周期，为以后该装置增加小电流 接地选线的功能提供了方便。 可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是 更换整个系统，这样维修成本增加了。而工控机本身具有很强的自诊断功能，一旦系 统出现故障，很容易诊断出故障元件。如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提 供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。 具有友好的人机界面，实现操作简便，便于维护； 灵活的通信能力； 存储容量大，可根据需要进行扩展。 1 5 论文的主要工作 本文设计出了新型偏磁式消弧线圈自动控制系统，实现了自动跟踪动态消弧 补偿，快速准确选出故障线路的功能。本文所做的主要工作如下： 提出一种新的调谐方式基于电网自然参数的注入信号检测法。这种检 测方法是以电网本身的对地电容和消弧线圈电感参数为基础，不受其他因素影 s 华北电力人学硕士学位论文 响：不直接接触配网主回路，不涉及一次运行设备和高压设备，测量速度更快， 测量精度更高，对设备和人身安全不构成威胁。此方法主要适用于谐振接地系统。 介绍了小电流接地选线的相关方法，通过详细的理论分析，提出了零序电 流变量法。 ! 导出以下结论：调节消弧线圈电感量时，接地故障线路零序电流的变 化量较大，而非故障线路零序电流变化量很小。接地线路的长短及接地点位置对 这一结论没有影响。由此，依据这种选线原理可以在线路发生单相接地故障后快 速选出接地故障线路。 为了使系统具有更强的灵活性，提出了一种新型控制模式：采用工控机作为 主机系统，设计了独立的信号源，将其作为为从机系统。从机系统用来检测电网电 容电流，利用单片机( 从机) 的串行口与工控机( 主机) 通讯配合，这样整个系统 构成为双c p u 工作模式。通过双机系统的配合，实现新型偏磁式消弧线圈控制系统 的调谐与选线功能。 设计了新型偏磁式消弧线圈的控制系统，给出了控制系统的工作原理和硬件 设计，进行了软件设计以及图形界面的设计开发，并提出了控制系统的硬件和软件 抗干扰措施。 6 华此电力大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章新型偏磁式消弧线圈结构及工作原理 偏磁式消弧线圈的工作原理是通过改变附加的直流励磁磁化铁心的磁导率，实 现电感量连续变化。通过改变励磁绕组中的直流电流，使直流励磁磁化铁心的磁导 率发生改变，从而实现工作绕组的电感三的调节。偏磁式消弧线圈是一种可连续调 节电感的消弧线圈，它的内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高，其响应速 度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。 研究结果表明，偏磁式消弧线圈的励磁绕组中不仅含有励磁电源提供的直流励 磁电流，而且还含有由交流侧感应出的直流电流分量及一系列偶次谐波电流分量。 在交流工作绕组中，不仅含有基波电流，而且还含有一系列奇次谐波电流。励磁绕组 中的感应电流分量对控制系统有较大影响，交流工作绕组中的谐波电流直接影响到 补偿效果。 新型偏磁式消弧线圈通过消弧线圈本身结构上的变化，使得励磁绕组中的感应 电流分量在性质上变为电压源型，在数值上大大减小；交流绕组中的谐波电流大大 减小，谐波电流最大时小于4 。对这种新型偏磁式消弧线圈控制的基础是它的高低 压调节特性。( 注：本文所提及的消弧线圈都是以新型偏磁式消弧线圈为研究对象) 2 2 新型偏磁式消弧线圈结构及工作原理 2 2 1 新型偏磁式消弧线圈结构 图2 - 1 为新型偏磁式消弧线圈w 结构示意图。这种结构的特点是偏磁磁通经2 个边柱和上下轭铁构成回路：交流工作磁通吩经2 个边柱、上下轭铁汇集到中柱构 成回路；铁心的边柱上布置了2 级减小截面的部分，这2 部分为铁心磁化区，称中截 面部分为第1 级磁化区，小截面部分为第2 级磁化区，它们工作在不同的饱和度下。 设置2 级磁化区可有效降低工作电流谐波含量，理论分析表明当各截面的面积和长 度设计恰当时，工作电流谐波含量小于4 ，铁心中间柱上布置有气隙口0 ，该气隙的存 在不仅可以改善低偏磁强度下的工作电流波形，使其伏安特性在较低工作电压时仍 接近线性，更重要的是它保证了消弧线圈在零偏磁时仍为线性电感，避免由于电感 非线性而产生危险的铁磁谐振过电压。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 新型偏磁式消弧线圈结构示意图图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo ft h ea s c w i t hm a g n e t i cb i a s 2 2 各绕组接线示意图 f i g 2 2s c h e m eo ft h ec o i l s 它的各绕组接线如图2 - 2 所示，各绕组均为左绕向，交流工作绕组o o 由3 个绕组 组成，分别布置在2 个边柱和中间柱上，接线方式为2 个边柱绕组3 和5 并联，然后 同中柱绕组1 串联。直流控制绕组o y 分为2 个绕组，它们被分别放置在2 个边柱上， 绕组2 和绕组4 反串联，使得工频感应电压互相抵消。 理论分析及试验结果表明：对偏磁式电抗器，直流控制绕组中不仅含有控制 电源提供的直流偏磁电流，而且还含有由交流侧感应出的直流电流分量及一系列偶 次谐波电流分量；在交流工作绕组电流中，不仅含有基波电流，而且含有一系列奇次 谐波电流。新结构中2 个边柱交流绕组3 和5 并联的结果给控制绕组中感应电流提 供了另一通道，使得控制绕组中感应电流呈电压源性质，从而工作绕组对控制回路 的影响减至最小，在忽略交流绕组电阻的情况下，这种影响为0 ；中柱交流绕组的作 用一是减少中柱上及气隙处的漏磁，二是减缓控制侧对交流侧的影响。直流控制绕 组2 和4 布置在两侧交流工作绕组的内部，中间柱空气隙布置在中柱交流绕组1 的 内部，其作用是极大地减少了漏磁通及漏磁损耗，降低偏磁磁化容量。铁心为圆柱型， 所有绕组均为圆绕组，提高了消弧线圈的空间利用系数。 2 2 2 偏磁式消弧线圈的高低压调节特性 在消弧线圈工作绕组上施加额定电压，并维持该电压恒定不变，在励磁绕组中 施加直流励磁电流，测量工作绕组电流随励磁绕组中直流的变化关系，称为高压调 节特性。 在消弧线圈工作绕组上施加6 0 v 电压，并维持该电压恒定不变，在励磁绕组中 施加直流励磁电流，测量工作绕组电流随励磁绕组中直流的变化关系，称为低压调 节特性。 8 华北电力人学硕十学位论文 由于励磁绕组中的电流是脉动的实际测量时，采用分流器串入励磁回路中， 从分流器上取出脉动直流信号，该信号经低通滤波器滤波后再送入直流电流表，所 以其测量值为控制回路电流的平均值。在下文中，我们称控制回路电流的平均值为 励磁电流。 下图是以6 k v 、5 0 a 新型偏磁式消弧线圈为实测对象的高低压调节特性。图2 3 为实测高压调节特性，图2 - 4 为实测低压调节特性。 o2 04 c6 c i 图2 3 实测高压调节特性 f i g 2 - 3r e g u l a t i n gp r o p e r t yi nh i g hv o l t a g e i l ( 点) l 0 8 o 6 o 4 o 2 l 口 02 06 0 图2 4 实测低压调节特性 f i g 2 4r e g u l a t i n gp r o p e r t yi nl o wv o l t a g e 2 2 3 偏磁式消弧线圈的伏安特性 在偏磁式消弧线圈的励磁绕组中施加一定的直流电流，并维持励磁绕组中的直 流电流不变，测量工作绕组中电流随工作绕组两端电压的变化关系，称为消弧线圈 的伏安特性。 偏磁式消弧线圈的伏安特性的测量必须维持励磁绕组中直流电流不变，因为随 着交流电压的升高，交流侧在直流励磁绕组中感应出的直流电流也逐渐增大，这就 使得串在励磁绕组中的直流电流表读数增大，因此要适当降低励磁电压才能维持励 磁绕组中的直流电流不变。 下图是以6 k v 、5 0 a 新型偏磁式消弧线圈为实测对象的伏安特性。实测5 0 0 v 以 上伏安特性如图2 5 所示，从图中可见伏安特性在1 5 0 0 v 以上基本上为直线。实测 3 0 0 v 以下的伏安特性曲线如图2 - 6 所示，从图中可见2 5 0 v 以下基本上是线性。 9 华北电力大学硕士学位论文 z o6 cl ；( a ： 图2 - 5 实测伏安特性( 5 0 0 v 以上) l l 二( v ) ：5 0 7 ：3 0 2 5 0 2 0 0 5 0 ：0 0 f i g 2 5v o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c ( o v e r5 0 0 v ) f i g 2 6v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c ( 1 0 w3 0 0v ) 2 2 4 偏磁式消弧线圈电感量的控制 通过前面的分析，我们不难知道，对这种偏磁式消弧线圈的控制，实际上就是 对一种大电感的控制。这样，就可以把对偏磁式消弧线圈的控制问题归结为电感量 的控制。 消弧线圈的调谐首先要解决消弧线圈电感量的控制问题，偏磁式消弧线圈电感 值受励磁回路直流电流和交流电压两个因素的影响。 消弧线圈的补偿作用是在电网发生单相接地后，此时，消弧线圈两端承受的是 额定相电压，即承受高电压，而偏磁式消弧线圈的伏安特性在高压段是线性的，所 以此时偏磁式消弧线圈的电感值唯一由励磁电流决定。 在电网正常运行时，消弧线圈两端承受的是低电压，尤其对电缆系统，这一电 压很小，6 k v 电缆网络j 下常运行时中性点不平衡电压一般小于3 6 v 。偏磁式消弧线 圈的伏安特性在低压段也是线性的，所以，此时偏磁式消弧线圈的电感值唯一由励 磁电流决定。 综上所述，无论在电网发生故障，还是电网正常运行，偏磁式消弧线圈的电感 值均唯一由励磁绕组中的励磁电流决定，我们只要精确地提供励磁绕组中的励磁电 流就可以准确地调整消弧线圈的电感。 1 0 耋三 小虻芘 踅 匿 签 埯 k 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章消弧线圈自动调谐 消弧线圈自动调谐的核心问题，是怎样实现在线准确测量系统的接地电容电 流。当系统运行方式改变后，其对地的电容参数也将随之改变。因此，系统的接地 电容电流会有相应的变化。为了保证在任何运行方式下系统的接地残流或脱谐度都 在规程允许的范围之内，就必须使消弧装置的电感电流对系统的线路对地电容做跟 踪调整，即实现自动跟踪补偿。 3 1 自动调谐的基本原理 目前，消弧线圈的自动调谐原理主要有以下几种：信号注入法、节点方程法、 最大位移电压法、状态比较法、相角控制法。 信号注入法 信号注入法的原理是从消弧线圈的二次侧注入一个变频信号，然后根据整个系 统的谐振原理，找出谐振频率，可以测出系统对地电容电流。信号注入法相对于其 他的自动跟踪测量方法有以下优点：不增加接地残流，不影响消弧线圈的熄弧效果； 不改变系统状态，不影响系统运行，在线测量电容电流；一个配电网中，只需安装 一套消弧线圈自动调整系统，就能完成对整个配电网的跟踪补偿，无需通信配合。 但是采用信号注入法对信号的功率以及滤波处理要求严格。 节点方程法 在不同的运行方式的情况下，只要测得中性点位移电压和消弧线圈的相应电 流，便可以算出电网的电容电流。实际上，当消弧线圈的励磁电流为零( 即晶闸管 的触发角为1 8 0 。) 时，消弧线圈的感抗很大，一般在1 0 k q 以上，且此时的中性点 位移电压不大，故可以忽略消弧线圈的电感电流，即认为消弧线圈的电压就是电网 的不对称电压。这样，只要在消弧线圈空载的情况下测得其端电压，然后再增加励 磁并测量一组数据，便可以计算出电网的电容电流。由于节点方程在计算过程中忽 略了系统对地电导，所以计算结果尚存在一定的误差。 最大位移电压法 当脱谐度u = 0 时，中性点位移电压最大。因此，根据中性点位移电压的大小调 节消弧线圈的电感值，当中性点位移电压最大时，单相接地故障点的残流为最小。 华北电力人学硕士学位论文 这种调节原理很简单，但不能判断电网的补偿状态，而且当电网的参数发生变化后， 零序电压也随之改变，需多次调节消弧线圈的电感值，比较零序电压测量值，才能 确定调节方向。而且在最佳补偿点附近区域，零序电压的幅值主要由电网的阻尼率 决定，调节脱谐度对零序电压幅值的影响很小自动调节装置有时甚至无法寻踪到 最佳补偿点，从而达不到完全补偿电容电流的目的。所以，单纯采用零序电压幅值 来调节消弧线圈的方案是不完善的。 状态比较法 状态补偿法的自调谐方式，即当驱动式补偿装置投入正常运行的电网后，自动 测控系统根据对串联谐振回路中的零序电压、零序电流和两者之间相位角的测量结 果，进行比较和判断，据此对消弧线圈的分接头进行调节，实现自动跟踪补偿。 该方法的主要特点是：在z 形接线方式接地变压器的一次侧，人为地使三相 绕组的匝数不等，以便产生一个附加的零序电源，目的使避免电缆网络的不对称度 较小时，因中性点位移电压不足出现的灵敏度较低现象。 相角控制法 相角控制残流法是在补偿电网正常运行的情况下，采集电网的一相电压作为参 考电压，同时采集中性点的位移电压，利用两者之间的相角差和脱谐度之间的关系， 也可构成自动测控系统。 根据所采集的上述两个电压量，经过处理可以得到一个相位危，它既是正常系 统的调谐响应数码，也是接地残流的响应数码。然后，将它和一个预先设定的相位 角进行比较，当其值较大或较小时，指令消弧线圈的分接头上调或下调，以增大或 减小补偿电流，当数码进入设定区时，终止调节。由于在同一运行方式下，相角有 可能变化，所以这种方式的可靠性还有待提高 但是，上述几种方法存在的根本问题是：系统接地电容电流的检测精度，以及 操作上的快速性与便捷性问题。为此，本文提出了一种新的系统接地电容电流检测 方法基于电网自然参数的信号注入检测法。 3 2 基于电网自然参数的注入信号检测法 本论文提出了一种基于电网自然参数的注入信号检测法。这种方法不直接接触 配网主回路，不涉及一次运行设备和高压设备，测量速度更快，测量精度更高，对 设备和人身安全不构成威胁。此方法主要适用于谐振接地系统。 基于电网自然参数的注入信号检测法，就是向补偿系统注入一个矩形脉冲电压 1 2 华北电力人学硕士学位论文 信号，使消弧线圈的电感和电网的对地电容产生并联谐振，通过采样分析出振荡频 率，计算出对地电容值和接地电流值。在实际系统中由于消弧线圈的电感值是一个 集中参数，可以很容易地测量出来，所以当补偿系统发生并联谐振，采集到振荡频 率之后可以计算出对地电容值。 基于电网自然参数的注入信号检测法测量原理接线图如图3 一l 所示。 图3 1 信号注入法测量原理图 c 8 a f i g 3 一i m e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a mf o rt h em e t h o do f t h es i g n a li n j e c t i o n 如图3 1 中，在消弧线圈接地的系统中一般都是通过z 形接地变压器和电网相 接。z 型接地变压器具有较高的正序、负序阻抗。同芯柱上两个绕组流过相等的零 序电流时，两个绕组产生的磁通相互抵消，所以零序阻抗只相当于漏抗，其值较小。 因此，在系统正常运行时接地变压器阻抗很高，等于励磁阻抗，绕组中只流过很小 的励磁电流【1 8 1 。当系统发生接地故障时，因零序阻抗很小，绕组将流过较大的零序 电流。根据z 形接地变压器的这个特点，通过从z 形接地变压器的中性点向补偿系 统注入一个零序脉冲电压信号，此时z 形接地变压器的阻抗很小，和消弧线圈的阻 抗相比基本可以忽略。图中变压器取变比1 ：1 0 ，这是考虑在电路正常运行时对i g b t l = 华北电力大学硕十学位论文 的影响，如果变压器的变比取得过大，i g b t 耐压低，通过的电流就要大，如果变 压器变比取得过小，i g b t 耐压高，通过的电流就要小，考虑到i g b t 的选择，变压 器的变比选为1 ：1 0 。 基于电网自然参数的注入信号检测法的等值电路原理图如图3 2 。 s u6 c ( a ) ( b ) 三为消弧线圈电感；c 为电网对地电容； t 为注入信号的变压器；为信号源 ( a ) 注入等值电路( b ) 振荡回路 ( a ) e q u i v a l e n tc i r c u i to fi n j e c t i n g ( b ) o s c i l l a t i n gc i r c u i t 图3 2 信号注入法原理图 f i g 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i g n a li n p u t t i n gm e t h o d c 如图3 2 ( a ) 所示，进行检测时向系统注入一个电压脉冲信号，注入之后相当 于图3 2 ( a ) 中的开关s 打开，消弧线圈的电感三和系统对地电容c 会以自身的固 有频率进行二阶振荡，振荡原理如图3 2 ( b ) 所示，其振荡频率为厂= 丢，由。 2 万l c 于消弧线圈的电感值已知，可以计算得到系统对地电容值： c ：兰望 ( 3 1 ) 三 进而计算出系统的接地电容电流为： i c ；w c u 口 ( 3 - 2 ) 其中，玩为系统的相电压。 基于电网自然参数的注入信号法，相比较前面介绍过的注入法及其他方法，有 以下几项显著优点： ( 1 ) 检测结果精确，不受消弧线圈电感与线路对地电容外的任何因素影响； ( 2 ) 注入信号为脉冲信号，激发起的谐振在脉冲信号消失后为衰减性质： ( 3 ) 注入检测过程，可无限次重复，从原理上保证能始终实时在线跟踪检测 1 4 华北电力人学硕士学位论文 系统的接地电容电流： ( 4 ) 信号源设计简单，只需要一个有一定幅值的脉冲电压源即可，而不存在 信号源的固定或调整频率设计问题； ( 5 ) 不需要对消弧线圈进行调档操作，计算中所需电感值仅为投入运行的消 弧线圈的电感值； ( 6 ) 振荡频率仅由消弧线圈的电感和电网对地电容决定，即使有系统阻尼作 用存在，有不同的中性点偏移电压，也不会影响谐振频率，且系统阻尼会加速谐振 分量的衰减，有利于减小注入信号对系统正常运行的影响。 基于电网自然参数的注入信号法，需注意的是注入脉冲信号及激发起的谐振信 号，不能增大原系统的中性点偏移电压，这就要求在信号源的设计上要有特殊的考 虑并有合适的控制策略。 信号源的设计，主要体现在脉冲的幅值和宽度上，这两方面都直接决定信号的 能量，足够的能量是振荡可以产生并持续的关键要素。另外，适中的脉冲宽度还对 振荡的效果有一定影响，脉冲过窄，能量不足：脉冲过宽，对于振荡周期来说，接 近于直流，也影响振荡的效果。 基于电网自然参数的注入信号法，仿真波形如图3 3 所示。 u 0 2 0 矗： 0 。1 0 气pm1 mn aaaj |la 氏nn a 。7 、1nj 要0 0 0 。 fj i f vv。j ! v “vu 丝3 o 1 0 u 鱼 1 i ) v 1 口 l ：i fv vvv 0 2 0 叮+ v t 。? v 0 4 m - - i c 0 3 m 0 ，2 m nn。a a 一：一n 0 1 m l i 几： 【i ：n 魏。& 及a 8 盔a ，甜一一& 凸，；一a 。 雪0 0 l门一t 一卵”r 一1 【一一7 1 h j h 一了r n 一、，、，、，1 fljff 乙-flf，i uu3 i ，1 z 一 i - f f o i m ：l 滢驻1u ：yv vyv 鼍vv i 一0 2 m ， 】 1 j v r 1口。 江“ - 0 3 m - ，一 vv 节智 甘 一1 c 1 4 m 一 图3 - 3 注入信号法仿真波形 f i g 3 3s i m u l a t i o nw a v e f o r mo fs i g n a li n p u t t i n gm e t h o d 基于电网自然参数的注入信号法的实验结果表明，该方法简单、快捷，且检测 精度非常高。 华北电力大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章小电流接地系统的选线 我国3 、6 、1 0 、3 5 、6 6 k v 系统绝大多数是小电流接地系统。对于中性点不接 地系统，如果单相接地电流大于一定值( 3 1 0 k v 系统中，单相接地电流大于3 0 a g 2 0 k v 及以上系统中，单相接地电流大于1 0 a ) ，则中性点经消弧线圈、电阻等阻抗 接地。因而，中性点不直接接地系统包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接 地系统和中性点经电阻接地系统。当系统发生单相接地时，接地电容电流比负载电 流小得多，并且系统线电压仍保持不变，故可不中断供电( 国家规程规定允许暂时 运行2 小时) 。但是由于非故障相的电压升为线电压，经常性长时间运行有可能导 致绝缘破坏，因此也需要快速实现故障定位。 电网发生故障时，寻找故障线路的问题称为选线。现有的小电流接地选线装 置的选线正确率仅为2 0 至3 0 。很多供电部门仍然在使用拉线法确定故障出 线，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。这一问题正成为改善 电能质量、提高供电可靠性的主要困难之一。 国内外对小电流接地系统单相接地选线的工作已经做了许多。究其原理不外 乎利用单相接地时系统电气量所呈现出来的特殊现象及其规律性。这些现象可以 在基波频率的电流、电压中找出，也可以在谐波电流、电压中找出。已有的方法 1 1 9 , z o l 主要有五次谐波功率方向法、群体比幅比相法、有功法、注入法、暂态首半 波法、小波法、零序导纳接地法、残流增量法等。这些以及本文所使用的选线方 法都将在以下具体介绍。 4 。2 现有选线方法综述 5 次谐波功率方向法 5 次谐波功率方向法主要是通过比较各个出线5 次谐波功率的正负来选出故 障线路。对5 次谐波呈现高阻抗，此时的电感电流远远小于系统电容电流，相差 约为2 5 倍左右，故可以忽略电感电流。对5 次谐波按中性点不接地系统选线。 在非故障线路首端检测到的5 次谐波电流为容性而故障线路为感性，因此它们的 5 次谐波无功功率方向正好相反。但实际上，系统中5 次谐波电压数值较小且不 稳定，受系统电压水平、运行方式、负荷状态等因素的影响，完全依赖于谐波特 征进行选线，工作的可靠性没有保障。 群体比幅比相法 1 6 华北电力大学硕十学侥论文 当系统零序电压高于3 0 相电压时，认为发生了单相接地故障。首先对各个 线路零序电流按幅值进行排队，选取零序电流最大的三条线路。然后对它们的相 位进行比较，相位与其它两相相反的为故障线路。如果三条线路的电流同相则认 为发生了母线故障。对中性点不接地系统，比幅比相对基波进行，对中性点经消 弧线圈接地系统，比幅比相对五次谐波进行。此法在实践中得到了补充和发展， 衍生出了一系列补充方案。群体比幅比相原理有整定简易、易于维护的优点，但 是受c t 不平衡影响较大。对于消弧线圈接地系统，完全依赖于五次谐波的特征 选线，信号过于微弱，可靠性不能保证。 有功法 配电网发生单相接地故障时非故障线路零序电流只包含本线路的泄漏有功电 流，且其方向为由母线流向线路；而故障线路零序电流为整个电网总的有功电流 与故障线路泄漏有功电流之差，其方向为由线路流向母线。利用零序有功的大小 及方向可以选出故障线路。 注入法 注入法的原理是当系统发生单相接地故障时，通过电压互感器向电网注入一种特殊 的电流信号，被注入的信号只在接地线路中流通，经过接地故障点后即行返回。非 接地线路中没有信号电流。只要检测各个线路中有无注入信号电流即可进行故障选 线。而通过对注入信号电流和电压的检测，计算到接地故障点之间的电抗，便可以 实现故障测距。应用此法还可进行运行方式的识别，区分配电网谐振状态与单相接 地状态。这种方法的优点是原理简单明了，不受消弧线圈的影响，将状态识别与单 相接地选线结合在一起。它的缺点是结构比较复杂，要附加信号源，探测仪等额外 的设备，且探头的灵敏度和可靠性容易受各种外界因素影响而选线不准确，综合自 动化站及无人值守站使用不便，高阻接地不准确。 暂态首半波或( 称为暂态零序功率法) 暂态首半波或( 称为暂态零序功率法) 利用发生单相接地的瞬间( u ( o = o 除外) 非故障线路暂态零序电流和电压首半波的方向相同，暂态零序功率由母线流向线路； 而对于故障线路暂态零序电流和电压首半波的方向相反，暂态零序功率由线路流向 母线，据此可以选出故障线路。该方法适用于中性点不接地及经消弧线圈接地电网。 但是，如果故障瞬间为基波电压零点附近则自由分量很小，首半波电流较小，可能 出现死区。 小波选线 小波选线是利用配电网发生单相接地故障时的暂态电气量特征，利用一定频率 1 7 华北电力人学硕士学位论文 尺度下的小波系数对于故障线路与非故障线路呈现出的不同特征进行单相接地故 障选线。这方面还处在理论研究阶段，没有现成的装置和完善的理论成果。 零序导纳接地 不论是中性点不接地系统还是中性点接地系统，故障期间测得的非故障线路零 序导纳位该线路实际零序导纳，测得的故障线路的零序导纳则与其实际零序导纳不 同，其大小、相位发生了变化。利用此特点，将各线路实际零序导纳的大小、相位 记忆下来，与故障时测得的各线路的零序导纳大小、相位相比较，导纳大小或相位 发生变化的线路即为故障线路。若所有线路都未发生变化，则判为母线故障。更多 的使用在高阻接地。 4 3 本文的选线方法 理论分析表明，在电网发生单相永久接地故障的情况下，若增大消弧