（电力系统及其自动化专业论文）cvt暂态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究.pdf

i n v e s t i g a t i o n0 fc v tt r a n s i e n ta n di t s i n f l u e n c eo nd i s t a n c er e l a y sa p p l i e dt o s e r i e sc o m p e n s a t e dl i n ep r o t e c t i o n a b s t r a c t w n ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo nh i g l lv o l t a g ei n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r s ，t h e c a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e r ( c v t ) h a sb e e nu s e di nh i g hv o l t a g ea n de x t r ah i g h v o l t a g es y s t e m sw i d e l y h o w e v e r , t h e yc r e a t ec e r t a i np r o b l e m sf o rd i s t a n c er e l a y s d u r i n gl i n ef a u l t s ，w h e nt h ep r i m a r yv o l t a g ec o l l a p s e sa n dt h ee n e r g ys t o r e di nt h e s t a c kc a p a c i t o r sa n dt h et u n i n gr e a c t o ro fac v tn e e d st ob ed i s s i p a t e d ，t h ec v t g e n e r a t e ss e v e r et r a n s i e n t st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i v er e l a y sa n dc a u s e t h et r a n s i e n to v e r r e a c ho fd i s t a n c er e l a y s 1 1 圮t r a n s i e n t so v e r r e a c h i n gi si n f l u e n c e d b yt h ep a r a m e t e r so ft h ec v ti t s e l f , t h el o a da n dt h ei n c e p t i o nv o l t a g ea n g l ew h e na f a u l to c c u r s t h i st r a n s i e n te r r o ri si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw h e na p p l i e st ot h e p r o t e c t i o no fs e r i e sc o m p e n s a t e dl i n e t m st h e s i s p r o p o s e s an e wa l g o r i t h ma i m i n gt o i m p r o v e t h et r a n s i e n t p e r f o r m a n c eo fd i s t a n c er e l a y s 1 1 地t h e s i sa n a l y s e so ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fac v t , e x a m i n e st h ec o n t r i b u t i n gf a c t o r so fc v tt r a n s i e n t s ，a n dp e r f o r m st r a n s i e n t s i m u l a t i o ns t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fc v tt r a n s i e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo fd i g i t a l d i s t a n c er e l a y sw h e na p p l i e dt os e r i e sc o m p e n s a t e dl i n e s 1 1 1 ep r o p o s e da p p r o a c h t a k e sa na p p r o a c hc o m b i n i n gt h eo u t p u t sf r o maf u l l c y c l ea n dah a l f - c y c l ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o nt oo v e r c o m et h et r a n s i e n to v e r r e a c h e x p e n s i v er t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) s i m u l a t i o nt e s t si n d i c a t e dt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e ，a n dt h ed i s t a n c ea l g o r i t h mu t i l i z i n gt h e p r o p o s e dm e t h o di sa b l et os t a ys t a b l ew h e naf a u l tc a u s i n gs e v e r ec v t t r a n s i e n t t h e i i l l e wa l g o r i t h ma l s oe 强l s u r e sd i s t a n c er e l a y sa p p l i e df o rs e r i e sc o m p e n s a t e dl i n e p r o t e c t i o no p e r a t ec o r r e c t l yd u r i n gf a u l t sc o n d i t i o nw i t l ls e v e r ec v tt r a n s i e n t k e yw o r d s ：c a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e r ；s e r i e sc o m p e n s a t e dl i n e s ；d i s t a n c er e l a y ； t r a n s i e n to v e r r e a c h ；f o u r i e ra l g o r i t h m ；r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：湿茉卿男年多月矽日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 0 即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：湿京 翮躲鞭7 泌年月叫日 广西大掌硕士掌位论文c v t 蕾态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 第1 章绪论 1 1课题背景和研究意义 随着社会经济的发展，我国的电力工业建设得到迅速的发展，电力系 统输电容量不断扩大，远距离输电迅速增加，电网电压等级逐步升高，为 高压电器包括互感器制造业提供了广阔的市场，并推动我国高压互感器制 造业向前飞跃发展。 早在2 0 世纪3 0 年代，电容式电压互感器( c a p a c i t i v ev o l t a g e t r a n s f o r m e r ，简称c v t ) 产品面世并应用于高压和超高压输电系统中【l 】。 国外比较著名的互感器生产企业有瑞士a b b 、加拿大t r e n c h 、瑞士 h a e f e l y 、日本n i s s i n 等，国内相关企业起步稍晚，主要有西安电力电 容器厂、桂林电力电容器厂等企业。 高压互感器是电网中的重要电气设备，在发电厂和变电站中，互感器 是接在母线上的电器，一旦发生事故，往往会造成大面积停电，甚至酿成 系统事故；互感器爆炸，必然危及周围设备，也包括人身安全的威胁，后 果是非常严重的。因此，提高互感器运行可靠性，减少事故发生几率是非 常必要的。电容式电压互感器面世后，国外制定了相应的产品标准，如美 国a n s ic 9 3 1 对电力线路载波耦合电容器和耦合电容式电压互感器 ( c c v t ) 的要求及日本j e c 16 1 电容式电压互感器等【2 1 ，我国对 c v t 产品也推出了相应的国家标准g b 4 7 0 3 1 9 8 4 | ”。 由于电容式电压互感器具有电磁式电压互感器的全部功能，同时可兼 作载波通信的耦合电容器之用；其耐雷电冲击性能理论上比电磁式电压互 感器优越；不存在电磁式电压互感器与断路器断口电容的串联铁磁谐振问 题；价格比较便宜，电压等级越高越有优势。因此，电容式电压互感器越 来越多地为广大用户所接受，电容式电压互感器逐步代替电磁式电压互感 器是跨时代的变革。目前，在l1 0 - - 7 5 0 k v 电压等级电力系统中，c v t 产 品的市场占有率已达9 0 以上，产生了巨大的经济效益和社会效益。 电容式电压互感器由于采用了串联电容器分压的原理，其内部的电容 和非线性电感元件造成了c v t 在系统一次电压突降时，储能元件的暂态 c v t 雷态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 响应使二次侧的电压不能快速准确反应一次侧的变化，其测量误差( 暂态 误差) 最终可能导致相关的继电保护装置( 如距离保护) 误动作。对于当 前用电规模的增大，电网很多情况是在稳定极限附近运行，这就要求一旦 系统发生故障，继电保护必须快速、正确、可靠地动作。然而，电容式电 压互感器的普遍应用，其暂态过程将对继电保护特别是距离保护带来严重 的影响，后果不可估量。 距离保护( d i s t a n c ep r o t e c t i o n ) 是利用短路时电压、电流同时变化的 特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的 保护【4 1 。距离保护是目前超高压电网中常用的后备保护方案，或者作为高 频纵联主保护方案的起动元件。但是，独立的距离保护i 段仍然是主保护 的构成。电容式电压互感器的暂态误差直接影响到距离保护i 段的判断， 可能导致区外故障时距离i 段误动作，这种情况称为暂态超越p 母j ，威胁着 电网的稳定运行。 同时，随着电网的发展，串联电容补偿装置的投运大大改善了系统稳 定性，扩大线路输送容量，提高了电网实际输电能力等诸多好处。然而， 串补电容器的投入更加加剧了电容式电压互感器的暂态误差，使得暂态超 越问题更为突出，迫切需要研究改进距离保护装置的措施以保证电网的安 全稳定运行【1 0 】。 因此，深入分析电容式电压互感器的暂态特性及其对距离保护的暂态 超越影响，研究在安装有电容式电压互感器的电力系统中，如何改善距离 保护动作的正确性和可靠性，确保距离保护i 段的主保护性能，保障电网 的安全具有重要的现实意义。 1 2c v t 暂态对距离保护影响的研究现状 由于电容式电压互感器内部含有电容和铁芯电感，在外部电冲击下有 可能发生铁磁谐振( 非电力系统谐振) ，因此研究和采用适当的阻尼器一 直是c v t 的关键技术之一。在电容式电压互感器的发展历史上，经历了 纯电阻阻尼器、谐振阻尼器及速饱和电抗器型阻尼器的发展阶段。 电容式电压互感器的内部谐振是暂态误差的主要原因，二次侧电压的 暂态过程可持续超过两个周波的时间，暂态幅值甚至达正常电压水平的 2 广西大掌硕士掣堰立论文c v t 暂态对串补线路距离保护影响反其新算法的研究 4 0 。现有的距离保护中，即使距离i 段在运行中按照全线阻抗的0 8 0 8 5 倍整定，仍有可能因暂态超越造成保护误动作。 1 9 7 1 年国外学者a a w e e t a n a 较早在i e e e 学报上发表了关于电容式 电压互感器变换设备的暂态响应特性的文章【l l 】。这是世界上较早对电容式 电压互感器设备暂态特性进行研究的代表性文章。2 0 世纪8 0 年代开始， 电容式电压互感器的数学模型及其暂态特性的研究工作得到更多研究人 员的关注。 c v t 暂态特性对继电保护的影响从9 0 年代开始深入研究。其中，国 外比较著名的研究人员有美国g e 公司( g e n e r a le l e c t r i cc o m p a n y ) 的 b o g d a nk a s z t e n n y 教授和s e l ( s c h w e i t z e re n g i n e e r i n gl a b o r a t o r i e s ) 公司 的d a q i n gh o u 和j e f fr o b e r t s 1 2 】。随即，国内的研究人员相继投入到此方 面的研究工作中。由西安电力电容器研究所及北京互感器厂等研究人员较 早用数学模型描述了c v t 的等效模型，并在电磁暂态计算程序e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ) 上进行了仿真分析【”d 引。此外，浙 江大学的何奔腾教授等学者也是此方面研究的主要代表【1 9 2 3 1 。 针对输电线路上距离保护的c v t 暂态超越问题，国内外进行了大量 研究，主要提出了以下几个解决方案，同时也存在着亟待探讨的问题： ( 1 ) 缩小距离保护范围，将距离保护i 段整定范围缩短来防止超越【2 4 1 。 由于暂态超越即为距离保护将故障点误判断为区内，导致超越动作，最为 直接简便的解决方案即改变保护整定范围。按照实际工程经验，适当缩小 距离i 段的保护范围，确保区外故障可靠不误动。该方法简单可行，无需 额外投资。但是，在某些非常恶劣的条件下，仅仅靠缩短保护范围来躲过 c v t 超越已远不能满足高压电网对继电保护灵敏度的要求，造成距离i 段 保护失去实际意义。 ( 2 ) 增加延时动作模块，将距离保护的动作时间适当延长以躲过c v t 的暂态影响。电容式电压互感器的暂态误差属于暂态过程，随着时间暂态 过程逐渐减少至最低。为避免暂态超越，在保护启动后经过一个附加延时 才出口跳闸，这个延时时间按照躲过暂态超越来设定。对于i 段整定阻抗 为全线路阻抗0 8 倍的情况，为避免暂态超越，若要求保护在5 m s - - 1 0 m s 内动作，保护范围仅能达到线路全长的2 4 ；动作时间为1 0 m s - - 2 0 m s 时， 能够保护线路全长的5 6 ；只有当保护动作时间大于2 0 m s 后，保护范围 3 c v t 态对睾补线路距离保护影响及其新算法的研究 才能达到线路全长的9 0 以上。由此可见，距离i 段必须经过较长的延时 才能确保动作的准确性，对于区外故障的暂态超越能够有效避免，但对区 内故障则失去了宝贵的动作时间，失去了主保护的意义。 ( 3 ) 根据c v t 二次回路参数估计测量误差，并对二次电压进行补偿。 研究表明电容式电压互感器内部的储能元件参数对c v t 暂态电压误差有 很大的影响，通过预先确定c v t 的二次回路参数来计算出误差量，再对 二次电压信号进行补偿可以减少c v t 的暂态误差。该方法基于对误差补 偿的原理，必须要精确知道c v t 的具体参数，包括高、中压电容值、中 压变压器漏抗及绕组电阻、谐振阻尼器参数以及c v t 二次负载参数。事 实上，c v t 的生产商各异，其内部的具体参数也不总能得到，并且c v t 的二次负载情况随着测量、保护装置的投退而变化，无法事先确定。因此， 该方法的应用受到很大的限制，实用意义不大。 ( 4 ) 对c v t 二次暂态信号进行处理。随着信号处理技术的发展，采 用各种算法原理的信号处理方案已经被广泛的研究，针对数字式继电保护 提出了迭加原理【2 5 1 、自适应算法、p r o n y 算法等的信号处理方法。国内许 多学者也纷纷提出了各自的方案，大多数的研究都是在基于离线的电磁暂 态仿真程序或者m a t l a b 程序下的试验，对某些需要较大运算量的算法， 目前的保护处理器还不能满足快速运算的要求。对复杂条件下( 如串补输 电线路) 的c v t 暂态超越的研究还在进行中( 或者说还没有相关的研究 论文发表) 。 总体上说，各种方案都还有其利弊的一面。探索更先进、更实用、更 有工程应用价值的方案，应用于实际的继电保护中，对提高电网的安全性 和稳定性有比较重要的意义。 1 3本文研究的主要内容 本课题借助具有世界先进技术的实时数字仿真系统( r e a l t i m e d i g i t a ls i m u l a t o r ，简称r t d s ) 进行研究。该仿真系统具有与p s c a d 或 e m t p 相似的模型算法内核，利用独立的多处理器并行实时计算，仿真结 果真实有效并具有高度实时性，对于研究时间精度要求较高的继电保护装 置有很大的实际意义。 4 c v t 蕾志对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 主要的研究内容和拟解决的关键问题如下： ( 1 ) 构建研究c v t 暂态特性的电力系统仿真模型。在r t d s 系统中 构建所研究的具有针对性的电力系统仿真模型，包括串联补偿电容装置、 c v t 模型及距离保护模块等；调整系统各模型参数及距离保护整定值，使 仿真条件符合实际情况。最后，编译调试仿真模型，以便仿真运行。 ( 2 ) 仿真分析各种条件下的c v t 暂态特性。仿真各种故障类型( 如 接地故障和相间故障) 、各种故障条件( 如设置高阻故障、改变故障初始 角) 、各种运行条件( 如增加串补装置补偿度、双电源回路系统) 、各种 参数的c v t 模型( 如改变分压电容值、阻尼器参数、二次负载) 、各种 故障方向( 如反向出口故障、母线p t 与线路p t 位置) ，分析仿真结果， 研究各种条件下故障与c v t 暂态误差的关系。 ( 3 ) 探索新方案以克服c v t 暂态超越。根据仿真结论，研究改进距 离保护的新方案。应用微机保护的各种算法，结合c v t 的暂态特性，研 究得到新的算法方案改进传统的距离保护，达到克服c v t 暂态超越的目 的。 ( 4 ) 仿真校验新方法的可行性。将改进方案实现于r t d s 中，仿真 校验新方法在各种条件下( 按步骤( 2 ) 的各类情况) 的保护性能，调整 保护整定值与算法参数，达到最可靠的性能。 ( 5 ) 在条件允许时，利用r t d s 闭环测试功能对国内外某些知名厂 商的线路保护产品进行仿真闭环测试，获取实际应用的保护装置在特定仿 真条件下的c v t 暂态过程的动作性能。 5 c v t ；态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 第2 章c v t 的结构原理及其暂态过程 近年来，我国电容式电压互感器( c v t ) 在设计制造水平和产品质量 方面取得了很大进步，运行可靠性显著提高，因而电容式电压互感器在我 国高压和超高压电力系统中得到了广泛应用。 电容式电压互感器具有电磁式电压互感器的全部功能，同时可兼作载 波通信的耦合电容器之用；其耐雷电冲击性能理论上比电磁式电压互感器 优越；不存在电磁式电压互感器与断路器断口电容的串联铁磁谐振问题； 价格比较便宜，电压等级越高越有优势。因此，电容式电压互感器越来越 多地为广大用户所接受。 2 1 c v t 的基本结构原理 现代电容式电压互感器主要是由电容分压器、中压变压器、补偿电抗 器、阻尼器等部分组成，后三部分总称为电磁单元，现对其结构原理简介 如下f 。 ( 1 ) 电容式电压互感器电路图如2 1 所示。 h “ ” d h d n ： 图2 1电容式电压互感器电路图 f i g 2 1 c i r c u i td i a g r a mo fc v t 图2 1 中，c l 、c 2 分别为高压和中压电容；i 为补偿电抗器；r 为中 6 广西大掌硕士掌位沦文c v t 誓志对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 压变压器；r d 为阻尼器；”、刀、d u 、砌为二次绕组端子及剩余电压绕组 端子。 当施加电压于c l 和c 2 组成的电容分压器时，如中压电容器未接电磁 单元等并联电抗，从u 7 向系统看进去，则为一个有源二端网络，应用戴 维南定理，可以用一个等值电压和一个等值阻抗来代替，则 等值电压 分压比 等值阻抗 v g r - u 矗= 警 k = ( c l + c 2 ) c l 如= 羽1 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由上述公式可见，等值电压就是串联电容c 2 上的分压，它是利用容 抗来分压。而等值阻抗就是电容c l 和c 2 的并联容抗，即等值电容c l + c 2 的电抗。 ( 2 ) 电容式电压互感器等值电路图如图2 2 所示，不同的是一次电压 ，1 变成等值电压u i 寿，回路中增加了等值电容电抗和补偿电抗烁。 图2 2电容式电压互感器等值电路图 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fc v t 图2 2 中，x c 为等值电容( c l + c 2 ) 的电抗；曲l 、r 2 分别为中压变 压器一次、二次绕组的漏抗( 折算到一次侧) ；r l 为中压变压器一次绕组 和补偿电抗器绕组直流电阻及电容分压器损耗等值电阻之和( r l = r c + r j f c7 i ) ；r 2 为中压变压器二次绕组的直流电阻( 折算到一次侧) ； 7 。t 吠上 c v t 童r 志对串补线路辟i 离保护影呼i 及其新算法的研究 z _ 为中压变压器的励磁阻抗；烁为补偿电抗器的电抗。 当分压电容器不带电磁单元时，如前面所述，此时将得到开路中间电 压即等值电压( 式2 1 ) 。如分压电容器带有电磁单元而不设补偿电抗k 时，当接入二次负荷后，由于等值电容c l + c 2 而形成较大的内阻抗x c ，使 输出电压发生很大变化，此时中间电压变为 ，= 警一厶k ( 2 - 4 ) 式中 中压回路电流，a 。 这时电容式电压互感器二次电压将不能正确地传递电网一次电压信 息，而无法使用。 为了抵偿x c 的影响，必须在分压器回路中串联一只补偿电抗器屁， 并在额定频率下，满足托。甜研l 卅。这样等值电容的压降就被电抗 器烁及变压器漏抗压降所补偿，协7 将只受数值很小的电阻r l 和r 2 压降 的影响，互感器的二次电压与一次电压之间将获得正确的相位关系。在一 般设计时，常使整个等值回路的感抗值略大于容抗值，称为过补偿，以减 少电阻对相位差( 角差) 的影响。 2 2c v t 的铁磁谐振及其阻尼器 2 2 1铁磁谐振 电容式电压互感器的等值电路中含有电容和非线性电感，从等值回路 可见，当二次侧空载时，中间变压器的励磁阻抗与等值电容c = c l + c 2 相 f 串联，其自然谐振频率石= _ 去( 用为中间变压器励磁电感，c 为等 z 万、l 历乙 值电容) ， 一般为额定频率厶的十几分之一或更低。当互感器一次侧突 然合闸或二次侧发生短路又突然消除等电流冲击时，暂态过程产生的过电 压会使中间变压器铁芯出现磁饱和，励磁电感三崩急剧下降，从而使此时 回路的自然谐振频率 上升， 可达到额定频率五的l 2 、l 3 、1 5 等，这 就可能出现某一分数次谐波谐振，最常见的是1 3 次谐波谐振。由于回路 中本身电阻很小，不外加阻尼或阻尼参数不当，分数次铁磁谐振就会持续 下去。这种谐振过电压的幅值可达到额定电压的2 - 3 倍，长期过流可造 8 广西大掌硕士掌位论文c v t 蕾志对睾补线路距离保护影响及其新算法的研究 成中间变压器和电抗器绕组过热和绝缘损坏，同时由于剩余电压绕组开口 三角电压值升高，将导致继电保护发生误动作。 因此电容式电压互感器制造时必须设置阻尼器，在短时间内( 如0 5 s ) 大量消耗谐振能量，以抑制其自身铁磁谐振。 2 2 2 阻尼器及其分类 目前电容式电压互感器，不论阻尼装置型式如何，都是依靠电阻阻尼 的方法。 电阻阻尼对消除分次谐波谐振是十分有效的，但它是一个固定负荷， 将增加互感器的附加误差。为了解决这一问题，可以设法使阻尼器正常运 行时接近开路，而在产生分次谐波谐振瞬间，将阻尼电阻r d 短时间自动 接入电路。常见的阻尼装置有以下几种。 1 、纯电阻阻尼器 纯电阻阻尼器就是在二次剩余电压绕组接入一个阻尼电阻尺d ，其中： 阻尼电阻 邬鑫( 1 ) 协5 ， 阻尼器功率 昂阮r d ( 2 6 ) 式中绋额定角频率； c l 、c 2 电容分压器的高压电容和中压电容； “额定中间电压； u d n 剩余电压绕组额定电压； ，卜- 抑止的分次谐波次数( n - - 2 、3 、5 、7 等) 。 这是最简单也是较老式的阻尼装置，缺点是要长期固定接于剩余电压 绕组的输出端，消耗功率大，且影响测量准确度和二次输出容量，目前已 逐步淘汰。 2 、谐振型阻尼器 谐振型阻尼器是由电容c 和电感三x 并联后加阻尼电阻r 组成，整个 阻尼装置接于剩余电压绕组，电容c 和电感l x 在额定频率厶下调整到并 联谐振状态，回路阻抗很高，只有很小的电流流过阻尼电阻r x ，对正常运 9 广西大掌硕士掌位论文c v t 暂志对睾补线路距离保护影响及其新算法的研究 行的影响可以忽略。 当分次谐波铁磁谐振出现后，厶、c 并联谐振条件破坏，阻抗下降， 电流剧增，瞬时在阻尼电阻上消耗很大功率，从而有效地消除谐振。谐振 型阻尼器只是在发生分次铁磁谐振时将电阻r x 投入，正常运行时又会自 动切除，避免了纯电阻阻尼器固定接入所带来的不利影响。谐振型阻尼器 能够适应一般继电保护的要求，但对电网发展趋向的高速距离保护能否适 应尚存疑虑，因为它的电感h 和电容c 有储能作用，致使其瞬变响应特 性差，当电网( 互感器一次侧) 发生对地短路时，二次电压要经过一短暂 时间才能衰减到零，甚至可能出现低频衰减振荡，这将对二次所接的快速 保护的正确动作有不良影响。故对瞬变响应要求较高的电网保护宜慎重采 用。 3 、速饱和型阻尼器 速饱和型阻尼器将可饱和电抗6 和电阻r 6 串联后并接于剩余电压绕 组。设计时注意到中压变压器的伏安特性要与饱和电抗器的伏安特性配 合，饱和电抗器应用坡莫合金铁芯，并具有陡峭的饱和特性，使之在过电 压下饱和电抗器能快速深度饱和，电感值急剧下降，大电流通过电阻月6 ， 产生很大的阻尼功率消耗，有效地阻尼铁磁谐振。在正常运行情况下，阻 尼器阻抗大，消耗功率小，对互感器误差影响小。速饱和阻尼器由于其元 件储能少，可以得到较好的瞬变响应特性，从而满足了超高压电力系统快 速保护的要求。 如 o _ 二 叫 上lr o r n 、( _ o 图2 3几种阻尼器的原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i f f e r e n tf e r r o - r e s o n a n c e s u p p r e s s i o nc i r c u i t 图2 3 给出了几种阻尼器的电路原理，从左至右分别为纯电阻阻尼器、 谐振型阻尼器、速饱和型阻尼器。目前，纯电阻阻尼器已基本退出市场； 速饱和型阻尼器性能优越，但已经投运的不太多；电网运行中的电容式电 1 0 广西大掌硕士掌位论文c v t 暂态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 压互感器的阻尼器类型以谐振型阻尼器为主。因此，本文将以谐振型阻尼 器的c v t 为代表对其暂态进行研究。 2 3c v t 的暂态过程 2 3 1暂态电压特征 电网的继电保护随时需要通过电压互感器反应一次电压的变化信息， 如电网发生对地短路，互感器一次侧电压突然降为零，我们希望互感器二 次电压也很快降为零。对于电磁式电压互感器来说，由于其时间常数很小， 在电感中储存的能量将迅速释放，所以无须特别研究其瞬变响应问题。 但对c v t 中由于电容器、电抗器和中间变压器等多个储能元件的存 在，这些能量要经过中间变压器和负荷等r 、工、c 回路释放，视回路参数 不同，将出现衰减振荡或指数衰减过程，造成二次侧残余电压高，衰减速 度慢。图2 4 和图2 5 分别列举了仿真c v t 一次侧电压( 系统电压) 相角 在0 0 及9 0 0 情况下发生故障的c v t 二次侧电压波形。为方便比较，c v t 二次输出电压按比例放大至系统侧电压水平，图中盯为c v t 二次输出 电压，圪坩据_ 为系统侧电压。 w 监工世三必 图2 4c v t 在0 0 故障相角的电压波形 f i g 2 4v o l t a g ew a v e f o r mo fc v t f o raf a u l ta t0 0i n c e p t i o na n g l e 广西大学硕士掌位论文 c v t 暂态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 5 0 0 喜 。 葶 ； 5 0 0 丑婆( 理：主：q = 厂1 与 ，r 1 _ ， 、 v i ：- 一厂弋 v t v c v r 00 0 2 50 0 0 7 50 t t 删，( i 图2 5 c v t 在9 0 0 故障相角的电压波形 f i g 2 5v o l t a g ew a v e f o r mo fc v tf o raf a u l ta t9 0 0i n c e p t i o na n g l e 通过对图中系统电压与c v t 输出电压的对比，我们可以明显地看到， 故障发生在一次电压过零时( 即o o 故障角) 的暂态影响最为严重，其暂态 过程持续超过两个周波，暂态幅值甚至可达到正常电压水平的4 0 。 2 3 2c v t 的传递函数 对于c v t 暂态过程的描述，可以通过数学表达式来说明。为方便阐 述c v t 的传递函数，比较惯用的c v t 简化模型如图2 6 所示。 图2 6简化的c v t 等值模型 f i g 2 6s i m p l i f i e dm o d e lo fac v t 上图中已将某些元件作等效处理：c 代表了等值电容c l + c 2 的和：、 r 分别代表补偿电抗器与中压变压器简化后的等值电感和等值电阻；r o 代 表c v t 的负载电阻：母、办c 分别代表了谐振型阻尼器的等效电阻、等 效电感和等效电容。 1 2 广西大掣蛹曩士学位论文c v tf 态对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 由此，设c v t 的传递函数为g ( s ) ，可以表示为吲： g 妒矿笛笔篙两 亿7 ， 式中 4 = z s c s r s a , c ； 4 = 0 心c 。 4 = r r c ； b 4 = l s c s ( r s + r 皿c ； 马= l c l + r c i ：a r ：+ r ) + 0 q 吩r c ； b 2 = l c ( r + 凡) + 尺q + 0 q 沁+ r ) + 0 r c ； 骂= r c ( r + r ) + 0 + q 民c ； 岛= r + 民。 显然，传递函数g ( s ) 与c v t 的内部参数密切相关，由于生产商的不 同，c v t 产品的性能参数也不尽相同，具体的各部分参数与c v t 暂态的 之间的关系以及外部条件对c v t 暂态的影响情况将在第三童详细分析。 1 3 广西大掌硕士掌脚睁鲁文c v t 暂志对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 第3 章c v t 暂态对距离保护的影响分析 3 1c v t 暂态误差及其影响因素分析 3 1 1暂态噪音分析 由第二章对电容式电压互感器结构原理的阐述可知，通常的电容式电 压互感器包括了电容分压器、中压变压器、补偿电抗器及阻尼器。 为更好地说明c v t 暂态噪音( 误差) ，本文列举了两种实际模型的 5 0 0 k v 电容式电压互感器参数，一种是高电容量c v t ( 总电容小于l o o n f ) ， 另一种是超高电容量c v t ( 总电容大于1 0 0 n f ) 1 5 j 。按照图2 6 的等值电 路模型，将c v t 二次侧参数归算到中压侧，得到下表数据： 表3 1两种简化的c v t 模型参数 t a b 3 1 p a r a m e t e r so fc v t sa ts i m p li f i e dm o d e l 将以上参数代入c v t 的传递函数式2 - 7 ，分别可得这两种c v t 相对 应的传递函数： 阱丙意焉躲荒嵩罴喘翮， gc眦g)=(s+里993型8)(虫s+生725)坠(s+坠23坐86)盟(s+1054) ( 3 - 2 ) 盯一2p j2 j 一 ( 3 2 ) 1 4 c v t 蕾志对睾补线路距离保护影响及其新算法的研究 传递函数的特征根决定了c v t 暂态噪音的特性，对于上面的这两种 c v t ，可以从它们的传递函数得到其特征值。 式3 1 对应的是c v t 1 ，它的四个特征根分别为：3 1 3 4 3 + i 5 1 4 1 3 ； 一3 1 3 4 3 - j 5 1 4 1 3 ；一9 6 2 7 + j 1 8 6 3 9 ：一9 6 2 7 - j 1 8 6 3 9 。由这些特征根，可以知 道c v t 的暂态信号中含有两个振荡的衰减分量，其衰减时间常数和振荡 频率分别为：t i = 3 1 9 0 5 m s ， = 8 1 8 2 6 1 h z ： 2 = 1 0 3 8 7 6 m s ，正= 2 9 6 6 4 7 h z 。 式3 2 对应的是c v t 2 ，它的四个特征根为：9 9 3 。8 0 11 ：7 2 4 。9 7 0 1 ： 2 3 8 6 4 9 5 ；一1 0 5 3 5 7 7 。可知，其暂态信号含有四个衰减的直流分量，其衰 减时间常数为：t i = 1 0 0 6 2 m s ； 2 = 1 3 7 9 4 m s ：乃= 4 1 9 0 2 m s ； 4 = 9 4 9 1 5 m s 。 因为超高电容量的c v t 传递函数得到的特征根全部为实数，其暂态 信号中只包括衰减直流分量；而对于高电容量的c v t ，它的特征根为成对 的共轭复数，因此含有振荡衰减分量。不管哪种衰减分量，都是c v t 的 暂态噪音( 误差) ，我们可以用以下表达式来代表c v t 的二次信号模型： 矿o ) = z c 盯o ) + kc o s ( c o l f + 仍) + k 妇( f ) ( 3 3 ) 式中：d 括p 为包含高次谐波在内的高频噪音信号分量；v l 、t o l 、9 1 分别为基波分量的幅值、角速度及初相角；玎为暂态电压信号，通常又 有以下几种形式： 4 吃玎( 0 - - 4 e 呐 ( 3 4 ) k = l 或 2 玎o ) = 4c o s 七t + q ，o 。响 ( 3 5 ) k = l 或 3 圪玎( t ) - - 4c o s ( c o o t + i p o ) e 一们+ 4 p 一忆 ( 3 6 ) k = 2 式中的a k 、0 9 0 nc o t 分别代表各个暂态分量的幅值、角速度及初相角。 以上的c v t 暂态信号各代表着不同类型的c v t ：如式3 4 为含有4 个衰 减直流分量的暂态信号，应用于超高电容量的c v t 产品；式3 5 为含有两 个振荡衰减分量的暂态信号，应用于高电容量的c v t ；式3 - 6 为既有衰减 1 5 广西大掌硕士掌位论文c v t 暂志对串补线路距离保护影响及其新算法的研究 直流分量又有振荡分量的暂态信号，应用于普通电容量的c v t ( 较低电容 量) 。 图3 1c v t 暂态信号成分示意图 f i g 3 1c o m p a r i s o no ft h ec v t t r a n s i e n t sw i t ha5 0 h zs i g n a l 图3 1 为c v t 的输出基波信号与暂态噪音信号进行比较说明。第一种 噪音为衰减低频分量，第二、三种噪音为衰减直流分量。 当然，实际投运的c v t 参数是不容易获得的，由于制造工艺的原因， 目前的c v t 产品电容量还不能做得非常大，再加上已经投运中的普通电 容量的c v t 产品还有很多，因此，我们必须分析所有类型的c v t 的暂态 噪音信号才更有实际的应用价值。 3 1 2影响c v t 暂态响应的因素 如前面的阐述，电容式电压互感器的暂态噪音含有多种衰减分量，由 其传递函数( 式2 7 ) 可知，c v t 的暂态信号必将与其内部的储能元件有 关。实际上，影响c v t 暂态的因素分为内部因素和外部因素。内部因素 即其内部储能元件的参数，仅能由c v t 生产商提供且几乎固定不变：外 部因素为短路电压相角、二次负载情况等，随着运行条件而变化，下面将 详细分析各类因素对c v t 暂态的影响。 一、内部因素 电容式电压互感器内部有分压电容器、中间变压器、补偿电抗器及谐 振阻尼器等元件，这些元件并非都能直接影响到c v t 的暂态响应，其中 对c v t 暂态响应影响比较严重的主要有以下因素，即为内部因素【2 6 1 。 1 6 c v t 蕾态对补线路距离保护影响反其新算法的研究 ( 1 ) 等效电容c 与中压电压 先前已有研究表明，从c v t 的传递函数式2 7 来看，等效电容c 是 影响c v t 暂态最直接的内部因素。因此，c v t 生产商努力改进工艺提高 分压电容器的电容量。但是，近年的研究发现，在相同的等效电容c 下， 分压电容器的分压比( 电容值之比) 不同，获得的中压电压也就各异， 中压电压的大小也会影响到c v t 的暂态响应【2 7 珊】。这个现象可以用品质 因数来解释，在c v t 的等值电路中，由于含有不只一个储能元件，因此， 可以用电路的品质因数来判断该电路暂态性能的好坏，c v t 等效电路的品 质因数为： q = c 啡 ( 3 7 ) 品质因数q 值越高，其暂态性能就越优越，精确度也越高。由式3 - 7 看出，c v t 的品质因数由等效电容c 和中压电压共同决定，图3 2 为 三种不同品质因数的c v t 暂态电压波形，c v t 参数分别为： c = 0 1 肛f ，= 5 k v ，q = 2 5 ； ( 萤c = 0 1 p f ，= 1 0 k v ，q = l o ： ( 蓼c = 0 1 f t f ，= 2 0 k v ，q = 4 0 。 v b u r 3v b u r 4 、，b i j r 5 图3 2品质因数对c v t 暂态的影响 f i g 3 2 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tq u a l i t yf a c t o rt oc v tt r a n s i e n t s 图3 2 显著地表明，在相同的c v t 等效电容值下，中压电压不同，其 暂态特性也不相同，其直接影响因素即为品质因数。正因为这个原因，c v t 1 7 c v t 暂志对睾补线路羼! 离保护影响及其新算法的研究 生产商为了提高c v t 的暂态性能，在努力提高电容量的同时也在尽力将 中压电压做得比较高的水平，这样可以获得较高的品质因数。 ( 2 ) 谐振阻尼器的r 厂c ，- 谐振型阻尼器的结构原理已经在前面一章中论述，故不再赘述。阻尼 器的设计就是为了阻尼过电压条件下的中压变压器的铁芯饱和产生的次 同步振荡。阻尼器就是作为储能元件的能量消散的路径，其参数将对c v t 暂态响应有着一定的影响【2 9 。 c v t 的阻尼器参数作为生产商独特的专利技术，一般很少提供给用 户。但是，谐振型阻尼器的参数还是会设计在一定的范围内。如阻尼电阻 r 厂一般不超过1 0 q 6 0 q 的范围，谐振电容c 厂在4 p f 1 2 p f 的范围。 图3 3 为仿真三种阻尼电阻值的c v t 暂态响应波形，三种c v t 的r 厂 的取值分别为：尺，- 1 5 f l ；r f = - - - - - 3 0 f l ：r 厂= 4 5 f l ；假定三种c v t 的其 他参数一致。 5 0 2 5 三 宝0 2 5 y 旦型b 苎v b u r 4y 坠竖! ! 墨 闲蓝 f r ，= 4 5 ， 譬、9 世烬汐vi 00 0 2 50 0 50 0 7 5 t i m