（电力系统及其自动化专业论文）合闸前故障检测的研究.pdf

山东大学硕 学位论文 检测法和接地电流检测法综合在一起形成了一种既能检测接地故障又能检测相 间短路故障的综合方案。这样无论送电线路发生什么样的故障，综合方案都能在 合闸前将它们检测出来。 模拟实验是检验理论有效性的重要实践手段。有可控脉冲发生器、脉冲电流 检测器和简化配电网模型组成的通用模拟实验平台的建立，为验证本文所提出的 合闸前故障检测方案的有效性打下了坚实的基础。 关键词：故障检测；重合闸；零序电流检测法；接地电流检测法 v l 山东大学硕 = 学位论文 a b s t r a c t i n p o w e rs y s t e m ，a l lc l o s i n ga c t i o n sa r eb l i n d ，i no t h e rw o r d s ，w ed on o tk n o w w h e t h e rt h e r ei saf a u l ti nt h et r a n s m i s s i o nl i n eb e f o r et h eb r e a k e rs w i t c h e so n i ft h e t r a n s m i s s i o nl i n ew i t haf a u l ti sc o n n e c t e dw i t ht h eb u s ，t h ef a u l tw o u l db eb r o u g h tt o t h ep o w e rs y s t e mw h i c hi s n o r m a l l yr u n n i n g ，w h i c hw i l lc a u s eas e r i e so fs e r i o u s e f f e c t s t oa v o i dt h i sk i n do fs i t u a t i o n s ，t h em o s te f f e c t i v ew a yi st h a tw ed e t e c tt h e t r a n s m i s s i o nl i n eb e f o r ei ti sc o n n e c t e dt ot h eb u sa n dd e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sa f a u l ti ni t t h eb r e a k e ri sf o r b i d d e nt os w i t c ho ni faf a u l ti sf o u n di nt h ed e t e c t i n g t h i si d e ai sp a r t l yi m p l e m e n t e dw i t ht h ea p p e a r a n c eo fa d a p t i v er e c l o s u r e a f t e r t h ea d a p t i v er e c l o s u r e sa d o p t e di ne x t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e st r i p ，i tc a n a u t o m a t i c a l l yd e t e r m i n ew h a tk i n do ff a u l t s ( t r a n s i e n tf a u l t so rp e r m a n e n tf a u l t s ) o c c u r r e da n da v o i dr e c l o s i n gw i t hp e r m a n e n tf a u l t s b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no f a d a p t i v er e c l o s u r e ，i tc a nn o te f f e c t i v e l ys o l v ea l lp r o b l e m sc o n c e r n e dw i t ht h ef a u l t d e t e c t i n gb e f o r es w i t c h i n go n ，f o re x a m p l e ，w ec a nn o td e t e c tf a u l t sb e f o r et h eb r e a k e r s w i t c h i n go ni nat r a n s m i s s i o nl i n ea f t e rl o n g - t i m ep o w e ri n t e r r u p t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e se f f e c t i v em e t h o d st od e t e c tm o s tk i n d so ff a u l t so c c u r r e di n t r a n s m i s s i o nl i n e sw h i c ha r ei ne f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m i na c c o r d a n c e w i t ht h ec h a r a c t e rt h a tt h e r ei sa ni m b a l a n c ei nt h r e e - p h a s el o a d si nt h et r a n s m i s s i o n l i n ea f t e ra g r o u n df a u l to c c u r si ne f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m ，w ep r o p o s ea n e wm e t h o dn a m e dz e r os e q u e n c ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o dt od e t e c tw h e t h e rt h e r ei s ag r o u n df a u l ti nt h et r a n s m i s s i o nl i n e a na d j u s t a b l ep u l s ec u r r e n ti ss y n c h r o n o u s l y i n j e c t e dt ot h e r e - p h a s ew i r e sa n dt h e nw ec a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sag r o u n d f a u l to c c u r r e di nt h et r a n s m i s s i o nl i n ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c ei nt h e r e p h a s ep u l s e c u r r e n t s r e s u l t so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dl a be x p e r i m e n t s h a v ea l lc o n f i r m e dt h ea c c u r a c yo ft h ep r o p o s e dz e r op h a s ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e t e c tt h eg r o u n df a u l t si ne f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e ds y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep o t e n t i a lp h a s e - t o 。p h a s ef a u l t si ne f f e c t i v e l yn e u t r a lg r o u n d e d s y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e t h o dn a m e dg r o u n d i n gc u r r e n td e t e c t i n g v i i 山东大学硕f ：学位论文 m e t h o dw h i c hc a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sap h a s e - t o - p h a s ef a u l ti na t r a n s m i s s i o nl i n e b e f o r es w i t c h i n go n ，ap u l s eg e n e r a t e df r o map u l s eg e n e r a t o ri s i n j e c t e dt oac e r t a i np h a s ew i r ei nt h et r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h eo t h e rt w op h a s e w i r e s a r ec o n n e c t e dw i t hg r o u n d ；w ec a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sap h a s e - t o - p h a s ef a u l t a c c o r d i n gt od e t e c t i n ga n di d e n t i f y i n gt h er e s p e c t i v ec u r r e n t so ft h et w og r o u n d e d w i r e s t h eg r o u n d i n gc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o db a s e so nt h ec h a r a c t e rt h a tt h e r ei sa d i r e c te l e c t r i c a lr e l a t i o nv i af a u l tr e s i s t a n c eb e t w e e nt w ow i r e si nw h i c ha p h a s e - t o - - p h a s ef a u l to c c u r r e da n dt h e r ei so n l yac o u p l ee f f e c tv i ap h a s e - t o - - p h a s e r e a c t a n c ea n d p h a s e - t o - - p h a s ec a p a c i t a n c e b e t w e e nt w ow i r e si nw h i c ha p h a s e t o - p h a s ef a u l td i dn o to c u i r e s u l t s o ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n dl a be x p e r i m e n t sh a v ea l lc o n f i r m e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o d a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e r ea r ee i t h e rg r o u n df a u l t so rp h a s e t o - - p h a s ef a u l t s i nt r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h i sp a p e r p r o p o s e sa ni n t e g r a t e dm e t h o dw h i c h c a nd e t e c tb o t h g r o u n df a u l t sa n dp h a s e - t o p h a s ef a u l t s n om a t t e rw h a tk i n do ff a u l t so c c u r r i n g ，t h e i n t e g r a t e dm e t h o dc a nd e t e r m i n et h e mb e f o r es w i t c h i n go n l a bt e s ti st h ei m p o r t a n tm e t h o dt oc h e c kt h ev a l i do fn e wt h e o r y t h el a bt e s t p l a t f o r mw h i c hi sm a d eu po fc o n t r o l l a b l ep u l s eg e n e r a t o r ，t r a n s i e n tc u r r e n tp u l s e d e t e c t o ra n ds i m p l ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kl a y saf o u n d a t i o nf o rp r o v i n gt h ev a l i do f f a u l td e t e c t i n gm e t h o db e f o r es w i t c h i n go n k e y - w o r d ：f a u l td e t e c t i n g ；r e c l o s u r e ；z e r os e q u e n c ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d ； g r o u n d i n gc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垦垄孚 日期：三! ! ! ! 够嗲 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毕导师签名： 山东大学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 合闸前故障检测的必要性 1 1 1 在电力系统中安装自动重合闸的必要性 在电力系统的故障中，大多数是送电线路( 特别是架空线路) 的故障。电力 系统的运行经验表明，架空线路故障大都是“瞬时性”的，例如，由雷电引起的 绝缘子表面闪络，大风引起的碰线，通过鸟类以及树枝等物掉落在导线上引起的 短路等，在线路被继电保护迅速断开以后，电弧即行熄灭，故障点的绝缘强度重 新恢复，外界物体( 如树枝、鸟类等) 也被电弧烧掉而消失。此时，如果把断开 的线路断路器再合上，就能够恢复正常的供电。因此，称这类故障是“瞬时性故 障 。除此之外，也有“永久性故障 ，例如由于线路倒杆、断线、绝缘子击穿或 损坏等引起的故障，在线路被断开后，他们仍然是存在的。这时，即使再合上电 源，由于故障依然存在，线路还要被继电保护再次断开，因而就不能恢复正常供 电。 由于送电线路上的故障具有以上的性质，因此，在线路被断开以后再进行一 次合闸，就有可能大大提高供电的可靠性。由运行人员手动进行合闸，固然也能 实现上述作用，但由于停电时间过长，用户电动机多数已停转，因此，其效果就 不显著。为此在电力系统中就采用了自动重合闸( 缩写为z c h ) ，即当断路器跳 闸以后，能过自动地将断路器重新合闸的装置。 在电力系统中采用重合闸的技术经济效果，主要地可归纳如下： 1 ) 提高供电的可靠性，减少线路停电的次数，特别是对单侧电源单回线路 尤为显著。 2 ) 在高电压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定 性。 3 ) 在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，即可 以暂缓架设双回线路，以节约投资。 4 ) 对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起 纠正的作用。 山东人学硕- 学位论文 1 1 2 自动重合闸的不利影响 在线路上装设重合闸以后，由于它并不能够判断是瞬时性故障还是永久性故 障，因此，在重合以后可能成功( 指恢复供电不再断开) ，也可能不成功。用重 合成功的次数与总动作次数之比来表示重合闸的成功率，根据运行资料的统计， 成功率一般在6 0 9 0 之间【1 3 】。也就是说重合闸有1 0 3 0 的几率重合与永久 性故障，当重合于永久性故障时，它将带来一些不利的影响【3 】【1 3 1 ，如： 1 ) 将会对电力系统造成再次冲击，有可能使电力系统失去稳定性。 2 ) 使断路器的工作条件变得更加严重，因为它要在很短的时间内，连续两 次切断短路电流。这种情况对于油路断路器必须加以考虑，因为在第一 次跳闸时，由于电弧的作用，以使油的绝缘强度降低，在重合后第二次 跳闸时，是在绝缘已经降低的不利条件下进行的。因此，油断路器在采 用了重合闸之后，其遮断容量也要有不同程度的降低( 一般约降低到8 0 左右) 。因而，在短路容量比较大的电力系统中，上述不利条件往往限制 了重合闸的使用。 3 ) 汽轮发电机送出端重合，有可能对发电机轴系造成严重损伤。 1 1 3 普通合闸动作合闸于永久性故障的危害 除了重合闸重合于永久性故障会对电力系统产生不利影响外，如果电力系统 线路断路器的普通的合闸动作重合于永久性故障，也会对电力系统造成较大的危 害，使原本正常运行的电力系统发生故障，并造成一系列严重的后果。 1 1 4 合闸前故障检测的必要性 由以上分析可知，不管是自动重合闸重合于永久性故障，还是普通的断路器 合闸动作合闸于永久性故障，都会对电力系统造成危害，这是因为自动重合闸和 断路器在合闸前并不能判断送电线路是否发生了永久性故障。为了避免上述情况 的出现，有必要在它们合闸前就应提早判断送电线路是否发生了永久性故障。判 断的方法就是对合闸前的送电线路进行故障检测。 山东大学硕l 二学位论文 1 2 国内外对合闸前故障检测的研究现状 1 2 1 自适应重合闸的研究状况 2 0 0 2 2 0 0 4 年全国继电保护与安全自动装置运行情况统计表明【5 7 巧9 】在2 2 0 k v 及以上电压等级线路的接地故障中，单相接地所占的比例分别为：2 2 0k v 为 8 8 7 0 、8 7 6 3 和8 7 0 7 ；3 3 0k v 为9 7 1 0 、9 6 3 0 和9 8 1 1 ；5 0 0k v 为 9 2 6 8 、9 3 3 1 和9 2 6 8 。以上统计结果表明，由于架空线相间距离大，单相 接地故障占绝大多数。 输电线路故障多具有单相瞬时性特点，另外考虑到我国输电网架相对薄弱， 对单相故障采取单跳单合既符合线路故障的实际情况又适合我国国情。发生单相 故障时只切除故障相并进行重合是确保电力系统安全稳定运行的重要举措，但盲 目重合于永久性故障时，一方面电力系统会再次遭受短路电流的冲击，且可能造 成重合后电力系统摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳定性；另一方面继 电保护再次使断路器断开，断路器在短时间内连续2 次切断短路电流，恶化了断 路器的工作条件，缩短了断路器的使用寿命，有时甚至会造成断路器爆炸事故。 为最大限度地消除重合于永久性故障的危害，必须在重合之前判断线路故障的性 质，即进行永久性故障判别。具有永久性故障判别能力的自动重合闸装置能在瞬 时性故障时重合，而在永久性故障时不予重合，即实现自适应重合闸。自适应重 合闸属于自适应继电保护的范畴，自适应继电保护是2 0 世纪8 0 年代提出的一个 较新的研究课题，它能根据电力系统运行方式和故障状态的变化实时改变保护性 能、特性或定值【1 6 】。 输电线路单相自适应重合闸的核心内容是永久性故障判别，该研究方向由中 国学者葛耀中教授于2 0 世纪8 0 年代提出【悼1 5 1 ，此后国内外电力科研工作者对此 进行了一系列研究。经过2 0 多年的探索，虽然永久性故障判别的研究已取得了 一定的进展，但仍停留在理论研究阶段，距实用化还有相当长的距离。目前的永 久性故障判别原理有2 种，即基于恢复电压和基于瞬时性故障的电弧特性。 利用输电线路上的工频恢复电压进行瞬时性与永久性故障判别是国内外最 早的研究方法，根据单相跳闸后线路上是否存在电容耦合电压来区分瞬时性和永 3 山东人学硕l j 学位论文 久性故斟1 4 2 1 。该方法在电容电压小于互感电压时回造成误判，存在死区。修 正判据虽然能够提高判据的适应范围，但现对复杂。此外，随着电网电压等级的 提高，相应的过电压水平越来越低，因此安装一定数量的并联电抗器是限制特高 压电网过电压的必然选择。安装并联电抗器后，线路的恢复电压将更低、测量误 差将更大，基于恢复电压的判别方法将不再适用。 根据故障识别采用的电气量所处的阶段不同，基于瞬时性故障电弧特性的故 障识别方法又分为如下四种：基于二次电弧电压【3 3 _ 3 4 1 、基于一次电弧电压【4 1 】、 基于一次电弧电压电流【4 2 _ 4 引、基于一次二次电弧电压阳椰j 。事实上，故障电弧 是一个十分复杂的物理化学过程，涉及到物质的组成和物理性质的变化及许多复 杂的变化过程，其中许多因素又是高度非线性的，要建立准确的电弧模型几乎不 可能。加上不同类型的电弧特性存在差异，因此基于瞬时性故障电弧特性的故障 识别方法难以实用化。此外，电弧存在的故障就必然是瞬时性故障的结论是否成 立也值得商榷，利用电弧电压判别故障的瞬时性存在预测和推理因素。事实上， 只有恢复电压阶段的电气量能真实地反映重合闸时刻线路的状态，不存在推理和 预测成分，值得信赖。因此，永久性故障只能基于恢复电压阶段的电气量来实现。 文献 4 6 1 利用输电线路高频保护通道的信号传输特性来判别瞬时性与永久 性故障，根据不同故障类型下接收端对信号衰减的不同提出了三相自适应重合闸 方案。但该方法并不能检测单相接地故障，且该方法收线路长度、天气等因素的 影响。随着光纤的引入，今后的超高压和特高压输电线路可能不再采用高频通信， 对于不采用高频通信的线路该方法无法使用。对于带并联电抗器补偿的超高压输 电线路，当发生两相故障和三相故障三相跳闸后，线路上各储能元件所存储的电 磁能量将会逐渐衰减，由于线路分布电容和并联电抗器的存在，形成自由振荡电 压。但是，因为故障类型的不同和瞬时与永久故障的差别，熄弧后线路上自由振 荡电压振荡形式表现不同，文献 4 7 1 ：乖1 j 用了计算机模拟，分析了线路三相跳闸后 的暂态过程，提出了根据自振电压特点判别三相瞬时与永久故障的方法。该方法 只能用于带并联电抗器的超高压输电线路，限制了应用范围。 1 2 2 普通的合闸动作前的故障检测的研究现状 文献 4 8 1 提到了一种能够在合闸前检测送电线是否发生短路的保护开关装 4 山东大学硕上学位论文 置。在合闸前，将与主开关并联的检测开关闭合，并检测开关出口端电压以判断 送电线是否发生了短路。但此装置并不能在合闸前检测漏电故障，并且只能应用 在2 2 0 v 电压下的单相送电线上。其原理与自动重合闸并无二致。 1 2 3 研究合闸前故障检测的意义 综上所述，国内外的主要研究都集中在自适应重合闸方面，但自适应重合闸 主要应用在超过2 2 0 k v 的超高压输电线上。在中低压配电网上并没有开展大规 模的研究。在中低压配电网上使用的自动重合闸并没有合闸前故障检测的功能。 在超高压电网上除了自适应重合闸也没有合闸前进行故障检测的装置。 单相自适应重合闸不仅存在判断不准确的问题，还存在其跳闸后其它两相必 须正常运行作为的问题。如果在三相都跳闸后再进行合闸，此时的自适应重合闸 就不能判定送电线是否存在永久性故障。单相自适应重合闸只能部分解决接地故 障检测的问题。三相自适应重合闸必须依赖只有在超高压输电线上才使用的并联 电抗器，在长时间停电以后，由于储能元件放电完毕，存在不能检测故障的问题。 自适应重合闸只能被动依赖的故障时电磁现象，所以造成的判据不准的问题，并 不能主动进行检测。 通过上述分析可知，至今为止并没有一种有效的合闸前故障检测的方法。为 了减少电力系统故障发生的频率，我们必须找到一种能够有效的合闸前检测故障 的方法。 1 3 电力电子元器件在电力系统中的广泛应用 电力电子器件实际上是半导体器件，所以也称电力半导体器件。电力电子器 件和其它类别的半导体晶体管的差别，主要体现在工作机理不同、功率等级较大 及特性有差异等几个方面。但要注意的是，由于电力电子器件在电路中常常扮演 电子开关器件的角色，所以它只工作在两种状态，即饱和截止状态，类似于数字 电路中的器件工作状态。当然，其工作时承受的电流比较大、电压比较高。 电力电子技术的发展是和电力电子器件发展紧密相关的。器件的发展是电力 电子技术在当代广泛应用的重要因素。 山东人学硕 j 学位论文 2 0 世纪4 0 年代末美国贝尔实验室发明了晶体管，使电子技术出现了一场革 命。随后，晶体管在许多应用领域开始逐步取代体积大、功耗多的电子管。最初 用于电力领域的半导体器件是整流二极管。但由于整流二极管是不可控器件，很 难解决生产实际中控制电能的问题，故应用受到很大的限制。 2 0 世纪5 0 年代末美国通用电气公司研制了第一个晶闸管( s c r ，后称 t h y r i s t o r ，又称可控硅) ，标志着电力电子技术时代的开始。晶闸管是一种导通 时刻可以控制的半导体二极管。正是由于这个重要特性，使得电能变换与控制比 较容易实现。从此以后，门极可关断晶闸管( g t o ) 、双向晶闸管( t r a i c ) 、 电力双极型晶闸管( b j t ) 、电力场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 等新型晶闸管和全控器件相继出现，并在容量、工作频率等 性能指标上得到不断地提高。从2 0 世纪9 0 年代至今，陆续涌现出各种新型器件。 有的是传统器件的改良产品，而比较引人注目的是一种将控制、保护、驱动电路 的功能与功率器件集成在一起的功率模块器件( p i c ) 。由于集成度高，使得电 力电子装置的体积大为缩小，而最重要的是这种器件的综合性能好，所以它是电 力电子技术的发展方向。 随着高压、大电流电力电子其器件的迅速发展，电力电子技术在电力系统中 得到广泛应用，这使得利用已有的电力网输送更大容量以及功率潮流灵活可控成 为可能。电网功率因数补偿和谐波抑制是保证电网质量的重要手段。晶闸管投切 电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 都是重要的无功补偿装置。近年来 出现的静止无功发生器( s c g ) 、有源电力滤波器( a p f ) 等具有更为优越的补 偿功能。此外，电力电子装置还可以用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪 变等。这些装置和补偿装置的应用可进行电能质量控制，改善电网质型4 硎。 1 4 本文主要工作内容及章节安排 在电力系统中，如果出线已经存在着永久性故障，那么当其合闸于母线时， 不仅会造成跳闸，还会对电力系统造成严重的恶劣影响。本文针对这一情况，提 出了一种在合闸前检测出线是否存在故障的方案。理论、仿真和模拟实验都验证 了此种方案的有效性。概括起来，本文的主要工作内容如下： 山东大学硕f 学位论文 1 ) 针对出线可能存在接地故障，本文提出了一种判定出线是否发生接地故障的 方法零序电流法：在出线合闸前，将脉冲发生器产生的脉冲电流同时注 入出线的三相中，通过对出线各相脉冲电流的检测与区分以实现对出线接地 故障是否发生的判定。零序电流法的是基于不平衡原理而提出的。当出线发 生接地故障后，相当于在故障相中加入一较大的单相负荷，从而导致原来平 衡的负荷变为不平衡。发生接地故障的相与未发生故障的相阻抗不平衡，就 会导致流入三相的脉冲电流也会不平衡。这种不平衡性就是检测出线是否发 生接地故障的依据。理论验证、仿真和模拟实验都验证了此种方案的有效性。 2 ) 针对出线可能存在相间短路故障，本文提出了一种判定出线是否发生相间短 路故障的方法一接地电流法：在出线合闸前，将脉冲发生器产生的脉冲电 流注入出线中的某一相，并将出线其它两相的开始端接地；通过对这两相接 地脉冲电流的检测与区分以实现对出线相间故障是否发生的判定。接地电流 法是基于发生相间短路的两相通过短路电阻存在直接的电气联系，而没有发 生相间短路的两相只能通过相间互感和相间电容产生耦合的原理提出的。理 论验证、仿真和模拟实验都验证了此种方案的有效性。 3 ) 针对出线既可能存在接地故障又可能存在相间故障，本文又将零序电流法和 接地电流法综合在一起形成了一种既能检测接地故障又能检测相间短路故 障的综合方案。 4 ) 为了进一步验证上述检测方法的有效性，本文作者制作了模拟实验平台。该 平台主要包括可控脉冲发生器、脉冲电流检测器以及中性点有效接地系统的 简化模型。本文作者借助于该模拟实验平台针对文中提出的检测出线是否发 生故障的方案进行了模拟实验，其结果均与理论及仿真结果一致。 本文的具体章节安排如下： 第一章通过介绍盲目合闸的危害，阐述了合闸前对出线进行故障检测的必要 性；通过分析国内外对合闸前故障检测这一问题的研究现状，阐述了开展本课题 研究的动机和实现意义。 第二章首次提出了基于脉冲电流的接地故障检测方案。在对可控硅的控流作 7 山东大学硕l j 学位论文 用进行了解后，结合硬件结构对可控脉冲发生器和短路脉冲电流检测器的工作原 理进行了阐述。借助理论分析和仿真对脉冲电流的的特征进行了分析，最终确立 了接地故障的判定依据。最终通过模拟实验验证了接地故障检测方案的有效性。 第三章首次提出了基于接地脉冲电流的相间短路故障检测方案。借助理论分 析和仿真对接地脉冲电流的特征进行了分析，指出了检测相间短路故障的原理并 最终确立了相问短路故障的判定依据。最终通过模拟实验验证了相间短路故障检 测方案的有效性。 第四章阐述了一种综合方案，这种方案将零序电流法和接地电流法综合在一 起，既能检测接地故障又能检测相问短路故障。 第五章描述了本文提出的故障检测方法模拟实验平台的建立。其中包括可控 脉冲发生器软硬件的制作、脉冲电流检测器的软硬件的制作、中性点有效接地系 统简化系统电路的设计和搭建。 第六章是本文的工作总结和下一步的工作展望。 山东大学硕十学位论文 第二章接地故障检测 2 1 方法内容及优点 电力系统分为中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统两种类型。对于 中性点非有效接地系统来说，发生接地故障后不必立即跳闸，规程规定可继续运 行0 5 2 小时。故这一问题就转化为选线问题，不在本文的讨论之中。 本章所讨论的问题是在中性点有效接地系统中，检测合闸前的出线是否发生 了接地故障。作者注意到当出线发生接地故障后，相当于在故障相加入一较大的 单相负荷，从而导致原来平衡的负荷变为不平衡；如果没有发生故障，出线的三 相负荷还是平衡的。如果能够检测出这种不平衡性的存在与否，就能判定出线是 否发生了接地故障。 基于这种不平衡性的原理，本文提出了一种判定接地故障是否发生的方法： 在出线闸跳闸前，将脉冲发生器产生的脉冲电流注入出线。由于发生接地故障的 相与非故障相存在不平衡性，导致流入三相的脉冲电流也会产生不平衡。脉冲电 流检测器通过对出线各相脉冲电流的检测与区分以实现对出线接地故障是否发 生的判定。典型实施方案如图2 1 1 所示。 图2 1 1 接地故障性质判定的典型实施方案 本方案的优点： 1 ) 脉冲电流幅值可控、电压幅值足够高。这既能使脉冲电流在不同的接地 电阻或受干扰的情况下保持足够大的电压幅值来击穿接地故障，同时又 9 山东大学顾 ：学位论文 使其不至于大到影响系统的正常运行。 2 ) 脉冲电流产生的时间可控，这使得脉冲电流的出现具有预见性，容易被 短路脉冲检测器捕捉。 3 ) 可以不用考虑负荷的变化情况，只要保持负荷三相的平衡，就能检测出 是否发生了接地故障。 2 2 硬件构成及工作原理 本节将结合硬件构成，来对本文所述故障性质判定方案的两个主要组成部分 可控脉冲发生器和脉冲电流检测器的具体工作原理进行详细阐述。在此之前，我 们有必要对可控硅的控流作用有所了解。 2 2 1 可控硅控流作用分析 可控硅的导电特性相当于一个可控的单相导电开关，通过给它的门极提供 一正脉冲信号来使可控硅以某一触发角导通，直到其端电压极性由正变负时才 自行关断。对于图2 2 2 所示带感性负载的单相半波可控整流电路，其工作原 理如下： r l 图2 2 2 单相半波感性负载可控硅整流电路 电源u 正半周时，在c o t 。= 6 时刻( 以触发角6 ) 触发可控硅v t ，u 加到感 性负载上，由于电感的存在，电流如只能从零开始上升，到c o t ：时刻达到最大 值，随后开始减小，到c o t ，时刻u 过零开始变负时，i d 并未下降到零，而在继 续减小。如果假定此时可控硅关断，如变成零，电感会产生很大的感应电动势， 方向为下正上负，它与u 叠加仍使可控硅正偏，维持可控硅导通。因此这时可 控硅是不会关断的，输出电压将跟随u 进入到负半周，即此时负载上的电压 1 0 山东大学硕 j 学位论文 u d 为负值，而电感电流继续下降，直到c o t 。时刻，电感上的感应电动势与电源 电压相等，如下降到零，可控硅v t 关断。此时导通角0 刀一6 。各电量波形 如图2 2 3 所示【8 7 】【8 8 】。 、耐。、 一 律1 a | 憾；r 门几 c o t | t r 。、n 6 一 i 耐， 、 一 卜目 c o t | 7 。 耐? ， 图2 2 3 单相半波感性负载可控硅整流电路波形图 设图2 2 2 所示电路中的可控硅基于其端电压以触发角6 触发导通， u = v s i n ( c o t + 6 ) ，则可控硅导通所产生的暂态电流屯的表达式如下： 屯4 赤【s i n ( 叭蹦a n c 尺o l ，_ e _ r , , - s i n ( 卸。1 警) 】( 2 2 - 1 ) 对应的不同触发角6 下的i 。波形如图2 2 4 所示，从图中可以看出，可控 硅触发角6 的大小直接影响着暂态电流的波形，进而影响可控硅的导通角0 以及屯的幅值。通过减小可控硅触发角6 可以有效增大的幅值和可控硅的导 通时间。这一结论虽然是在可控硅所带负荷为感性负荷的情况下得出的，但对 山东大学硕十学位论文 于所有线性负荷同样适用。因此，我们完全可以在一定程度上通过调节可控硅 的触发角来实现对其负荷暂态电流波形的灵活控制，以达到我们的目的。 图2 2 4 感性负荷下的单相半波整流波形图 2 2 2 可控脉冲发生器 可控脉冲发生器的简化结构如图2 2 5 所示。可控脉冲发生器中的升、降压 变压器一方面经降压变压器将母线电压降至可控硅的正常工作电压，再经升压变 压器升高至母线电压；另一方面，它还相当于一阻抗来限制可控硅导通时所产生 的脉冲电流的幅值。 图2 2 5 可控脉冲发生器 为了产生特征明显的脉冲以利于检测，我们可以灵活地控制可控硅的导通方 式。基于前面所述的可控硅控流作用分析，在本文所述方案中我们通过调整可控 硅每次导通时的触发角6 ，使其从一较大的角度开始逐渐减小，从而调整脉冲电 流的幅值，直到在出线中检测出接地故障或做出此出线未发生接地故障的判断。 1 2 山东人学硕t 学位论文 如此一来，即使在接地电阻较大的情况下，可控脉冲发生器仍能保证产生一强度 足以被脉冲电流检测器检测到的脉冲；另一方面，我们可以控制可控硅的导通频 率，通常使得可控硅每隔2 n ( n = 1 、2 、3 ) 个电压基波导通一次，以产生周 期为2 n 个基波的脉冲电流。此外，如果仅采用一个可控硅，其导通产生的脉冲 电流为单极性，如果采用两个极性相反的可控硅并联，则可以产生双极性脉冲电 流。本文下面的阐述均是针对一个可控硅的情况。 2 2 3 脉冲电流检测器 脉冲电流检测器实质上是三个电流互感器( c t ) ，但其三个测量值i a b 、i b c 、 i c a 分别是： l a b 。t a 。l b 1 6 c - l b l c l c a 。l c b 其中：i 。、i b 、i c 分别是出线a 、b 、c 三相的脉冲电流。通过特殊的接线方式， c t 可以直接得到i 曲、i b c 、i c a 。脉冲电流检测器的接线方案如图2 2 6 所示。 图2 2 6 脉冲电流检测器 2 3 理论脉冲电流表达式的寻求及其特点 不。 由图2 1 1 可知，当出线未发生接地故障时，其等效电路图应如图2 3 1 所 山东大学硕 ：学位论文 图2 3 1 未发生故障时的等效电路 为简化计算，省略变压器的励磁阻抗z m t 1 。由图2 3 1 可知，n 点的电流 i 。、i b 、i c 与m 点的电流i 。、i b 、i c 分别相等，线路阻抗并不影响电流的大小和相 位。所以可将线路阻抗与系统阻和变压器漏阻抗归算到一起。其简化等效电路如 图2 3 2 所示。 图2 3 2 未发生故障时的简化等效电路 其中，z c - r 。+ k 是系统阻抗z s y s ，变压器t 1 、t 2 的漏阻抗z t l 、玩与线路阻抗 z t i 。0 s e q 的归算值。r i 。a d 、l l o 。d 分别是等效负荷的电阻和电感。 在图2 3 1 中， i g i 。+ i t , + t 而在图2 3 - 2 中， i i 。+ 如+ f c 所以： 1 4 山东大学硕士学位论文 由对称原理可知， 所以图2 3 2 所示的为发生故障时的简化等效电路可以进一步简化为如图2 3 3 所示的最终简化电路。其中：r d = r 1 0 。a 3 ；l d = l l o a d 3 ；c o = 3 c o 1 0 a d ；i n = i n 。 图2 3 3 未发生故障时的最终简化等效电路 图2 3 3 所示电路是三阶电路。设t = o 时刻可控硅基于其端电压以6 触发角 触发导通，则e ( t o ) v s i n ( t + 6 ) 。其中，v ：e 的幅值；( i ) ；e 的角频率。利用运 算法求解图3 3 3 所示电路有： i n - 2 怫1 i c o s ( 耐+ 0 月) + 畅3 e e n + 畅4 e p n 2 + k n 5 e 晶岁( 2 - 1 ) 删。器- 紫尝篱勰- 器 a 一l d c o ，p - r d c o ，y 一1 ； a n - l d l s ： 垃雩逝，- 半； 办一 ，锄萼一字吲 污丽+ a z 再丽_ ，a l l 1 5 山东人学硕i j 学位论足 己3 q 2 号； 篝篙嚣鬻筹捌i l l 州虬 a 。1i l a 。1 l ， “1 ( 复o ) ( f ( 1 ，一晶1 ) o 一只2 ) ( f 一晶3 ) 。“叫 骚絮鬻拦舞卷篙阱n l m ， a 。，一l a 瞄”， “ ( 2 j f ( 1 ) ) ( - f 一最1 ) ( 一泐一最2 ) ( 一f m 一最3 ) 。 p h 以i ) s i n 5 + t o c o s b a ( 晶1 ) 。+ 卧最1 + y 】 3 。忑鬲而i i 丽i 矿 p ( 最2 ) s i n 6 + ( i ) c o s s a 月( 晶2 ) + 卧晶2 + y 】 h 4 。而再丽瓦j 磊云i ：厂一 k n 5 4 ( 露+ i ) 2 ) ( 昂3 一最1 ) ( 晶3 一晶2 ) 对于表达式( 2 1 ) ，由于p n l 、p n 2 是共轭复根，所以( 2 1 ) 式又可写为： i - i n - 1 2 + i 3 4 i 5 i 1 2 2 i k , , l l c o s ( o t + e ) k - k n 3 e p n l t + k n 4 e p n 2 f 5 一k n 5 e p n 3 其中，i 1 2 是等副振荡的余弦函数，i 3 4 是高频振荡指数级衰减的余弦函数，i 5 是指数级衰减函数。其分解图形如图3 3 4 所示。 1 6 1 o 1 1 5 0 00 0 n 0 0 40 0 0 6n 0 0 00 0 10 0 1 200 1 40 0 1 6 0 0 1 80 5 o o 5 l 4 ；一面砬1 面i 蕊i 氟广而r 面石i 杀1 商r 蔬百如 图2 3 - 4 波