（电力电子与电力传动专业论文）新型双调节式自动补偿消弧线圈及故障选线方法的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hd i s t r i b u t i o nn e t w o r ke x t e n d i n ga n di n c r e a s i n go fa p p l ym o r ec a b l e ， t h e s y s t e mc a p a c i t a n c e c u r r e n ti s i n c r e a s i n g n e u t r a le a r t h i n g v i aa r c e x t i n g u i s h i n gc o i ls y s t e m i s p r e f e r a b l e t om a k es u r et o p u to u t a r ci n s i n g l e - p h a s ee a r t h i n gf a u h t h ep a p e ri n t r o d u c e san e wa r ce x t i n g u i s h i n g c o i l _ d u a la d j u s t a b l ea u t oc o m p e n s a b l ea r ce x t i n g u i s h i n gc o i lw h i c hb a s e so n a n a l y z i n gk i n d so f a r ce x t i n g u i s h i n gc o i lm e r i t sa n dd e m e r i t s t h ep a p e ra n a l y z e so p e r a t i o ns t a t eo fn e u t r a le a r t h i n gv i aa r ce x t i n g u i s h i n g c o i ls y s t e m i te d u c e sn o r m a lo p e r a t i o ns t a t e nd e d u c e st h es i n g l e p h a s e e a r t h i n gf a u hc u r r e n ta n dg e t sf a u l tc u r r e n te x p r e s s i o n t h ep a p e rs h l t i su pt h e a u t o t u n em o d eo f e x i s t i n ga r ce x t i n g u i s h i n gc o i l ，w h o s em e r i t sa n dd e m e r i t sa r e a n a l y z e d t h ed e s i g n e ds t r u c t u r eo fd u a l a d j u s t a r c e x t i n g u i s h i n gc o i li s a u t o t r a n s f o r m e ra n ds w i t c h e d c a p a c i t o r w i t h a 由u s t e d s h o r t i m p e d a n c e s w i t c h e dc a p a c i t o ri st h ec o a r s ea a j u s t m e n ta n da d j u s t e ds h o r ti m p e d a n c ei st h e f i n ea d j u s t m e m i tc a nr e a l i z e w i d e l yc o n t i n u o u sa n dh i g h a c c u r a t ef a s t a d j u s t m e m i td i s c u s s e st h es t r u c t u r ea n de s t a b l i s h e st h ee q u i v a l e n c ec k c u ka n d m a t h e m a t i cm o d e l t h ed e s i g n e dp a r a m e t e ri sq u a n t i t a t i v ed e d u c e d o nt h eb a s e o ft h ea n a l y z e dr e s u l tw ec h o o s ec a p a c i t yo fc a p a c i t o ra n dt h y r i s t o r m o d e lo f a r ce x t i n g u i s h i n gc o i li ss i m u l a t e db yu s e dm a t l a b s i m u l i n ki nv a r i o u sa a j u s t c a s e t h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h em e r i t so ft h en e wa r ce x t i n g u i s h i n gc o i li s w i d e l ya d j u s t i n gr a n g e ，w e l ll i n e a rc h a r a c t e r , a n dl i t t l eh a r m o n i cp o l l u t i o n , h i g h l yc o m p e n s a t i n ga c c u r a c y e t c t h ep a p e rr e s e a r c h e so nt h ef a u l tl i n ed e t e c t i n ga n da n a l y z e st h ep r o b l e m a n dt h es h o r t a g eo fe x i s t i n gf a u hl i n ed e t e c t i n gm e t h o da n do f f e r sm o d i f i e d t h r e ea r ce x t i n g u i s h i n gc o i ls y s t e md e t e c t i n gm e t h o di n c l u d ew a v e l e ta n a l y z e d m e t h o d ，a c t i v ec o m p o n e n tm e t h o da n df i r s ts e m i w a v em e t h o d t h ep r o p o s e d i i a b s t r a e t m e t h o du s i n gf u s i o np o l i c yd e t e c t sw i t ht h ep r e v i o u st h r e em e t h o d s i ti s v a l i d a t e di nn e u t r a le a r t h i n gv i aa r ce x t i n g u i s h i n gc o i ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t p r o v e st h em e t h o du s i n gf u s i o np o l i c yc a l lp r e f e r a b l yr e s o l v es i n g l e p h a s e e a r t h i n gc a s e k e y w o r d sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；e a r t h i n gm o d e ；a r ce x t i n g u i s h i n gc o i l ； a u t o m a t i cf o l l o w i n gc o m p e n s a t i o n ；f a u l tl i n ed e t e c t i n g i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型双调节式自动补偿 消弧线圈及故障选线方法的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签名： 参竹 日期：细巧年月1 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 新型双调节式自动补偿消弧线圈及故障选线方法的研究系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位 及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d o ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1电力系统中性点接地方式概述 电力系统的中性点接地方式指的是变压器星型绕组中性点与大地的电 气连接方式。接地方式可以分为两种，即中性点有效接地系统和中性点非 有效接地系统。中性点有效接地系统包括中性点真接接地或经低值阻抗接 地的系统。中性点非有效接地系统包括中性点不接地、经高值阻抗接地或 经消弧线圈接地( 也称谐振接地) 的系统【l 矧。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、设备安全、 绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰( 电磁环境) 及接地装置等问题 有着密切的关系【l 】。 国内和国外的中压配电网多数采用中性点非有效接地的运行方式。随 着城网容量的扩大及电缆逐渐取代架空线路，电网对地电容电流将大幅度 增加。中性点非有效接地系统当发生单相接地故障时，接地电容电流的大 小等于正常运行时一相对地充电电流的3 倍，并且接地电流与接地相正常 时的相电压相位差为9 0 。，当接地电流过零时，加在弧隙两端的电压为最大 值，因此故障点的电弧不易熄灭。当接地电容电流较大时，容易形成间歇 性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地可能导致危险的过电压； 稳定性的弧光接地容易发展成多相短路。如果从接地方式的角度来考虑限 制电容电流，中性点经消弧线圈接地就是唯一的选择 4 9 1 。 1 1 2 国内外消弧线圈的研究状况 消弧线圈是由德国人p e t e r s e n 在1 9 1 6 年提出的。消弧线圈是一种铁心 带有空气气隙的可调电感线圈。消弧线圈的补偿电流有分级( 阶段1 调节和无 级( 连续) 调节之分，调节方式又有手动和自动之别，而自动调节的又有在发 生接地故障前预先调节的预调式和出现接地故障后的迅速调节的随调式两 种。 燕山大学工学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代，a b b 公司研制了一种可控并联电抗器，但电流谐波 含量大且功率损耗大。前苏联学者在1 9 8 6 年提出了“磁阀”的概念 1 0 - 1 3 】， 使可控电抗器的理论向前发展了一大步。磁阀式可控电抗器的铁心中部有 一段缩小了的截面，在整个容量调节范围内，只有这个小截面段的磁路饱 和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来 改变电抗器的容量。俄罗斯学者在2 0 世纪末又提出了一种变压器式可控并 联电抗器【1 4 l ”，相当于高短路阻抗的多绕组变压器。日本学者利用g t o 控 制并联电阻的投入阻值来限制电流，研制了相应的装置【1 ”。 国内对配电网采用消弧线圈接地方式进行了理论及应用技术研究，先 后推出了几种自动跟踪补偿消弧限压成套装置。有调节铁芯气隙式消弧线 圈【1 7 , 1 8 1 、有载调匝式消弧线圈 7 , 1 9 、直流助磁式消弧线圈( 或偏磁式消弧线 i 翻) t 2 0 捌、磁阀式消弧线圈f 2 羽、三相五柱式消弧线圈【2 3 0 卯、晶闸管投切电容 式消弧线圈 2 6 , 2 7 1 、高短路阻抗变压器式消弧线圈【2 1 1 等等。 调节铁芯气隙式消弧线圈，是通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调 节电感的目的，其调节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。调节主要 靠机械连动，当施加高压后振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内 部将会出现松动现象，可靠性相对较低。 有载调匝式消弧线圈，是采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达 到调节电感的目的。与调节铁芯气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音， 但牺牲了补偿效果，不能连续调节，只能离散地分档调节。 直流助磁式消弧线圈( 或偏磁式消弧线圈) ，是根据磁性材料的交流有效 导磁率随直流控制电流的磁化作用而变化的原理，在消弧线圈的交流工作 线圈内布置一个铁芯磁化段，通过改变铁芯磁化段磁路上的直流助磁磁通 大小来调节交流等值磁导，实现电感连续可调。这种消弧线圈没有传动装 置，属于静止调节方式。响应速度较快，调节范围较宽，交流等值电感线 性度较好。但是需要附加电源，设计、制造技术复杂，造价成本较高。而 且需要直流励磁，能耗大，控制系统复杂，长时间的强励磁会使铁心过热。 磁阀式消弧线圈和直流助磁式消弧线圈差不多少，只是不需要附加直 2 第1 章绪论 流电源，而是利用自身线圈上的晶闸管的全波整流得到的；没有机械转动 部分，响应时间短，无磨损、低振动、低噪音。不过，电容电流跟踪测量 方法受限制，而且电流谐波与线圈饱和度有关。 三相五柱式消弧线圈是将“z ”形绕组接地变压器和磁阀式消弧线圈组 合为一体的新型消弧线圈。它有五柱铁芯，中间三柱铁芯有7 个主绕组， 星形连接，中性点直接接地，形式上像一个接地变压器。两边柱共有9 个 气隙，它们与中间三柱铁芯形成零序磁通道。另外，中间三柱铁芯还设有 一个副边绕组，开口三角形连接。 晶闸管投切电容式消弧线圈，是基于晶闸管投切电容( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ，简称为t s c ) 3 2 - 3 4 1 补偿的概念，由带二次绕组的消弧线 圈和多组不同容量的t s c 构成。控制晶闸管，选择不同容量的电容器组投 入，实现消弧线圈等值电抗的变化。响应速度快，实现补偿的时间较短。 调节范围宽，可在1 0 1 0 0 最大补偿电流范围内任意调节，调节的级位一 次到位。能够在线实时监测，自动跟踪补偿，动态调谐，无需阻尼电阻， 解决了投切电容时的过压和过流问题。装置成套化、无油化。但是由于采 用按级调节而非连续调节，因而残流较大，而且成本较高，若接地电流较 大，则晶闸管和电容数量需要相应的增多。 高短路阻抗变压器式消弧线圈，其原、副边绕组是绕在同一封闭的磁 路上的，且磁路中存在气隙，原边接入电网的中性点，副边接反并联晶闸 管。当晶闸管均被关断时，副边绕组中没有电流流过，副边相当于开路， 只有原边线圈绕组的电感量；当晶闸管导通时，副边绕组两端相当于短接， 副边绕组中有电流通过，原边绕组两端等效电感量将会改变。调节晶闸管 的触发延迟角可以改变副边在半个工频周期内的导通与关断比例，得到消 弧线圈线圈原边绕组两端的等效电感量从最大的电感量到最小的电感量之 间的连续变化。但这种消弧线圈存在非线性和谐波含量高等问题。 1 1 3 现有消弧线圈的调谐方式 在上述7 类消弧线圈中，前2 类装置采用预调谐方式，在电网正常运 行情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。在配电网中线路的不 对称性等因素会引起配电网的不对称电压，在配电网正常运行时，处于串 燕山大学工学硕士学位论文 联谐振状态的消弧线圈将会放大这个电压，发生不容许的串联谐振过电压。 故一般在消弧线圈支路串联或并联阻尼电阻，以保证电网正常运行时中性 点位移电压不大于额定相电压的1 5 。当发生单相接地故障时，切除电阻 是机械动作需要一定时间，故在单相接地故障发生的起始一段时间内不能 补偿接地点的电容电流，不能达到快速熄弧的作用。这种方式下，还要考 虑电阻投切机械动作的可靠性和电阻功率以及投切开关的耐压，投切次数， 开关寿命等一系列问题。 后5 类装置采用动态调谐方式，电网正常运行时，消弧线圈工作在远 离谐振点的位置；发生单相接地故障时，消弧线圈自动调谐到合理补偿位 置。依靠电气手段实现自动调谐，调谐时间短，无需串联或并联阻尼电阻， 无机械传动部件，因此结构相对简单。这些装置克服了人工调谐存在的缺 点，提高了调谐精度，使接地电弧瞬间熄灭。 通过以上分析可以看出，尽管对消弧线圈的理论研究和装置的实现上 已经取得了一定的成果，并在实际中发挥着作用，但现有技术条件还有一 定的缺陷，如不能很好的解决调节范围和调节精度之间的关系，自动控制 系统有待提高，这些需要进一步研究和改进。本文在现有工作的基础上， 充分吸收现有方法的优点并克服其不足，提出并研究一种新型的自动补偿 消弧线圈。 1 2中性点经消弧线圈接地方式概述 1 2 1 国内外中性点经消弧线圈接地方式发展概况 法国电力公司在1 9 9 0 年前后开始对中压电网中性点接地方式进行改 造，将运行了3 0 多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式口5 i 。英国也 对3 3k v 及以下由架空线路组成的配电网，进行了中性点由直接接地改为 经消弧线圈接地的改造【3 “。俄罗斯、美国、日本、芬兰、德国等国的配电 网中中性点经消弧线圈接地的电网所占的比例也很大。在我国配电网中， 6 6k v 和3 5k v 电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式，1 0k v 电网也由 中性点不接地方式为主逐渐改为以消弧线圈接地方式为主。 根据国家标准( g b 5 0 0 7 0 - 9 4 ) 矿山电力设计规范规定：当单相接地 4 第1 章绪论 电容电流小于等于1 0a 时，宜采用电源中性点不接地方式；当单相接地电 容电流大于1 0 a 时，必须采取限制措施。 我国电力行业推荐性标准( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) 交流电气装置的过电压保护 和绝缘配合规定：在3 1 0k v 不直接连接发电机的系统和3 5k v 、6 6k v 系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采取不接地方式； 当超过下列数值又需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方 式。 ( 1 ) 3 1 0k v 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有3 5k v 、 6 6 k v 系统，1 0 a 。 ( 2 ) 3 1 0k v 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统： 电压为3k v 和6 k v 时，3 0 a 。 电压为1 0k v 时，2 0 a 。 ( 3 ) 3 1 0k v 电缆线路构成的系统，3 0a 。 1 2 2中性点经消弧线圈接地方式的主要优缺点 消弧线圈的作用主要有两点：一是消弧线圈的电感电流补偿了电网的 接地电容电流，限制了接地故障电流的破坏作用，使残余电流的接地电弧 易于熄灭；二是当残流过零熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度及 其幅值，避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭i ”。 由消弧线圈的作用可以知道，中性点经消弧线圈接地方式的主要优点 有两个【i l 。第一，经消弧线圈接地后，能使故障点流过的电流减小，可降低 恢复电压的速度，减小弧光接地过电压，有利于电弧熄灭，从而避免了单 相瞬时接地故障的跳闸，提高了电网供电的可靠性；第二，当发生单相接 地故障时，稳态接地电流小，故障点的接触电压较低，对人身安全影响较 小。 但是如果中性点经消弧线圈接地系统设计和控制调节不当，这些优点 不但不能很好发挥作用，系统还会出现新的问题。另一方面，配电网规模 的不断发展，人们生活水平的不断提高，对电网的供电质量要求越来越高， 采用传统的消弧线圈接地系统已经不能满足新的发展需要，必然会存在着 这样那样的缺点和不足 3 7 “3 9 1 。其主要表现在： 5 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 脱谐度测量比较困难。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，不仅要花费很大的人力和 物力，还具有一定的危险性，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。 ( 2 1 调谐不当可能产生谐振过电压。采用中性点经消弧线圈接地方式， 若脱谐度控制不当，配电网正常运行时，则可能出现谐振，其工频过电压 的幅值很高，持续时间长，对设备绝缘具有严重的威胁。 ( 3 ) 部分引进的电气设备不适合中性点经消弧线圈接地方式运行。有些 国家的配电系统采用的是中性点直接接地的方式，所以电气设备的绝缘耐 压为系统的相电压。若将这种电气设备运行在中性点经消弧线圈接地电网 中，当发生单相接地故障时，继续带电运行的两相线路相电压升为线电压， 容易发生绝缘故障。 1 2 3 故障选线的现状 对于中性点经消弧线圈接地电网，当发生单相接地故障时，由于不构 成短路，故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸。但其 它两相对地电压升为线电压，而且如果发生间歇性弧光接地时，由于中性 点没有电荷释放通路，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩 大为相间短路；长时间的单相接地运行状态对配电网络及设备、人畜等均 构成威胁，因此必须尽快筛选出故障线路并予以切除。 为了确定故障线路，传统的方法是通过装设在母线上的零序电压互感 器来检测是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则采用人工逐条线路 拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被拉闸时，接地故障指示 将消失，这就可以确定故障线路。人工拉闸的选线方法会造成一些用户的 瞬间停电；若自动重合闸动作不成功，停电时间将延长；拉闸会对电网形 成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压，可能引起开关或p t 损坏：对 于无人值班变电站，需远方操作，更增加了引发事故的危险性。所以这种 传统的人工选线方法既浪费人力，增加设备负担，又降低了供电可靠性和 安全性。 在我国，从1 9 5 8 年起就一直对此问题进行研究，提出了多种选线方法， 6 笫1 章绪论 并开发出了相应的装置。但是选线效果并不是很理想，其主要原因是： f 1 ) 故障状况复杂，可能是稳定型故障或断续型故障，可能是电阻型故 障或电弧型故障；故障状况不同，产生的故障量在数值上、变化规律上相 差悬殊。 ( 2 ) 单相接地故障电流仅为线路对地电容电流，数值非常小，有些故障 情况下零序电流可能低于零序c t 下限值，测量误差较大。 ( 3 ) 现场电磁干扰以及零序回路对高次谐波及各种暂态量的放大作用， 使检出的故障成分信噪比非常低。 ( 4 ) 对于架空线路，需使用零序滤过器获得零序电流，而零序滤过器存 在不平衡电流，一次电网的不平衡也产生零序电流，这些附加电流叠加在 微弱的故障电流上，不容易分离出去。 总之，选线困难的根本原因是故障信号微弱，并受制于现有的传变测 量环节的精度水平，导致各种不利因素的影响严重。 1 3 本文的主要工作 本文在进行文献调研和资料研究的基础上，提出了一种新型消弧线圈 双调节式自动补偿消弧线圈，并对中性点经消弧线圈接地电网单相接 地故障选线方法进行了改进和验证。主要对以下几个方面的问题进行了研 究； ( 1 ) 深入了解当前国内外消弧线圈的研究现状，对各种消弧线圈的优缺 点进行总结归纳。 ( 2 ) 中性点经消弧线圈接地电网的运行分析。从简化的电路接线图入手， 运用电路理论对正常运行状态和故障运行状态进行推导。通过对电网正常 运行分析，导出消弧线圈接地电网的运行特点和些重要特征量之间的关 系。对故障运行状态又从稳态故障运行状态和暂态故障运行状态进行了分 析，得到故障电流的表达式。 ( 3 ) 双调节式自动补偿消弧线圈的研究。对这种消弧线圈的结构进行了 分析，阐述了与之相关的原理，得出消弧线圈的等值电路，并对消弧线圈 的各参数进行推导。并依据得到的消弧线圈的参数对电容和晶闸管的容量 7 燕山大学工学硕士学位论文 进行选择。 ( 4 ) 消弧线圈的仿真研究。用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，对消弧线圈 在各种情况下的调节情况进行仿真分析，通过仿真得到消弧线圈的补偿电 流波形，并对仿真结果进行了分析。 ( 5 ) 中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地时如何正确选线的研究。 总结了现有的选线方法，对三种选线方法进行了改进，运用融合策略将这 三种选线综合起来进行选线，并通过实验进行验证，使选线方法能适应实 际的需要。 8 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 2 1中性点经消弧线圈接地电网正常运行分析 当消弧线圈接到配电网的中性点后，配电网的模型会相应的改变 4 0 , 4 1 1 ， 下面分析一下中性点经消弧线圈接地电网正常运行时的一些参数的关系。 图2 1 为配电网的简化接线图。其中，驴。、吼、吼分别为三相相电压；吼 为中性点的位移电压；c 。、g 、巴分别为三相对地电容；r 。、如、尽分 别为三相对地泄漏电阻；l 为消弧线圈的调谐电感；r ，为消弧线圈的等值 损耗电阻。 ， u o 以 11 = q = 卜i lli i f i g 2 - 1s i m p l ec o n n e c t i o no f n e u 廿me a r t h i n gv i aa r ce x t i n g u i s h i n gc o i ls y s t e m 由节点电压法可知 一u o ( j o o c a + r i o c b + j c o c c + l 心+ 1 + l p c + 1 ，毗+ 1 吃) = ，。，、 以( 加c a + 1 心) + 吼( j o j c b + 1 堍) + d 。( j c o c c + l e k ) 卜叫 则u o 为 玩= 一。面j o ) 瓦( c a i + o - 3 c 西b + a 可c c 百) + 可i r a i + o 而t 2 ( 1 再r b 而) + 而o c ( 1 r c ) 燕山大学工学硕士学位论文 c j + 2 c j + 0 c c c 1 r + 2 ( 1 r b ) + o 【( 1 r c ) 一以睾墨叠毒颦盎 弘z ， 弦( c a + c b + c c ) 归( c a + c b + c c ) = 错c c + 盟j o 寒。( c 等掣 p s ，。 c a + c b +a + c b + c c ) 、 式中k ，为中性点经消弧线圈接地电网的不对称度。 设u 。为中性点经消弧线圈接地电网的相电压，i c 为电网的接地电容电 流，。为消弧线圈的补偿电流，则 ，c = ( c a + c b + c c ) ( 2 - 4 ) 1 l = 三( 2 - 5 ) 吲+ 而忑1 j c o l 雨= 毋畏半= 警，扣( c a + c b + c c )( c a + c b + c c ) ，c 、 式中u 为中性点经消弧线圈接地电网的脱谐度。 d 2 1 1 i r i a j ：+ j i i r j b 而+ i r c + ：疆z ：j 1 i r 诵l = 哦+ 也 ( 2 - 7 ) ( c a + c b + c c ) ( c a + c b + c c ) ”、 式中d 为e e 性点经消弧线圈接地电网的阻尼率，d 。为中性点不接地电网的 阻尼率，d 。为因消弧线圈的有功损耗而增加的阻尼率。 玩一k c u a 一兰( 2 - 8 ) 式中驴。为中性点经消弧线圈接地电网的不对称电压。 吣辫 ( 2 - 9 ) 当配电网的电容电纳( c a + c j + c c ) = o c 一定时，随着消弧线圈的电 感电纳1 o , l 的改变，消弧线圈将有三种运行状态： ( 1 ) 当1 o o l 0 ，消弧线圈运行在欠 补偿状态。 ( 2 ) 当1 o j l = w c 时，由式( 2 - 6 ) 可知，脱谐度u = 0 ，消弧线圈运行在全 补偿状态。 1 0 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 ( 3 ) 当1 越 c 时，由式( 2 6 ) 可知，脱谐度u l ，在接地的瞬间电感电流不 能突变，可以认为流经消弧线圈的暂态电感电流为0 ，消弧线圈处于开路状 态。此时残余电流i 。可以认为是电容电流0 。故在同电网中不论中性点 不接地或者中性点经消弧线圈接地，在发生接地故障的瞬间，其过渡过程 是近似一样的。用风表示零序回路中的等值电阻即故障点的接地电阻凡和 三相泄漏电阻r 。、五。、r 。：用c 表示三相对地电容之和。则上图可以简 化为下图2 - 5 所示的电路。 图2 - 5 单相接地故障暂态状态简化电路 f i g 2 - 5s i m p l ec i r c u i to f t r a n s i e n t - s t a t es i n g l e - p h a s ee a r t h i n gf a u l t 这样，利用l 。、c 、r 。组成的串联回路和作用于其上的零序正弦电源 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 电压“。，便可确定暂态的电容电流f c 。由图2 - 5 可以写出微分方程式 r + 上o i d l c + 石1j 。t 七西= 。s i n ( c o t + q o ) ( 2 - 1 8 ) 式中u 。为相电压的幅值，则特征方程的根为 一芸压再 任 当月。 2 j 鲁时，回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性； 当民2 、悟时，回路电流的暂态过程具有非周期性的振荡衰减特性，并逐 渐趋于稳定状态。 通常架空线路的波阻抗为2 5 0 5 0 0q ，同时，故障点的接地电阻一般较 小，弧道电阻又可忽略不计，一般都满足民 2 j 鲁的条件，所以电容电流 一去，压丙“地 浯z 。， 式中6 = = 瓦g o ，为自由振荡分量的衰减系数，t 。为回路的时间常数，叶 为暂态自由振荡分量的角频率。 因为暂态电容电流f 。是由暂态自由振荡分量j 。和稳态工频分量f c 。两 部分组成的，利用r = 0 时i 。+ f c 。= 0 这一初始条件和= 。c o c 的关 系，经过拉氏变换等运算可得 l c = j c + ch ：k f 鲁s i n 删n 哆卜c 。s 妒c 。s 吁f 卜t + k c 。( h 妒) 但2 ” 国 。 。j 、 式中k 为暂态电容电流的幅值。 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 当故障相在电压峰值( 妒= 兀2 ) 接地时，暂态电容电流的自由振荡分量 i 。的振幅将有最大值，反之当故障相在零值( 妒= 0 ) 接地时，暂态电容电流 的自由振荡分量i c 。，的振幅将有最小值。且线路越长时，自振频率越低，暂 态电容电流的自由振荡分量的幅值就越低。一般暂态电容电流的持续时间 很短，即使其自由振荡分量的振幅达到最大，也不会对接地电弧的熄灭带 来多大的影响。 2 3 消弧线圈的自动调谐原理 消弧线圈的补偿效果与其脱谐度有很大关系，调谐适当的消弧线圈才 能达到理想的效果，然而电网随着线路的投入和退出会发生些变化，单 相接地电容电流也随之变化，这就需要人们根据电网的变化来调整消弧线 圈的补偿电流。这种工作不仅比较繁琐，而且在很多场合下人工很难及时 准确地调谐消弧线圈，所以实现消弧线圈的自动调谐是非常必要的。 目前，消弧线圈的自动调谐原理大体上可分为五种 4 2 , 4 3 】：最大位移电 压法、相位调谐法、电容电流间接检测法、模型法和变频信号法。 ( 1 ) 最大位移电压法由式( 2 8 ) 可知，位移电压吼与不对称度k ，、脱 谐度u 、阻尼率d 有关，而电网的不对称度k ，和阻尼率d 是一定的，所以 位移电压玩仅仅由脱谐度u 决定。当u = 0 时，砜为最大值，此时，接地 电流为最小，为纯阻性电流。最大位移电压法的原理就是通过调节消弧线 圈的电感值，使其达到最大。该调谐原理不用考虑电网的不对称电压是因 为电网对地电容不相等造成的还是因为绝缘泄漏电阻不相等造成的，也不 用考虑相位关系。 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，位移电压也随之改变，需多次调节消弧线圈的电感值，比 较位移电压测量值，才能确定调节方向。而且在最佳补偿点附近区域，位 移电压的幅值主要由电网的阻尼率决定，调节脱谐度对位移电压幅值的影 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，单纯采用位移电压幅值来调节消弧线圈的方 案是不完善的。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 相位调谐法在电网中的一相( 例如a 相) 对地附加一个小电容a c ， 以形成人为e e 性点位移电压吼。此时e e 性点位移电压和接有a c 的a 相电 压d 。之间存在如下关系 茛2 南2 南, 22 么一葙p z z ， u 一畅j ( d 一j + n 一( u 一砗) 、 。 设电网中三相对地电容c a = c b = c c = c ，此时 砭= 羔( 2 - 2 3 ) 式中k j 为电网接入附加电容后的不对称度。 u ：3 0 j c - 1 o ) l r 2 2 4 ) 2 4 u = 一 i z - d ：1 r a + l r + i r c + i r l ( 2 - 2 5 ) 当电网发生单相经过渡电阻r d 接n n ( n 如a 相) ，中性点位移o g y _ , r 2 。 和故障相电压驴。的关系为 责= 一杰dj v = 焘a n d p z s ， 氓 十 d 2 + u 2 、7 式中d d 为电网在故障状态下的附加阻尼率，d 为电网在故障状态下的总阻 尼率。则z 和d 分别为 d d = i ( 3 0 c r d l ( 2 - 2 7 ) d 。：型生! 堡型垒! 生型鱼( 2 - 2 8 ) 由此可见，不论电网在正常运行状态还是故障状态下，中性点位移电 压和相电压的相角差均反映了电网的脱谐状态，而相角差是标量，这样通 过控制消弧线圈电感值的调节，就可实现电网的自动调谐。 但是，这种对一相附加电容的相位调谐法存在问题，若电网中三相对 地电容不相等，疋的值就不是标量，这样调节电感值就不太准确，所以它 只能应用在电网完全对称，或三相不对称，但有两相电容值基本相同，且c 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 加在三相中电容值最大的一相上的情况。 ( 3 ) 电容电流间接检测法该方法的基本思想是通过改变消弧线圈的电 感值，造成其两端电压发生变化，同时消弧线圈中的电流随之改变，然后 检测电压和电流值以及相应的相角差，间接计算出系统单相接地电容电流 或系统对地电容，据此调谐消弧线圈。 设对应于分抽头t 1 和t 2 时的中性点位移电压分别为u 。和u0 2 ，各分 抽头对应的消弧线圈电流值分别为。和，忽略电网阻尼率，即d = 0 ， 代入式( 2 9 ) 可得到位移电压u 。，和u 。：的大小为 u o l2 赫 ( 2 - 2 9 ) 22 尚( 2 - 3 0 ) 解得 ，：生2 二生! 堕! ! 竺1 22f 2 3 1 1 。 1 一u o l u 0 2 、 从上式可以看出，测得两次中性点位移电压和相应消弧线圈电流值后， 就可以求得电网中消弧线圈脱谐度。实际应用中，由于这种方法忽略了电 网阻尼率以及，和：测量的不同时性，测量结果准确性较差。 ( 4 ) 模型法 电网电容电流由接入的线路总长度确定，因此可以用合闸 线路断路器的多少来计算电容电流。设电网共有聆条线路，在模型上每一条 线路相当于一个电阻，在这一电阻两端并联着与该线路断路器触头一致的 触点，若线路接入，则电阻被短路。图2 - 6 中左边的电阻串为电网中线路的 模型，右边的电阻串为消弧线圈的模型。线路投入愈多，被短路的电阻愈 多，因此经左边电阻串流到底部电阻r 的电流越大，在其上面的压降为微 分放大器的一个输入信号。微分放大器的另一个输入信号是消弧线圈模拟 电阻串底部电阻磷的电压降。若两信号差得多，放大后的电压超过继电器 k a 的动作电压，这时就需要调整消弧线圈电感。否则，说明脱谐度在允许 范同内。这种方法的调节精度取决于线路模型及消弧线圈模型的精度。由 于电网中某些线路的电容可能改变，即使电容不改变，测定其对地电容也 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 很烦琐，另外系统的电容电流还受到其它电器设备的影响，所以建立线路 模型不仅非常困难，而且在某些情况下不可能做得准确。 幽2 - 6 电网模型不意图 f i g 2 6m o d e ld i a g r a mo f p o w e rs y s t e m ( 5 ) 变频信号法当中性点位移电压较小时，特别是在电缆电网中，不 对称度很小的情况下，要测量参数，不仅费时、费力，而且测量结果难以 准确。外加变频信号法只需在电压互感器的低压端注入变频电流信号，找 出系统谐振频率即可，不需对消弧线圈电感进行试探性调整，不需对消弧 线圈的任何参数进行测量，而且把测量回路从高压侧移到低压侧，更加安 全方便。 由图2 - 1 可知，等值回路中消弧线圈调谐电感与三相对地电容并联。通 过改变注入信号的频率，使电感和电容发生并联谐振，找到系统谐振频率 ，：l ，则 f o = 1 2 n3 压- c - i c = 3 c o c u = t o u | 嘁l 式中c o 为系统角频率。此时脱谐度为 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) uic-,il=亟舻-1-吾-1_if02co l f ( 2 3 4 )i cu f 嘁 毋 。 + 。 1 8 第2 章中性点经消弧线圈接地电网的运行分析 这样只要知道了系统谐振频率，由式( 2 3 4 ) 可以计算脱谐度。 这种方法的调节精度取决于变频信号源的精度，而这种变频信号源实 际做起来有一定的难度。 2 4 本章小结 对于中性点经消弧线圈接地电网，从简化的电路接线图入手，在不忽 略系统各参数的情况下运用电路理论对正常运行状态和故障运行状态进行 推导。在正常运行状态下推导了各量之间的关系式，对消弧线圈的运行状 况有了深入的认识：对故障运行状态又从稳态故障运行状态和暂态故障运 行状态两个方面进行了分析，从中得到接地残余电流和暂态电容电流的表 达式，得出电弧容易熄灭的原因。最后总结归纳了现有的消弧线圈各种调 谐方式，即最大位移电压法、相位调谐法、电容电流间接检测法、模型法 和变频信号法，并指出各种调谐方法的优缺点。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章双调节式自动补偿消弧线圈的设计 3 1 双调节式自动补偿消弧线圈的结构 本文提出一种新型消弧线圈结构，如图3 1 所示。主体是个三绕组自 耦变压器，一次侧接系统中性点，二次侧和第三绕组起调节作用。二次侧 接三组由不同阻值的电容和反并联晶闸管组成的串联单元，基于晶闸管投 切电容( t s c ) 的工作原理，即通过控制晶闸管的导通与关闭，使二次侧的电 容值以一定的规律变化，此时产生的电容电流能够部分的补偿一次侧产生 的电感电流。电容电流的变化范围很大，且是分级变化的，这是粗调。第 三绕组设计成高阻抗的绕组，接反并联晶闸管，基于晶闸管控制电抗器( t c r ) 的工作原理，即通过改变晶闸管导通角的大小，改变等效电抗，电流随之 变化，变换到一次侧的电流也相应的改变。其电流的变化范围不大，且是 连续变化的，这种调节起辅助作用，是细调。 图3 1 新型消弧线圈结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo f n e wa r ce x t i n g u i s h i n gc o i l 2 0 第3 章双调节式自动补偿消弧线圈的设计 为了晶闸管可靠运行，可以把二次侧和第三绕组的电压设计在合理的 范围上( 本文均设为4 0 0 v ) 。而不同组的电容值的选取可以按照c 。= 2 “1 c 。 的关系来选择( 其中c 。为单位电容值，k 为电容组数，k = 1 ，) ，这样可 以得到2 。组电容值( 0 - ( 2 一1 ) c 。) ，则二次侧的等效电抗置一为 x c = x c o n n = 0 ，2 2 - 1 ( 3 - 1 ) 式中当 = 0 时，二次侧的电容全部切除( - - 次侧开路) ，等效电抗x ，= o o 。 3 _ 2 晶闸管投切电容原理分析 晶闸管投切电容( t s c ) 的原理图如图3 2 所示。 图3 - 2 晶闸管投切电容原理图 f i g 3 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t s c t s c 由电容器、反并联的一对晶闸管组成。t s c 有两个工作状态，即 “投入”和“断开”状态。“投入”状态下，反并联晶闸管之一导通，电容 ( 组) 起作用，t s c 发出容性无功功率；“断开”状态下，反并联晶闸管均关 断，t s c 不起作用，不输出无功功率。依据文献 4 4 1 q b 的定义：从晶闸管开 始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，用g c 表示，也称触发角或控制角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度 称为导通角，用0 表示。 当t s c 投入运行并进入稳态时，设电源电压为正弦电压，即 u ( t ) = u s i n c o t ( 3 2 ) 忽略晶闸管的导通压降和损耗，认为是一个理想开关，则t s c 电流为 1， i ( t ) = 古“( t ) = c o s c o t ( 3 - 3 ) 2 1 燕山大学工学硕士学位论文 式中u 为电源电压的幅值，x ，= 1 o , c 为容抗，c 为电容值。 为了使投切电容时完全没有过渡过程，直接进入稳态，需要考虑在何 时触发晶闸管导通。