（电力系统及其自动化专业论文）消弧消谐选线综合装置的研制.pdf

中文摘要 我国大多数配电网和大型工矿企业的供电以中性点不接地或经消弧线圈接 地为主。消弧线圈一定程度上可以消除工频电弧，但是消弧线圈的采用，一方 面使得故障线路的选择更加困难；另一方面，随着城乡电网的扩大及电缆出线 的增多，消弧线圈已难以使电弧熄灭而对中性点非直接接地系统单相接地故 障选线原理的研究，多年来取得了很多成果但是根据这些故障选线原理制造 的选线装置，还不具备在电力系统中推广应用的可靠性和准确性。 一因此本文提出了一种新型的代替消弧线圈消除弧光接地过电压，并能将“虚 幻接地”和单相接地区分开，然后消除铁磁谐振引起的“虚幻接地”现象，并 且选线准确度较高的装置。 首先文章对中性点不接地系统发生单相接地以及弧光接地的过程进行分 析，并用m a t l a b 对这些过程进行仿真。据交流电弧理论可知，电弧在电流过零 时将熄灭，能否消弧成功主要取决于电流过零后弧道的介质恢复强度u f 与加在 弧道上的恢复电压u m 之间的相对关系，在故障相的恢复电压上升到较高值时， 如果u f u l l i ，充分保 证了弧道的去游离，电弧不再复燃，从而达到消弧的目的以此为理论我们提 出了采用限制故障相电压上升速度来取代消弧线圈消弧的几种方法：利用金属 氧化物非线性电阻来抑制故障相电压的恢复速度，消除电弧；或者是将故障相 直接金属性接地把对系统危害较大的弧光接地转变为金属性接地。 对于电网由于铁磁式电压互感器饱和引起的“虚幻接地”现象文章进行分 析，找出其与单相接地的区别，并提出了本装置的消谐方法 随后，文章分析了以往的选线方法，对这些方法进行了分析比较，找出其 优缺点，提出了采用瞬时改变系统参数，增加故障信息量的方法进行选线。 本装置最重要的特点就是取代了消弧线圈进行消弧，将单相接地后的情况 细分为金属性接地，瞬时性弧光接地，永久性弧光接地，将选线问题转变为中 出丕太堂亟堂焦诠塞 性点不接地系统中的金属性接地和永久性弧光接地情况下的选线，这使选线的 准确性得到了很大的提高。 最后文章在前述理论的基础上，提出了基于p c i 0 4 控制器的本装置的设计 方案。对装置的动作机理进行说明，统计所需要采集的信息量，采样速度要求， 考察硬件所应具有的基本条件。然后对硬件进行多种方案的比较，选择，进行软 件设计，所要完成的功能包括：故障判断的判据及选线算法的设计，消弧和消 谐及选线程序等 关键词：弧光接地谐振接地选线p c i 0 4 a b s t r a c t t h em o s td i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dp o w e rs u p p l yo fl a r g ei n d u s t r i a l m i n i n g e n t e r p r i s e so fo u rc o u n t r ya r en o w g r o a n do rp e t e r s o n c o i l g r o u n ds y s t e m t h e p e t e r s o n c o i lc a r le l i m i n a t et h ep o w 盯- f r e q u e n c ye l e c t r i ca r c ，b u tt h ea p p l i c a t i o no f p e t e r s o n - c o i l i no n eh a n dm a i ( et h ef a u l tl i n e ss e l e c t i o nm o r ed i f f i c n i t ；i ns e c o n d h a n d w i mt h ee n l a r g eo f t h et o w na n dc o u n t r y s i d e sp o w e rn e t w o r ka n dt h ea d d i t i o n o f t h ec a b l e ，t h ee l e c t r i ca l ei sd i f f i c u l tt oe x t i n g u i s hb yi t t h es t u d yo f l i n es e l e c t i o n o f s i n g l ep h a s e e a r t hf a u l t ，m a k em a n y p r o g r e s s b u tt h el i n es e l e c t i o nd e v i c eb a s eo f t h e s ef a u l tl i n es e l e c t i o np r i n c i p l e ，d i d n th a v et h er e l i a b i l i t ya n dv e r a c i t yo fa p p l yi n t h ep o w e rs y s t e m s oan e w t y p ed e v i c ei si n t r o d u c e d ，w h i c hc a n t a k et h ep l a c eo f p e t e r s o n c o i lt o e l i m i n a t ea r c i n gf a u l t ，a n dd i s t i n g u i s ht h es i n g l ep h a s ef a u l ta n df c r r o r e s o n a n c ef a u l t ， t h e ne l i m i n a t ei t t h el i n es e l e c t i o no f t h i sd e v i c ei sh i p a tt h ef i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z et h es i n g l ep h a s ef a u l ta n df e r r o r e s o n a n c ef a u l t ， t h e s ep r o c e s sa r ce m u l a t e db ym a t l a b b yt h ea l t e r n a t ee l e c t r i ca r ct h e o r y , t h e e l e c t r i ca r cw i l le x t i n g u i s ha tt h et i m eo ft h ec u r r e n tc r o s s m gz e r o ，w h e t h e rt h e e l e c t r i ca r cc a ne x t i n g u i s h ，i sd e c i d e db yt h er e l a t i o n s h i po f m e d i u mr e n e wi n t e n s i o n u l a n dr e n e wv o l t a g eu m w h e n t h ef a u l tp h a s e sr e n e w v o l t a g e r a i s et oa h i 曲v a l u e , i ft h eu j f u m ，t h ee l e c t r i ca r cw i l li g n i t ea g a i n , t h i sc a s ew e n to n , as t e a d ya r c i n g f a u l ti sf o r m e d i fw ec a l lm a k et h er e n e w v o l t a g ed o n tr a i s ea tt h es e tp o i n tv a l u e ， a n dk e 叩i ts o m et i m e ，w h i l et h em e d i u m 瑚e wi n t e n s i o na n dd i s s o c i a t er a t er a i s e w i t ht i m e t h i sc a nm a k eu f u 矗，t h e nt h ee l e c t r i ca r cw i l ln o ti g n i t ea g a i n , t h ea i m o fe l i m i n a t i n gt h ee l e c t r i ca r ci sr e a c h e d w i t hw h a tw es a i da b o v e ，w ea d v a n c e s o m ep l a n st h a ta d o p tl i m i t i n gt h ef a u l tp h a s ev o l t a g er a i s er a t et or e p l a c et h e p e t e r s o n c o i l ：u s i n gm e t a lo x i d en o n l i n e a r i t yr e s i s t a n c et or e s t r a i nt h er e n e wr a t eo f f a u l tp h a s ev o l t a g et oe l i m i n a t et h ee l e c t r i ca r c ；o re a r t ht h ef a u l tp h a s ed i r e c t l y , t h e n t h ea r c i n gf a u l tw h i c hi sm o r eh a r mt op o w e rs y s t e m ，i sc h a n g e dt om e t a le a r t hf a u l t t h ep a p e ra n a l y z et h es h a d o w ye a r t hf a u l tw h i c hi sc a u s e db yp ts a t u r a t i o n ， 3 a n df i n do u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et h i sa n ds i n g l ep h a s ee a r t hf a u l t , t h em e t h o d o f e l i m i n a t i n gf e r r o r e s o n a n c eo f t h i sd e v i c ei sg i v e n l a t e rt h ep a p e ra n a l y s e st h el i n es e l e c t i o na g oa n df i n do u tt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo f t h e m ，p u tf o r w a r dt oc h a n g et h ep a r a m e t e ro f p o w e rs y s t e m , a d d i n g t h ef a u l ti n f o r m a t i o nt os e l e c tt h ef a u l tl i n e t h ef o r e m o s tc h a r a c t e ro f t h i sd e v i c ei sr e p l a c i n gt h ep e t e r s o n - c o i lt oe l i m i n a t e t h ee l e c t r i c 础d i v i d et h es i n g l ep h a s ef a u rc a s ei n t om e t a le a r t hf a u l t , i n t e r m i t t e n t a r c i n gf a u l t ，p e r m a n e n c ea r c i n gf a u l t ，c h a n g i n gt h el i n es e l e c t i o np r o b l e mt ot h el i n e s e l e c t i o ni nt h ec a $ eo fm e t a le a r t hf a u l ta n dp e r m a n e n c ea r c i n gf a u l to f u n g r o u n d e d p o w e rs y s t e m s ，t h i sm a k e l i n es e l e c t i o nv e r a c i t yi n c r e a s em o r e a tl a s t ，b a s eo nt h et h e o r ys a i da b o v e ，t h ep a p e ra d v a n c e st h ed e s i g noft h i s d e v i c e ，w h i c hi sb a s e do np c i 0 4 t h ed e v i c ea c t i o nm e c h a n i s mi si n t r o d u c a d 。t h e i n f o r m a t i o nw h a ti sn e e d e dt oc o l l e c ta n ds a m p l i n gr a t e ，r e q u e s to fh a r d w a r ei s e x p l a i n e d t h e nw ec h o o s et h eh a r d w a r et h o u g h tc o m p a r i n gs e m ep r o j e c ta n dm a k e s o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec r i t e r i o no ft h ef a u l tj u d g m e n ta n da l g o r i t h mo fl i n e s e l e c t i o n , e l i m i n a t ee l e c t r i ca r ca n df e r r o r e s o n a n c ep r o g r a m 。 4 k e y w o r d s ：a r c i n g f a u l tf e r r o r e s o n a u c ef a u l tl i n es e l e c t i o np c i 0 4 符号说明 e 、e b 、e c ：发电机三相电势 凡：接地电阻 u 。，乩：三相对地电压 c a ，c 。，c c ：三相对地电容 “：零序电压 i ，i 。i 。：三相电流 i 。：零序电流 u ：相电压最大值 t v ：电压互感器 l 中：电压互感器励磁电感 y ，y i ，y 。：三相对地导纳 m ：圆周频率 f ：实际频率 r ec ：复数实部 v k ，i 。：第k 次谐波分量的电压和电流幅值 吼，反：分别为电压和电流的第k 次谐波分量的相位 5 第一章绪论 1 1 消弧消谐选线装置研制的背景 整秀袭统戆孛挂患按遣方式愚一今综会装懿按寒阂嚣，宅与系统戆鬟毫霹 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密切的关系f l 】电力系统中性点运行方式直接影 确- n ：( 1 ) 供毫蠡孽霹纛缝；( 2 ) 线黪秘 雯釜熬绝缘零乎；( 3 ) 入隽器设备安龛； ( 4 ) 继电保护装鹭的功能i ( 5 ) 通信和信号系统的影响因此电力系统中性点 接地方式的正确选择殿其在不同条件下的实拖舆有重要实际意义。电力系统常 焉戆系统缓建方式寄：孛往煮壹接接途、孛燕纛举按建、牵赣点经溃弧线鬻接 地( 谐振接地) 、中性点经电阻接地1 2 1 单桶接地故障是电力网最常见的故障之一，经常损坏设奄造成箨电事故， 尹重藏耱配电霹垂冬安众胃靠毪，嚣懿藿族逮逸线袈萋戮便委确褥及辩堍怒蘩稚 接地故障线路检测出来并报警或跳闸，提高供电可靠性谯荚国、日本罄国 采用低电阻接地方式，r 不需要配置接地选线装嚣，髓苏联，德国、瑞典等躅为 夸龟流绞缝系统1 4 。我嚣大多数酝毫瓣和大整王矿企鼗懿供耄系统，属予夸龟 流系统，并以采用中性点不接地或缀消弧线圈横地的运行方式居多l 乱根据现 场运行经验，系统中9 0 以上的故障属予单相接地故障。小电流接地系统谯发 生萃穰竣逸短路数障辩短路电流，l 、，兰程之鬻豹线电压仍然保持对称，徐护装 置不需鼹动作跳闸，这种运行方式谯单相接地时允许带故障运行2 小时，因而 大大提麓了系统的供瞧可靠性。但髓着城乡电网的扩大及电缆出线的增多，系 统对麓电容电流急捌壤翱，萃稆臻羹魏螽流经敌障煮豹电流较大，龟弧不易憨必， 容易产嫩闯歇性弧光接地过电压，使电网设备绝缘薄弱处放电击穿和设备瞬间 擐坏。髑射由于电磁式电压互感器铁心饱和时容易引起谐振过电压，导致搴故 虢阉辜翡显上舞。 因此在小电流接地系统发生单相接地故障时进行消弧消谐，并且正确及时 豹把故障线路检测出求磬直接自动切除故障线路箴通过报警融人工处理勰除故 障，对掇嵩供电可靠馁、实现变电辩自动纯、撬潜供电电能痰嚣、提高运稃承 出丕盔堂亟堂焦途塞 平，舆有重要的实际意义。而巍前我国正进杼城乡电网改造，对消弧消谐选线 装鬟，特爨是对逸线准确率缀舞豹装耋懿爨求曩缀夫。掰叛尽抉疆裁爨嶷霉靠 消弧，选线准确率很高的装置，就显得十分煎霾。 目前，用于小电流接地系统的消弧消谐选线装置，消弧主要还是靠消弧线 塑。毫嚣采磊了瀵攘揍建方式，瓣孛毪点经溺疆线霾搂速，当发生荸稳缓缝薅， 由予消弧线圈产生的感性电流对放障点电容电流的补偿，使流经故障点的残流 减小，从而达到自然熄弧。防炽事故进一步扩大甚至消除故障的耳的。运行经 验袭翳，虽然滇瓠线霾霹 霉裁溺敲毪孤宠按魏遂毫压，瑟瘗予电磁式毫疆互感 器铁心饱和而引起的谐振过电服有一定的作用，但消弧线嘲也存在一些问题， 如：一 ( 1 ) 溃弧线溅对毫容龟流变纯懿谤算及溅塞擐复杂，漆确褒不够，在实际 运行中很难运行程最佳档位，特别是为了避免谐振补偿，往往是补偿詹弧道的 残流仍然较大，过零后复燃的可能性仍然存擞，最终导致消弧失败。 ( 2 ) 溃弧线瓣蛰嫠熬莰莰楚王菝电容耄滚，琵实酝逶j 霪接遥煮戆魄漉不莰 有工频电容电流，而且还包含脊大量的高频电流和阻性电流，严重时仪高频电 流和阻性电路就可以维持电弧的持续燃烧，途是消弧线圈根本无法解决的。 毫力系统在运行孛发黧稳定懿摹穗羧缝螽，逐速豢我并韬除敖簿缓耱， 对提搿系统的安念运行，防止事故扩大具有熬臻意义，而用消弧线圈的谐振系 统农选线上技术浓度相对较大，准确率偏低。 珊所以，可 认为t 2 时b 相强制分量仍为t l 时的值，则b 相电压最大值为 五， 乩。= 1 5 c + ( 1 一k ) 【，_ p 拿万 讲，自由分量的幅值远大于强制分量，其合成电流第一次过 零点时，工频电压可认为不变，此时假定电弧熄灭，三相对地电容和相间电容 上的电荷会重新分配，而由于系统是中性点不接地，对地电容和中性点上的电 查丕太堂亟堂焦途塞 荷无处濑放，故当电弧熄灭时，中性点会保持一个直流电位u k 酣盟皆= ；。 熄弧后，故障相电压u a ( t ) 将由u ( t 2 ) 过渡到u a ( t