（电力系统及其自动化专业论文）配电网消弧与故障定位控制技术的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 配电网作为与用户直接相连的电力网，其运行可靠性至关重要。本文针对配电 网运行中的消弧控制、单相故障接地选线及故障定位等技术问题开展研究。谐振接 地方式的优势取决于消弧线圈的性能，主辅式自动调谐消弧线圈集合了传统消弧线 圈与电力电子技术的优点，是新型消弧设备的一个发展方向。本文以消弧和选线并 重的角度去设计新型消弧线圈，提出了改进残流增量法的选线方法，使消弧线圈在 消弧与选线两方面都能取得良好效果。最后，本文在选线基础上研究更为准确的故 障定位，采用c 型行波定位方法，综合多种信号源发生器来应对各种接地故障，扩 大c 型行波定位技术的有效域。 论文的主要工作是通过理论分析、计算机仿真、硬件研制和实际实验多种形式 阐明、解决上述问题，为配电网发生故障后的安全可靠运行提供了一套较为全面的 解决方案，具有较强的工程实用性。 关键词：配电网，单相接地故障，主辅式消弧线圈，残流增量，故障定位 a b s t r a c t a st h ed i r e c tl i n kt oc u s t o m e r ，t h eo p e r a t i n gr e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rs t u d i e ss o m ei m p o r t a n tp r o b l e m so na r c - s u p p r e s s i o nc o i l 、 f a u l tl i n ed e t e c t i n ga n df a u l tl o c a t i o n t h ea d v a n t a g eo fr e s o n a n te a r t h e dn e u t r a l s y s t e m ( r e n s ) l i e so nt h ep e r f o r m a n c eo fa r c s u p p r e s s i o nc o i l t h el e a d i n g - s u p p o r t & a u t o m a t i ct u n i n ga r c s u p p r e s s i o nc o i la g g r e g a t e st h ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lc o i la n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , w h i c hi sa no r i e n t a t i o no fn e wt y p ec o i l s i nt h i sp a p e r , t h en e w t y p ec o i l sd e s i g ng i v e sa t t e n t i o nt ob o t he x t i n c t i o no fa r ca n df a u l tl i n ed e t e c t i n g ，a n d t h ep a p e rb r i n g sa ni m p r o v e dr e s i d u a lc u r r e n ti n c r e m e n t ，w h i c hi saf a u l tl i n ed e t e c t i n g m e t h o da n dm a k e st h ec o i lo b t a i nb e t t e re f f e c t so nb o t he x t i n c t i o no fa r ca n df a u l tl i n e d e t e c t i n g i nt h ee n d ，i ts t u d i e sc - t r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o na n ds y n t h e s i sv a r i o u s k i n d so fs i g n a ls o u r c eg e n e r a t o r t h ep a p e ri l l u m i n a t e sa n dr e s o l v e st h ep r o b l e m sa b o v et h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i s ， c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，h a r d w a r ed e s i g n ，a n dp h y s i c a le x p e r i m e n t a t i o n ，w h i c hb r i n g sa n i n t e g r a ls o l u t i o nf o ra d o p t i n gr e n s ，a n di sf u l lo fp r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o n s y s t e m ，s i n g l e - p h a s e e a r t h f a u l t ，l e a d i n g s u p p o r t a r c - s u p p r e s s i o nc o i l ，r e s i d u a lc u r r e n ti n c r e m e n t ，f a u l tl o c a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网消弧及故障定位控制技术的研 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： l 盗! 磊 日期- ：丝丝堕1 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： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的高速发展及人民生活水平的日益提高，社会对电力的需求量 越来越大，对电网的经济性和可靠性也提出了新的要求【l 】。 电力系统是一个规模庞大、结构复杂的系统。它由生产、输送、分配和消耗 电能的发电机、变压器、电力线路和各种用电设备联系在一起组成统一整体。配 电系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 是处于电力系统末端，把电源系统或输变电系统与用户 设施连接起来，向用户分配电能和供给电能的重要环节，通常包括配电变电站、一 次配电线路、配电变压器、二次配电线路、继电保护设施等，是连接发、输电系 统与用户的重要环节【2 l 。 在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能， 一般要通过高压或超高压输电网络输送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级 较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网络中主要起分配电 能作用的网络就称为配电网络。 配电网按电压等级来分类，可以分为高压配电网( 3 5 - 1 1 0 k v ) 、中压配电网 ( 6 l o k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分，可以分为城市配 电网、农村配电网和工厂配电网等。配电网络因主要供给一个地区的用电，因而 又称为地方供电网。相对于区域电力网来说，它的电压等级和供电范围均要小一 些，但它在结构上的最大特点是作为电力网的末端而直接与用户相连，敏锐的反 映着用户在安全优质、经济等方面的用电需求。 我国3 - - 一6 6 k v 配电网中，大部分均采用中性点非有效接地方式，因其发生接 地故障时，流过接地点的电流小，所以常被称为小电流接地系统( n u g s ) 。它包 括中性点不接地系统( n u s ) ，中性点经消弧线圈接地系统( n e s ，也称谐振接地 系统) ，中性点经电阻接地系统( n r s ) 。这些接地方式对于不同的配电网，其经 济性、实用性、运行可靠性各有利弊，因此这几种接地方式在我国均有运行的实 例【3 】o 我国配电网过去多采用中性点不接地方式运行。中性点不接地方式是小电流 接地方式中常见的接地方式，在小电流接地系统中，因为单相接地是通过电源和 输电线路对地分布电容形成的短路回路，所以故障点的电流很小，而且三相之间 的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此规程规定故障时可带电继 续运行l - - 2 小时，而不必立即跳闸。据初步统计单相接地故障约占电网故障的 7 0 以上。但是单相接地发生以后，其他两相对地电压要升高3 倍，如果接地点 第一章绪论 电弧不能及时熄灭，将可能形成过电压，导致绝缘击穿，可能进一步扩大成两点 或多点接地短路，引起负荷供电中断【4 】。 随着配电网的迅速发展，电缆长度大量增加，系统的接地电容电流越来越大， 达到很大的量值，有的系统接地电容电流甚至超过3 0 0 a ，这就给原来以架空线为 主的配电网带来了新的课题。其中一个重要的问题就是配电线路单相接地点故障 电流增大，不易熄弧，从而引发故障扩大和设备过电压、绝缘损坏等问题。为此， 原来普遍采用的中性点不接地方式已经不再适用于大部分配电网，特别是城市配 电网。有的大城市已局部将配电网的中性点不接地系统改为小电阻接地系统，以 消除电弧过电压，减少异相接地的发生。也有的改为大电阻接地系统，以消除谐 振过电压的危害。但是大部分配电网仍采用经消弧线圈补偿的谐振接地方式。 目前国内对电阻接地和消弧线圈接地的争议仍然很大，究竟采用哪种中性点 接地方式，要综合考虑电网的网架结构和维护的成本两方面。因此，本文不讨论 两种接地方式孰优孰劣，仅仅对谐振接地电网下的相关问题进行讨论。 考虑到在电力系统的现场事故中，单相接地故障占全部故障的7 0 以上，因 此，本文提到的所研究的故障类型，都是特指单相接地故障。 1 2 配电网谐振接地方式概述 中华人民共和国电力行业标准d l t 6 2 卜1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护 和绝缘配合里规定3 k v - 1 0 k v 不直接连接发电机的系统和3 5 k v 、6 6 k v 系统， 当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下列数 值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式： a ) 3 k v - - 1 0 k 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 5 k v 、 6 6 k v 系统，1 0 a 。 b ) 3 k v - 1 0 k v 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为： 1 ) 3 k v 和6 k v 时，3 0 a ； 2 ) 1 0 k v 时，2 0 a 。 c ) 3 k v - 1 0 k v 电缆线路构成的系统，3 0 a 。 理论分析和长期的运行经验表明，消弧线圈接地方式有如下优点【3 巧】： a 使残流易于熄灭。 消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限制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，同时抑制了电弧的扩散范围，电网单相 接地后仍能继续运行一段时间( 规程允许运行2 小时) ，使运行人员有充足的时 间查明原因。 b 降低故障点恢复电压初速度。 2 华北电力大学硕士学位论文 经消弧线圈接地后，能使故障点流过的电流减小，可降低恢复电压的初速度 和幅值，避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭，抑制了弧光接地过电压，防止或 减小了因单相接地故障而引起多相接地或相间短路事故的概率，提高了系统的可 靠性。 c 可以抑制p t 引起的铁磁谐振，还可以有效防止p t 高压爆保险的现象。 因为消弧线圈电感l x 与电压互感器励磁电感l p 相比，要小得多，相差好几 个数量级，在零序回路中，l x 和l p 是并联的，所以l p 几乎被l x 短接，这使 得接地故障消失后线路上的电容电荷不会通过电压互感器释放，因此不会引起过 电压和过电流。 d 经消弧线圈接地，减小了接地电流，从而创造了配电网电磁兼容环境。 输电线路电磁场对通讯与信号系统的干扰问题是相当严重的。每条交流输电 线路的周围都建立了交变电磁场，而交变电磁场又在邻近的导体回路中感应出电 压，当这种回路是位于高压输电线路附近的通信线路或信号系统时，感应出来的 电压就会造成严重的干扰，甚至危及工作人员的安全或引起信号装置的误操作。 消弧线圈接地方式，因消弧线圈的接入，改变了系统参数，使综合零序阻抗 变得很大，从而不会引起对通讯和信号系统的干扰；而且，发生单相接地故障时 接地电流的分布和故障点无关，而取决于消弧线圈的安装地点及其相对位置，可 以设法调节接地电流的分布，使电磁感应得以相互抵消1 6 】。 e 经消弧线圈接地对人身安全影响较小。 发生接地故障时，稳态接地电流小，故障点的接触电压和跨步电压低，不会 影响人身安全。 以上是消弧线圈接地系统带来的好处，但是我国目前采用的消弧线圈多是手 动调匝式，存在许多问题，使得消弧线圈的优势得不到很好发挥。 a 调整困难，操作繁琐 采用中性点经消弧线圈接地，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，同时频繁的操作会降低消弧线圈的寿命。 b 电容电流测量困难且准确度不高 传统电容电流的测量采用e o 法配合两点法，测量时需要改变一次设备，而且 测量精度不高，所以配电系统一般很少测量脱谐度，平时估算运行。 c 调谐很难做到准确，而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，可能造成残流大过接地短 路电流，甚至使得接地电弧频繁重燃，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。 - 3 - 第一章绪论 d 继电保护动作困难，选线不准确 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，也极大影响了选线准确率。 正是由于传统的消弧线圈接地方式存在上述缺陷，随着计算机控制技术的突 飞猛进的发展，消弧线圈的研究进入了一个高速发展时期，出现了各种各样的消 弧线圈结构和控制方法，在谐振接地电网的单相接地故障选线上也提出了不少方 法；同时，随着配电自动化和遥控技术的推广应用，在选线基础上的故障测距技 术也得到了快速的发展。下面将就消弧线圈补偿接地系统的研究和发展现状作一 个简单的介绍。 1 3 消弧线圈及其调谐方式的发展现状 随着微机技术的发展及其在中压配电网接地技术方面的应用，消弧线圈接地 技术有了长足的发展，多种自动调谐消弧线圈接地装置被开发和应用。9 0 年代中 后期，国内外先后推出了几种自动跟踪补偿消弧限压成套装置，以微机控制为核 心实现了消弧线圈的自动调谐【_ 7 。1 0 】。消弧线圈自动调谐装置能自动跟踪由于配电网 拓扑结构变化而引起的零序电容变化，当电网发生单相接地故障时，故障处接地 电容电流被消弧线圈的电感电流有效补偿。 根据消弧线圈改变电感方法的不同，可以分为四类：调匝式、调气隙式、调 容式、磁饱和式等。 各自的特点介绍如下。 a 调匝式消弧线圈 此类消弧线圈有两种结构，一种是利用有载分接开关，调节具有多个分接头 的电抗器；另一种是利用晶闸管控制各分接头之间的导通与截止。这类消弧线圈 将绕组按不同的匝数，抽出若干个抽头，用开关切换，改变接入的匝数从而改变 电感量。其优点是结构简单，控制方便，是目前使用最多的方案；缺点是不能实 现无级连续调节，补偿效果不能达到最佳状态；有载分接开关易出机械故障，不 适合频繁调节；同时采用消弧线圈串联电阻接地方式，限制了中性点位移，在单 相接地发生故障时，立即短接电阻，增加了附加装置及控制的复杂性【7 1 。 b 调气隙式消弧线圈 调气隙式消弧线圈的工作原理是用电动机带动传动机构调节铁心气隙的大小 改变磁导率，从而改变线圈的电感。从理论上讲，这种消弧线圈的电感可连续调 节，但实际上因为机械惯性和电机的控制精度问题，而在工程上无法做到。且它 4 华北电力大学硕士学位论文 的重复性很差。由于铁心存在可调气隙，一般说来震动和噪声较大；需要较为精 密的机械传动装置，响应慢( 动作时间取决于可动铁心的移动时间，可至数十秒) ； 有时会因脏污引起机械动作失灵；由电动机牵引，噪声很大；而且同样也须采用 消弧线圈串联电阻接地方式【3 】。动圈式无级连续调节消弧线圈是调气隙式消弧线 圈的变体，是通过调节活动铁芯对固定铁芯的相对位置而改变两者之间的互感， 其原理和结构与动圈式感应调压器相同。这种消弧线圈也存在控制精度问题【8 】。 c 调容式消弧线圈( t s c 式) t s c 式消弧线圈的基本思想是，在给出较大的电感电流的情况下，利用电容 电流抵消部分电感电流，通过改变接入其中的电容器组数，达到调节补偿电流的 目的。与调匝式消弧线圈一样，此种消弧线圈也是有级调节的。此外，由于通过 电容来抵消电感电流，使得系统容量增大，成本增加【9 】。 d 磁饱和式消弧线圈 这类消弧线圈利用磁性材料的交流有效磁导率随直流控制电流的变化而变化 的特点，来改变交流有效电抗值，从而改变交流回路中的电流和负载所耗的功率， 可分为直流偏磁式和磁阀式两种，都是利用磁饱和的原理工作的。 1 ) 直流助磁式消弧线圈 直流偏磁式消弧线圈通过调节直流激磁电流的大小，来改变交流等值磁导， 实现电感的连续可调。其优点是无传动装置，电感调节范围大，响应速度快，特 别适用于调节频繁的场合。缺点是需要附加大容量直流激磁电源( 直流控制电流往 往比交流工作电流的有效值还大) ，结构复杂，谐波较大，造价也较高【l 们。 2 ) 磁阀式消弧线圈 这种消弧线圈是利用自耦直流励磁控制铁心的饱和度，实现对补偿电流的连 续调节。把此种消弧线圈和接地变压器做在一起构成磁阀式组合装置，将使消弧 线圈的结构紧凑，占地减小，安装方便。这种消弧线圈具有良好的伏安特性，电 流调节范围宽广【l l 1 2 j 。 与直流偏磁式不同的是，这种消弧线圈无需外加激磁电源，在整个工作范围 内，只有小铁心段磁路饱和，因此伏安特性较好。但是，谐波和噪声问题仍然是 这种消弧线圈的最大缺点。 前两种装置采用机械传动机构完成自动调谐，所用时间较长，只能在电网正 常运行状况下调节消弧线圈，使残流满足熄弧条件，故障后不再进行调节。补偿 电网的脱谐度必须很小，所以采用消弧线圈串联电阻接地方式。后两种装置依靠 电气手段实现自动调谐，调谐时间短，系统正常运行时消弧线圈可远离谐振点， 也可调谐到一定的脱谐度范围内；在单相接地故障发生时，消弧线圈快速调节到 谐振点附近补偿接地电容电流，使电弧自熄【l3 1 。 这些装置的应用不仅免除了人工调谐的诸多麻烦，而且提高了调谐精度，使 s 第一章绪论 接地电弧容易熄灭，有利于进一步限制弧光接地过电压。但仍存在如下的技术问 题： ( 1 ) 对地电容的实时在线检测 实时在线测量电网的对地电容是实现消弧线圈自动调谐的根本。上述几种装 置都是采用e o 法配合两点法求解对地电容值，测量精度不足于实现准确调谐，当 相角变化较小时误差很大，对地电容测量值甚至是发散的。 ( 2 ) 对选线的影响 自动调谐消弧线圈在减小接地电流的同时也为补偿电网的单相接地选线带来 了不利影响。应研究适合自动补偿电网的接地选线原理，并与自动调谐装置一体 化。 ( 3 ) 串联电阻的问题 消弧线圈串联电阻接地在发生单相接地故障时，电阻不仅会增大残流，而且 使故障相的恢复电压特性变化，所以应在故障后最短时间内将其短接，以免对接 地电弧的熄灭产生不利影响。在现场，串接电阻的烧毁是这类消弧线圈最大的问 题。 1 41o k v 配电网故障定位技术的发展现状 配电网发生故障时迅速判断故障地点并隔离故障区段，及时恢复供电，是配 电自动化最重要的功能之一。它对保证用户供电可靠性，提高供电质量具有重要 意义。当前，国内配电线路故障的检测方法是在确定接地线路后，再由人工沿线 路寻找故障点。在与配网自动化相结合进行单相接地故障定位的方法中，中性点 非有效接地系统定位方法的实现是依靠自动装置：在线路上安装有自动分段开关 时，利用线路出1 3 的断路器和线路中间分段器的相互配合，确定故障区段并将故 障区段隔离，确定的最小故障范围是由两个相邻开关组成的区段。但是这种方法 只能确定区段，不能做到精确定位。 目前，国内对配电线路定位技术的研究按原理可以分为阻抗法、行波法、s 注入法和“故障指示器 技术。 ( 1 ) 阻抗法【1 4 j 阻抗法是根据故障时电压、电流来计算故障回路的阻抗，根据线路长度与阻 抗成正比的关系来计算故障距离。在中性点非有效接地系统中，由于线路参数受 外界影响大，故阻抗法的定位误差很大。而且由于配电网具有多分支结构，因此 即使确定了故障点的电气距离也不能确定故障分支，因此利用阻抗法进行故障定 位是不可行的。 ( 2 ) 行波法 华北电力大学硕士学位论文 行波法是根据行波传输理论，利用故障产生的暂态电压行波【1 5 1 和电流行波【1 6 1 信号，借助于电子、计算机和通讯技术，通过各种算法来实现准确的故障定位， 般可分为a 、b 、c 型三种方法【1 4 , 1 7 】。 1 ) a 型行波定位法 根据故障点产生的故障行波在测量点和故障点之间往返一次的时间和行波速 度来确定故障点的距离。这种方法原理简单，所用装置少，不受过渡电阻以及对 端负荷阻抗的影响，理论上可以达到较高精度。目前使用最多的是利用a 型测距 方法实现电缆故障测距。 2 ) b 型测距装置 利用故障产生的第一个行波波头信号，借助通信通道获取波头到达电缆两端 是时间差实现测距。其优点是不受故障点透射波的影响，同a 型测距法一样，准 确确定行波到达时刻至关重要。可以利用g p s 定位技术，也可以利用小波分析确 定到达时间。 这两种方法在输电网中是可行且有效的，但在中性点非有效接地系统中故障 产生的行波信号不易捕捉，而且由于配电网出线较多，每条线路都装设信号采集 装置投资太大，所以a 、b 型行波故障定位方法在配电网是行不通的【l 引。 3 ) c 型测距装置 c 型是在故障发生时于线路的一端施加高频或直流脉冲，根据其从发射装置 到故障点的往返时间来实现故障测距。这种测距装置原理简单，精度也高，但要 附加高压脉冲信号发生器等部件，比较昂贵复杂。使用c 型装置的主要困难在于 要使用电力线载波通道，由于通道技术条件的限制，高压脉冲信号的强度不能太 高，因此故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别，这就使装置的可靠性降低【l 4 1 。 ( 3 ) s 注入法 “s 注入法一是在发生单相接地后，向系统注入特定频率的信号，通过对该 信号的检测来确定接地线路和接地点，系统母线的每一条出线处安装一个带编码 的探测器，根据探测器的信号来确定接地线路；然后根据阻抗法计算故障距离或 由人工携带定位探测器沿线查找故障点。该方法的特点是无须增加一次设备，信 号发生设备与一次强电系统之间通过t v 电磁耦合，将信号注入故障系统，与一 次系统没有直接电的联系，不必考虑绝缘问题；s 注入法的缺点在于，注入信号 的能量有限，如果故障点经很大电阻接地，或者故障点距离线路始端很远，那么 信号将很微弱无法准确测量【1 9 , 2 0 】。 ( 4 ) “故障指示器技术 2 1 】 该技术得到了实用化，其原理为在变电站故障相母线上注入信号电流，该信 号电流由变电站发送，经故障路径通过接地点流入大地返回信号源。挂在故障路 径的故障指示器检测到该信号立即给出指示( 翻牌) 。挂在非故障路径上指示不动 7 第一章绪论 ( 牌不翻) 。指示器翻牌表示接地点在该指示器的下游，在分支点，根据指示器的 动作与否，判断出哪一分支是故障分支。运行人员按指示器的引导向前巡视，直 至找到故障接地、故障分支和接地故障点。最早的故障指示器用于寻找短路故障 分支和短路故障点。随后故障指示器推广应用到小电流接地电网单相接地故障选 线，称为接地故障指示器。故障指示器的优点是结构和原理简单，价格便宜，安 装容易，可接地故障指示器的使用效果则不很理想，正确率不高，电网发生单相 接地故障时常常没有反应。可见，接地故障指示器技术不能圆满解决配电网故障 定位问题。 近年来，故障测距是热点，已经有不少科研人员对配电线路行波故障测距开 展研究1 2 2 , 2 3 1 。文献 2 2 】提出通过识别来自故障点和不连续点的反射波来确定故障区 段，从而找出与故障点相关的两个反射波，并由这两个波的最大相关时间计算得 到故障点到检测端距离的单端行波检测方法。此方法从理论上可行，但要想获取 所需行波信号，需在多点安装故障行波测量装置，造价昂贵。文献 2 3 提出利用双 端行波法实现故障测距，并解决了测距中波速度不连续的问题，但对于线路末端 故障行波信号如何获取，高阻接地故障检测等一系列困难问题没有提及。 上述诸多利用行波测距原理实现配电线路故障定位的方法，在面对配电网复 杂的线路结构以及各种接地故障时，总存在着这样那样的不足，限制了行波法的 应用。本文在c 型行波定位的基础上，设计一种集低压脉冲、高压脉冲、直流信 号于一身的信号发生装置，适用于多种接地故障，大大扩大了c 型行波的使用范 围。 1 5 本文的研究内容和主要工作 本论文的主要研究工作和课题内容包括以下几个方面： ( 1 ) 主辅式消弧控制技术方案 为克服现有自动调匝式消弧线圈各个档位补偿电流差过大的不足，本章提出 了一种新型的主辅式消弧线圈结构，该消弧线圈以自动调匝式消弧线圈为主体， 串联辅以电子开关投切的微调线圈组成的辅消弧线圈，同时省去了阻尼电阻。通 过改变与辅消弧线圈电感相并联的晶闸管的导通时间，就能够连续改变消弧线圈 的等值电感，从而实现对单相接地故障时对地电容电流的全部跟踪补偿。本文通 过对谐振时电网的等值电路进行分析，找出故障时对地电容电流与晶闸管触发角 之间的关系，即投入的辅消弧线圈电感与晶闸管触发角之间的关系。在实际运用 中，通过实时监测故障时的对地电容电流，来算出触发角，从而控制辅消弧线圈 的投入量。这部分除了原理分析，数学演算外，还包括仿真分析。 ( 2 ) 高压工况下的电子控制器方案 华北电力人学硕士学位论文 本文的电子控制器工作在高压环境下，需综合考虑实际应用和成本情况以确 定具体的应用方案。方案之一是研究用高漏抗变压器来作为消弧线圈的可调部分， 在高漏抗变压器的二次侧采用晶闸管单管控制。采用高漏抗型可控电抗器有其特 有的优势，它兼具电抗器本体和降压的功能。降压的目的就是降低串接晶闸管的 总体耐压及其串接数量，综合考虑1 0 k v 电网现有的高漏抗变压器以及大功率晶闸 管器件的成本，完全可以做到单管控制。这么一来，就大大降低了触发的难度， 从而提高了消弧控制的可靠性。这部分所做的工作主要有理论分析、消弧线圈选 型等。 控制器采用p l d 可编程逻辑器件，通过对输入信号的逻辑排序，使得多路输 出门极脉冲之间基本同步；采用励磁型高耐压脉冲变压器，达到较为完美的强触 发波形，使得多个晶闸管串联触发成为可能。 ( 3 ) 改进残流增量法研究 本文提出改进残流增量法，主要思想是用“综差法 来放大故障信号，从而 达到利用较小的调挡电流来提取较明显的故障电流特征的目的，消除了传统增量 法对消弧的不利影响，并用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱仿真验证其可行性。 本文中还将综差法用于五次谐波分量法，并设计了五次谐波分量法的二阶低通有 源滤波器的硬件参数，对其做了仿真验证。 ( 4 ) c 型行波定位的电子控制器的硬件设计和实现过程 主要介绍了c 型行波定位的电子控制器的硬件设计和实现过程。硬件部分主 要是综合多种信号源发生器的设计。主要包括低压宽脉冲信号源( 幅值较低，持 续时间很长，可根据需要设计合适的脉宽) 、高压脉冲信号源( 幅值较高，持续时 间很长) 以及高压直流信号的设计。 第二章配电网消弧控制技术的研究 第二章配电网消弧控制技术的研究 谐振接地方式作为一种较为先进的接地方式，在配电网中没有得到快速有效推 行的主要原因是不完善的消弧线圈结构和不灵活的控制方式。本章介绍了一种新型 消弧线圈，主辅式自动调谐消弧线圈，它克服了以往装置的不足，为今后的研究提 供了新思路。 。2 1 谐振接地原理【3 】 电网中性点接入消弧线圈后，其作用有三： a 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： b 当残流过零熄弧后，又能减少故障相恢复电压上升速度，使其不易发生电弧 重燃； c 降低单相接地故障引起的过电压幅值。 谐振接地原理是消弧线圈的理论基础，它由电流谐振和电压谐振两部分组成。 故障点接地电弧的熄灭，符合电流谐振原理；合理地利用电压谐振原理，则可指导 补偿电网的正常运行和断弦故障的处理等。下面就基于谐振接地原理来详细分析消 弧线圈的三大作用。 在分析谐振接地原理之前，先了解一些后面要用到的重要术语。 a 中性点不对称电压u 材：在消弧线圈投入运行之前或退出运行之后，电网的中 性点不接地运行时，因中压架空线路的三相对地电容不太平衡，电网的中性点总是 呈现一定数值的对地电位差，即“不对称电压”，用u 材表示。 b 不对称度k ：不对称电压u 材用额定相电压叽的百分值来表示，即称为不对 称度，用k 棚表示。 c 位移f g 玉, u o ：由于电网中性点有不对称电压存在，回路中便有零序电流厶 流过，于是在消弧线圈的两端产生了电位差，该电位差就是所称的中性点位移电压 砜。 d 位移度u 。：当中性点位移电压用相电压的标幺值表示时，即称为位移度。 e 脱谐度v ：脱谐度 ，= ( ，c - i ) k ，即残流厶中的无功分量( ，c i z ) 与补偿电 网的电容电流厶之比，其符号的正负和数值的大小，表示电流谐振等值回路的不同 工作状态和偏离谐振的程度。 r 合谐度k ：合谐度k = 告即补偿电流与电容电流之比，表示靠近谐振点的程 c 度。 华北电力人学硕士学位论文 g 阻尼率d ：阻尼率d = 每，即残流如中的有功电流分量与电容电流之比。 2 1 1 电压谐振等值回路 c b o 图2 1 补偿电网的等值接线图 在正常运行情况下，补偿电网的等值接线图如图2 1 所示。图2 1 中虚线的右 侧部分，即我们所要讨论的补偿电网。 - 一 在图2 1 中的消弧线圈投入前或退出后，该网络就成为中性点不接地系统，图 2 1 中的三相对地电容电流，只能以大地作为返回之通路。根据基尔霍夫定律可得： l + 匕+ 匕= 0 一 ( 2 一1 ) 式中：匕、圪分别为电网三相对地导纳。 此时，三相对地电压等于三相对中性点电压与中性点对地电压的向量和，即： 式中：u o 、u b o 、u c o 分别为电源的三相对地电压。 假定电源为无限大，则可认为三者对称，因此： u a o + u n o + u c o = 0 ( 2 3 ) 与力学定律相似，三相电压的中性点和三角形的几何重心相重合，前者即所 谓的电气重心，电源的三相电压即是由电气重心指向线电压三角形顶点的三个相 量，相位互差1 2 0 。，幅值等于相电压。现将式( 2 3 ) 、( 2 - 2 ) 代入式( 2 1 ) ，整 理后可得中性点对地的不对称电压u 村： 、， ，厶 2 ，l 鲥 鲥 埘 u u u + + + 舯 肋 u u u = = = 一 口 cu u u 第二章配 乜网消弧控制技术的研究 址一警= 一瑞一， 4 ， 式中：g 一：一1 、g 日：一1 、g c ：一1 ，分别为电网的三相对地电导。 ，c 在电网正常运行情况下，可以认为电气设备三相绝缘的运行条件和污秽情况 大致相同，即此时三相对坞的泄露电阻( 或电导) 相等( r a = = 七= ， g 一= 踟= g c = 岛) 。这样，式( 2 4 ) n - - j 简化为： 沈一觜l - 啄蠢 c i + c 2 + c 3 j 1 一， ! 星!u ，= l k 瓦c o 玉， ( 2 5 ) 其中2 不对称度如。= 者署即当忽帅。时，网络的不对称电压和正常运 行时相电压的比值。 氐2 面南称为中性点不接地系统的阻尼率，它是由电导与电容比值 决定的。当中性点不接地时，阻尼率仅为九= 1 5 2 o 。 当消弧线圈投入运行后，补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电 网的三相对地电容构成电压谐振回路，如图2 2 所示， =?。= 图2 2 电压谐振等值回路 根据图2 2 ，中性点位移电压的大小和方向，可由( 2 6 ) 式确定，即： ti 华北电力火学硕士学位论文 痧。：j l 易材： 竺坠刍盐垒o _ 一b - 鲥 i c + i l 国心+ c 2 + c 3 ) + 3 9 0 + g l 4 ，眦l - 2 - - 1 gl j ： c o l 一一k c o 【厂， = _ = = 一 v j d c o ( c , 雨+ c 2 耐+ c 3 ) - 1 一- ，。城)国【c i + c 2 + g j 一” “ 其中：丸2 i e 翻为因消弧线圈的有功损耗而增加的阻尼率； v ：_ c o ( c 1 而+ c 2 百+ c 3 等) 1 ：1 一生i c 棚桃电网的艄度； ，：f 1 丝= 一生，即补偿电网的脱谐度5 国【c l + c 2 + c 3 j d _ 九+ d = ，i c r ，为补偿电网的阻尼率。 全补偿时，1 ，= 0 ，此时位移电压u o 仅由阻尼率d 所限制， ( 2 - 6 ) 即参。了u b d ，通常“ d 上= 1 2 2 o ，所以d 5 ，则u o = 2 0 。 可见，消弧线圈在全补偿状态下，将把中性点不对称电压放大2 0 倍。如有 k c o = 2 5 ，则u o = 2 0 k c o u ，= 0 5 u ，此过电压值不算高，但是这时的值将使 三相对地电压造成长期较大偏移，这对设备绝缘不利，因而是不允许的，通常要 求砜不大于电网标称电压的15 。为避免这一情况发生，国内调匝式消弧线圈正 常时都让其处在过补1 5 的档位。目前国内外许多自动跟踪消弧装置另外串或并 联一电阻器，其作用之一就是防止在脱谐度较小时产生这种电压位移。 2 1 2 电流谐振回路 图2 3 示出一个接有消弧线圈的补偿电网发生单相接地时的情况，其等值电路 如图2 4 所示。 笔 一王 l 第二章配电网消弧控制技术的研究 c b 图2 3 单相接地故障时补偿电网的等值接线图 c 图2 4 补偿电网的电流谐振等值回路 其中：虬正常时的相电压； r 谐振接地电网的等值消耗电阻； c 电网三相的电容之和。 所以，接地残流的计算公式如下： ij d = 一 关于消弧线圈三大作用的说明 4 】： ( 1 ) 减少残流 在图2 4 中，设r a = 0 ，即为金属性接地，则图2 4 可以简化为图2 5 。 残流： 图2 5 简化的电流谐振等值回路 ( 2 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 j = 警+ 砜+ 急吗+ 批p 廿) ( 2 - 8 ) 此时，u o = 乩。 式( 2 - 8 ) 表明，由于消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，使故 障点的接地电流变为数值显著减小的残余电流，所以残流过零时电弧就容易熄灭。 这是消弧线圈熄弧原理的第一要点。 流经故障点的接地电流如按补偿后的状态，可分为三种情况： 全补偿。当础= 去时 过补偿。当础 去时 i l = ，c ，称为全补偿，此时y = 0 ； ，工 ，c ，称为过补偿，此时v 0 ； j 0 。 在以前，消弧线圈通常运行在过补偿状态，全补偿则是个禁区，这是老式消弧 线圈固有的技术缺陷所决定的运行方式。然而，随着自动跟踪补偿的消弧线圈的发 展，人们越来越关注全补偿实现的可能性以及带来的诸多好处( 这里的全补偿，只 针对无功分量) 。 ( 2 ) 减缓恢复电压的上升速度 如图2 5 所示，流过开关s 的电流代表残流。在单相接地电弧存在期间，相当 于开关s 处于合闸状态，此时中性点位移电压1 1 0 与故障相电压“。大小相等，方向相 反，所以，s 触头之间的电位差( 故障相的对地电压) 恰好为零。而在接地电流过零 电弧熄灭瞬间，相当于s 突然断开，此时加在开关s 两端m n 的电压相当于弧隙的 恢复电压。m 点的电压为强制的电源电压“。，1 1 点的电压则为中性点的自由震荡电 压，故障相的恢复电压等于上述两者的差。 电源的强制电压“一= e 7 向+ ，自由振荡电压“o = e 硝p ( 州+ ，所以： “，= “一“o = 【，厶p 7 协w b e 一舀p “一m x 】 ( 2 9 ) 其中，自由振荡电压的角频率：g o o 。志卸压= 0 9 历砌( 1 - 割； 因为自由振荡电压u o 边旋转边衰减，阻尼系数：万= 吾= 毒= 圭引。 代入( 2 9 ) 得： ”旷训卜学 将( 2 - 1 0 ) 中的指数形式转化为代数式，再取其模量， 的表达式： ( 2 一1 0 ) 得恢复电压的包络线u 棚 第二章配电网消弧控制技术的研究 “埘= u 。、f l + e - d 耐一2 e 2 c o s o t ( 2 - 1 1 ) ， 一甜 式( 2 1 1 ) 表明，阻尼率d 与脱谐度y 同时影响着故障相恢复电压的特性，而 且后者是主要的。 根据( 2 1 1 ) 给出不同的 值，得出恢复电压曲线图，如图2 6 所示。 m 1 5 1234( d c o t ) 图2 6 不同值时恢复电压的包络线 将( 2 11 ) 式中的指数项和余弦项展开并略去d 和 ，的二次方以上各项，则 纠= 詈厨叱了0 3 等， ( 2 1 2 ) 由图2 6 和式( 2 1 2 ) 可以看出，故障相恢复电压的初速度与阻尼率d 、脱谐 度v 直接相关，或者说它同鼓掌那个点的残流如与接地电容电流乇的比值成正比。 显然，当残流减小时，恢复电压的初速度降低，接地电弧较难重燃。实际上，当补 偿电网的运行方式确定后，电容电流l 和阻尼率d 便是常数，故只有减小脱谐度或 比值，方能达到减小残流和降低恢复电压初速度的目的。 c ( 3 ) 降低过电压的幅值 华北电力大学硕士学位论文 u u 3 5 3 2 2 8 2 4 o _ ，一 孑二一弋一。 一一一飞 、髟二一一一一一一弋 v ，0 ，一 ， ， 0 20 40 6o 81 0 y v 一1 图2 7 过电压增长倍数与补偿脱谐度的关系曲线 a 过补偿工况；b 一一欠补偿工况 图2 7 所示为健全相过电压倍数与补偿脱谐度的关系曲线。在补偿电网中，当 脱谐度在5 的范围内变化时，内部过电压的增长倍数为( 2 5 2 6 ) 倍相电压； 当补偿脱谐度大于5 时，过电压的倍数就急剧增长；当补偿工况偏离谐振点达2 0 时，设置消弧补偿装置的优越性将不复存在，此时其过电压倍数与中性点不接地电 网完全一样，可见，消弧线圈距离全补偿点越近，限制过电压的效果越好。而内部 过电压的增长倍数较小，有助于减少由单相接地转变为多点接地和相间短路的机 会，对改善供电可靠性、减少日常维护量、减缓系统中各项设备的绝缘老化均有利。 因此，消弧线圈的快速跟踪全补偿很有必要。 通过以上分析可知，由于消弧线圈的作用，降低了恢复电压的初速度，延长了 故障相电压的恢复时间，并限制了过电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重燃， 达到彻底熄弧的目的。这是消弧线圈熄弧原理的第二要点。 综合电压谐振与电流谐振的特点，结合绪论中提到的对消弧线圈的要求和几种 消弧线圈的局限，因而有必要研究新型消弧线圈。 2 2 主辅式消弧线圈的结构和原理 近年来电力电子技术已经在电力系统中得到广泛的应用，例如静止无功补偿 器、励磁系统、高压直流输电等。可控电抗技术是晶闸管器件应用中的一种，能够 通过控制晶闸管的导通角实现电抗器电抗值的连续变化。本课题研究的一个主要部 分就是借助电力电子技术，重点解决由于消弧线圈全补偿方式所带来的各种控制问 题，寻求使消弧线圈电抗值连续可调的新方法；优化原有消弧线圈补偿方式，以最 大程度的发挥这种接地方式的优点。 第二章配电网消弧控制技术的研究 为克服现有自动调匝式消弧线圈各个档位补偿电流差过大的不足，本章提出了 一种新型的主辅式消弧线圈结构，该消弧线圈以自动调匝式消弧线圈为主体，串联 辅以电子开关投切的微调线圈组成的辅消弧线圈，同时省去了阻尼电阻。通过改变 与辅消弧线圈电感相并联的晶闸管的导通时间，就能够连续改变消弧线圈的等值电 感，从而实现对单相接地故障时对地电容电流的全部跟踪补偿。 2 2 1 主辅式消弧线圈的结构 c r 图2 8 主辅式消弧线圈的一次结构 图2 8 中，l l 为主消弧线圈，通常为带有载分接开关的调匝式消弧线圈；l 2 为 辅消弧线圈，可以选择用较大数值的电抗；u o 为中性点位移电压；s c r 为普通晶 闸管。在这种主辅式消弧线圈结构中，主消弧线圈承担主要的电容电流补偿工作， 而辅消弧