（电力系统及其自动化专业论文）配电网消弧控制策略与故障选线技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 配电网作为与用户直接相连的电力网络，其运行可靠性至关重要。本文以与企 业合作的课题为依托，应合作方要求针对配电网同一变电站分段母线所带消弧线圈 并联运行控制策略等问题开展研究。谐振接地系统电容电流的检测准确程度是消弧 线圈能够正确设置工作档位，有效进行补偿的依据，本文针对实际情况对接地电容 电流检测常用的两点、三点法提出一个补充改进措施，并介绍了改进脉冲注入法作 为检测电容电流的补充方法，扩大了其测量技术的有效应用域。结合项目研发的工 控机通用控制器所采用的高速采集卡，使并联运行的消弧线圈能在快速补偿电容电 流方面取得良好效果。本文还完成了消弧线圈通用控制器信号采集滤波调理电路的 开发设计及部分编程工作。 论文工作以理论分析与计算机仿真相结合，同时还包括硬件研制和实验验证工 作。论文的工作成果具有工程实用价值。 关键词：配电网，消弧线圈，并联运行，电容电流检测 a b s t r a c t o p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , a st h ee l e c t r i c i t yn e t w o r kd i r e c t l yc o n n e c t e d w i t ht h eu s e r s ，i sv e r yi m p o r t a n t b a s e do nt h es u b j e c tc o o p e r a t e dw i t he n t e r p r i s e ，t h ew r i t e r c a r r i e sr e s e a r c hw i t ht h er e q u e s to f p a r t n e r so nt h et a s ka b o u tp e t e r s e n - c o i lc o n t r o ls t r a t e g yf o r p a r a l l e lo p e r a t i o nf o rt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kb r o u g h ta b o u tb yt h es a l n es u b s t a t i o nb u s s i n c ec a p a c i t o r c u r r e n tc a l c u l a t i o no fr e s o n a n tg r o u n d i n gs y s t e mi st h eb a s i so fc o m p e n s a t i o no fa u t o m a t i c t u n e dp e t e r s e n - c o i l ，t h ew r i t e ra d d r e s s e sa ni m p r o v e m e n ts o l u t i o nf o r t w o p o i n ta n d t h r e e - p o i n tm e t h o dc o m m o n l yu s e dt om e a s u r eg r o u n dc a p a c i t o ra n dc u r r e n tt ot h er e a l s i t u a t i o n t h em e t h o de x p a n d se f f e c t i v ea p p l i c a t i o nd o m a i no fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i n t h er e s p e c to fl i n es e l e c t i o n ，t h ew r i t e rs u b m i t ss p e c i f i cp r o g r a mt oi m p r o v et h e 1 1 1 et w o i m p r o v e ds o l u t i o n sm a k ep e t e r s e n c o i la c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c ee f f e c ti nt h et w oa r e a so f f a s t - c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r c u r r e n ta l i g n m e n to fa n dl i n es e l e c t i o n n i sp a p e ra l s o c o m p l e t e sc i r c u i td e s i g no fc o n d i t i o n i n gf i l t e ra n ds i g n a la c q u i s i t i o ni np e t e r s e n c o i lg e n e r a l c o n t r o l l e r t h i sp a p e ra i m sa tc l a r i f 如n ga n ds o l v i n gt h ep r o b l e mt h r o u g ht h e o r e t i c a la 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 v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ne t c t h er e s u l t so f t h et h e s i sp o s s e s sp r a c t i c a lv a l u eo f p r o j e c t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，p e t e r s e n c o i l ，p a r a l l e lo p e r a t i o n ， c a p a c i t o r c u r r e n tm e a s u r e m e n t 华北电力大学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 配电网中性点接地方式概况1 1 2 消弧线圈并列运行方式发展现状2 1 3 消弧线圈并联运行控制策略概述4 1 4 谐振接地系统接地电容电流检测技术的概述5 1 5 本文的主要工作内容及研究成果5 第二章消弧线圈并联运行策略与故障选线技术分析7 2 1 谐振接地电网消弧线圈并联运行故障分析7 2 2 同一变电站消弧线圈并联运行动作策略8 2 2 1 消弧线圈并联运行方式9 2 2 2 消弧线圈并联运行阻尼电阻的选取。1 2 2 2 3 消弧线圈并联运行档位的选取1 8 2 。2 4 消弧线圈并联运行电容电流检测策略2 0 2 3 发电厂消弧线圈控制运行策略2 2 2 3 1 消弧线圈在发电厂系统中的应用2 2 2 3 2 消弧线圈在发电厂系统中的控制策略2 2 2 3 3 消弧线圈在天生桥发电厂的应用2 3 2 3 3 1 天生桥电厂情况2 3 2 3 3 2 天生桥电厂消弧线圈运行策略2 5 2 4 消弧线圈并联运行故障选线技术分析2 7 2 4 1 谐振电网各种故障选线技术2 7 2 4 2 消弧线圈并联运行故障选线技术2 8 第三章谐振接地电网分段母线消弧线圈并联运行仿真分析3 1 3 1 仿真模型的建立。3 l 3 1 1 输电线路模型和实现3 l 3 1 2z 型变压器建模与实现3 2 3 1 3 消弧线圈模型的建立3 3 3 1 3 1 调匝式消弧线圈模型的建立3 3 3 1 3 2 调容式式消弧线圈模型的建立3 3 3 1 4 系统仿真模型的建立3 4 3 2 谐振接地电网消弧线圈故障动作仿真分析研究3 5 3 2 1 消弧线圈分段运行仿真研究3 5 l 华北电力人学硕十学位论文 3 2 2 消弧线圈并列运行仿真研究3 7 第四章谐振接地系统接地电容电流测量技术4 l 4 1 中性点谐振接地系统电容电流测量4 l 4 1 1 电网电容电流4 l 4 1 2 电网电容电流的测量计算4 2 4 2 配电网电容电流检测的常用方法4 3 4 2 1 两点法4 3 4 2 2 三点法4 4 4 2 2 三点法改进处理方法4 5 4 2 2 1 三点法改进处理方法实例仿真分析4 5 4 3 注入电流测量方法的原理分析4 6 4 4 改进注入电流测量方法的实际数据分析4 7 第五章结论5l 参考文献5 3 致j 射。5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 华北电力人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 配电网中性点接地方式概况 配电网中性点接地方式大致分为三类：中性点有效接地系统、中性点非有效接 地系统和谐振接地系统。其中，中性点直接接地或经一低值阻抗接地系统属于有效 接地系统；中性点不接地、经高值阻抗接地或谐振接地属于中性点非有效接地系统； 中性点经消弧线圈接地属于谐振接地系统。中性点接地方式的选择是一个综合性问 题，它直接影响到系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保 护、继电保护、通信干扰等一系列问题。它是人们防止系统事故的一项重要应用技 术，是电力系统实现安全与经济运行的技术基础。 电力线路与大地之间总是存在电容。对于配电系统来说，由于电源中性点一般 不直接接地，当输电线路单相接地时流过故障点的电流不是短路电流，而是线路对 地电容电流【l 】。据统计，配电网的故障很大程度是由于线路单相接地时电容电流过 大而无法自行熄弧引起的。 在配电网发展初期，电力系统容量小，人们将绝缘故障的主要原因归与工频电 压的升高，从而低估了过电流的一系列危害作用，因此，电力设备的中性点最初均 采用直接接地方式运行【2 】。随着电力系统的扩大，单相接地故障增多造成频繁的停 电事故，于是，很多国家为了提高供电可靠性将直接接地方式改为不接地方式。而 后，由于工业的发展，人们对电力的需求量增大，输电距离延长( 发电厂远离负荷 中心) ，同时应城市电网改造的要求，电缆线路大量使用，系统接地电容电流大幅 度增加，这给原来以架空线路为主的中性点不接地系统带来新的问题： ( 1 ) 电容电流增大，接地点电弧不易自动熄灭，易产生间歇性电弧过电压和 铁磁谐振过电压，造成大量p t 烧毁事故； ( 2 ) 带故障运行时间长，健全相对地电压升高为线电压，当电网存在绝缘弱 点或污染严重时，容易引发异地两点接地故障。我国一些电网就曾发生过主变压器、 电压互感器、电流互感器、电容型套管以及管型避雷器的绝缘击穿，甚至爆炸烧毁 扩大成母线故障； ( 3 ) 单相接地故障难以快速准确检出，不及时隔离接地点，单相接地会发展 为相间短路故障。 虽然我国北京、天津等特大城市开始推广采用中性点直接接地运行方式，但就 全国范围的中压配电网，目前普遍采用的依然是谐振接地方式。 国内外运行经验都说明了谐振接地方式的电网运行可靠性最高，中性点经消弧 华北电力人学硕士学位论文 线圈接地电网在发生单相接地故障时，消弧线圈的作用主要体现在两个方面【3 j ： a 它接在变压器的中性点与大地之间，构成另一个回路，使接地点接地相电流 中增加了一个感性电流分量，与流过接地点的容性电流分量相抵消，大大减小了接 地点的电流，使电弧易于自行熄灭，接地电弧不能重燃，从而将单相电弧接地过电 压限制在2 3 3 2 倍额定相电压，限制了接地故障电流的破坏作用。 b 在故障消失时，降低故障相接地电弧两端的电压恢复速度，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。 当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的概率，有 效地抑制过电压的幅值，还可以抑制电压互感器的铁磁谐振过电压，有效防止p t 高 压爆保险的现象，同时由于接地残流更小，也最大程度地减小了故障点热破坏作用。 由于电网运行方式的每一次改变都对应着系统对地电容电流的改变。因此，在 谐振接地方式的应用中，关键在于系统正常运行时不应引起谐振过电压，发生单相 接地故障时应能够快速有效地补偿接地电流并消除各种瞬时接地电弧。所以，配电 网消弧控制的关键技术是其补偿控制调谐方式、接地电容电流检测及与其对应的故 障选线技术，消弧线圈的选取也是一个重要的方面。 1 2 消弧线圈并列运行方式发展现状 随着我国城乡电网改造快速推进，近几年来6 3 5 k v 配电网不断发展，电缆线 路广泛使用，线路的对地电容大幅度增加，因此，采用在电网的中性点加消弧线圈 来补偿单相接地故障时的电容电流，促使接地电弧自动熄灭，防止故障进一步扩大 的问题倍受人们关注。同时，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。然而，随着配电网规模的不断增大，电流也将不断增大，为进一步提高 配电网的供电可靠性，站内各个消弧线圈以及装设有消弧装置的变电站与变电站之 间的通过联络线联合运行( 本文称为牵手运行) 的可能性也不断增加。如何实现消 弧线圈的并联运行以加大补偿电流的范围和提高配电网补偿的灵活性，便成为电网 运行中亟需解决的问题。 单台电抗器容量不够时，也需要考虑多台并联补偿。而6 1 0k v 的自动消弧 装置是通过接地变压器接入线路或经开关接入变电所的母线。变电所的母线，一般 为双母线、多母线或单母线分段，一所变电站通常有2 组到3 组消弧线圈运行，在 运行中有时需要分母运行，有时需要并母运行。如果每条母线或每段母线装一套自 动消弧装置，在运行中要求自动消弧装置既能独立运行，又能并联运行，那么相关 的消弧线圈并列运行策略便应运而生。变电所与变电所之间也要考虑并列运行，而 2 华北电力人学硕十学位论文 且还应能适应不同变电所联网运行的需要。此外，新型的自动消弧装置还应能与老 式消弧线圈并联运行。 消弧线圈并联的形式一般有两种，第一种形式：实际中可能出现三个站、四个 站乃至多个站之间的牵手运行。由于消弧线圈的数目随着配电规模的增大而增多， 于是当变电站出现牵手运行时，如果各个变电站都装设有消弧线圈或者其中几个变 电站装设有消弧线圈，就不可避免地出现消弧装置的并联运行的现象。第二种形式： 在同一个变电站内，变电所的母线，一般为双母线、多母线或单母线分段，在运行 中有时需要分母运行，有时需要并母运行。如果每条母线或每段母线装一套自动消 弧装置，在运行中要求消弧装置既能独立运行，又能并联运行。 现阶段，各种消弧线圈并联运行中存在许多问题： 1 ) 动态调节式自动消弧装置之间的并联运行问题( 以直流偏磁式消弧线圈为例) 直流偏磁式消弧线圈单套装置运行时，可以进行补偿，但是不能用于多套装置 的并联运行。因为这种型式的清弧线圈在正常运行时不加直流偏磁，感抗较大。若 两套并联运行，其中一套在测量时感知不出另一套的补偿情况，结果每套都测量到 整个电网的电容电流值，在电网发生单相接地故障时，每套都单独地对电网进行全 补偿，造成接地残流比无补偿时还大。因此，直流偏磁式自动消弧装置不能适应多 套并联运行。 2 ) 档位调节式自动消弧装置之问的并联运行问题 档位调节式自动消弧调节装置是可以多套并联运行的，但是要求其中一套在测 量调感时，其余必须闭锁，再者，由于调抽头式调感是分级的，并联的各套装置难 以找到最佳补偿点。当其中一套调整档位后，势必会造成并联运行的其他套的位移 电压变化，以致轮番调档，频繁动作，最终导致换为手动而失去自动性。 3 ) 预调式自动消弧装置之间的并联运行问题 此种消弧装置并联运行时遇到的问题其实和档位调节式自动消弧装置之问的 并联运行问题基本相同，当其中一套调整气隙或者调整线圈时，中性点电压也要发 生变化，造成中性点电压不稳定变化，从而引起各套装置频繁调节。 4 ) 不同种类消弧装置之间的并联运行问题 首先来分析动态调节式消弧装置与档位调节式或者预调式消弧装置并联运行 时的情况。由于动态调节式消弧线圈正常情况下远离谐振点运行，于是变电站之间 的牵手运行网络的电容电流将全部由档位调节式或者预调式消弧线圈独自承担。假 设容量足够大，当发生单相接地时，动态调节装置将测量一个较小的感性电流，发 生调节错误；假设档位调节式或预调式容量不够大，将会满补偿，失去调节自动性， 造成不协调调节。档位调节式和预调式消弧装置之间的并联运行和档位调节式之 间、预调式之间的并联运行情况基本相同，也是造成中性点电压的不稳定变化，从 而引起档位和调节位置的频繁调节。 3 华北电力人学硕十学位论文 1 3 消弧线圈并联运行控制策略概述 现阶段，消弧线圈并联运行控制策略有以下几种方式： 自动并联方式：所谓自动并联，是指接入电网的消弧线圈之间不需要通信联络， 各自独立地进行调谐，每一台测得的电容电流都是其他消弧线圈补偿后剩余部分，补 偿电流随机地进行分配。这种方式适用于预调式消弧线圈的并联。由于各消弧线圈 相互独立，不受通信的限制，可随时加入新的消弧线圈并联运行，适应电网的能力很强， 但必须有状态识别功能，即能将正常的线路投切状态与调谐状态识别出来，当一台消 弧线圈调谐时，其他消弧线圈能够闭锁不动，而在线路投切后，又能正确地进行跟踪。 状态识别功能是自动并联的关键，否则消弧线圈的并联就成了轮番调谐，无法停止。 自动并联方式不仅适用于预调式消弧线圈之间的并联，而且适用于预调式消弧线圈 与老式消弧线圈之间的并联。 主从并联方式：主从并联方式是指网络中的消弧线圈，选取调节范围较大的一台 作为主机，其他作为从机。主机负责电容电流的检测，各从机将自己的电气量传送给 主机，包括当前的补偿位置( 感抗值) 、补偿电流、调节范围、容量等，主机在收到从机 传来的信息后，启动调谐，进行电容电流的检测，检测完毕后按照各从机的容量和调节 范围进行补偿电流的均衡分配。主从并联方式消弧线圈的总调谐次数为n + l ( n 台并 联1 。主从并联方式不仅适用于预调式消弧线圈之间的并联，而且适用于随调式消弧 线圈之自j 的并联，以及随调式和预调式消弧线圈之间的混合并联。但缺点也很明显， 由于各消弧线圈之间的依赖性较强，适应电网的能力较差；同时，需要各厂家统一通讯 接口、通讯协议以及调谐程序。另外需注意的是，主机在调谐时，从机亦需要闭锁，否 则主机检测的电容电流就不正确，这可通过主机发布使从机闭锁的命令来完成。 集中控制方式：对于环网运行变电所之间消弧线圈的并联，由于各变电所相距较 远，接入的消弧线圈的数目多，通讯的成本和技术难度较大，从而提出了利用调度端上 位机进行统一控制的思想，笔者称其为集中控制方式。这种方式视消弧线圈为配电网 络的一部分，利用r t u 对各个分散并联的消弧线圈的电气量测量采集，将各个电气量 经过通信系统送至调度中心数据库。通过一套优化控制程序，调用数据库数据计算出 整个配电网总的电容电流，然后再经通讯系统将控制信息传到消弧线圈，对其加以调 节控制。此种方式利用r t u 和调度端上位机之间现有的通讯，在调度端运行优化控 制程序进行控制，方法上是可行的，但对于种类繁杂的消弧线圈的混合并联来说，因随 调式消弧线圈正常运行时远离谐振点( 补偿位置) ，给预调式消弧线圈的调谐和电容 电流的检测造成了困难，这种情况下随调式和预调式消弧线圈传给调度端上位机的 电气量是不j 下确的，优化控制程序无法使消弧线圈达到良好的补偿效果。解决的办法 是在变电所内部进行主从并联，变电所之间进行集中控制。假设环网运行的变电所 中消弧线圈的总台数为n ，采用集中控制方式总的调谐次数为n + 2 。 4 华北电力人学硕十学位论文 1 4 谐振接地系统接地电容电流检测技术的概述 规程规定：当1 0 k v 和3 5 k v 系统电容电流分别大于3 0 a 和1 0 a 时，就应装设 消弧线圈补偿系统接地电容电流，否则，将会在单相接地时由于电弧重燃，产生很 高的过电压，危及健全相的绝缘而造成两相短路故障。因此，对配电网的电容电流 进行经常监测，对电容电流大的配电网采用消弧线圈进行补偿，或采取相应的限制 过电压的措施。 在谐振接地系统中，及时、准确地测量系统的接地电容电流，从而根据系统电 容电流的大小装设适当容量的消弧线圈，并采用合适的调谐控制方法，避免电弧重 燃产生过电压，是保证系统供电可靠性、保证配电网安全运行的不可缺少的重要前 提。 电容电流检测的方法多种多样，各有利弊。对于自动调谐消弧线圈谐振接地系 统的以中性点位移电压法居多，主要用作自动调谐消弧线圈的检测控制。这种方法 利用改变接入系统的消弧线圈电感值( 改变分接头、改变档位、调节电子开关、调 节直流偏磁等) 来改变系统的中性点位移电压，通过测量消弧线圈在不同设置值时 的中性点位移电压，采用计算方法得到系统的接地电容电流。中性点位移电压法常 用的有两点法、三点法、疡法等。彗。 ( 1 ) 两点法：是一种比较常用的方法，应用时先调节消弧线圈至某一电感值， 测得中性点位移电压；然后再调节消弧线圈至某一电感值，测得中性点位移电压， 之后利用公式求得系统接地电容电流。秽 ( 2 ) 三点法：调节消弧线圈使之分别为三个电感值，将相应的电感值和中性 点位移电压数值代入公式，求得系统接地电容电流【”1 。 ( 3 ) e o 法：利用消弧线圈未投入运行时测得的不平衡电压疡来实时跟踪谐振 接地电网电容电流。疡法只用于跟踪电容电流变化，不用于精确计算和调谐主消弧 线圈【l o 】。 此外，谐振接地系统中的自动调谐消弧线圈还应用调频法等。目前现场广泛采 用的以及我们与企业合作研发的消弧控制器所使用的即为两点法、三点法和疡法。 其中，两点法忽略谐振系统的阻尼，使计算得到简化；三点法考虑了系统阻尼，精 度较两点法更高。但无论哪种方法，在实际应用中的某种特定场合，都会遇到特殊 问题，影响接地电容电流的检测精度。因此，谐振接地电网的电容电流检测方法的 研究是一个极具现实意义的课题。 1 5 本文的主要工作内容及研究成果 本文工作是与企业合作的横向科研课题的相关研究内容，以自动调匝式和调容 5 华北电力大学硕士学位论文 式两种消弧线圈为主体，对于同一母线两种消弧线圈的并联运行调谐控制方式，开 展提高接地电流检测精度及故障控制策略的技术研究，完成基于工控机的消弧线圈 并联运行控制策略设计和通用控制器的部分研发工作，并按照合作方提出的要求对 特定接地故障进行分析研究。具体工作内容及研究成果如下： ( 1 ) 通常情况下，配电网变电站母线有一组消弧线圈保护。由于线路的发展， 合作方提出同一变电站分段母线即分开的消弧线圈并列运行的案例，要求开展有关 同一母线消弧线圈并联运行控制策略及其相关特性的研究，进而弄清这种情况多台 消弧线圈并联运行时各种电气参数特性以及运行控制策略。本文首先以安徽芜湖天 门山变电站谐振接地电网为例，对变电站并联运行的两组消弧线圈并运情况特征进 行了分析。为了模拟配电网真实的情况，基于m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真环境，搭建 了谐振接地系统的配电网络仿真模型并综合考虑不同短路时间、不同母线短路情 况、不同调谐补偿方式等多个因素对配电网谐振接地系统的影响，进行了大量仿真， 弄清了故障特征，为消弧线圈并联运行控制策略提供了依据。 ( 2 ) 两点法、三点法接地电容电流检测方法的补充改进措施研究。由于谐振 接地系统广为应用的两点法、三点法接地电容电流检测方法在实际应用中有一定的 局限性，因此，如何在两点法、三点法的基础上，提出改进措施，是极具现实意义 的研究工作。 。 本文从实际出发，针对现场设备的灵活性，改进了传统的三点法，更加丰富了 三点法的应用技巧，改进了传统的电容电流检测方式。 本文针对谐振接地系统在对称性非常好时，两点法、三点法不再适用的情况下， 提出基于改进注入电流测量方法的补充方案。该方案作为接地电容电流检测的一个 补充改进措施，本文基于前人的理论基础上，通过改进、试验不同注入电流测量方 法的装置做了相应的现场验证，效果明显，可有力的补充消弧线圈对地电容电流检 测技术手段的不足。 ( 3 ) 本文完成了消弧线圈通用控制器信号采集、滤波、调理电路的开发设计 以及消弧线圈并联运行的控制程序。并联运行的消弧线圈何时动作，如何互补调谐， 如何检测需要完备的控制程序，对于程序的编写好坏将直接影响控制策略的运行情 况。此外，并联运行的消弧线圈工作无论是在系统j 下常运行时设置工作点及系统发 生故障时进行调谐补偿，还是熄弧后进行故障选线，都要通过检测系统的接地电容 电流以及系统的零序电压来实现。需要检测的电压信号和电流信号取自电压互感器 和电流互感器，此信号一般不能直接送入高速数据采集卡，一个是信号值不匹配， 另外信号中含有的噪声信号在送入采集卡前也应滤除。控制器的信号采集滤波调理 电路就是用于完成这项工作。 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章消弧线圈并联运行策略与故障选线技术分析 2 1 谐振接地电网消弧线圈并联运行故障分析 如图2 1 所示为谐振接地电网同一变电站分段母线消弧线圈并联运行故障的电 流分布图，图中每一回馈出线路用一组独立的集中对地电容c 表示，且所有未接地 线路集中以一条馈线表示。对零序电流而言，线路或其他元件 l i 毒0 ，工上j 上广 l 一- j： l l b ： 一i l o p i j l l c ， l ：下七 工工i 工i 。 il - ? t 一地l l i l 工工i 工l u 。 l l 一一一一一一一一一一一一一- h 。一 b ： 一l _ l 芦 上上一= “ 工工 =l i 图2 1 并联消弧线圈系统单相接地故障电流分布 的串联阻抗，比以线路对地导纳的并联阻抗小的多，因此可忽略不计。此时，接地 故障电流由各相对地电容和中性点的消弧线圈的电抗构成的回路决定。 根据戴维南定理，可把图2 - l 简化为图2 2 ，由于线路阻抗比对地电容3 0 0 小得 多，故可忽略不计。图中，系统对地电容故障线路c i 、正常线路c ，正常线路g ， 正常线路g ，经过同一变电站分段母线流过正常线路的接地电流总和为k ，k ， k ，流过故障线路的电流为厶。，流过一段消弧线圈的电流为，流过二段消弧线 圈的电流为，。四回并联支路的电压均为以。 7 华北电力大学硕七学位论文 图2 - 2 等值电路 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，即此时三相对地的泄露电阻( 或电导) 相等( ，= | = = 乇= ， g = g 占= g c = g o o u b a = c , c l + a + 2 c 2 c 2 + + g a c 36 一禹6 一 协， 从图2 - 2 可见，中性点电压计算公式为： 抚：羔沈：j 粥兰墨垃鳖一u 。b a (22)1 圪+ 五 讹+ g + g ) + 3 9 0 + - + ：+ 硐 各线路电流： ，。l 5u o 朋c l ；1 0 22 u oj w 3 c 2 ；1 0 32u oj w a c 3 ；，埘2u oj w 3 g ；i l - - j m l u 。町o ( 2 3 ) 谐振接地电网同一变电站分段母线消弧线圈并联运行故障与一般消弧线圈单 相接地故障从根本上说是类似的，只是并联运行的消弧线圈之间通过改变运行策略 而有不同的电感电流。 可见，故障线路流过的零序电流取决于中性点电压，而中性点电压显然又与故 障线路的接地电阻有关。这些特征直接影响着消弧线圈并联运行控制策略，所以有 必要就此问题开展深入的研究。 2 2 同一变电站消弧线圈并联运行动作策略 随着我国城乡电网改造的快速推进，近些年来6 - 3 5 k v 配电网不断发展，电缆 8 t 1 r 甄 l 一3 一+ _ 粥 i 华北电力人学硕士学位论文 线路被广泛使用，线路的对地电容大幅度增加，因此，采用在电网的中性点加装消 弧线圈来补偿单相接地故障时的电容电流，促使接地电弧自动熄灭，防止故障迸一 步扩大的课题倍受人们关注。同时，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。然而，随着配电网规模的不断增大电流也将不断增大，为进一 步提高配电网的供电可靠性，站内各个消弧线圈以及装设有消弧装置的变电站与变 电站之间的通过联络线联合运行( 本文称为牵手运行) 的可能性也不断增加。如何 实现消弧线圈的并联运行以加大补偿电流的范围和提高配电网补偿的灵活性，便成 为电网运行中亟需解决的问题【3 】。 对于同一变电站，由于配电网规模日益庞大，加之电缆线路的使用大量增多， 使得接地故障的接地电流急剧增大，原先安装的单台消弧线圈有的已不能满足补偿 要求，只好再增装消弧线圈，形成站内多台消弧线圈并联运行的局面。 站内多台消弧线圈并联运行，与母线的接线形式有很大关系。站内母线，一般 为双母线、多母线或单母线分段，在运行中有时需要分母运行，有时需要并母运行。 如果每条母线或每段母线装一台消弧线圈，在运行中则要求消弧线圈既能独立运 行，又能并联运行，这就需要完备的消弧线圈并联控制策略。 2 2 1 消弧线圈并联运行方式 从消弧线圈的调谐方式和运行情况来看，消弧线圈并联运行，通常采用自动并联 和主从并联运行方式。 自动并联运行方式的消弧线圈，一般为可调谐消弧线圈，各自独立进行调谐，每 台消弧线圈测得的接地电容电流都是其他消弧线圈调谐补偿量后的剩余部分，补偿 电流随机进行分配【l ”。这种方式要求每台消弧线圈必须具有状态识别功能，能将正 常的线路投切状态与消弧线圈的调谐状态识别出来，即当一台消弧线圈进行调谐改 变了自身投入系统的电抗时，其他消弧线圈能够闭锁不动，不能因j 下在调谐的消弧线 圈因调谐需要而改变了参数时，误认为是线路参数发生了变化而作调整，这样便会 发生连锁反应，造成调谐逻辑混乱，使系统中的消弧线圈不能稳定而可靠的工作【4 1 。 而当线路有了投切变化后，又要求并联运行的消弧线圈能正确地对系统接地电 容电流进行跟踪，根据系统中所装设的每台消弧线圈的容量，各自调谐控制特点及 其接入系统的位置，以及系统接线和母线运行方式等具体内容，确定每台消弧线圈 的调谐控制方式及补偿容量分配【2 3 1 。 可见，状态识别功能对多台消弧线圈的自动并联运行极为重要。如果没有准确 的状态识别，消弧线圈的并联运行就会发生轮番调谐的恶性循环而无法停止。 消弧线圈多台并运的主从并联方式，一般是两种组合：自动调谐消弧线圈加固 9 华北电力火学硕+ 学位论文 定消弧线圈，大补偿容量加小补偿容量自动调谐消弧线圈。在这两种组合中都是选 取前者作为主消弧线圈，而其他作为辅从。 主从并联适用于预、随调式消弧线圈间的并联及混合并联【5 】。但由于各消弧线 圈间的依赖性较强适应电网的能力较弱；同时，需各厂家统一通讯接口、通讯协议 及调谐程序，这在目前有一定难度；需注意的是，调谐主机时需闭锁从机，否则主 机检测的，不正确，这可通过主机发布使从机闭锁的命令来完成【6 1 。应选用j 。调节范 围最大的一台作为主机；如预、随调式消弧线圈混合并联，应选用随调式消弧线圈 作为主机。母线分裂运行后，应迅速解除主机与相关从机的并联，这需要增加检测 母线分合的手段和设备，母线分合的信号必须传送给主机。 主从并联运行方式要求主消弧线圈负责系统接地电容电流的检测，检测完毕后 按照各辅从消弧线圈的容量和调节范围进行补偿电流的均衡分配。但现实问题是： 主消弧线圈与辅从消弧线圈一般结构形式不同，控制方式不同，甚至诸如有载开关 等的执行结构也不同，因而如何实现主、辅消弧线圈的理想统一协调，是主从并联 运行方式的关键技术。 另外，大补偿容量加小补偿容量自动调谐消弧线圈组合，也要求j 下确的状态识 别功能，否则同样会因一台消弧线圈的动作而引发全部消弧线圈的连锁反应动作， 而使主机检测的电容电流不正确。 图2 3 天门l i l 变电站母线接线图 针对芜湖天门山变电站( 天门山变电站，两台主变容量为5 0 0 0 0 k v a ，1 0 k v 1 0 华北电力人学硕十学位论文 两段母线分段运行，每段系统中性点均经消弧线圈接地。i 段消弧线圈为调匝式， 北京电力设备总厂生产，生产日期：2 0 0 4 年8 月。i i 段消弧线圈为调容式，上海思 源电气有限公司生产，生产日期：2 0 0 8 年8 月。) 的情况，可根据实际情况天门山 变电站，制定相应的并联运行方式，也可以为以后的消弧线圈并联运行提供参考意 见。 1 ) 根据母线开断效果制定并联运行策略。当两段母线各自补偿自己所带线路 的电容电流时，母联断开，即相当于两组消弧线圈分别独立运行，分别测量记录需 要补偿的电容电流，确定档位；母联闭合，不影响系统的稳定，不做过多繁琐的档 位调整，有利于同一变电站并联运行消弧线圈的稳定运行。但是，此种方式的要求 是两段母线消弧线圈可以独立完成本线路的消弧策略，如有一台消弧线圈无法满足 补偿度要求，或一台消弧线圈检测装置不能有效测量对地电容电流则不能轻易并联 母线，使两段母线并联运行；另外，对于并联后的电容电流检测部分也应作出调整， 避免调谐混乱。 2 ) 根据消弧线圈容量制定并联运行策略。根据消弧线圈容量不同设定补偿容 量，便于管理。母联闭合时，其中一台消弧线圈进行调谐，其他消弧线圈需要闭锁， 然后根据调谐结果进行消弧档位确定以及控制动作策略。母联断开时，两台消弧线 圈各自独立调谐，独立运行。这种方式简洁明了，对于消弧线圈的使用比较完全， 缺点是测量分配补偿电流的策略不易控制。 3 ) 在补偿能力范围内，各补偿。一半电容电流。这种方式，计算简单，直观易 于接受，便于管理。缺点是母联断开和闭合是要采用不同的控制策略，闭合调谐时 需要闭锁其他消弧线圈。 4 ) 根据不同种类型的消弧线圈调整是否方便制定并联运行策略。针对天门山 变电站同一母线并联的两台消弧线圈，调容式消弧线圈的档位调节要快于调匝式消 弧线圈的档位调节，检测方法也比调匝式消弧线圈方便，有效，即设定调匝式消弧 线圈为固定补偿容量而通过改变调容式消弧线圈的档位来适应配电网电容电流的 变化情况。这种方式有利于消弧策略的制定，易于理解，符合客观条件，容易操作。 5 ) 根据不同消弧线圈的投入年限及寿命来制定并联运行策略。投入时间早的 消弧线圈可少分配投入容量，有利于增加其寿命。基于延长消弧线圈使用年限的目 的，合理控制几台消弧线圈不因某台消弧线圈无法投入而损失补偿功率，而失去并 运控制能力。缺点是制定补偿策略繁琐，不易理解。 本文提出一种简单的状态识别技术，以应用于天门山变电站现场并以实验验 证。 由于系统母线运行方式不能任意改变，我们采用将两台控制器的母线状态信号 接收端人为置l 及置0 的方式来进行测试。 两台控制器的母线状态信号接收端置l ( 表示两段母线并联运行) l 号控制器 1 1 华北电力大学硕+ 学位论文 ( 主控制器) ：有调档动作，说明具有自动跟踪检测系统接地电流的功能，检测并 运接地电流值为5 7 3 a ( 实际为一段母线的接地电流) ，设置l 号消弧线圈档位为o 档( 4 0 a ) 。2 号控制器：不再有任何调档动作，说明2 号控制器接收到并运指令， 不再自行调档进行接地电流检测。设置2 号消弧线圈档位为1 l 档( 1 8 a ) 。此档位 设置值来自l 号控制器。两台消弧线圈总补偿电流为5 8 a 。两台控制器的母线状态 信号接收端置0 ( 表示两端母线分列运行) l 号控制器( 主控制器) ：仍有调档动作， 说明具有自动跟踪检测系统接地电流的功能，检测接地电流值为5 7 3 a ( 一段母线 的接地电流) 。设置1 号消弧线圈档位为0 档( 4 0 a ) 。l 号消弧线圈补偿容量不够， 只能设置在最大档位。2 号控制器：有调档动作，说明在母线分列运行时具有自动 跟踪检测系统接地电流的功能，检测接地电流值为1 1 2 a ( 二段母线的接地电流) 。 设置2 号消弧线圈档位为1 4 档( 1 2 a ) 。所以，l 、2 号控制器状态识别功能正常， 能够识别系统是并列运行还是分列运行；l 、2 号控制器逻辑控制功能正常，并列运 行时，全部接受l 号主控制器的指令，分列运行时各自能独立工作；l 、2 号控制器 均能按指令电流值设置档位，补偿功能正常。 2 2 2 消弧线圈并联运行阻尼电阻的选取 在消弧线圈接地系统中，阻尼电阻的正确选取是消弧线圈能够可靠，正常运行 于系统的保证，意义重大。 补偿电网在运行中可能会有多种过电压，其中谐振过电压出现频繁，危害性较 大。通过在消弧线圈回路接入大功率电阻的方式，可以降低过电压的幅值和出现过 电压的概率，可使正常运行时中性点最大偏移电压不超过相电压的1 5 ，满足规程要 求。在交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定：“消弧线圈接地系统，在 正常运行情况下，中性点长时间的电压位移不应超过系统相电压的1 5 ，消弧线圈 宜采用过补偿运行方式 。在调节消弧线圈电流，时，必须兼顾两方面因素：其一， 使接地残流l 小于5 a ，以利于熄弧；其二，正常运行时中性点位移电压“满足 u o 2 丢时，& ，s ：为不相等的实根。过阻尼情况。 1 6 华北电力人学硕十学位论文 b ) 尺= 2 、居时，& ，s ：为两个相等的实根。临界阻尼情况。 c ) r 2 考。针对芜湖天f 山变电站要求母线消弧线圈并联运行的情况， 2 后焉堋6 舶q ，需如蜥舶q 。 单纯从阻尼电阻出发来保证抑制谐振的目的是很困难的，同样从二阶电路出 发，品质因数是保证串联谐振电路能否安全的重要参数。品质因数即：q 2 素、昙， 1j ， 如果q i ，则有u c = u l u ，当q 远大于1 时，表明在谐振时或接近谐振时，会在五 电感和电容的两端出现大大高于外施电压的高电压，正因为如此，我们需要控制r 和l 来抑制这种过电压，而其中重要的参量7 7 成为关键。r ：旦，由图2 - 6 可见，r 与流过阻尼电阻的电流，与电感两端的电压都有紧密的联系，有效控制7 7 就能保证 振荡幅值不超过规定要求，并使流过阻尼电阻的电流尽量小，从而保证系统的稳定 运行。 图2 - 6 串联谐振电路通用曲线 可见，只要偏离卵= l ，即可以有效抑制电阻的过电压，通过减小电感l 的数值， 合理配置过补偿位置，可以降低电感两端的电压，从而实现中性点电压不会过高， 威胁系统的安全。 另外，选取阻尼电阻还应该从补偿电容电流出现的有功分量来考虑。从这个角 度出发来看，电阻的选取自然是越小越好。 1 7 华北电力人学硕+ 学位论文 所以，阻尼电阻的选取经权衡应取2 0 f l 左右为最佳，过补偿1 0 可达到有效 抑制振荡幅值，并保证系统中性点电压不超过规定相电压的1 5 。 2 2 3 消弧线圈并联运行档位的选取 消弧线圈的运行原则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：3 5 k v 消弧线圈的运行需要满足以下三个原则：一是1 0 k v 系统中当线 路对地电容电流，r 大于2 0 a 时方投入消弧线圈，且应为过补偿，即i ， ，? 2 0 a ； 二是消弧线圈补偿后的残流小于1 0 a ，即，。i r 1 0 a ；三是投入消弧线圈后变压器 1 0 k v 中性点电压偏移率k 小于1 5 ( 中性点对地电压砜不超过相电压玩的 1 5 ) ，即u o i l m 觚，调谐至上限位雹；反之 调谐至下限位置； i l i m i n 1 5 a 疋，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，因此零序电流五次谐 波分量在中性点经消弧线圈接地系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波 分量相同的特点，再利用群体比幅比相算法等，即可解决中性点经消弧线圈接地系 统的选线问题【i5 1 。但由于受谐波分量较小及电压互感器、电流互感器对五次谐波的 附加失真等运行条件的限制，在系统发生单相接地故障时，采集到的电流较小( m a 级) ，这样筛选出的谐波分量将严重影响选线的准确性，从而造成选线装置误选线。 这种方式不需要考虑一次设备，完全可以从二次装置上来解决【2 4 1 。 ( 2 ) 零序电流增量法 在系统发生单相接地故障时，采集一次各线路的零序电流，使消弧线圈进行相 应调节，之后再对电容进行第二次凋档，增大消弧线圈的失谐度，使各线路的零序 电流发生改变，其中变化量最大者即为接地线路，而其它线路的零序电流基本不变。 此方