（电力系统及其自动化专业论文）配电网消弧选线技术的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网消弧选线技术的研究， 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：蹇啦日 期： 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) 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 我国电力系统常用的接地方式有四种：中性点直接接地、中性点经消弧线圈( 消 弧电抗器) 接地、中性点经电阻器接地、中性点不接地。我们把这四种接地方式归 结为两类接地系统，即中性点有效接地系统、一中性点非有效接地系统。中性点直接 接地或经低值阻抗接地的系统称为有效接地系统；中性点不接地、经高值阻抗接地 或经消弧线圈接地的系统，称为中性点非有效接地系统，其中把中性点经消弧线圈 接地系统，称为谐振接地系统。 德国作为消弧线圈的发源地配电网大多采用谐振接地方式，并于上世纪3 0 年 代提出反映接地故障开始时暂态过程的单相接地保护原理；法国在使用小电阻接地 系统几十年后，对原有配电网进行改造与重建，采用了以谐振接地为主的中性点接 地方式，同时提出并应用了零序导纳接地保护原理；然而在美国，谐振接地系统的 单相接地保护被认为难以实现且引起的过电压严重，他们宁愿在供电网架结构上多 投资以保证供电可靠性，也不采用谐振接地系统，配电网中性点主要采用电阻接地 方式，利用过电流保护瞬间切除故障线路，其故障跳闸仅用于中性点经小电阻接地 系统，对大电阻接地系统，当发生接地时仅有报警功能【1 】【2 】。 目前，中性点经消弧线圈接地运行方式在我国配电网中已经得到广泛应用。采 用该接地方式的系统一旦发生单相接地，会有下面的优点：( 1 ) 能使故障点的残余 电流大大降低，使电弧不宜重燃，不宜形成弧光过电压。( 2 ) 不需要立即中断供电， 按照规程，仍可继续运行1 2 小时，提高了供电可靠性。但是由于接地点的电容电 流得到消弧线圈电感电流的补偿，故障线路的零序电流变小，使得故障选线变的更 加困难。自从谐振接地方式得到应用以后，国内外很多专家学者均在该方面开展了 广泛深入研究。 1 2 存在问题 近年来，随着我国国民经济的发展，城乡电网正在进行大规模的改造，城乡电 网中性点接地方式也随之发生了一些变化。对于农村电网，目前大都采用架空线路， 所以中性点接地方式基本上采用不接地或经消弧线圈接地方式。但近些年来，城市 大量现代电气设备的应用、负荷密度的不断增加，对供电质量和可靠性提出了更高 的要求。在我国城市1 0 k v 配电网的建设与改造中，越来越多的使用地下电缆送电， 电容电流随之增大。随着电缆线路比例的逐年上升，出现了以电缆为主体的电网。 华北电力大学硕士学位论文 但电缆线路中接头是绝缘薄弱点，加上城网中干式变压器等绝缘薄弱设备的广泛采 用，较大的接地电流烧坏设备及过电压引起电缆击穿，造成多回路停电的事故时有 发生。因此，需要从中性点接地方式、保护设备等方面采取相应措施【3 】。 在谐振接地系统中，消弧线圈存在的主要问题是单台容量偏小、调谐范围窄、 抽头调整困难，单相接地时不能灵敏地对故障残流进行有效补偿等缺点。人们为此 研制了直流偏磁式、调容式、有源注入式等多种消弧线圈，使消弧线圈技术有了一 次飞跃，但都不同程度的存在一些缺点，没有很好地解决上述问题。所以，进一步 拓宽思路，在消弧线圈技术上有所突破，仍然是当务之急【4 】。 自动调谐消弧技术的迅速发展，新型故障检测装置的出现，使事故后故障点的 搜寻和事故处理能力有了很大的提高。华北电力大学小电流实验室始终走在故障选 线技术的前列，但在选线技术与消弧线圈的配合问题上仍需进一步的深入研究，更 好的解决选线与消弧这对矛盾问题，这也成为本课题研究的重要方面。 1 3 解决方案 为了解决当前面临的诸多问题，本课题通过现场运行资料分析和理论研究，为 配电网中性点接地方式的选择提出科学合理的建议。 消弧线圈是问题的核心，我们试图研究一种既有良好消弧效果，又可以配合选 线装置准确选线，且造价低廉、稳定可靠的新型消弧线圈。 本课题引入变压器的电子式有载分接开关技术，将其应用于消弧线圈，充分发 挥电子分接开关的优势，制作电子式多分接头自动调谐消弧线圈。该装置主要具有 一下三大优势： 1 ) 响应速度快。故障发生与消除时可实现消弧线圈的迅速投切。 2 ) 可跨档调节。解决了传统消弧线圈调谐只能逐档增减的弊端。 3 ) 运行寿命长。电子开关无机械动作，使故障率大大降低。 图1 1 消弧线圈结构示意图 丢 华北电力大学硕士学位论文 该装置由细调和粗调两部分构成，细调部分为一个8 抽头的消弧线圈，分别由 8 个晶闸管控制开断，为了降低晶闸管的耐压等级，增加一降压变压器作为辅助装 置。8 抽头的消弧线圈为了提高其补偿精度，必然要缩小补偿范围，为此需要增加 一些定制电抗器来扩大补偿范围，称为粗调部分。粗调部分电抗器的投切对速度要 求不高，且要承受较高电压，可采用真空开关予以控制，如图1 1 所示。系统正常 运行时消弧线圈处于远离谐振点运行，当系统发生单相接地故障时，迅速投入到全 补偿点。若判断发生了永久性故障，消弧线圈进入选线工作状态，改变所补偿的感 性电流大小，通过残流增量法，选线装置便可判断出故障线路。 采用残流增量法有可能会使故障点的故障情况恶化，因此在保证正确选线的前 提下，需尽可能减小残流增量。在此提出一种改进的残流增量法予以解决。 1 4 研究内容 本论文的研究工作主要分为以下几个部分： 1 ) 中性点接地方式分析( 第二章) ：介绍了中性点经消弧线圈接地和经低阻接地这 两种接地方式的特点，并在线路故障、保护和过电压方面进行了深入的探讨， 针对配电网中性点接地方式的选择阐明了自己的观点。 2 ) 电子式多分接头自动调谐消弧线圈( 第三章) ：研究消弧线圈运行机理，为消弧 线圈制定合理的运行方式。制作新型消弧线圈实验装置，解决其硬件控制问题， 并进行了物理实验。 3 ) 改进残流增量法的研究( 第四章) ：研究谐振接地系统对选线的不利影响及残流 增量法的选线原理，在算法上对现有的残流增量法进行改进，并利用计算机仿 真进行验证。 4 ) 残流增量发生装置的设计与开发( 第五章) ：由于新型消弧线圈并未推广，跟据 现场实际情况，为配合残流增量法选线，研制残流增量发生装置，并给出具体 设计方案，作为新型消弧线圈的辅助设备。 华北电力大学硕士学位论文 第二章配电网中性点接地方式分析 配电网的中性点接地方式问题是电网建设的基础问题之一，接地方式的合理选 择是建设高供电可靠性配电网的重要保障。本章将通过理论分析，结合电网运行状 况，为中性点接地方式的选择提出建议。 2 1 中性点接地方式概述 中性点接地方式经过了一个长期的发展。初期，电力系统的容量较小，当时人 们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因，对电力设备耐受频繁过电流冲击的能 力，故障电流的一系列危害作用估计不足，所以，电力设备的中性点最初都采用直 接接地方式运行。而后，电力系统不断扩大，单相接地故障增多，线路跳闸频繁， 于是便将直接接地方式改为不接地方式运行。随着电网的继续发展，传输容量扩大， 线路距离增长，电压等级升高，使得线路发生单相故障时，在故障点产生很大的接 地电容电流，由此形成的电弧很难熄灭，同时间歇电弧引起的过电压往往使事故扩 大，降低了电网运行的可靠性。 为了解决上述问题，人们采取了两种不同的方法。以德国为代表的欧洲国家采 用中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障，目前在欧洲大陆 3 k v 1 3 2 k v 电压等级的系统中，中性点经消弧线圈接地现已发展成为主流的中性 点接地方式；以美国为代表的国家采用了中性点直接接地和低电阻、低电抗等接地 方式，配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路【5 】【6 】【7 】。 中性点经消弧线圈接地和经低阻接地是我国配电网两种最具代表性的接地方 式。早期的电网主要采用传统消弧线圈接地，而近些年我国的配电网进行了大规模 改造，在城市电网中出现了低阻接地方式【8 】。一些人认为低阻接地方式是一种更先 进的接地方法，有的地方把消弧线圈接地改为低阻接地方式。随着电力技术的发展， 消弧装置及其配套的选线技术克服了传统消弧线圈的种种缺点取得了巨大进步。在 这样的背景下，为建立一个既高效可靠又满足未来需求的配电网，探讨配电网中性 点接地方式显得意义深刻。 2 2 不同中性点接地方式的特点 中性点经消弧线圈接地方式亦称为谐振接地，具有以下优点；( 1 ) 发生单相接 地故障时，消弧线圈产生的感性电流补偿电网产生的容性电流，可以使故障点电流 接近于零，一般允许线路带故障运行2 小时，增强了供电可靠性。( 2 ) 故障点的故 华北电力大学硕士学位论文 障电流很小，可接近于零，大大降低了故障建弧概率，可以有效阻止瞬时接地向永 久性接地故障的演变。对于配电网中日益增加的电缆馈线，因接地电容电流得到补 偿，有效抑制了单相接地故障向更严重的相间故障发展。( 3 ) 可自动消除瞬时性单 相接地故障，使跳闸率较低。( 4 ) 故障电流的减小有利于电磁兼容及人身安全。该 接地方式虽然有很多优点，但也存在一些问题：( 1 ) 系统运行方式发生改变时会因 补偿不当引起谐振过电压。( 2 ) 线路发生故障时，由于消弧线圈的补偿作用使故障 特征不明显，难于检测出接地线路，更难于快速隔离接地线路，造成故障持续时间 较长，可能使事故扩大，不利于设备安全。 低阻接地方式应符合零序电阻与其电网正序阻抗z 。之比小于等于1 ，接地故 障电流通常为2 0 0 a 一1 0 0 0 a 。优点如下：( 1 ) 利于限制过电压水平，系统单相接地 时，健全相电压升高持续时间短，对设备绝缘等级要求低，一次设备的耐压水平可 按相电压水平来选择，对设备安全有利。( 2 ) 单相接地时，由于流过故障线路的电 流较大，零序过流保护有较好的灵敏度，易于快速检出并隔离接地线路，减小接地 故障时间，防止事故扩大，保护方法简单易行、动作准确。但也同时存在一些缺点： ( 1 ) 接地故障电流较大，零序保护如不及时动作，将危害故障点附近的绝缘，导 致相间短路故障，并危及人身安全。( 2 ) 数百安培的短路电流会带来电磁环境恶化， 对附近的通信线路产生较大干扰( 3 ) 过大的故障电流会在故障点产生大量电离气 体，建立持续的电弧，该条件下故障的自动清除是不可能的。这导致线路容易发生 永久性接地故障，线路跳闸率较高【9 】【1 0 1 。 2 3 接地故障分析 资料一：根据某石化厂1 9 7 6 年5 月一1 9 8 6 年5 月十年的统计结果，在大部分为 电缆线路的3 5 k v 谐振接地电网中，共发生单相接地故障6 5 次，其中瞬间接地故障 4 4 次，占6 7 7 ：在纯电缆的1 0 k v 谐振接地电网中，共发生单相接地故障3 7 次， 其中瞬间接地故障2 1 次，占5 6 8 【1 1 】。 资料二：2 0 0 1 年，在某市中心区有1 0 个采用低阻接地方式的变电站，共有1 7 3 条1 0 k v 出线，纯电缆出线1 2 7 条，1 0 k v 线路总长度为6 5 8 8 k m ，其中电缆5 6 0 6 k m ( 占总线路长的8 5 1 ) ，。全年共计跳闸1 3 2 次，其中永久故障5 7 次，重合闸或强 送成功的瞬间故障7 5 次。这1 3 2 次跳闸中单相故障7 8 次，单相瞬间故障4 7 次， 占单相故障的6 0 3 。若考虑由于单相瞬时故障而引起的单相和相间永久故障，这 个比率会更高。 资料三：某低阻接地的1 0 k v 变电站，配电线路条件较好，2 0 0 1 年共有2 4 条 较新出线，线路总长9 4 0 k m ，其中架空线3 4 8 k m ，电缆线路5 9 2 k m ( 占线路总长 的6 3 0 ) ，2 0 0 1 年共有单相故障2 0 次，其中重合或强送成功1 4 次，瞬时故障占 5 华北电力大学硕士学位论文 单相故障的7 0 【1 2 】。 资料四：某变电站1 0 k v 出线1 0 条，其中架空线路2 1 5 k m ，电缆1 1 2 k m ( 占线 路总长的5 0 ) ，计算电容电流2 0 0 9 a ，该变电站2 0 0 0 1 1 至2 0 0 2 0 4 单相接地故 障仅1 6 次，永久性和瞬时性故障各占5 0 。其中8 条城区线路( 架空线1 2 6 1 k m ， 电缆1 1 k m ) ，发生7 次单相接地故障，瞬时接地故障2 次，仅占2 8 6 ；两条农村 线路( 架空线8 9 4 k m ，电缆0 2 k m ) 发生9 次单相接地故障，瞬时接地故障6 次， 占6 6 7 【1 3 】。 从现场运行情况还可以得出以下结论： 1 ) 资料一、二、三提到的系统都有大量的电缆线路，电缆线路与架空线路不同， 线路自身故障相对较少，大多数故障发生在线路末端和中间接头。无论是谐振 接地系统还是小电阻接地系统，在单相接地故障中，单相瞬时故障保守估计占 5 0 以上。 2 ) 资料二、三、四中，电缆占线路总长的百分比分别是8 5 1 、6 3 o 、5 o ，每 年每条线路发生单相瞬时故障相应为0 2 7 次，0 5 8 次，0 8 次，说明电缆比例越 高的电网，单相瞬时故障越少。 3 ) 资料四进一步说明，城市电网的瞬时故障发生率远低于农村电网，这个原因主 要是因为农村电网输电环境差，线路易受雷击，和其他外力的破坏。 综上分析线路的故障率主要取决于配电线路条件，与配电网中性点的接地方式 并没有直接关系。瞬时故障占单相接地故障的5 0 以上，与线路条件无关。不同的 接地方式决定了故障发生后的事故处理方式，通过下面的分析可以进一步了解中性 点谐振接地方式与小电阻接地方式在处理瞬时故障上有明显的差别。 2 4 线路保护分析 在线路保护方面，两种接地方式各有其特点：在瞬时性单相接地故障的处理上， 谐振接地方式过程为，故障一补偿一清除；低阻接地方式过程为，故障一跳闸一重 合一清除；在永久性单相接地故障处理上，谐振接地方式过程为，故障一补偿一选 线一跳闸；低阻接地方式过程为，故障一跳闸一重合一跳闸。在此，通过对重合闸 和选线技术的分析，对这两种接地方式进行比较。 2 4 1 接地故障的重合闸 1 1 重合闸对设备的影响 低阻接地方式下，根据供电运行的实际统计，速断保护在中低压线路的跳闸中 占到5 0 左右，根据前面分析的瞬时故障率可知速断跳闸后重合到永久故障上最多 华北电力大学硕士学位论文 可占速断跳闸的5 0 ，由此可推断引起速断跳闸的短路电流对变压器的二次冲击可 以占到全部跳闸故障的2 5 。随着电网的发展，大中型变压器的低压侧短路容量逐 年提高，保护重合闸带来的二次冲击对变压器的危害越来越大，必需采取保护措施 【1 4 】。 通常采取的措施主要有：出线1 5 k m 范围内1 0 k v 架空线路全部采用绝缘线、主 变低压侧的母线绝缘包覆；或直接退出重合闸。现场采取的这些措施虽然有效，但 对事故的防范仍然是被动的，可能会增大线路的跳闸时间。 2 ) 重合闸对用户的影响 计算机等设备使用户的负荷特性发生了变化，对供电可靠性交得越发的敏感， 一个瞬时断电便会导致这些设备出现异常，严重时会造成数据丢失，导致难以预料 的损失。如今对高质量供电的需求，使得我们衡量一个配电网络是否可靠，不仅要 考虑对用户的断电时间c m l ( c u s t o m e rm i n u t c sl o s t ) ，而且还应该考核断电次数。 电能质量对瞬时断电是这样定义的，单相或多相导线在某段时间内彻底失电( 或 低于o 1 倍的额定值) ，其持续时间在1 0 m s 至3 s 之间【1 5 】。 重合闸时间一般整定为1 5 s 。在线路发生单相瞬时性接地时，从保护动作出口 切除故障到恢复送电，时间在2 5 s 之内。 基于上述概念，重合闸的成功与否对用户来说都是一次断电，它对用户的影响 将会越来越大。 3 ) 降低重合闸的影响 上述中压配网重合闸存在的一些不良影响变的日益突出，而尽可能的减少跳闸 次数是降低其不良影响的最直接有效的办法。小电阻接地方式下的配电网络，是依 靠重合闸来清除线路瞬时故障，势必造成线路跳闸次数增多。而谐振接地系统依靠 消弧线圈的补偿来清除瞬时故障，单相接地电流小，瞬时故障自恢复的概率很大， 使线路跳闸次数大大降低。消弧线圈的响应时间最快可达到2 0 m s ，与1 5 s 的重合 闸时间相比，在很大程度上缩短了瞬间断电时问，减小对负荷的影响。所以说系统 采用谐振接地方式可以有效降低重合闸带来的不良影响。 2 4 2 接地故障选线方式分析 接地故障的过渡电阻值，对谐振接地系统中的单相接地选线保护和小电阻接地 系统中的单相接地零序保护的影响，很不相同。 在低电阻接地的大电流系统中，以电流定值整定的各类保护装置，不同程度的 受到这一电阻值的影响。为此，该保护装置多采用增大动作值和提高灵敏度的系数 的办法，来实现保护的可靠性。对于电缆线路，其各类故障主要发生在端部，尽管 其过度电阻值也不尽相同，但由于电缆的输电环境相对良好，通过实际实验可以得 华北电力大学硕士学位论文 到该值的分布情况，由此对保护进行整定；对于架空导线，接地情况会变的非常复 杂，导线断线后与沥青路面接触，土壤接触，接触面是否有水，都会大大影响过渡 电阻值，且其时变性也很强【1 6 1 。此外，断线落地后，有时因张力不均因素，导线 芯会缩入外层绝缘里去，这种情况更令保护装置无能为力。因此，这给以电流为定 值的各类保护装置的正确动作带来不可避免的影响。 谐振接地系统发生单相故障时，由于消弧线圈的补偿作用，虽然使故障线路的 故障电流大幅度降低，但可以通过小电流接地选线装置提取故障信息，仍可在不同 过渡电阻值下正确选线。如今选线装置日趋成熟完善，其选线方法主要有残流增量 法、能量法、谐波比幅比相法、稳态小波法、暂态小波法和首半波法。众多方法的 使用可适应各种单相故障情况，使得选线成功率达到9 8 以上。单相故障跳闸不再 依赖小电阻接地方式下的继电保护装置，无需电流整定，单相故障处理方式灵活， 适应复杂的现场情况。 所以说在接地故障选线方面，带有新型小电流选线装置的谐振接地系统有着小 电阻接地系统无法比拟的优势。 2 5 配电网过电压问题分析 2 5 1 谐振接地系统的过电压 谐振接地系统过电压现象主要有：消弧线圈与线路电容形成的铁磁谐振过电 压，配电变压器高压绕组接地过电压，弧光接地过电压，断线谐振过电压等。 谐振接地系统的零序回路中消弧线圈的感抗与电压互感器的励磁电抗是并联 关系，而消弧线圈的感抗要比电磁式电压互感器励磁电抗小得多，因此电磁式电压 互感器的励磁感抗也就被消弧线圈的感抗所制约，电网中因电磁式电压互感器的饱 和引起的三相不平衡，就不会产生铁磁谐振过电压。 中性点消弧线圈的励磁电感l 可看成低压侧的等值电感，变压器等效电容为 c | ：，如图2 1 所示。当高压侧单相接地时，若消弧线圈为过补偿，低压侧可能出现 串联谐振传递过电压，使u 。显著增大【1 7 】。但通常情况下，消弧线圈采用自动跟踪 补偿功能，该现象难以发生。 图2 1 高压绕组接地过电压 8 华北电力大学硕士学位论文 配电网中性点经消弧线圈接地，特别是经自动跟踪补偿消弧装置接地，由于消 弧装置始终把接地残流控制在1 0 a 以下，再加上消弧装置可减缓弧道恢复电压的上 升速度，有利于电弧可靠熄灭，避免重燃。另一方面，串接在电抗器与地之间的阻 尼电阻起着吸收能量和阻尼的作用，有效的抑制弧光接地过电压的幅值。稳定电弧 过电压一般为2 3 ，“；间歇性电弧过电压一般为3 0 【，。，在脱谐度大于1 0 时， 可达3 5 【，。在大多数情况下，可被限制在2 3 【，。以下。消弧线圈的存在，大大 降低了出现过电压的概率。出现3 0 u 。的概率为2 1 1 8 】【1 9 】。 另外，对于断线引起的谐振过电压，其过电压幅值与消弧线圈运行状态有关， 一般情况下消弧线圈处于过补偿运行方式，当发生任何断线故障时，电网中性点位 移电压都不会高于相电压值。本论文3 3 3 中将予以详述。 2 5 2 低阻接地系统的过电压 中性点低阻接地可有效抑制大多数谐振过电压，能把弧光接地电压限制到 1 9 c ，。以下。对于断线故障，能够限制电源侧过电压，保护电源侧的易损设备。 在这里值得一提的是，由于低电阻接地系统故障接地电流很大，转移过电压问 题便会越发突出。该问题主要有两个方面： 1 ) 如图2 2 所示，u 0 为零序电压，。为电网的电容电流，。为中性点接地电流， ，：为接地点故障电流，：= ，+ f 。随着线路的扩展，特别是电缆线路的增多， 导致系统对地电容增大，。增大，流过接地点的电流，：增大，从而引起接地故 障点对地电位显著升高。 c c 芏 8 图2 2 位移电压产生原理及接线图 2 ) 当中压侧发生单相接地故障时通过中压系统中性点的接地故障电流l 在变电所 的接地电阻( 玩) 上产生的电位升高( u 。- ，：r ) 此电压将直接传递到低压侧 的中性导体( n ) 和保护导体( pe ) 上，引起低压侧过电压，给低压用户带 来威胁。 2 5 3 问题综合比较 中性点谐振接地要比低阻接地在过电压方面存在更多的问题，但如今的消弧线 华北电力大学硕士学位论文 圈控制技术完全可以很大程度上的避免过电压的发生。直流偏磁式消弧线圈、高短 路阻抗消弧线圈、调容式消弧线圈以及主从式消弧线圈，采用电子开关控制技术， 使得消弧线圈在系统正常时远离谐振点运行，单相故障时迅速调整消弧线圈到全补 偿点，能很好的解决过电压问题。而低阻接地方式虽然从原理上就可以较好的抑制 过电压，对接地网也有很高的要求。 2 6 本章小结 通过对线路故障、保护和过电压等方面问题的分析，可以对这两种接地方式得 出以下结论： ( 1 ) 从线路故障方面考虑，对于瞬时故障发生次数较多的配电网( 通常是以架空 线路为主的农村电网和中小城市电网) 优先选择中性点谐振接地方式对于 配电环境好，瞬时故障发生次数低的配电网( 通常指大城市以电缆为主的电 网) 谐振接地并无优势。 ( 2 ) 综合线路保护的特点，谐振接地比低阻接地更能保证供电可靠性，对于供电 可靠性要求很高的用户，应优先考虑谐振接地方式。 ( 3 ) 在过电压方面，谐振接地虽能解决该问题，但对控制的要求较高。对于绝缘 成本高的电缆网络，可优先考虑低阻接地方式 综上所述，随着电网规模的增大，人们对供电质量要求的提高，以及对配电环 境影响等方面的重视，谐振接地方式的优势更加突出，是未来发展的方向。但对于 当今城市电缆网络来说，低阻接地方式仍是一种有效实用的接地方式。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电子式多分接头自动调谐消弧线圈 在谐振接地系统中，新型消弧线圈起到故障消弧和故障选线的双重作用，对充 分发挥谐振接地方式的优势至关重要。本章介绍了一种新型消弧线圈，电子式多分 接头自动调谐消弧线圈，它克服了以往装置的不足，为今后的研究提供了新思路。 3 1 消弧线圈概述 2 0 世纪2 0 年代，w a i d e m 盯p c t e r s e n 发明了消弧线圈，它是一种铁心带有空气 间隙的可调电感线圈。补偿电网的中性点装设消弧线圈的目的，主要是为了自动消 除电网的瞬间单相接地故障；当发生永久性单相接地故障时，可以使电网在一定时 间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线路。这样中性点采用谐振 接地方式的电网便具有很高的供电可靠性。消弧线圈能使单相接地电弧自动瞬间熄 灭，主要基于下面两个原因：( 1 ) 消弧线圈的电感电流，补偿了电网的接地电容电流 ，c ，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；( 2 ) 当残流 过零熄灭后，又能降低故障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。 消弧线圈可分为补偿电流分级调整和连续调整两类。 上世纪7 0 年代以前，国内外谐振接地系统中都采用离线分级调整式消弧线圈， 这种产品调节范围小，不能自动跟踪电网参数变化作自动调谐，其固有的缺点已影 响到电网的安全运行。后来出现了有载分接头调整档位的消弧线圈，以9 0 年代某 电力公司与一电力自动化研究所联合开发的一种6 3 5 k v 中性点小电流接地系统自 动跟踪补偿消弧装置为代表。该装置的接地变压器采用曲折型结构，其消弧线圈采 用1 4 档有载开关的调匝式电抗器，配以专用接地变压器和以8 0 9 8 为核心的微机控 制器，可实时监测电力系统接地电容电流。当其发生变化时，自动调节电抗器的分 接头，使残流限制在允许范围内。为了实现全工况工作( 既可工作于欠补偿，全补 偿，过补偿三种状态) ，其消弧线圈串联了一电阻，来抑制电网中性点位移电压。 要把过电压水平限制在允许值( 2 6 倍相电压) 以下，取串联电阻r 一( 1 2 ) 3 n ，消 弧线圈串联电阻后可以全补偿运行【2 0 】。 上述装置可实现在线分级调整，但由于其调节范围小，精度较低，故消弧线圈 不能始终运行于最佳补偿，且补偿速度慢，故障率高，应用受到很大限制。 连续调整型消弧线圈种类繁多，出现了利用间隙可调原理和偏磁可调原理制成 的装置，它们同样存在较大缺点，间隙可调原理消弧线圈采用精密的机械传动机构， 华北电力大学硕士学位论文 并且响应速度慢，噪声大，易产生机械动作失灵。偏磁可调原理消弧线圈通过改变 铁芯磁化段磁路的直流助磁磁通大小来调节交流等值磁导以实现电感的连续调节， 但设计制造工艺复杂、造价高。 随着电力电予技术韵发展，使之在消弧线圈装置的应用成为可能。调容式消弧 线圈基于晶闸管投切电容技术( t s c ) ，它由带二次绕组的消弧线圈和多组不同容量 的t s c 构成，晶闸管以开关的方式控制二次侧电容器组的投切，实现消弧线圈等值 电抗的阶梯变化。其缺点在于：电容会对系统的谐波成分造成放大作用，而且由电 容去补偿消弧变压器的电感电流也造成了消弧线圈容量上的浪费。高短路阻抗变压 器式消弧线圈，是一种变压器式可控电抗器，消弧线圈的一次绕组作为工作绕组接 入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组接两个反向并联的晶闸管( s c r ) ，调节晶 辩管的导通角，使之在0 至9 0 。之间变化，从而改变变压器二次侧的等效阻抗，变 压器原端的电流就在零至额定值( 短路阻抗) 之间得到连续调节【2 1 】【2 2 】【2 3 】。其缺 点在于：此种消弧线圈结构复杂，需要专门定做高短路阻抗变压器；而且产生的谐 波较大，必须设置专门的滤波电路，以滤除由于晶闸管调节而引入系统的某些高次 谐波，然而无源滤波装置只能滤除某些特定的高次谐波，对于其他的高次谐波无能 为力。 华北电力大学小电流实验室新研制的“8 4 2 1 ”消弧线圈把原有消弧装置作为主 消弧线圈，串接辅助消弧装置，采用晶闸管的直接控制辅助消弧线圈的投入与退出， 在文献【5 】中有详细介绍。这种方式非常有效的解决了目前消弧线圈存在的诸多问 题，但可调范围较小，不能很好适应迅速发展的配网需要。 综合上述消弧线圈的优缺点，提出了电子式多分接头自动调谐消弧线圈的新型 设计方案。它是一种采用晶闸管有载调匝技术的精确补偿型消弧线圈，既继承了传 统消弧线圈的优势，又能充分结合电力电子技术解决有载调匝、快速精确补偿等难 题，其特点如下： 1 ) 快速投切。该装置采用晶闸管有载调匝，电网正常情况下远离谐振点运行，可 在故障后1 0 0 m s 内迅速调整补偿度，实现消弧线圈的全补偿。 2 ) 跨档调节。控制系统可以实现消弧线圈任意档位间的直接切换，避免了传统调 匝式消弧线圈只能逐档顺序调节的缺点，使控制更加灵活。 3 ) 可靠耐用。消弧线圈采用晶闸管有载调匝，充分发挥了晶闸管可频繁动作的优 点，完全解决了传统消弧线圈档位调节部分由于频繁动作而引起的机械故障率 高的问题。 4 ) 消弧线圈的主体部分仍采用传统的固定气隙消弧线圈，补偿电流为定值。无需 特别定做，具有很强的通用性，可以形成系列化生产，简化维修工作。 5 该消弧线圈虽属于分级调整型，但其补偿精度高，绝对误差最大仅有1 2 5 a 。调 华北电力大学硕士学位论文 节范围宽o 舢1 1 0 a ，且可以根据电网实际情况灵活改变调节范围。 6 1 晶闸管在电流过零点触发导通，下一个过零时刻会自然关断，可以避免投切过 电压和对系统的谐波污染。 新型消弧线圈的诸多优点，- 主要由其运行方式及不同运行方式间的切换效果决 定。下面就消弧线圈的正常运行方式、故障运行方式、故障恢复运行方式，以及整 体运行方式的制定进行分析。 3 2 消弧线圈的正常运行方式 如果单纯从熄灭故障点电弧的角度考虑，消弧线圈在谐振点状态下运行最为有 利。但对于实际运行中的电网，特别是中压电网，线路导线的换位情况欠佳，电网 的三相对地电容互不相等，因此中性点对地必然存在一定数值的残余电压，当消弧 线圈投入运行后，电网的三相对地电容与消弧线圈的电感便会构成串联谐振回路， 如图3 1 。如果消弧线圈恰好在谐振点运行，此时便会出现电压谐振问题，使电网 中性点发生显著位移，严重破坏电压的对称平衡，若长期运行，易损害电气设备， 酿成事故。 b c = 图3 1 谐振接地系统电网等值图 因此有必要分析消弧线圈谐振过电压的产生机理，制定相应的运行方式，最大 程度的减小它的不利影响。 3 2 1 中性点不平衡电压的产生 消弧线圈投入前或退出后，电网处于中性点不接地状态运行，如图3 1 ，三相对 地电耷点流尽能以杏地作为警回通路。根据摹尔霍夫定律可得； u 匕+ u b 匕+ u c y c - o ( 3 - 1 ) 式中：匕、k 分别是电网三相对地导纳。 设中性点的不对称电压为乩，则三项对地电压等于三相对中性点的电压与中性 华北电力大学硕士学位论文 点对地电压的向量和，即： 1 - 。+ 【，+ ( ， i u c - 【，c o + u 式中：疗。、疗。、疗。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，则有： 【，o + u 矗o + u c oi o 将式3 - 2 、式3 - 3 带入式3 1 ，经整理后可得中性点对地的不对称电压d 。： 打玑。匕+ 【，+ u c o k u 。一i i j j i _ _ ；_ ( 3 2 ) ( 3 3 ) e ，舯( g + j n ，巳) + u 加0 矗+ ，吐c 矗) + 【，c o ( g c + j n ，c c ) ，小 ( g + j o 口c - ) + ( g 矗+ ，n ，c 矗) + ( g c + l ，c c ) 式中乳、踟、g 。为电网的三相对地电导 在电网正常运行情况下，可认为线路三相绝缘的运行条件和污秽情况大致相同， 即三相对地的泄漏电导相等，令乳一g 。一g 。- g o ，而线路的三相对地电容总是不 平衡的，即c 。，c 。一q 。整理式3 4 可得： 蜘一笔等i 意 一o - u 。 ( 3 5 ) 1 一，o 热h - ，孚，孚为单位幔小鲁等为 电网的不对称度；，。为相电压；d o 为电网的阻尼率。 对于中性点不接地的电网，在绝缘正常的情况下，电缆网络的阻尼率巩较小， 一般不超过1 5 ；架空线路的电网阻尼率氐较大，一般为1 5 一2 ；当电缆绝缘 老化、受潮或架空线路污秽严重时，阻尼率将会显著增大，通常达到5 以上，所 以它对不对称电压d 。的影响可以忽略不计，由式3 5 电网的不对称度可表示为： 小器- 等卺等 6 ， 令m ：一孚、朋，- 等为以最大相电容c 。为基准的电容标幺值( o o 1 5 时中性点 位移度可降低到1 0 以下。 2 ) 串联阻尼电阻。在谐振点，球。z 萼，利用增大阻尼率的办法抑制过电压。 两种方法的比较： 在这里，引入微增率的概念来衡量控制方式的有效程度。函数y f 伍) 中，x 为控制量，y 为被控制量，f 为控制方式，则有微增率a - 怒a 由式3 1 3 得，方法1 ) 的微增率 一叫p 2 + d 2 卜， 的最高次项位一。2 ； 方法2 ) 的微增率如一叫。d 4 。可见二者的微增率最高次项是相同的，即两种控制方 式的有效程度相同。 3 2 3 断线故障时的电压位移度 电网发生断线故障时，故障相的对地电容减小，但其零序等效电路与正常运行 时的相同，设m 为故障相对地电容与健全相对地电容之比( m 0 ) ，可以借助3 3 2 中推导的关系式继续分析。 1 ) 电容电流的变化 正常时通常认为三相对地电容相同巴一c 。一c c c o ，电容电流为，c 一知c 。( ，。； 发生单相断线后电容电流为，。- m b + 2 ) c 。u 。兰箬，c ； 发生两相断线后电容电流为，。2 = ( 加+ 1 k u 。塑岩，c 。 不对称度的变化 断线故障后电网不对称度显著增大，由式3 7 、式3 8 知： 单相断线的不对称度为。- 兰丢； ( 3 1 4 ) 两相断线的不对称度为。尝。 ( 3 1 5 ) l + 堋 合谐度与脱谐度的变化 由于电网电容电流发生了变化，单相断线和两相断线后便会产生新的合谐度， 分别是： 蜀。苦- 熹k ( 1 - k ； ( 3 - 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 。苦。丽三k ( 1 + 知m k ( 3 - 1 7 ) 对应的新脱谐度分别为： ，l - 1 一墨i ，+ j 函1 ； ( 3 1 8 ) y 2 - 1 一k 2 。，一施o ( 3 1 9 ) 其中，、k 分别为谐振系统正常运行时的脱谐度与合谐度。 舢断线后位移度计算 由式3 。1 3 可得单相断线后的位移度，。了挚。 乞o ) 两相断线后的位移度m 。了毒詈万。 3 乏1 ) 5 1 不同补偿度下断线故障位移度分析 利用式3 1 4 一式3 2 l ，对消弧线圈处于过补偿、全补偿、欠补偿三种运行状态 下的断线位移度进行仿真。为便于研究断线故障对过电压的影响，阻尼率d 取5 ， 0 m 1 反映了断线故障引起的电网对地电容不对称程度，仿真结果如图3 - 4 、图3 5 所示。 譬 芎 图3 4 过补偿情况下的断线位移度 华北电力大学硕士学位论文 图3 5 欠补偿情况下的断线位移度 两图中实线表示单相断线故障下球。的情况，虚线表示两相断线故障下。的情 况，消弧线圈全补偿属于临界状态在两图中都有反映。 图3 - 4 是过补偿情况下，脱谐度1 ，= o 、0 1 、o 1 5 、0 3 时的电压位移度情况， 最大位移度出现在全补偿，为1 倍相电压，此时的最高相电压也仅升高到原来的线 电压水平，线路在短时期内完全可以带故障运行。随着过补偿度的增大，最大位移 度逐渐降低，且两相断线故障的位移度总是小于单相断线故障。 图3 5 反映了欠补偿情况下，脱谐度 ，与位移度“。、“。的关系，与过补偿情况 不同，位移度会出现较大的峰值，随着欠补偿程度的增大，会达到相电压的数倍， 引起线路过电压，这在实际运行中是不允许的。 经过分析，消弧线圈过补偿( 或全补偿) 方式运行会利于抑制断线故障引起的 线路过电压。 3 3 消弧线圈的线路故障运行方式 3 3 1 故障时补偿原理分析 当电网发生单相接地故障时，它的零序等值回路由正常运行时的电压谐振回路 变为电流谐振回路。如图3 6 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图3 6 电流谐振等效电路 图中吼为中性点位移电压，d 。一口。；，。为故障残余电流；r 为等效电阻，由 电网泄漏电阻和消弧线圈损耗电阻两部分组成；l 为消弧线圈电感；c 为电网对地 电容。 j 。- 鲁+ ，乩+ 告厶+ j ( ，c l ) ( 3 2 2 ) j j c 噬一 由式3 - 1 0 、式3 - 1 1 得j d - ，c p + p ) 残余电流j 。与中性点位移电压d 。之间的相角差妒为：妒- a r m 柚 ( 3 - 2 3 ) 4 式3 2 2 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 的接地电流显著减小为残余电流，所以残流过零时电弧就容易熄灭。 消弧线圈的不同运行状态决定了电流谐振回路有三种工作状态： 1 ) 全补偿。当电流谐振回路恰好在谐振点工作时，一o ，l - j 工，妒一o ，此时电 容电流与电感电流大小相等，方向相反，完全抵消，故，。一，。，残余电流仅含 有有功分量，不仅值最小，而且相位与中性点位移电压玩相同。 2 ) 欠补偿。当电流谐振回路在欠补偿状态下工作时， ，o ，。) ，妒，0 ，此时 j 。中主要为容性无功电流分量，其值明显增大，相位超前于玩。 3 ) 过补偿。当电流谐振回路在过补偿状态下运行时， ，c 0 ，c ，工，矿c 0 ，此时 ，。中主要为感性无功电流分量，其值同样明显增大，但相位滞后于比。 3 3 2 残流特性 接地故障点的残流情况，由消弧线圈的补偿状态确定。残流的大小可以通过分 析脱谐度、合谐度和阻尼率比较准确地计算出来，同时确定其容性、感性的属性， 以便指导消弧线圈的调谐和运行。电网的运行方式确定后，有功电流分量基本是一 个常数，消弧线圈关注的和能够控制的主要是残流中的无功分量。 当消弧线圈的调谐状态固定后，根据式3 2 2 、式3 2 3 便可准确地确定残余电流 的大小、方向，及其阻性、容性、感性成份。随着脱谐度 ，趋近于零，接地电弧的 熄灭更加容易。 华北电力大学硕士学位论文 3 4 故障恢复运行分析 3 4 1 故障恢复电压 当发生单相故障时，中性点位移至相电压，故障相的电压下降为零，非故障相 的电压升高至线电压，当接地电弧熄灭后，补偿电网恢复正常运行过程中的电压。 图3 7 故障恢复时等效电路 图3 7 为补偿电网单相接地时的零序等值回路，用来讨论故障恢复电压。流过 开关k 的电流代表残流，电弧熄灭时，相当于k 打开；m 、n 两点间电压相当于故 障恢复电压。由于m 点电压取决于实际电网相电压( 取a 相) 的变化。设电弧熄灭 时该相初始相位为伊，电源电压最大值为以，则： 越 扛) 一u 。e j ( 珥+ r ) n 点电压的变化规律取决于l 两端电压。的变化，它对应补偿电网中性点电位 的变化。根据电路原理分析该零序等值电路，衰减系数6 为： 6 一二d 或6 一三一 22 c r 电路自振角频率； 1 。面 可得： “lo ) 一坩。p 。o 脚+ ) 因此，得故障相对地恢复电压为： “( f ) 一弹。o ) + o ) 一u 。k 妇+ ，) 一e 。7 ”j ( 3 2 4 ) 一e 了，取线性主部得一m ( 1 一兰) ，带入式3 2 4 化简得： “o ) 识沙1 一。牛1 【j 运用此表达式可以研究系统脱谐度 ，和阻尼率d 对恢复电压o ) 的影响。 由式3 2 4 得恢复电压“( f ) 的幅值函数： 华北电力大学硕士学位论文 也j 1 + e “一盈7 瞄三“ i 3 4 2 恢复电压上升率 ( 3 2 5 ) 接地电弧的熄灭与恢复电压的上升速度有很大关系，恢复电压的上升速度低会 有利于电弧熄灭。由式3 2 5 可以求出故障恢复电压幅值的最大上升率： 掣等厅了 ( 3 2 6 ) “l二 由式3 2 5 可以得到故障恢复电压在故障恢复后0 2 s 内相对偏移电压动态过程： l ， 令d ：o 0 5 ，：o 、o 0 5 、o 1 0 、o 1 5 、o 2 0 、o 3 0 得到擘掣随时间的变 u 孵 化曲线如图3 8 ；令d = 0 0 2 、0 0 3 、0 0 5 ， ，= 0 得到图3 9 曲线。 图3 8 ，0 时电压恢复波形 图3 9 ，5 0 时电压恢复波形 式3 2 6 说明脱谐度，和阻尼率d 的降低都可有效抑制故障恢复电压上升率，图 华北电力大学硕士学位论文 3 8 和图3 9 的仿真同时验证了这一点。 以上分析可知，消弧线圈故障时刻全补偿，且系统处于低阻尼率时有利于故障 恢复。 3 5 消弧线圈运行方式制定 通过对消弧线圈在各种工况下的运行特性分析，可得出一个科学合理的消弧线 圈运行方式： 1 ) 在正常情况下，消弧线圈处于远离谐振点的过补偿运行。这样，既有利于防止 系统发生串联谐振过电压，又可以有效抑制断线故障过电压。 发生故障时，消弧线圈应实现全补偿使接地残流的无功部分接近于零，减