（电路与系统专业论文）基于微处理器的综合消弧消谐系统研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子舨，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： a 呻 猩叶p 莓1 莓叶，辱 年s 月、f 日 捅矍 6 k v - - 6 0 k v 配电网系统中由于单相间歇性弧光接地而引发的接地过压是输 电网络中一个倍受关注的问题。另一方茄由于电网规模不断扩大和复杂程度的增 加，在特定的情况下电网还有可能出现谐振现象。以上两种情况如果不能及时解 决，极有可能进一步发展成相间短路，给供电设备造成极大的危害。在一些突发 情况下，如线路断开，树木倒塌等，也可导致线路出现高阻性或金属性接地故障， 这些故障的解决都斋要一套可靠的检测和消除装置。 现有的消弧消谐设备处理间歇性弧光接地故障一般采取中性点接入消弧线 圈的方法，通过补偿故障电流消除故障，但在这一处理过程中消弧线圈极易与接 地电容之间形成谐振回路造成电路振荡。针对这一情况我们在消弧线圈旁并入了 一并联电阻，在故障的后期投入，既保证了故障的快速消除，又保证了系统偏离 谐振点。 电网谐振的形成原因比较复杂，外在表现往往与弧光接地相似，通常的方法 是通过检测系统的谐振频率，计算电容电流，相应的调节消弧线圈的电抗从而进 行补偿，使线圈处于完全补偿状态，使系统达到尽可能小的脱谐度，消除谐振。 但是由于电网环境往往比较复杂，测量和计算的数值与实际情况相差较大，准确 性有待提高。本文提出了一种采用双向可控硅瞬时短接电压互感器p t 三角开口 绕组的方法，通过电压互感器自身的零序电压和零序电阻强阻尼消除电网谐振。 此系统方案简单、可行性高，结合了消弧线圈快速灭弧和电阻限压的优点， 提高消弧效果。对于电网系统发生的谐振通过电压互感器自身阻尼特性加以消 除。实践证明系统对于弧光接地、电网谐振消除的有效性都比较高，对于金属性 和高阻性接地的判别也比较准确。 关健词：消弧消谐选线接地微处理器 a b s t r a c t i ti sas e r i o u sp r o b l e mt h a tt h e r ew i l lb eo v e r l o a dv o l t a g e so nt h ee l e c t r i cn e t w o r k so f 6k vt o6 0k vl e v e l sb e c a u s eo fs i n g l el i n eg r o u n d i n ga r c s a n o t h e rs i d ed u et ot h e i n c r e m e n to fe l e c t r i cn e t w o r k sa n dt h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t y ，t h e r ew i l lb es o m e h a r m o n i c o s c i l l a t i o n si ns o m es p e c i a ls i t u a t i o n s t h e yw i l lg e tb i gt r o u b l e st ot h e p o w e rs u p p l ye q u i p m e n t si ft h et w op r o b l e m sc a l ln o tb es o l v e dq u i c k l y s o m e u n e x p e c t e ds i t u a t i o n ss u c ha st h el i n e s b r o k e no rt r e e s f a l l i n gd o w na l s o c a nc a u s e h i 曲r e s i s t a n c eo rm e t a l e a r t hf a u l t t h ea b o v ep r o b l e m sa l ln e e dar e l i a b i l 耐 e q u i p m e n tt ob ed e t e c t e da n ds o l v e d i no r d e rt os o l v et h eg r o u n d i n ga r c s n o w e q u i p m e n t su s t m a l ym a d et h ea r cs u p p r e s s i o nc o i lb e e nc o n n e c t e dt ot h ec e n t e ro f e l e c t r i cl i n e st oc o m p e n s a t et h ec u r r e n to fe a r t hc a p a c i t i e s t h i sb r i n g sa n o t h e r p r o b l e mt h a ti t i s e a s yt of o r mt h ee l e c t r i cl i n et oo s c i l l a t ew i t l ls o m ep r o p e r c a p a c i t a n c eo f e a r t hc a p a c i t y i no u rd e s i g nw ei n t r o d u c ear e s i s t e ra n dl e ti t w o r ka ta p r o p e rt i m et op u l lt h ew h o l en e t w o r kf a ra w a yf o r mt h er e s o n a n c ep o i n t t h e f o r m a t i o no fh a r m o n i c o s c i l l a t i o n su s u a l l yi sv e r yc o m p l e x ，b u tt h ea p p e a r a n c e sa r e s i m i l a rw i t ht h ee a r t hf a u l to fg r o u n d i n ga r c s t h eg e n e r a lm e t h o di st od e t e c tt h e h a r m o n i cf r e q u e n c y ， c a l c u l a t et h ec r r r e n to fe a r t hc a p a c i t a n c e s ，t h e na d j u s tt h e r e a c t a n c eo f a r cs u p p r e s s i o nc o i l st om a d ei tw o r ki nc o m p l e t ec o m p e n s a b l es i t u a t i o n s t 1 l eh a r m o n i c - o s c i l l a t i o n sc a l lb ee l i m i n a t e d m o r a p i d l y w i t hl i t t l e r o u t - o f - r e s o n a n c ed e g r e e b u tt h e r ea r eb i gd i f f e r e n c e sb e t w e e nr e a lv a l u e sa n d c a l c u l a t e ds o m et i m e s i nt h i s p a p e rw ei n t r o d u c ea nn o v e lm e t h o dt h a tu t h e b i d i r e c t i o n a lt h y r i s t o rt os h o r tt h et v - c o i la n dt h ev o l t a g et r a n s f o r m e rc a ne l i m i n a t e t h eh a r m o n i c o s c i l l a t i o n s b yi t ss t r o n gn o n - o r d e rs e l f - r e s i s t a n c e t h i ss y s t e mi s c o n c i s i o na n dh i g hf e a s i b i l i t yi np r a c t i c e i ti n t e g r a t e st h ea b i l i t yo fe l i m i n a t i n g g r o u n d i n ga r c sr a p i d l ya n dv o l t a g e l i m i t i n go f r e s i s t a n c e p r a c t i c e sh a v es h o w n t h a ti t i se f f e c t i v et og r o u n d i n ga r c s ，h a r m o n i c o s c i l l a t i o n s ，h i g hr e s i s t a n c ea n dm e t a l g r o u n d i n g s k e y w o r d s ：a r cs u p p r e s s i o n ，h a r m o n i ce l i m i n a t i o n ，e a r t hf a u l t ，m i c r o p r o c e s s o r 2 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 随着社会经济发展的需要，配电网络的安全越来越关系着整个国民经济的发 展。同时配电网络也在不断扩大，配电网的中性点接地问题历来就是比较复杂和 重要的课题。中性点接地方式的选择，总体归纳有以下三种：中性点不接地、经 消弧线圈接过和小电阻接地。对于接地方式的选择应根据各地配电网的不同特 点，因地制宜地选择不同的方式。 我国早期的配电网络大多采用架空线方式，网络规模相对也比较小，大部分 采用中性点非有效接地方式，如中性点不接地或经消弧线圈接地 1 。配电网规 模较小时，接地电容电流相对也比较小。在发生单相接地故障时，多数情况下接 地电弧能自动熄灭并且恢复绝缘，危害相对较小。随着配电网规模的扩大，另外 配电网络的日趋复杂也导致发生单相接地故障的频率随之增加。一旦发生单相弧 光接地故障，因为单相接地电容电流的增大，往往造成电弧不易熄灭，时间较长 时可能波及整个电网造成相间短路，危害供电设备的安全。 由于传统的消弧线圈补偿系统存在不能限压和不能自动跟踪配电网电容电 流进行补偿等局限性，需要研究出无需改变现有的配电网络，又能比较好的控制 弧光过压的消弧装置。 另外对于高阻性或金属性接地而言，虽然此类故障大部分只能通过人工的方 法加以解除，但也需要一套能不拉闸停电亦能可靠查找故障点的设备，缩小人工 排查的范围。 本装置通过在灭弧的不同阶段切入接地电阻，将经消弧线圈接地 2 和消弧 线圈并联电阻接地 3 两种方式结合起来，充分利用了灭弧快速和电阻限压的优 点。对于配电网可能引起的谐振，本文提出了一种利用互感器自身的阻尼消除的 方法，实践证明简单实用。 如何提高配电网对地的电容电流测量的准确性，以及可调式消弧线圈电抗的 准确性，以达到最佳的补偿电流将是未来系统改进的很重要的一个方面。 1 2 国内消弧系统的发展动态 1 2 1 中性点不接地系统 中性点不接地是配电网中常用的一种方法，当发生单相接地时，线电压仍 将保持不变，单相接地电流与负荷电流相差较大，对于用户而言基本没有影响。 对于这种接地方式，如果接地电容电流较小，一般接地电弧都能自行熄灭。缺点 在于如果配电网络三相不对称的情况下，中性点电压将发生偏离。另外如果接地 电容比较大的情况下，易产生接地电弧，且很难自动熄灭，极易发展成相问短路， 造成电网过压，危害供电安全。 1 2 2 中性点经消弧线圈接地方式 一、消弧线圈接地方式的发展及优点 目前我国中压配电网当单相接地电流大于规程规定的定值时，多采用中性点 经消弧线圈接地方式 4 。当发生单相接地时，消弧线圈中的感性电流可以与配 电线路中的客性电流相抵消，减少接地点的残余电流，降低电弧重燃的可能性， 达到消弧的目的。 中性点经消弧线圈接地的方法子1 9 1 9 年左右被德国人最先提出。这种方法 有两个主要优点：一是通过调整消弧线圈电感值使接地电流得到补偿，二是降低 熄弧后电压的恢复速度。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光 接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的幅值，同时也最大限度的减小了 故障点热破坏作用及接地相的电压等。所谓正确调谐，即电感接地电流等于电容 电流，工程上用脱谐度v 来描述调谐程度。 v = ( z o i , ) z c ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，l 为对地电容电流( 安培) ； l 为消弧线圈补偿电流( 安培) 。 当v = 0 时，称为全补偿，当v 0 时为欠补偿，v 拈一 0 5 0 ，( o - s 一 图2 2 弧光接地相位和波形图 设a 相电压在负的最大值( 一u 。) 时对地闪烁，此时b ，c 相对地电容上的 初始电压是o 5 虬，在a 相接地后，b ，c 相对地电压“：，疋将很快过渡到新的 稳态值l ，5 。由于配电网存在电感l ，在l c 串联回路中，当回路中电容电压从 初始值过渡到新的稳态值时，可以出现最大电压 8 = 2 牛稳态值一初始值= 2 u 。一 ( o 5 ) = 2 5 乩，随后过渡过程很快衰减，b ，c 相对地电压“：，站稳定在“。、 “ 上运行。 经过半个工频周期( 1 0 m s ) ，从能量的角度加入考虑，在弧光接地的过程中， 实质是对线路对地电荷的重新分配。而电荷量与健全相对地电压有直接的关系， 当另外两健全相的电压值相加为绝对最大值( _ 3 ) 时，在此瞬间配电网将不再 进行充放电，处于稳定状态，此时故障相的接地电流的大小也为零。b 、c 相的 对地电压“；、砧为一1 5 【，胛，岛= o ，电弧自然熄灭，即发生第一次工频熄弧。但 在熄弧的瞬间，a 相对地电压“j 为o ，则电网储有电荷为： q = 2 c ( - 1 5 ) = 3 c ( 2 1 ) 9 这些电荷将在电网三相对地电容上均匀分配，从而在三相电网对地电容上形 成直流电压分量一u 。，所以熄弧后，电网对地电压由电源电压和直流电压( 一玑) 叠加而成。熄弧后的瞬间，“：= 一1 5 u 。、疋= 一1 5 巩、u a = 0 。因此，熄弧后的瞬 间，各相初始电压与瞬间稳态电压相等，不会引起过渡过程。 再经过半个工频周期( 1 0 m s ) ，a 相对地电压材j ：一2 【，卅，这时最有可能引起电 弧重然，使b 、c 相的对地电压从初始值( 一0 5 瓯) 过渡过到线电压的瞬时值 ( 1 5 乩) ，出现最大过电压= 2 术1 5 虬一( 一0 5 【) = 3 5 。过渡过程衰减后，b 、c 相对地电压仍将稳定在线电压上运行。 以后每隔半个工频周期( 1 0 m s ) ，将会依次发生电弧的熄灭和重燃，其过渡过 程将与上面的分析完全相同。其中，非故障相的过电压最大值甜0 = 屯= 3 5 吒。 故障相的最大过电压“：。= 2 0 。 同时，由于电网相间电容的存在，以及为提高功率因素而装设的电容器等， 将会使单相接地电弧电压的最大值减小。这是因为，在电弧熄灭的瞬间，电网储 存的电荷不仅要在电网对地电容分配，而且要在相间电容上分配，电网对地直流 电压数值减小，从而使幅值降低。 2 1 2 中性点经电阻接地系统弧光接地分析 对于中性点经电阻接地系统而言，同样可以利用工频熄弧理论说明。在中性 点不接地系统中，造成过电压的原因在于第一次熄弧后，配电网三相电容会在所 储存的电荷在三相中均匀分配，造成一个直流分量，而这一直流电压在灭弧后的 半个工频周期内无法泄漏，造成了电弧重燃后的3 5 “高电压。 在中性点经r 。，接地系统中，中性点电阻吼提供了一个放电通路，其等效电 路如图2 - 3 。 l 3 r 3 图2 3 中性点电阻接地等效电路图 其中忽略配电网的电感和电阻，则电网对地直流电压分量【，0 的近似表达式为： 上 u o c = 一v e3 嘶 。( 2 2 ) 图2 3 中，在t = 2 0 m s 时，b 、c 相上可能出现在最大电压值为： 1 0 u b m = h “= 2 x 1 5 u 一( o 5 c + u d c ) = 饥( 2 5 + ec r s ) ( 2 3 ) 对于故障相而言： 。0 0 1 以。= o - ( - u 一“比) = u m ( 1 + p 嘶) ( 2 4 ) 令k = 3 a , c r ，以。、吒、眩分别为a 、b 、c 三相的电压倍数，其中 2 2 # = 1 0 0 a - ，则有： 0 o l i n 吒= l + e ( 2 5 ) 旦生堡 吒= 吃= 2 5 + e r ( 2 6 ) 做出u , 4 ，、u b m 、如与k 的的关系图，见图2 - 4 ，图2 - 5 。 图2 4 j 。与k 的关系图 图2 - 5 u b m 、如与k 的关系图 由图2 - 5 亦可知，在k 小于4 5 时，非故障相过电压在3 倍范围之内，故 障相电压在1 5 倍范围之内，非故障相和故障相之差为1 5 玑。 2 1 3 中性点经消弧线圈接地弧光接地分析 一、中性点电路求解 中性点经消弧线圈接地的方式可以通过电流补偿的方式有效地减小单相接 地时的电流，现分析单相接地电弧过压时，消弧线圈的作用。 图2 - 6 是配电网中性点接入消弧线圈后的等效电路图，其中同样忽略配电线 路的电感及电阻。 l 一j 图2 - 6 中性点接入消弧线圈后的等效电路图 l 为消弧线圈的电感，r 为消弧线圈的阻尼电阻，r 为配电网对地电阻，k 表于熄弧和燃弧的状态量。当k 打开时，表示电弧燃烧状态，断开时表示电弧熄 灭，并假设此时的接地残流为零。对于a 相而言，其电压值为k 闭合时直流分量 造成的电压值和a 相自身随工频电压变化的电压值之和。对于前一项，可以通过 m a t l a b 对其进行电路暂态分析得到 9 ，在这里采用复频率法求解。 令：峨= 筹 k l l l ( s ) - 蚴卜华埘c ， i 蚂( s ) + 胄 ，【 ( s ) + ，2 ( s ) 】= l i ( o 一) l - 其中，u ( o 一) = u 二，f ( o 一) = r e a l ( - u 。j w l ) = 0 ，化简得： f 壶帕) - 啦川( q 。8 i r # 6 ( s ) + ( s z + e v ) i 2 ( s ) = 0 【 僻一手一壶忡) q 。9 砖褂肛降矗 则o ) = d e t ( a 2 ) d e t ( a t ) ，u o ( t ) 值可以通过对0 ) 反拉普拉斯反变换得到。 根据v = i c l - i l 可知，系统的脱谐度l ，= l 一b ，当l ， o 3 根据式( 卜1 ) 可知，当系统处于全补偿状态时，经过接地电容的容性电流与 消弧线圈的感性电流相等。即导纳应当相等，j w 3 c + i 1 _ = o ，所以当三= 孑b 时处于全补偿状态。 现假设r = 1 0 0 0 0 0 f 2 、r = 1 0 q 、c = 2 u f 、吒= i o k v 的情况下对接入消弧线圈后， 配电网上的中性点电压进行仿真，m a t l a b 程序如下： c = o 0 0 0 0 0 6 ；l = o o o o l 3 p i p i c ：r = 2 0 0 0 ：r = 1 0 0 0 0 ；u = i o ：参数设定 r n = r * r ( r + r ) ： s y m sst ： 变量设定 a i = 1 ( 3 * s * c ) ，- s , l ；r n ，s * l + r n 3 ：参数矩阵 a 2 = 一( 1 s ) 半u ，一s l ：0 ，s * l + r n ： 求解电流，电压： 1 1 = d e t ( a 2 ) d e t ( a 1 ) ： u a s = 一u s i l ( 3 水s 4 ) ； u a t = i l a p l a c e ( u a s ) ： 中性点电压 u a t = i l a p l a c e ( u a s ) + l o * c o s ( 1 0 0 * p i * t ) ： 故障障相电压 u a t = i l a p l a c e ( u a s ) + l o * c o s ( 1 0 0 * p i * t 一2 p i 3 ) 非故障相电压 u a = v p a ( u a t ，4 )取4 位精度位 d i s p ( u a ) ： 作出图形 y = 1i n s p a c e ( 0 ，o 2 ，3 0 0 ) ： z = s u b s ( u a t ，t ，y ) ： p l o t ( y ，z ) ： x l a b e l ( t s ) ： y l a b e l ( u a ) ： h o l do i l ： 1 4 图2 - 8 中性点电压图 由图2 8 可以看出，中性点电压恢复的上升速度较之中性点不接地系统要慢 很多，有利于故障相的绝缘的恢复。 二、故障时三相不同补偿状态下的响应 故障相的电压值和非故障相的电压值等于中性点的电压加上各自的相电压 值，见图2 - 9 ，图2 1 0 。 图2 - 9 故障相电压恢复图 图2 1 0 非故障相电压变化图 图2 - 1 1 ，2 - 1 2 分别标出了消弧线圈过补偿或欠补偿时故障相电压，在这两种状 态下，亦有减慢电压恢复速度的作用，但在此过程中有可能产生高于以的过电压。 图2 - 1 1 消弧线圈过补偿电压图 图2 1 2 消弧线圈欠补偿电压图 2 1 4 中性点经消弧线圈和并联电阻混合接地方式接地 电网中性点经消弧线圈并联电阻接地系统发生单相间歇性弧光接地故障时， 其故障相恢复电压的上升和过电压情况与经消弧线圈接地类似，其等效于在图 2 - 6 中增加一并联阻尼电阻。以下对不同的阻尼电阻取值下，故障相电压的恢复 情况进行仿真分析( 其中假设：1 0 0 0 0 0 、v = - o 1 、c _ 2 l l f 、以= l o k v ) ，结果 如图2 - 1 2 。 1 6 图2 1 2 故障相电压恢复图 由图2 1 2 可知，电阻过大使阻尼率偏小，在电压恢复后期产生较高的过电 压：过小则阻尼率过大，电压恢复速度太快，且易产生较大的接地残流，不利于 灭弧，通常应根据配电网的特点和性能要求作折衷考虑，d 一般取2 0 左右。 本例中，当阻尼度为0 2 时，r = 2 8 6 3 q 。 图2 一1 3 不同阻尼率与脱谐度下的故障相电压 图2 1 3 给出了阻尼率d 为常值0 2 ，脱谐度，取不同值时故障相电压的情况。 1 7 从以上情况可以看出，脱谐度过大会引起电压恢复阶段的振荡过压，小的脱谐度 有利于故障相电压的缓慢上升，但应避免电网谐振，所以脱谐度一般选择一l 0 9 6 左右。 2 1 5 系统接地电容测量 为了使消弧线圈能够达到最佳补偿的效果，消弧装置必须能跟据当前运行方 式下的电容电流自动调节消弧线圈到最佳状态。为了在发生故障时装置的快速动 作，就要求在系统正常运行的情况下完成对发生单相接地故障时的电容电流的计 算任务，本文采用了电容电流的间接测量法。 在图2 - 1 中，如果三相的对地电容分别为c a 、c b 和c c ，对地感抗分别为g a 、 g b 和g c ，接入的消弧线圈的电感值为g ，阻抗为r ，并忽略输电线本身的电感 和电阻值，根据基尔霍夫定律可以得到中性点上的不平衡电压玑。： ，：一丝! g 坐鱼2 坠! 鱼业垦2 堡! 鱼坐生2 。“ ( 瓯+ e ) + ( 皖+ g ) + ( q + w c o ) ( 2 一i o 因为各相对地的阻抗值相对于对地的容抗比较大，考虑三相电压之间的相位 关系，一般而言三相对地的阻抗值比较接近，设为g ，上式可以简化为： 一鼍訾半镫。州， 其中：口= 一妻+ _ ，半，为系统的相电压。 当消弧线圈投入运行时，由于电网不平衡电压的存在，回路中便有零序电流 流过消弧线圈，形成中性点位移电压u o 。 皖= 南玑0 = 丽j w c w l u 。 ：匕q。盟 w c 一1 w l j v 一 d i 丁一一w r c ( 2 一1 2 ) 其中；c = c a + c b + c c 为三相对地电容的总和，通过对中性点位移电压的测量可以 得到三相对地的对地电容的大小。 如果三次调整消弧线圈的电感值，其电抗值分别为五l 、置：和五3 ，分别 测得三次中性点位移电压为：。、和，三次中性点的电流为：厶、厶：和 k ，可以通过计算找出中性点位移电压与位移电流的夹角。则有： 1 8 j = 其中：x 。，= 4 ( u o 。0 ，) 2 一砭 x n = 0 删。h 。p r ； x 。，= ( ，) 2 一 r ，：v oc o s 日 i 脯一c = 矿嘉珥 电网三相对地的总电容则可以根据上式计算得到， 对于“预调式”和“随动式”消弧线圈而言均可适用， 的通用性 1 0 。 2 2 电网谐振分析 、 + 一 7 丰士牛 7i7 图3 - 1中性点经消弧线圈接地故障电流流向图 这也是一种比较常用的方法，被大都数选线装置所采用。但是当线路短或者 经大电阻接地时，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差将很大，导致选 线错误。另外在零序电流中由于复杂的外部环境的影响，也必须对零序电流信号 进行一定的滤波处理。 3 1 2 有功分量法与能量法 由第二章中可知，在中性点经消弧线圈接地系统中，消弧线圈不能补偿零序 电流中的有功分量，因此，故障线路零序电流有功分量与正常线路零序电流有功 分量相位相反，并且故障线路零序电流有功分量幅值最大。 通过对分析线路零序电流进行付立时变换，得到有功分量的大小和方向，其 中幅值最大且与其余线路方向相反的就是故障线路。另能还可以通过对能量 e = 砜( 七) ，o ( d 的计算的方法得到有功分量的大小和方向 1 3 - 利用零序电流有功分量选线可以利用幅值较大的零序基波电流，这是一个 优点。但应当使消弧线圈阻值和并联电阻的阻值在适当的范围，否则零序电流有 功分量过小，容易造成误选。 3 1 3 五次谐波法 在中性点经消弧线圈和并联电阻接地系统中，由于消弧线圈不能对谐波进 行完全的补偿，因此可以通过对零序电流谐波分量比幅比相进行选线。在系统中 五次谐波含量最大，因此采用血次谐波进行选线 _ 匕较合理【1 4 j 1 5 ，与基波群体 比幅比相法相比同样存在接地电阻过大时电流过小的问题。 3 1 4 首半波法 假设在相电压发生最大值的附近发生接地故障，在发生接地后的第一个周 周内，故障相暂态电流与非故障相相反，通过这一特性进行判断。但如果发生接 地故障的点较之最大值偏离较大时，电流幅度较小，易造成误判 1 6 。 3 t 5 小波法 小波法是利用小波变换理论，提取故障暂态信号的特征量进行分析。小波变 换可以将信号从时域和频域两个角度同时进行考虑，对于非平稳信号较之4 - t 立叶 变换有更好的分析效果。选择合适的小波基对暂态零序电流的特征分量进行小变 换后，会得到故障相暂态零序电流的特征量幅值要明显高于非故障线路，且极性 相反 1 7 1 8 。在小波变换算法中，小波函数和分解尺度的选择是关键。另外接 地电阻的选择也要比较适中，过小同样会使得高频分量过小，造成误选。 3 2 不利用零序分量的选线方法 3 2 1 负序电流法 单相接地后，故障点产生负序及零序电流，零序电流以所有的线路为回路， 因此【z g 提出利用负电来进行判别的方法。但配电网往往处于不平衡状态，负序 电流的大小往往受此影响，当偏离较大时易发生误判。 3 2 2 信号注入法 信号注入法是不用故障发生的信号，通过对变压器的二次侧注入低频或各次 谐波之间的电流信号，保证信号不被工频及谐波分量干扰。注入的电流沿接地线 路从接地相流过，最终流入接地点，用信号探测器检查电流的情况从i 甜榆测敝 障j l i 2 0 。此种方法的缺点在于：( 1 ) 经高电阻接地时，注入信号比较小；( 2 ) 弧光接地谐波丰富，注入信号易受干扰。 3 3 选线技术的发展方向 单相接地故障情况比较复杂，每一种方法都有其应用的条件，并不能适用于 所有的情况。综合这些方法的优点。通过技术间的互补，从而提高选线的准确性 是选线的发展方向。 第4 章新型消弧消谐系统的设计 4 1 系统设计要求 基于实际运行中的需要，对于消弧消谐装置接出了以下凡个方面的要求： 一、系统要求对于中压配电网有比强的通用性，对于不同电压等级的配电网 中只需变更少量部件，无需对整个系统进行大的调整； 二、系统对于常见的弧光接地故障、电网谐振要能够进行判别和消除，并且 系统必须最多在故障发生的两个工频周期( 4 0 m s ) 内进行动作； 三、系统对于金属性和高阻性接地等需要人工消除的故障要能够识别，相应 的须能够指定故障点： 四、系统正常运行时能够显示当前的运行状态发生故障时能及时保存信息， 并能将故障信息通知上位机；上位机和系统终端能在需要的时间查询系统的运行 状况和既有故障。 五、对于系统运行时的参数值可以根据实际需要人工进行调整； 六、系统应用良好的电磁屏蔽，且在较强的环境干扰的情况下能保持长时间 可靠工作。 4 2 系统的设计思想与方法 由第二章中的分析可知，系统通过中性点接入消弧线圈补偿在发生单相间隙 性弧光接地时的电流，从而达到消除故障的目的。消弧效果的优劣主要由脱谐度 u 与阻尼率d 共同决定，同时由2 1 4 可知在消弧的后期投入并联电阻既有利于 弧光的快速消除，也有利于后期较低的过电压水平。所以本系统基于此种思想， 先检测计算出三相对地的电容值，通过调整消弧线圈的电感值l 和其并联电阻的 电阻值r 使系统工作在：脱谐度d l0 9 i ，d = 2 0 的情况下。在消弧的过程中分阶 段投切消弧线圈和并联电阻。系统所调节的消弧线圈电感值l 和并联电阻阻值的 准确性对于消弧效果有着重要的意义，这取决于系统对三相对地电容电流测量的 准确性。2 1 5 通过三次改变消弧线圈的电感值计算得到配电网对地的电容电流 大小，从而通过调节消弧线圈电感量使工作在适当的补偿度。 对于系统发生串联谐振的情况，则将町二次开口侧短接，利用p t 的强阻尼 消除谐振。 在 2 1 2 2 中提出了一些利用波形暂态分析和频谱分析的方法鉴别弧光接 地与高阻或金属性接地的方法。但这些方法要求比较多的采样点数，较大的运算 量，判别的准确性还有待于提高。对于高阻性和金属性接地故障而言往往都需要 人工的方式加以解除，对于几秒的时间延迟性没有影响，所以本系统通过排除法 对于故障默认为弧光接地或谐振加以消除，如无法消除，则判定为金属或高阻性 接地。由2 3 中的分析可知，金属性和高阻性接地的区别在于接地阻值的大小， 反映在中性点上表现为中性点的电压水平。可以通过中性点电压的高低对两种故 障判别，高的为金属性接地，低的为高阻性接地。在检测到故障发生时，选线系 统通过3 1 1 的基波群体比幅比相方法找到故障点，结果送主控单元。 为了实现系统的快速性和协调性，在系统发生故障时，系统通知选线单元进 行选线，并在同一个工频周期内再一次测量故障时的准确电压值，以便后续的判 断和操作。之后，系统将按一定的程序投入运行，同时观察故障的解除情况。最 后将得到的故障信息保存在存储单元中，便于事发后对故障进行查询，同时将故 障信息通过m o d b u s 总线协议传送给上位机，以便于工作人员做出相应的处理。 上位机也可以通过总线对系统现行状态和过往故障记录进行查询。 考虑到系统可能的工作环境比较恶劣和长时间不问断工作的特点，系统对可 靠性要求比较高，所以系统中设置了软件看门狗和硬件看门狗，保证系统的可靠 运行。 4 3 消弧系统参数与作业过程 4 3 1 消弧系统参数求解 消弧系统接入中性点后，每隔一定的时间间隔( 如3 0 分钟) 应针对配电网 三相电容的实际情况对消弧线圈的电感量进行调节。通过三次改变消弧线圈的电 感量，分别测得消弧线圈两侧的三组不同电压值和流过消弧线圈的电流值，由 2 1 5 中的计算方法得到配电网对地电容电流的值。具体方法如下： 一、三次改变电感值，得到三组中性点的位移电压和电流值。 此处电压与电流值采样精度的高低对于配电网三相对地电容计算的准确性 有很大影响。除提高硬件的准确性与 d 采样的位数之外，尽可能多的采样点数 可以提高有效值计算的准确性。考虑到8 0 c 1 9 6 k c 微控器的运算能力，在此处采 样过程的间隙不进行数学运算，将得到的数据保存于外部数据存储器之中，待采 样完毕再进行运算。这种方法提高了采样速度，本系统此处的采样率设定为每个 工频周期1 2 8 个点，约合6 4 k s ，计算精度大于l 二、比较中性点的位移电压和电流的过零值及最大值计算出两者的相位差。 先找到电压和电流的过零值所对应的序列数，如电压在第n 1 点找到过零 点，电流在n 2 点找到过零点：再观察过零后1 0 位电压和电流值和的正负，以防 止电路中可能出现的振荡过零点现象。表4 - 1 中结出了四种情况下相位差的情 况。 过零点位置电压后1 0 点和电流后l o 点和相位差0 ( 电压一电流) n l n 2 0 0 滞后2 x x ( n 1 一n 2 ) 1 2 8 n l n 2 0 0 超前2 万x ( 6 4 一n l + n 2 ) 1 2 8 n l n 2 0 超前2 万( 6 4 一n i + n 2 ) 1 2 8 n l n 2 0 0 超前2 万( n 2 一n 1 ) 1 2 8 n l 0 0 滞后2 万( 6 4 + n i n 2 ) 1 2 8 n i n 2 0 滞后2 万( 6 4 + n i + n 2 ) 1 2 8 n 1 n 2 0 0 超前2 ：, r x ( n 2 - n 1 ) 1 2 8 表4 - 1 可以简化为下表： 表4 - 1 相位检测表 过零点位置电压后1 0 点和电流后1 0 点和 c o s 0 同号 e o s ( 2 ，r x a b s ( n l n 2 ) 1 2 鼬 i 异号 - c o s ( 2 ：, r x a b s ( n 1 - n 2 ) 1 2 8 ) 表4 - 2 相位检测简化表 一个工频周期内的采样点数为1 2 8 点，设实际相位差为口，相位角误差为， 则此时因采样相位间隙而造成的误差为： 一 ， c o s ( 0 十) 一c o s 0 e o s o x c o s 一3 i n 8 s m 一e o s o v cos二=l一=一 c o s 8e o s o 2 c o s a - t a i i 触h a - 1 = l s i i l 2 ( 舍) 一t a n o s i n 一1 = 一s i n 2 ( 会) 一t a l l p s i n ( 4 1 ) 其中m a x = 2 x 2 j r 1 2 8 = 0 0 9 8 ，所以 m a x v c o s 么一t a n o s i n a 一t a n o 0 0 9 8 ( 4 2 ) 由4 2 可知，在电压与电流的相位角相差较小时，此方法计算得到的相位误 差较小。相应的对应于系统装置而言就是要提高消弧线圈串联电阻的阻值，提高 电路中的有功分量的成份。配电网络正常工作的情况下，中性点的电压为配电网 的不对称电压，电压幅值相对较小，所以串联在消弧线圈两侧的电阻所需要承受 的耐压水平也相对较小。在系统设计时，我们保持串联电阻的阻值与消弧线圈的 电抗之比大于4 ：l ，使得总的最大误差控制在4 的范围之内。 三、根据b = 等c 。s 口计算得出三次的r l 值，分别求出对应r 时消弧线圈的电 抗x ”以2 、x l ，值。 四、再根据2 - 1 3 和2 - 1 4 求出接地电容时的容抗值z 和阻尼率，最后再通过 式2 - 1 5 求出接地电容c 。 本系统中脱谐度选择一1 0 9 6 ，由脱谐度y = 1 一而1 ，可以反算出此脱谐度下 消弧线圈的电感值三= ( 1 + v ) w 2 c = o 9 1 0 4 石c 。系统的阻尼率d 取为0 2 ，由 d = w l 峨求出并联电阻的阻值如= l o 万+ 工。系统中因为阻值并非连续可调， 在这里选用比较接近的数值进行调节。 4 3 2 消弧系统操作过程 系统的初始化工作完成后，通过实时监测中性点电压互感器二次侧的电压值 和三相对地的电压值，如果中性点电压偏离正常不对称值的范围则可认为有故障 发生，消弧线圈投入运行。因为选线系统对于主控系统而言可以认为是一个独立 的单元，所以在发现故障的同时，选线单元中已有一个故障周期内的选线结果， 主控系统立即通知选线模块传送结果。 考虑8 0 c 1 9 6 k c 的处理能力，又要保证数据处理的实时性，所以在对中性点 电压进行监测的过程中采用边采集边运算的方法。系统中设定采样率为一个工频 周期4 0 个点，采用均方根求真有效值方法保证了运算的快速性和精度要求。 消弧线圈投入4 个工频周期( 8 0 m s ) 后，投入并联电阻，由前面的分析可知， 初期不接入电阻是为了使故障相的恢复速度减速，后期投入电阻是为了限制消弧 线圈的灭弧的过程中造成的过电压水平。并联电阻接入后，再经过2 秒，断开消 弧线圈，再一次对中性点电压和三相对电压进行检测，如在正常范围之内则可认 为故障消除，如故障依然存在则对其再进行一次以上的消弧操作。如果经过两次 的操作任不能消除故障，因为谐振现象和弧光接地的外在表现往往比较相似，所 以在这里我们瞬时短接电压互感器p t 的二次侧开口三角处，通过电压互感器的 强阻尼消除谐振。 2 秒后，如仍不能消除故障则基本可以认为系统发生了金属性或高阻性接 地，这两种故障类型的判断由2 3 可知，可以根据中性点电压的高低加以判别， 中性点电压较高的为高阻性接地，较低的为金属性接地，在此稳定状态下主控系 统再一次通知选线系统上报故障点信息，系统将故障信息保存并通知上位机以便 人工排除。 4 4 系统总体结构及其功能划分 图4 - 1 给出了整个系统的整体实现框图。其中主控部分采用比较常用的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 进行控制，还包括硬件看门狗、时钟部分、数据存储部分。 信号调理部分主要对电压信号进行低通滤波滤去高频部分和毛刺，同时由于a d 转换部分中只能采样正电平信号，因此需要将信号提升半个满量程再进行数据采 集。另外对于流经中性点的电流采用串接h d c 一5 0 l x ( 1 5 ) 霍尔电流传感器的方 法进行测量。选线单元主要对最多1 6 3 路电流信号进行采集，电流采集卡共分 三块，可以根据实际电流路数的多少进行选择。消弧线圈和电阻控制部分接收主 控部分的指示信息相应调整消弧线圈的电感值和并联电阻的阻值大小。 图4 - 1 系统整体实现框图 第5 章系统的软硬件实现 5 1 硬件电路 主控单元是整个消弧消谐系统的核心部分，其组成主要包括微控器 ( 8 0 c 1 9 6 k c ) 、存储器、时钟单元、硬件看门狗等。系统中程序存储芯片采用a t m e l 公司的a t 2 9 c 2 5 6 ，2 5 6 k ( 3 2 k 8 ) b i t s ，5 v 闪存；数据存储要求在掉电重启后故 障信息仍能够保存，所以选择了r a m t r o n 公司的铁电非易失可读写存储芯片 f m l 0 8 0 ( f m l 0 8 0 同样是一款2 5 6 kb i t ( 3 2 * 8b i t s ) 存储芯片) ；时钟芯片采用 d a l l a s 公司的d s l 3 0 2 系列，它是一款只有八个引脚的片子，可以给出年月周日 时分秒7 个时钟信息；看门狗采用m a x i m 公司的m a x 7 0 6 。 5 1 1 主控单元电路 本系统装置采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机做处理器。8 0 c 1 9 6 k c 是i n t e l 公司生产的 一款1 6 位单片机，适用于各类自动控制系统、一般的信号处理系统和高级智能 仪器，在电力系统的继电保护装置中应用也比较广泛，本系统中的运算控制单元 也采用了8 0 c 1 9 6 k c 芯片，其电路图如图5 - i 所示。 图铲l 主控部分电路图 系统由8 0 c 1 9 6 k c 、a t 2 9 c 2 5 6 和e 1 0 8 0 共同构成了系统的核心部分，对电压 电流信号进行采集、逻辑判断、数据存储和总线驱动等。以下是外部输入及输出 量的对应关系：