（高电压与绝缘技术专业论文）一种故障限流器在线监测、控制、保护系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力系统容量的逐年增加，电网短路容量和短路电流水平也不断增长。 短路电流会直接影响电气设备的选择和电网的安全稳定运行。为限制短路电流水 平，通常采用的限流措施主要从电网结构、系统运行方式和设备三个方面考虑。 通过改造电网结构来限制短路电流，其费用极其昂贵；通过改变系统运行方式和 设备来限制短路电流，容易造成电力系统运行的不稳定或可靠性降低。因此，为 保证电力系统的安全稳定运行，如何快速有效地限制短路电流，已成为当前电力 系统发展面临的关键技术问题之一。 故障限流器作为一种有效的技术措施，能够限制电网的短路容量，从而极大 地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高其动作可靠性和使用 寿命，保证电网的安全与稳定运行。另一方面，由于限制了短路容量，显著降低 对电网中各种电气设备( 如变压器、断路器、互感器等) 以及电网结构的设计容 量要求，大大节省投资。 故障限流器的投入运行，需要解决相应的在线监测、控制与保护技术问题。 对f c l 实行在线监测，可及早发现各组成元件的内部缺陷，便于排除隐患并实 施可靠的保护措施，同时又能依据限流器的运行状态进行合理的控制操作。 本文提出了一种新型的经济型f c l 的拓扑结构，并给出了具体设计方案。针 对此经济型f c l ，具体设计了其在线监测、保护与控制系统，包括软、硬件两部 分。进一步，本文还就含有故障限流器的线路单相重合闸操作开展了交互影响研 究，提出了故障限流器与单相自动重合闸的配合时序与控制策略，并应用于故障 限流器的控制系统设计中。最后，本文针对f c l 的电容器组、避雷器组、并联间 隙、快速合闸开关等元件的运行与维护，结合与单相自动重合闸操作的配合控制， 建立了一套f c l 的控制与保护策略。 关键词：z n o 避雷器，故障限流器，在线监测，d s p ，单相自动重合闸 第1 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i de x p a n d i n go ft h es c a l eo ft h en a t i o n a le l e c t r i cp o w e r 面d s ，s w i f tr i s i n g o ft h ee l e c t r i cp o w e rl o a d sa sw e l la si n s t a l l a t i o no fl a r g ec a p a b i l i t yp l a n t s ，t h es h o r t c i r c u i tl e v e li si n c r e a s i n gd a ya f t e rd a y h o wt ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n tb e c o m e s a l li m p o r t a n tt e c h n i c a lt a s kd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rg r i d s t h e r e f o r e ，f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) h a sb e e nb e c o m i n go n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hs u b j e c t s n o w a d a y s f r o mt h ef e a s i b i l i t ya n de c o n o m yp o i n t so fv i e w , s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n t l i m i t e r ( s f c l ) a n df l e x i b l es h o r tc u r r e n tl i m i t e r 口s c l ) a r ed i f f i c u l tt oa p p l yi n e l e c t r i cp o w e r 鲥d si nt h en e a rf u t u r e e c o n o m i c a lt y p ef c lb a s e do ng e n e r a le l e c t r i c e q u i p m e n t sw h i c ha r eu n - s u p e r c o n d u c t i n go ru n e l e c t r o n i ci su n d o u b t e d l yt h eb e s t c h o i c et os o l v et h eq u e s t i o n so fl i m i t i n gf a u l tc u r r e n t a no p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o nf o r t h es e r i e sr e s o n a n tt y p ef c lb a s e do nz n oa r r e s t e ri sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e a l s o ， a10 k v p r o t o t y p eu n i th a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n v e r i f i e da n dt h ef e a s i b i l i t yv a l i d a t e d ，w h i c hp r e s e n t st e c h n o l o g i c a lb a s i s f o rf u r t h e r d e v e l o p i n gh i g h e rv o l t a g e - l e v e lf c l s a no n l i n em o n i t o r i n g ，p r o t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nd e t a i l s i n c l u d i n gb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t s t h es y s t e mi sr e a l i z e dt h r o u g ht h e h a r d w a r em o d u l ed s pa n dt h es o t t w a r ep l a t f o r ml a b v i e w t h ei m p a c to faf c lo nt h es i n g l e p h a s ea u t o r e c l o s u r es c h e m eo fa l le h v t r a n s m i s s i o nl i n ei sa l s oa n a l y z e di n t h et h e s i s ，i nw h i c ht h es e c o n d a r ya r c c h a r a c t e r i s t i c sa r ef u l l ya c c o u n t e df o r an e wc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e da n dr e a l i z e d t oc o o r d i n a t et h eo p e r a t i o n so fb o t ht h es i n g l e - p h a s ea u t o r e c l o s u r ea n dt h ef c l k e yw o r d s ：z n oa r r e s t e r ；f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ；o n l i n e - m o n i t o r ；d s p ；s i n g l e - p h a s e a u t o r e c l o s u r e 第1 i i 页 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 壑叁e l期：兰! 堕：兰鱼 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者繇、刁套新虢参n 日期： 孵似6 山东大学硕士学位论文 1 1 故障限流技术背景 第一章引言 随着我国电力系统负荷的迅速增长以及大容量机组的不断投入运行，短路电 流水平也日益增高。以广东地区电网发展规划的概算为例1 ，2 1 。对于5 2 5 k v 等级， 2 0 1 0 年最大短路电流达6 8 k a ，三相短路电流超过5 9 9 k a 的变电站达1 7 个，超过 4 7 5 k a 的变电站达9 4 个；2 0 1 5 年最大短路电流将达8 1 k a 。对于2 3 0 k v 等级，2 0 1 0 年最大三相短路电流达8 7 k a ，超过5 9 9 k a 的变电站达4 0 个；2 0 1 5 年最大短路电 流达1 0 5 k a ，三相短路电流超过5 9 9 k a 的变电站达6 8 个，超过4 7 5 k a 的变电站达 1 4 2 个。又如，计算表明三峡水电站可能的最大短路电流周期分量将会达到 3 0 0 k a 。这就要求电网内各种输变电设备，诸如高压断路器、变压器、互感器以 及变电站的母线、构架、导线、支撑绝缘子和接地网等，必须满足短路电流水平 提高所带来的更加苛刻的要求。 特别是近几年来，我国电网的规模迅速扩张，导致目前电力系统各电压等级 电网中的短路电流( 短路容量) 不断增长，超高压电网的规模与容量逐渐扩大。 我国5 0 0 千伏交流电压等级已有2 5 年发展历史，2 0 0 4 年的电网规模已达至u19 8 2 年 的6 倍以上；地区电网网际互联日趋紧密，全国六大电网( 东北，华北，西北， 华东，华中，南方) 已经进入实质性的电能互补阶段，有效促进了能源的优化配 置，增强了国家对电力的宏观调控能力；同时，中压电网变压器容量增大，小容 量电源也不断并入大电网，如众多新建电厂正不断接入1 1 0 k v 和2 2 0 k v 电网p j 。 上述技术措施虽然有效提高了电网的输电能力，满足了人们日益增长的电力需 求，但也导致了短路容量的快速增长。 短路故障对电力系统的正常运行以及电气设备本身具有很大的危害性【4 】。发 生短路时，由于电源供电回路阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使得短路电 流可能超过额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近( 即阻抗愈小) ， 短路电流愈大。 ( 1 ) 短路电流的动、热稳定效应可能会损坏电气设备。短路电流通过电气 设备中的导体时，其强烈热效应会引起导体或其绝缘的损坏。另一方面，导体也 会受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏。 第1 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 短路故障还会引起电网中电压降低，特别是靠近短路点处的电压显著 下降，结果可能使部分用户的供电受到影响。电网电压降低可导致用电设备不能 正常工作，例如对于异步电动机，其电磁转矩与外施电压的平方成正比，电压下 降时电磁转矩将显著降低，使电动机转速减慢甚至完全停转。 ( 3 ) 系统发生短路相当于改变了电网结构，必然引起系统中功率分布的变 化，则发电机的输出功率也相应发生变化。无论在哪一点发生短路，发电机输出 的有功功率都将下降，但发电机的输入功率由原动机或进水量决定，不可能立即 变化，这样，发电机输入和输出功率的不平衡必然引起转速变化，从而可能导致 并列运行的发电机失去同步，破坏系统稳定，甚至造成大面积停电。 ( 4 ) 不对称接地短路引起的不平衡电流将产生严重的不平衡磁通，在邻近 通信线路内形成相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及通信设 备及人身安全。 为避免短路故障的严重后果，保证电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性， 必须采取行之有效的措施限制短路电流；否则，新建变电站的设备投资和现有变 电站的设备改造将付出巨额代价。目前，世界上大多数国家都采取一定措施对各 级电网的短路水平予以适当限制。 综上所述，随着我国电网的迅速发展，一些发达地区超高压( 2 2 0 k v 与5 0 0 k v ) 电网的短路电流水平日增，短路电流过大( 如达到8 0 k a 或以上) ，不但使电网无 高压断路器可以选用，也造成热效应、电动力效应过大，影响电网的安全、可靠 和稳定运行。因此，限制短路电流己成为现代电网发展中一个不可回避的重大技 术和经济问题。 1 2 故障限流的基本措施 限制电力系统短路电流的一般措施【3 7 1 ，可从调整电网结构、改变系统运行 方式和加装限流设备等三方面予以考虑，具体方法包括： ( 1 ) 提升电网电压等级，下一级电网分层、分区运行。将下一级网络分成 若干区，以辐射状接入更高一级电网，大容量电厂也直接接入更高一级电网中， 这样，原电压等级电网的短路电流将随之降低。例如，在发展5 0 0k v 电网的基础 上，对2 2 0k v 电网实施分层、分区运行，是限制短路电流最直接有效的方法。 第2 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用合理的电源接入方式。当主网的短路电流达到一定水平后，不宜 再强调大机组一定接入最高一级电网，电厂并网点的选择应充分考虑对系统短路 电流水平的影响，并留有一定发展空间；大电厂之间应尽可能避免直接联络，大 力推广发电厂以单机、单变、单线方式接入系统，且根据系统实际情况分别连接 到不同的变电站，这在国外电力系统中已是成熟经验。 ( 3 ) 变电站内采用母线分段运行方式。打开母线分段开关，使母线分列运 行，可以增大系统阻抗，从而有效降低短路电流水平。该措施实施方便，但将削 弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，也可能引起母线负荷分配 不均衡。 ( 4 ) 加装变压器中性点小电抗。中性点小电抗对于减轻三相短路电流无效， 但对于限制不对称短路电流的零序分量具有明显效果。在变压器中性点加装小电 抗，施工便利且投资较小，故在单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场 合应用很有效。不过，中性点小电抗仅对降低2 2 0 k v 电网局部区域单相短路电流 的作用较大。 ( 5 ) 采用高阻抗变压器和发电机。采用高阻抗发电机会增大正常情况下发 电机自身的相角差，对系统静态稳定不利；再者，漏磁增加，故障初期的过渡阻 抗增大，因转动惯量减小将进一步使系统动态稳定性下降。采用高阻抗变压器也 同样存在类似问题。因此，是否采用高阻抗变压器和发电机，需要综合考虑系统 的短路电流水平和稳定问题。 ( 6 ) 采用串联电抗器。加装串联电抗器可有效限制短路电流，但会造成正 常情况下的无功消耗，必须另加无功补偿设备。利用可控硅技术，可实现正常运 行时串联电抗器的零阻抗，但目前受单个半导体器件的容量所限，必须采用串并 联方案，有关技术和经济可行性问题尚待进一步研究。 ( 7 ) 采用直流背靠背技术。交流系统的短路电流含有无功分量，而直流系 统只输送有功功率。通过直流系统将已有的交流系统适当分片，即在同一地点装 设整流、逆变装置而不需架设直流输电线路，可以很好地限制短路电流水平。不 过，此方法的缺陷是换流装置的费用较高。 ( 8 ) 提高断路器的开断容量。选择开断电流水平高的断路器，也不失为一 种解决办法，但开关设备造价昂贵，同时需要对相关输变电设备进行改造，总投 资较大。 第3 页 山东大学硕士学位论文 ( 9 ) 装设故障电流限制器( f c l ) 。f c l 作为一种有效的技术措施，能够 限制电网的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定 负担，提高其动作可靠性和使用寿命，保证电网的安全与稳定运行。由于限制了 短路容量，有可能显著降低对电网中各种电气设备( 如变压器、断路器、互感器 等) 以及电网结构的设计容量要求，大大节省投资。 1 3 故障限流器技术研究的现实意义和应用价值 从限制电力系统短路电流的一般措施中，我们可以看出，采用提升电网电压 等级、下一级电网分层分区运行、改变电源接入方式、母线分段运行、变压器中 性点加装小电抗、高阻抗变压器和发电机、串联电抗器、直流背靠背技术、提高 断路器的开断容量等常用技术措施，尽管可在某种程度上解决电网短路电流的抑 制问题，但无一例外地将对电网运行的灵活性与经济性带来不同程度的负面影 响；而研究性能优良、经济合理的新型故障限流器是大势所趋，对我国电网建设 具有重要的现实意义和应用价值。 1 4 故障限流器的在线监测、控制、保护问题 f c l 的投入使用又带来在线监测、控制、保护问题。一旦设备出现问题，将 带来巨大的经济损失，并且严重威胁到电网的安全运行。对设备实行在线监测， 一方面可以及早发现并排除故障，另一方面可以有效及时地监测设备的内部缺 陷，从而对设备进行必要的改进。对设备进行在线监测，必然需要控制与保护系 统的支持。通过在线监测得到的数据，保护系统可以根据相应的算法确定设备运 行状态，控制系统可以控制设备的开断顺序、时序等。因此，对f c l 进行在线 监测及采取相应的控制、综合保护意义重大。 1 5 本文研究内容 1 提出了一种新型的经济型f c l 的拓扑结构，并给出了具体设计方案。 2 基于d s p 硬件平台与l a b v i e w 软件平台，设计t f c l 的数字化在线监测与控 制系统，既能保证f c l 可靠动作，又能实时监澳g f c l 各个元件的运行数据， 实现综合防护功能。 第4 页 山东大学硕士学位论文 研究了 f c l 对超高压线路单相自动重合闸操作的影响。针对安装z n o 避雷器 式f c l 的5 0 0 k v 输电线路的潜供电弧特性，提出t f c l 与单相自动重合闸操 作的配合控制方法。 针对f c l 的电容器组、避雷器组、并联间隙、快速合闸开关等元件的运行与 维护，并结合与单相自动重合闸操作的配合控制，建立了一套f c l 的控制与 保护策略。 第5 页 山东大学硕士学位论文 第二章故障电流限制器技术的研究及应用现状 故障限流器( f c l ) 最早出现于2 0 世纪7 0 年代的研究文献中，作为限制短 路电流的有效方式，f c l 以其优异的技术和经济特性一直是国内外的研究热点。 在电力系统的适当位置安装一定结构形式的f c l 具有以下多种优点【3 】： 1 ) 可解决因电网短路电流过大致使无断路器可选的问题； 2 ) 节省因短路电流增大引起的设备更换、改造和基建投资费用； 3 ) 解决某些联网、成环上的难点问题，提高供电可靠性； 4 ) 降低输电线路和串联型输变电设备的电动力与短时发热负担，提高电气设备 的运行可靠性； 5 ) 提高电网的暂态稳定性； 6 ) 对电网中安装的串联型超导电力设备，可避免因短路电流过大引起的失超现 象，降低超导设备的研制难度及造价； 7 ) 减小短路电流对通信线路的干扰，降低跨步电压； 8 ) f c l i 程造价明显低于直流背靠背系统。 2 1 故障限流器的种类 从近几十年的发展历程来看，研制的f c l 虽然结构形式不同，且种类繁多 1 8 - 2 0 1 ，但其最基本的工作原理相类似：在电网正常运行时表现为零阻抗或微小阻 抗，功耗接近于零，最大不超过输送功率的0 2 5 ；在电网发生短路故障时，迅 速呈现高阻抗以限制故障电流。对各种f c l 的共性要求包括：动作速度快，反应 时间小于2 0m s 甚至更小( 几个m s ) ；具有故障时自动触发功能，可将短路电流 限制到预期值的一半以下；故障切除后，具有快速自动复位功能，可在几秒之内 实现多次动作，以配合线路的重合闸操作；工作可靠性应高于同时运行的断路器 等设备。 由于实现限流的方式千差万别，故障限流技术属于多学科交叉研究领域，故 对其进行准确的分类十分困难，这里仅给出大致的分类方法。 从限流阻抗类型或作用方式可将f c l 分为阻抗型和非阻抗型。其中阻抗型又 可分为电阻型、电感型和整流型；非阻抗型可分为爆破型( a b b 公司的i s 1 i m i t e r 、 美国g & w 公司的c l i p 、法国f e r r a z 公司的p y r o b r e a k e r 、西安铭金科技公司) 第7 页 山东大学硕士学位论文 和自愈合熔丝型( r e h e a l i n gf u s e ) 等。 从限流材料与设备类型可将f c l 分为特殊材料型和常规材料型。特殊材料型 以超导型为主，美国阿贡实验室、日本东京电力和日新公司以及中科院电工所从 事该项研究较多；此外还有p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 聚合材料型， 瑞典a b b 研究协会在这方面取得了较大进展。常规材料型可分为电力电子型、常 规设备型和混合型，或者也可分为串联谐振型、并联谐振型、整流型和电弧电流 转移型等。 2 2 几种类型故障限流器综合比较 近十年来，国内外的高等院校、科研单位以及高科技公司在f c l 的研制方面 投入了大量的人力和物力，取得了令人瞩目的成果，其中超导型、电力电子型和 基于常规设备的经济型故障限流器，成为人们关注和研究的热点。 下面就三种人们关注和研究热点的故障限流器做一下比较。 2 2 1 超导型故障限流器( s v c l ) 超导型故障限流- 器( s f c l ) 是把超导技术应用在故障限流领域的一种故障限 流产品【2 l - 2 4 。它的基本原理是利用超导材料在超导态s 和正常态n 之间的转变特 性及一些辅助部件，在线路中产生一个适当的阻抗来实现故障限流。限流器具有 自动复位功能，且可在高电位下运行。正常运行时，线路传输电流在临界电流以 下，s f c l 表现为零阻抗或极小阻抗，几乎无损耗地通过额定电流；故障时，由 于短路电流大于临界电流，超导体迅速失超而呈现非线性高电阻，在几毫秒内做 出反应，可把短路电流限制在线路额定电流的2 倍左右。 超导型故障限流器限流效果好，近年来在超导技术上也取得了重大的突破， 但目前超导技术在电工领域的应用还受到许多具体条件的限制，特别是在高电 压、大功率场合的应用技术尚不成熟，运行可靠性难以保证，造价也极其昂贵。 超导体在失超后需要较长的时间才能恢复到超导态，这对需要快速重合闸的应用 场合就无法满足条件。总之，超导技术目前的实用化程度尚不能满足电力工业的 实际工程需要，s f c l 的研制还有赖于超导技术的科研发展和其他相关技术的进 步。倘高温超导材料的科学研究、生产工艺和技术性能取得新突破，高温超导线 第8 页 山东大学硕士学位论文 材的“失超 传播和保护等问题得以解决，那么s f c l 将在电力系统中具有更加 广阔的应用前景。 2 2 2 电力电子型故障限流器 电力电子型故障限流器的基本原理是利用半导体器件替代传统的开关设备 来完成限流阻抗的快速切换，从而限制短路电流。 电力电子型故障限流器的特点是控制迅速灵活，易于实现综合型多功能的 f a c t s 控制，但它需要由大容量半导体器件串、并联而成，不仅造价昂贵，而且 同步触发和保护技术要求高；稳态功耗和发热厉害，需要采用强迫水冷却；其实 用性受到一定限制，有赖于半导体器件技术的研究获得新进展。电力电子型故障 限流器要在实用化的道路上取得突破，就必须解决以下关键问题： a ) 单个器件的耐压和通流能力有限，抗短时大电流热效应的能力较差； b ) 器件串、并联同步触发与控制困难，在大电流下的运行可靠性受到质疑； c ) 电力电子器件短路电容器时需加设限流电感或电阻，结构复杂； d ) 需增设极快速( 如1 m s 范围) 的多重继电保护； e ) 价格昂贵，技术经济性差。 2 2 3 经济型故障限流器 经济型f c l 是基于常规电气设备或非超导、非电力电子的元件的f c l 。该 f c l 可自启动实现故障限流，而一般无需短路电流自动检测元件。 实际统计与分析表明，只有安装在高压或超高压电网内，f c l 才具有实际应 用价值，凸现其技术和经济上的优越性。从中近期技术上的可能性( 包括运行经 验及相关可靠性) 与经济性( 包括造价、运行费用) 等各方面考虑，超导型和电 力电子型故障限流器在近期内尚难以在电网中付诸实用。基于常规电气设备或元 件的非超导、非电力电子的经济型f c l ，无疑是解决故障限流问题的首选技术； 由于其易于实现高压大容量化，运行可靠性高，目前又重新受到研究者的青睐。 其中，基于常规电气元件的串联谐振型f c l ，不仅可把短路电流限制到较低水平， 而且具有运行可靠性高、无需外加控制而实现自动投切、价格低廉和技术经济性 能好等明显优点，能克服前述现有限流技术的不足。经济型f c l 的实现可有多 种拓扑电路，具体包括：( 1 ) 机械开关型，较电力电子型价格低，但限流效果较 第9 页 山东大学硕士学位论文 差；( 2 ) 电弧电流转移型，需要外加辅助装置提高电弧电压和强迫电流过零；( 3 ) 串联谐振型，又分为饱和电抗器型、避雷器型和预击穿高压开关型等，该种装置 可自启动实现故障限流，而一般无需短路电流自动检测元件。 为适应当代电力系统发展的迫切需要，从实际出发并综合考虑技术与经济因 素，研究和开发经济型f c l 已是大势所趋。 2 3 小结 半个多世纪以来，短路电流限制技术一直是电力系统的重要研究课题之一。 国内外科研机构对超导型f c l 和电力电子型f c l 已经开展了相当多的研究工作， 涉及实验研究和分析建模等方面；尽管已有低压、小容量限流器样机实现了挂网 试运行，但目前也存在着种种技术上的不足，限制了这些新型限流技术向高压、 大容量发展；而从电力系统的发展状况和需求而言，只有在高压等级电网安装 f c l 才有实际意义。鉴于这种现状，基于常规电气设备的串联谐振型( 女i l z n o 避 雷器式) f c l ，是目前较为经济、实用、可靠的故障限流方案，有望在高压电网 较早获得实用。要实现z n o 避雷器式f c l 在高压电力系统的应用，仍面临诸多有 待研究的技术难题，例如z n o 避雷器的串、并联和吸能问题，电容器和避雷器的 后备保护问题，f c l 的监测与保护、控制系统的设计问题等。 第l o 页 山东大学硕士学位论文 第三章经济型故障限流器的总体设计方案 针对上一章提到的z n o 避雷器式f c l 的固有问题，本章提出一种新型z n o 故 障限流器拓扑。 3 1 故障限流器新型拓扑设计 在z n o 避雷器式f c l 的原始设计方案中，对避雷器的吸能容量要求很高， 而且电容器和避雷器也没有后备保护措施，不能保证限流器的运行可靠性。针对 这些不足，并受电力系统串联补偿设计方案的启发，本文提出图3 1 所示的限流 拓扑设计方案，它由电容器c 和串联电抗器l 、z n o 避雷器、可控并联间隙g 和快速合闸开关k 组成。当发生短路故障时，z n o 避雷器快速动作使电容器c 短路，打破串联谐振条件，从而将电抗器l 串入线路实现故障限流。z n o 避雷 器同时作为电容器的过电压保护，并联间隙g 和快速合闸开关k 作为避雷器短 时热耐受能力的后备保护。开关k 可以保护可控并联间隙免于长时间烧损，它 只需完成快速合闸功能( 如5 0 6 0 m s ) ，不必具备多大的过流开断能力，易于制 造。 z n o j 仁_ j c iij i i + 卜一 g 。一 k 图3 1z n o 避雷器式故障限流器基本原理拓扑 具体实现时，本文提出将串联电抗器l 设计成两个电抗器l l 和l 2 ，满足 l = l l + l 2 。当可控并联间隙g 和快速合闸开关k 短路电容器时，电抗器l l 起到 抑制较大振荡电流的作用，如图3 2 所示。c b 为限流器总旁路开关( 用于检修) ， d l 和d 2 为隔离开关，m o a l 和m o a 2 为线路的基本雷击保护。 第1 l 页 山东大学硕士学位论文 k 图3 2 故障限流器实际拓扑构成 只有安装在高压或超高压电网内，故障限流器才具有实际应用价值，凸现其 技术和经济上的优越性。本文拟采用该设计方案研制1 1 0 k v 等级的f c l ，线路 的最大持续运行电压为1 2 3 k v ，最大负荷电流为l k a ，预期最大短路电流( 热稳 定电流，有效值) 为3 0 k a ( 变压器出口发生短路故障) ，限流器可将故障电流限 制在1 0 k a 以下。根据f c l 中电抗器与电容器串联谐振的原则，本文对1 1 0 k v 等级的f c l 进行了参数优化设计，给出了下面11 0 k v 等级f c l 组成元件的设计 思路及基本参数。 3 2 串联电容器设计方案 基本参数：根据上述限流指标，需要的单相限流阻抗约为4 4 f 2 ，则相应的 电容值为7 2 4 5 9 f ，额定电压为4 4 k v ，额定电流l k a ，单相额定无功容量为 4 4 m v a r 。电容器组采用双套管结构，其过电压保护水平为2 5 p u ，基本冲击电压 水平b i l 值为5 0 k v 。 设计要求：电容器元件介质材料采用聚丙烯薄膜，介质无毒性，并满足环境 保护的要求，采用全密封的不锈钢外壳，无任何渗漏。2 0 c 时，电容器的介质损 耗不应超过0 2 w k v a r 。每台电容器采用内部放电电阻器，且1 0 m i n 内的残压不 大于7 5 v 。串联电容器组由电容器单元组成，电容器单元由多台电容器串、并联 而成，如图3 3 所示，为方便运行维护，电容器单元的重量不宜超过1 0 0 k g 。串 联电容器每相的阻抗偏差不大于- 4 - 1 5 ，两相间不大于士1 ，每个电容器单元的 阻抗偏差不大于- 4 - 2 5 。 图3 4 为串连后的电容器组实物图。 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 放电 图3 3 单元电容器组内部结构图 图3 4 串联后的电容器组实物图 3 3 串联电抗器设计方案 内熔 电容器元 基本参数：需要的单相限流阻抗约为4 4 f 2 ，则相应的总电感值约为l = 1 4 m h ， 额定电压为4 4 k v ，额定电流l k a ，额定短时电流1 5 k a ，单相额定无功容量为 4 4 m v a r 。电抗器品质因数选为8 0 。b i l 值为1 0 0 k v 。两个电抗器的技术指标需 要另外专门设计。电抗器l 1 的设置，应保证电容器的最大峰值放电电流小于电 容器额定电流的1 0 0 倍。 设计要求：采用空心干式或油浸式，主绝缘需采用全绝缘，纵绝缘的设计和 变压器类似，为防止雷电波侵害，需加强电抗器两端的匝间绝缘并在电抗器两端 配备避雷器加以保护。 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 3 4 避雷器设计方案 基本参数：保护水平为2 4 p u ，每相吸能不超过l l m j 。每相由若干避雷器单 元组成，每个单元的重量不超过l o o k g 。 设计要求：z n o 避雷器用于限制流过电容器的故障电流，其最高电压与系统 运行工况相配合。其通流容量满足在短路时快速释放热能，并能承受一定时间的 外部和内部故障。避雷器采用压力释放装置，以释放由内部电流所产生的压力， 释放能量应保证整套装置的可靠运行。避雷器的最大允许能耗应超过故障时其可 能吸收的最大能耗，并增j j l l o 的冗余。通常配置避雷器的吸能容量，以最大故 障电流时避雷器需独自吸收的能量为准，此时放电间隙和快速合闸开关都不动 作。 按照限流器用避雷器吸收能量的要求，避雷器采用多柱并联。控制每柱电流 分布是避雷器结构设计的关键问题。通过改进电阻片制造工艺，并对每批电阻片 进行严格测试和筛选，提高电阻片的通流容量，使每台避雷器并联元件的伏安特 性尽量接近一致，以确保电流沿避雷器各柱之间均匀分配，提高避雷器的整体性 能。根据1l o k v 限流器的安装结构特点，避雷器采用目前较为成熟的复合硅橡胶 外套避雷器的制造工艺制成。复合外套避雷器已大量应用到交直流输电、串补电 容器和静补装置的保护中。复合外套避雷器的外套材料选用的主料是甲基乙烯基 硅橡胶，主链为含硅氧键( s i o ) ，侧链含少量的不饱和乙烯基。图3 5 为要设 计避雷器的外形图，图3 6 为串并联后的避雷器组。 第1 4 页 图3 5 避雷器组外形图 山东大学硕士学位论文 图3 6 串、并联后的避雷器组 3 5 并联可控放电间隙g 设计方案 基本参数：预放电电压设计在1 0 1 5 k v 之间。保护间隙的冲击电流要小于 1 0 0 k a 。 设计要求：故障时将避雷器短路，以降低避雷器吸收能量的要求，作为避雷 器的主保护和电容器组的后备保护，以避免避雷器限热容量时而破坏，动作时间 在0 5 m s 左右。需在线监测避雷器中流过的电流，当电流超过设定值时，由向触 发电极发出一个高压触发脉冲，将间隙击穿，及时短路避雷器以实现限流。为满 足不同的保护情况，间隙的距离应可调。在避雷器的保护水平为2 4 p u 的情况下， 间隙的最小击穿电压应选择为1 8 2 3 p u 为宜。选择击穿电压为2 1 p u ( 电压值为 1 3 2 5 k v ) 。 图3 7 为放电间隙实物图。 可控间隙原理图如图3 8 所示，其工作包括充电和放电过程。充电过程：交 流2 2 0 v 经过整流桥b r i d g f 变成直流电压后给电容c 5 充电。这时r l 和r 3 为 充电电阻，防止充电电流太大。放电过程：充电完毕后，当二极管b t l 5 1 收到 5 v 的触发信号v j 后导通，使电容c 5 经放电电阻r 3 放电。其中d l 、c 4 和r 5 为 抗干扰电路。p 为一高压包，也就是脉冲变压器，它可以将r 3 上的电压升压到 1 0 1 5 k v 送到间隙的触发针上。 并联间隙触发系统原理如图3 9 所示。 第1 5 页 山东大学硕士学位论文 图3 7 放电间隙实物图 上位机控制信号 图3 8 可控间隙原理图 光耦隔离 图3 9 并联间隙触发系统原理图 3 6 旁路快速合闸开关k 设计方案 基本参数：额定电压1 2 3 k v ，额定电流2 k a ，合闸时间5 0 8 0 m s ，分闸时间 小于4 0 m s ，热稳定电流3 0 k a ，动稳定电流7 5 k a 。 设计要求：故障时将电容器、避雷器和并联间隙短路，以降低避雷器吸收能 量的要求，作为避雷器的后备保护和间隙的主保护，避免间隙长时间的燃弧烧损。 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 旁路合闸开关应设计失灵保护，通过控制总旁路开关c b 完成。总旁路开关c b 则选用的一般的1 1 0 k v 线路用断路器即可。 3 7 隔离开关设计方案 基本参数：1 l o k v 变电站用隔离开关。 设计要求：用于旁路和隔离限流器及其组件，便于维护，并不影响线路的正 常运行。采用电动机操动机构。 第1 7 页 山东大学硕士学位论文 第四章经济型故障限流器在线监测系统的软硬件实现 经济型f c l 的拓扑构造中，有电容器组、避雷器等元件，不可避免的会出 现老化现象。如果经济型f c l 因为老化或其它原因导致短路故障时f c l 没有投 入正常工作，则持续的高电流对f c l 造成的损坏是非常致命的。 对于经济型f c l 的监测系统的设计，主要分为两个方面：一，经济型f c l 的电流信号的采集、处理、传输。二，对采集的信号进行处理、分析、显示。 故障限流 高压侧 低压侧 图4 1 经济型故障限流器在线监测系统流程图 为了方便工程的需要，所有需要监测的故障限流器电压值都尽量用相应的电 流值通过换算得到。这样，只需要采集f c l 相应节点的电流信号，经过计算， 得到相应的电压值。根据控制、保护系统的要求，将在故障限流器的多处节点采 集信号。 故障限流器监测和保护系统流程图如图4 1 所示： 故障限流器某电流节点中的待测电流，通过电流互感器感应出电压信号，经 过信号调理电路，输入d s p 进行a d 转换，采集的数据经过电光转换，由光纤 模块传输至上位机，再经过光电转换将信号输入上位机的串口，由上位机运行的 第1 9 页 山东大学硕士学位论文 l a b v i e w 程序采集串口数据流，并对数据进行处理、判断，最终判定控制保护装 置的状态。 4 1 信号采集及预处理模块 故障限流器中需要测量的电流信号通过罗柯夫斯基线圈，感应出二次侧的电 压信号，由于感应的电压信号是正负对称的，电压范围为一1 5 v 到+ 1 5 v ，而d s p 的a d 模块输入电压范围为0 3 3 v ，所以二次侧电压信号需要通过信号调理电 路，整形为o 一3 3 v 的电压信号，为d s p 采样做好准备。 图4 2 电压信号调理电路 图4 2 为二次测电压信号调理电路，此电路通过两个反相放大器来实现。输 出电压范围为0 3 3 v 。 4 2d s p 模块 图4 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本方案d s p 模块采用n 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p ，如图4 3 。它的主 要性能参数如下： 供电电压3 3 v ，减小了控制器功耗；3 0 m i p s 的执行速度； 3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 第2 0 页 山东大学硕士学位论文 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两 个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 串口通讯接口( s c i ) 模块。 1 6 位串行外设( s p i ) 接口模块。 a d 采样模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有最多1 6 位的a d 转换通道，可以同时采集1 6 路电流信号。 本方案的d s p 软件流程图如下： d s p 系统初始化 怕、s c i 初始戗 二二 开启系统中断 二二 开启定时器间接 开启a d 转换 有中断 等待中断 a d 中断子程序 无中断 图4 4 d s p 软件流程图 i a d 中断入口 上 读取采样数据 上 数据通过s c i 模 块发送至光纤发 送模块 上 l 复位中断标志并 i 开启系统中断 上 l 返回等待 d s p 程序流程图如图4 4 所示，d s p 首先对指定寄存器的设定，进行系统初 始化，并进行a d 数字信号采集模块及s c i 串口通讯模块的初始化。本方案通 过设定a d 采样频率，在每个电力周波可以采4 0 个数据点。当初始化完成后， 系统中断开启，并开启定时器间接开启a d 转换。a d 转换每完成一次，都会 产生中断，系统检测到有中断时，进入a d 中断子程序，读取a d 采样数据， 并通过s c i 串口模块将数据发送出去，并返回主程序继续等待中断。 d s p 采样及串口通讯程序见附录。 第2 l 页 山东大学硕士学位论文 4 3 光纤收发模块 目前远距离传输中，利用光纤来进行传输无疑是传输速率最快、带宽最宽的 传输方式【5 6 。5 9 1 。相比其它的传输方式，光纤传输还具有线径细、重量轻、损耗小、 抗电磁干扰性能好、泄漏小、保密性能好等优点。在电力高压设备的数据采集和 传输中，光纤还可以起到隔离高压的作用，这也是本文采用光纤通讯的一个重要 原因。 本文用安捷伦公司的h f b r - - 5 2 0 5 光收发一体模块( 如图4 5 ) ，实现了高压 低压侧的数据传输。 图4 5h f b r - - 5 2 0 5 光收发器 光收发器是现代光纤通信系统中的重要器件，a g i l e n t 公司的光纤收发模块 在市场上占有很大分额。常用的光纤产品大部分都采用a g i l e n t 公司的光纤收发 模块。a g i l e n t 公司的光纤收发模块有很多产品型号，其具体参数不同，功能类 似。本文所采用的h f b r - - 5 2 0 5 是h g il e n t 公司的一款高性能光纤收发器件( 如 图4 5 ) ，它由三部分组成：发射和接收光学组件( 0 s a ) 、电组件以及带有双向s c 接口的包装机架。它可以实现点对点的通信，用于将高速差分p e c l 逻辑电平信 号转换成光信号进行传输，同时也可将光信号恢复成差分p e c l 逻辑电平信号。 h f b r - - 5 2 0 5 的传输速度可达到1 5 5 m b p s ，差分信号输入输出，采用带有双 向s c 接口的l x 9 封装类型，符合工业标准；传输距离可达到2k m ；发射器采用 波长为1 3 0 0n m 的激光。 第2 2 页 图4 6h f b r - - 5 2 0 5 引脚分布图 山东大学硕士学位论文 图4 6 为h f b r - - 5 2 0 5 引脚分布图，各引脚的功能如下： v e e 为接收端的信号地，直接将这个引脚连接到接收端的信号g n d ： r d + 与r d 一为两个输出管脚，它输出经h f b r - - 5 2 0 5 转换后的一对差分数 据信号( p e c l 电平) ； s d 是一个功能监测信号，正常输出为高电平。输出低电平表示接收端输入 的是无效信号。s d 实际上是一种单端的p e c l 输出