（电力系统及其自动化专业论文）电网安全分析及新型消弧控制技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文首先分析了影响谐振接地电网安全供电的因素，分析了全补偿消弧的必要 性和实施上的困难。接下来在阐述预随调调谐策略的基础上和主从式消弧线圈结构 的基础上，本文致力于用d s p 控制器、自动调匝式消弧线圈和晶闸管控制电抗器( t c r ) 实现一种主从式可控电抗消弧线圈。本文详细阐述了一次二次设备的构成和选型， 重点介绍了t c r 的原理和构成并分析了导通角度与等效电抗的关系以及谐波含量等 一些问题。最后文章对控制器的软件做了介绍。新型消弧线圈的结构照之传统结构 有很大不同，因此控制策略中电容电流计算、调档、选线、谐振处理都被进行了全 新的改革。 关键词：谐振接地，消弧线圈，主从式，可控电抗器 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t yo ft h ep o w e rs y s t e ma t f i r s t ， a n a l y s e st h en e e da n dh a r d n e s si na p p l i c a t i o no fa l l c o m p e n s a t i o na r c s u p p r e s s i n g f o l l o w i n gt h a to nt h eb a s i c o fd e t a i l so nc o m b i n a t i o no f p r e s e t t i n gm o d ea n d f o l l o w i n g - s e t t i n gm o d ea n dt h ec o n s t r u c t i o no fp r i n c i p a l a u x i l i a r y , t h i sp a p e rf o c u so n c a r r y i n go u tap r i n c i p a l a u x i l i a r yc o n t r o l l a b l er e a c t o ra r c - s u p p r e s s i n gc o i lu s i n gt h ed s p c o n t r o l l e r ，t h ea u t o m a t i ct a p a d j u s t i n ga r e - s u p p r e s s i o nc o i la n dt h et h y r i s t o r sc o n t r o l l e d r e a c t o r ( t r c ) b o t hp r i m a r ya n ds e c o n d a r ys i d e sd e v i c e sa r ed i s c u s s e dm i n u t e l y , a n dt h e p a p e re s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft r ca n da n a l y s e ss u c ha st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc o n d u c t i o na n g l ea n dt h ee q u a lr e a c t o ra n dt h eh a r m o n i cc o n t e n t ，e t c a tl a s tt h e p a p e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o no i lt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e r t h ei n s t r u c t i o no ft h en e w a r c s u p p r e s s i n gc o i ld i f f e r sal o tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s ，s ot h ec a p a c i t i v ec u r r e n t c a l c u l a t i o n 、t a pa d j u s t i n g 、f a u l tl i n ed e t e c t i n ga n dt h er e s o n a n c ep r o p o s i n ga r ei n n o v a t e d t o t a l l y p eis h a n p e n g ( e i e c t r i cp o w e ra n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy i h a n k e yw o r d s ：r e s o n a n tg r o u n d e ds y s t e m ，a r c s u p p r e s s i o n c o i l ，p r i n c i p a l a u x i l i a r y c o n t r o l l a b l er e a c t o r 声明 搴夫郑藏声骥：魏楚搿提交魏瑗攀拄瓷文窀瓣安全务褥及耨鳖溪蔽控粼技拳翁 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，程导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成粜。据本人所知，除了文中特别加以标潍和致谢之处外，论文中不包含其他 人曼经发表藏撰写过翁婿究戏暴，氇不包含失获褥牮j 基逛力大学或其毯教育掇构瓣学谴 簸证书嚣毽溺过静材秘。肆我藏工作酌葡志对零磷究所徽豹柽何贡献缘己程谂文中 乍 了明确的说明并表示了谢懑。 学整论文作者签名：蘧襄羹亟萋，西期：兰翌堡兰曼渗嚣 关于学位论文使用授权的说明 本人完垒了解华北电力大学有关僳昭、使用学位论文的规定。即：学校脊权保管、 莠逸毒关部门送交学位论文的暴终与复印 孚；学校可殴慕蜀嚣臻、缭印或葵宅复餐手 段复翻劳绦存学位论文；攀校可竞诲学整论文被套瓣或诺蠲；学校可疆擎洙交流为 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问媒体上发袭、传播学 位论文的全郝或部分内容。 ( 渗密的辫位论文在解密后遵守藏黼定) 车者签名：塑型 日 期：! 堡! 虽! 壁璺辞 导簿签名：趋i 煞。 鼹 期理! 垒! 弘霹 华北电力大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章引言 随着国民经济的飞速发展，近年来我国的中压配电网络普遍向大容量、多出线 方向发展。城市电缆网络的广泛应用更加加剧了这种容量扩展的趋势。与此同时， 不断进步的社会对供电可靠性也提出了越来越高的要求，供电可靠性成为衡量供电 企业成功与否的重要标准。在这种大背景下，为中压配电网络选择一种高可靠性的 接地方式，并对这种接地方式的运行工况进行分析并提出进一步改进的方法，成为 摆在电力科研工作者面前的一个重大任务。 电力系统的中性点接地方式可划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故 障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流 接地方式。在大电流接地方式中，主要有中性点直接接地方式、中性点经低电阻、 低电抗接地方式；在小电流接地方式中，主要有中性点经消弧线圈接地方式、中性 点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性点接地方式是一个系统 工程问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可靠性、 继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯的影响 以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较，加以确定【l 。j 。 我国中压配电网普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，近年来有些大 城市的中心地区改为中性点经小电阻接地方式运行，- 但绝大部分仍然采用不接地或 经消弧线圈接地方式( 即小电流接地方式) 。中压配电网由于绝缘距离小，绝缘予 绝缘能力弱，比较容易在外力或者雷击的作用下发生各种绝缘破坏故障。而在众多 的故障中单相接地故障占了全部故障的9 0 以上。对于所有故障小电阻接地方式都 必须跳闸，从而对保证供电可靠性构成巨大威胁。如果将中压电网建设为多电源系 统虽然可以解决供电可靠性问题，但是电网投资巨大，广泛采用的话国家财力难以 承受。而小电流接地方式最大的特点就是单相接地故障不需要跳闸，对于接地电容 电流较大的系统，加装自动调谐消弧线圈后能够熄灭9 0 以上的架空和电缆线路接 地故障，避免接地故障进一步发展造成相间短路，避免造成不良的社会影响，不使 供电企业利益受损。实践表明，小电流接地方式运行可靠性高，投资小，非常适合 我国国情。 随着容量的扩展，越来越多的中压电网采用了谐振接地方式以更加有效的熄灭 接地电弧。谐振接地方式安全性和可靠性高【6 ，对于电网单相接地故障的电压恢复 和谐振过电压的限制也有很好的作用，因此在世界范围内( 美国、英国除外) 得到 了极其广泛的应用。在中国，消弧线圈已经大量应用于6 6 6 k v 的中压电网中，自 华北电力大学硕士学位论文 旗谴谐港弧线隧在主世鳃9 0 年霞静磷裁藏动捷清热绞娶煞应爨零平土了一个囊的 镪输。 中性点缀消弧线圈接地电网在发擞单相接地故障时，消弧线圈的作用体现在两 个方丽：第一接地点流过静电容电流褥烈港弧线舞墩感电流黪褥溪，接蟪残漉小# 第二在藏藩漕失簿鳆薄穗搂蟪邀疆嚣端抟毫莲浚复速瘦簿褒，魄甄不寨荔鬟燃。当 消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光按地过电滕的概率，还w 以有 效地抑制过电服的幅值，润时由于接地残流更小，也最大程度地减小了故障点热破 繇箨矮。在谐缀接速方式豹痤耀孛，关键在于歪常运孳亍酵不盛萼 起谐摄过毫蕊，发 擞单相接她戡漳对应能够斡偿接施窀漆并渭除各种瞬时接遗电弧，因而其关键技术 怒消弧线圈补偿方式和消弧线圈的选取。 盘予电潮运行方式的每一次改变郡辩鹰藿系统j 醇遮电容电滚滟改交，戮撼奁经 撼运 亍方式下帮瀑证揍逮残流在麓疆鼹淹戆蓖蚕魂，遮藏了薅消弧线蘧接遗钤接豹 新要求。老式乎动调谐的淌弧线圈由于不能精确地跟踪电网电容电流的变化，其使 用越来越受到限制。为此从9 0 年代中期开始国内先后研制了几种具备在线调节功 麓煞叠囊罪跺朴褛漤薮绞嚣。垂臻跟踪补偿渣蔽绫鞠翡应霪蕊褥攀稿接蟪馥障熔弧 率苁固定消弧绒圈的6 0 穗高到现在驹9 0 ，大大掇高了中压硪网运行水平。为了 解决限制串联谐振过电压和接地全补偿波对矛盾，科研工作者主薅采用两种调谐方 式：预调谐方淡秘动态调谐方式( 又称恣照谴方式) 。颈谣谐方式捂在毫嘲歪常运 行霹消弧线瀚颈先锈整弱垒铪褛煮，强了撺稍串联谐缀遘窀压，鬻要在滔弧线蕊上 串联一个限愿电阻。故障时迅速切除电阻实现全补偿；随调方式指消弧线圈猩电网 正常运行时工 乍在远离谐擞点鲍位嚣米黼止谐振，星发生摹蝴接地赦障骥弧线匿 迅速毅餐劐全替缮点。 但是两种调谐方式都存在着自己韵缺点。预调试消弧线圈的限压电阻控制复 杂，必须在故障时刻迅速切除，而且电阻的热容量必须仔细核算。预调式普遍采用 税娥式结梅，逮度浸，挡凌鼹大， 髅精度不离，难戳实臻鞲确矜髅。隧褒式瀵嚣 线潮存在霉绫瞧帮谮波等| ；j i 题，更重要的是蔹漳开始时裁需要死个瘸波才畿调整到 能，放弃了在故障开始瞬间消弧的打算。这些都对电弧的熄灭产嫩非常不利的影响。 除此之外，消弧线隧蓉绞鲍选线趔越一直没有彳謦铡缀好的解决，漕弧线豳撩逮 系统选线零塞就是孛毫滚接遗系统选线领域孛戆莲戆，蠢囊最踩港孤线罄由予褡缮 精确，故障电流更小，故障线路选择交得更加困难。实践证明突变量选线方法是谐 搬接地系统最祷效的选线方法。但是邋犟申方法需要柱选线的时候淑变消弧线嗽於偿 魔。然瑟嚣翦消瓣蠢选线发震隽嚣门不翳黪技拳，迄戏了突交爨法盛爨受难，选线 蕊溪失欢。 华北电力大学硕士学位论文 ，2 瓣决阚蘧戆方法 在对幽前消弧线圈运行模式分析分类的基础上，实验黛提出了预调与随调相结 合的新调谐方式概念，简称预照调方式，从理论上探索了一条对两穆方式扬长避短 懿道路。溥疆线蕊豹烹要律霜在予憋弧，萁静镶容久往接魏簸障对匏接缝电流只能 看成是它的一个作用而远非主要作用。既然消弧线圈的主要作用在于其所具有的消 弧功能，我们就应该充分发挥消弧线圈能够瞬时熄灭电弧的优点，将消弧线圈运行 犊态璧予1 5 遘蛰偿煮处，鼗漳发生嚣孬抉速落熬鹫全耱偿赢楚越实瑗惫疆静袄速、 完全媳灭，故障不消失即认为是永久性接地故障，可以进行选线。自动跟踪补偿系 统电容电流技术的发展、成熟2 l ，f 8 】也使得这种补偿方式得以确立。这种补偿方式 的优点是明显鲍： ( 1 ) 这种辛 偿方式发挥了国寇消弧线潮孙偿对无须动作的优点，漓弧效果好， 不需要控制就能够瞬时熄灭电网中6 0 7 0 的电弧； ( 2 ) 自动跟踪补偿消弧线圈能够在故障时快速投到全替偿点处，这足以熄灭 系统孛发生戆绝大多数豹宅瓤。 ( 3 ) 电网正常运行时消弧线湖处于过补偿1 5 的位置。自动调整，能够有效 抑制谐振过电压； 除去调谐策略以乡 ，针对瀵弧线圈系统选线不准礁豹麓惩。实验室撬爨了选线 和消甄协诵控制韵思想。这一思想来源于突变熬选线方法的斑用。对于谐振接地系 统，由于消弧线圈的补偿作用，故障信号更加微弱，传统选线方法很难磁确选择故 障线路，两突变量法依据漕弧线圈毒i 偿量变化只会出现在故障线路这一原理，选线 正确章程警离。餐是宗酌缺点裁楚鬻要消弧 线圈制造一个突变量，这在消弧选线分开进 行的时候怒本能实现的。选线消弧协调控制 愚恕鼗选线葶彝游孤共嬲一个控麓嚣，这令控 制器协调选线和消弧时消弧线圈的渤作，既 可以调整消弧线圈到全补偿，又可以控制制 造突变量。当然协调控制愚想斡优势不止予 | 罄= 。 为了实现以上两种思想。必须设计一种 新的消弧线圈实现方式。首先如何能够使已 经投入戆瀵弧线錾在敬簿薅逐速羧变 楼 量，这是预随调方式颟崎的豳难。为了在预 调式的基础上实现随调特性，新型消弧线圈 图1 - i 主从式消弧线圈方案 华北电力大学硕士学位论文 设计采取了主从式串联结构。如图所示，主消弧线圈为有载分接开关控制的调匝式 消弧线圈，从消弧线圈为晶闸管控制的可控电抗器。电网正常运行时只投入主消弧 线圈，接地故障发生瞬间迅速投入电抗连续可调的从消弧线圈来逼近全补偿。要想 实现从消弧线圈的电抗连续可调，还需要借助电力电子技术的帮助。 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、大容量发电机的励磁系统、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。将这种技 术应用于从消弧线圈研制中，结合上述的预调与随调相结合的调谐思想、选线消弧 协调控制思想和主从式的结构设计，就能够实现出一种新型的消弧线圈系统。这种 消弧线圈在电网正常运行时是工作在1 5 过补偿点，因此能够瞬时熄灭大多数瞬时 性接地电弧，对于其余的未瞬时熄灭的少量接地电弧，可以通过投入相应的从消弧 线圈电抗达到全补偿点以熄灭电弧；而对于永久性接地故障更可以达到使按地残流 更小的目的，并投切从消弧线圈制造突变量选线，有利于保障电网安全和人身安全。 它是主从式消弧线圈结构的种具体实现形式，为了突出它的从消弧线圈实现方 式，我们将其命名为“可控电抗消弧线圈”。 1 3 论文的主要工作 本论文共分四个部分。 第一部分( 第二章) 从提高谐振接地电网运行水平出发，对影响中压配电网安全 性和可靠供电的因素、消弧线圈发生单相接地故障时刻的作用进行分析，研究提高 中压电网可靠性的方法； 第二部分( 第三章) 介绍新消弧线圈一一可控电抗消弧线圈的整体设计，包括定 值计算、设备选型、系统结构组成等等。 第三部分( 第四章) 介绍可控电抗消弧线圈的核心部分之可控电抗器的 原理和实现方式，包括可控硅导通角与等效电抗的关系、谐波含量分析、可控硅控 制电路设计等等； 第四部分( 第五章) 论述了消弧选线一体化控制装置的实现问题，主要介绍了控 制器的软件实现，包括电容电流计算方法、调谐策略、谐振控制和选线方法等等。 华北电力大学硕士学位论文 第二章谐振接地系统安全分析 本章主要分析影响中压配电网接地方式选择的因素、谐振接地系统与采用其他 接地方式电网系统的比较、消弧线圈在中压配电网运行中的作用、主从式消弧线圈 功能特点等等，并在此基础上研究提高谐振接地系统运行水平的方法。 2 1 电网中性点接地方式 我国电力系统中常用的电网中性点接地方式共有四种：中性点直接接地、中性 点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地、中性点经电阻接地和中性点不接地。在前面的 章节中我们习惯性地将这些接地方式分为大电流接地方式和小电流接地方式，但是 在我国的国家标准电工名词中，将上述四种接地方式归结为三类接地系统【1 ，即中 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。常用的四种接地方式 中，中性点直接接地和中性点经小电阻接地系统被归为有效接地系统；中性点不接 地、中性点经大电阻接地或谐振接地，成为中性点非有效接地系统；中性点经消弧 线圈( 消弧电抗器) 接地，称为谐振接地系统。 电力系统中性点接地方式是人们防止系统事故的一项重要应用技术，具有理论 研究与实践经验密切结合的特点，是电力系统实现安全与经济运行的技术基础【l ”。合 理选择中性点接地方式，对电力系统运行有几个好处：降低设备的接地电压值；减 小故障点热破坏作用；对人体提供保护；减少对通信线路的干扰；为选择出故障线 路和消除故障提供信息等【1 。，”】。 接地方式的选择，通常要考虑以下几个因素 1 , 2 , 10 1 ： 1 、供电可靠性 供电可靠率是国家对电网的重要考核指标。供电可靠性的首要问题是供电连续 性。我国中压电网的基本情况是装备水平普遍不高，系统备用容量不足，而且自动 化和管理水平较差。在现有地条件下如何保证供电可靠性，在进行城网和农网改造 或新建时，可以选择的重要技术之一，就是选择好中性点的接地方式。即使将来我 国中压电网的条件改善了，情况也依然如此。 2 、设备安全 现代社会进入信息时代，广大用户的负荷已经和正在发生着明显的变化：信息 管理系统大量进入国民经济各部门，微机进入千家万户；电力控制设备和数控加工 机械大量增加：大功率电子设备得到推广应用；长途通信设备迅速普及。这些精密 华北电力大学硕士学位论文 紧凑、价格高的电子、微电子设备，均具有对过电压的敏感性，加上电磁兼容问题 的日益突出，国际标准在绝缘配合方面的改变等，要求电网必须防止由各种原因在 电网的低压侧和用户内部引起的地电位升高。 3 、人身安全 事实证明，为了防止与低压设备有关的人身事故，需要有效限制跨步电压及有 害电流的大小。谐振接地系统限制故障电流，在以人为本的今天对保护电力职工和 广大群众的生命安全显得更有意义。 4 、通信干扰和电磁兼容 电力网在正常运行和故障的情况下，因电磁耦合、静电耦合、地中电流传导和 高频辐射等四种原因，可能对通信网络产生干扰作用 6 1 。采用谐振接地方式，限制 单相接地故障电流，这种接地方式能较好地与线路密集、覆盖面广的城市通信网络 兼容。 不同的中性点接地方式适用于不同的电压等级和输配电要求。中性点直接接地 系统为继电保护提供了良好的选择条件，而且不会像中性点不接地系统一样在单相 接地故障时引起非故障相电压升高，因而在单相接地故障概率小、绝缘投资大的 1 1 0 k v 及以上高压输电系统中得到了应用。另外0 3 8 k v 低压系统也采用了这种接 地方式。对于中压电网来说，近年来中性点经电阻接地在我国大城市市中心电缆网 络中得到了一些应用，这种方式为继电保护提供了良好的选择性，但要想保证可靠 供电必须有多电源，因此在我国广泛应用的可能性不大。而中性点不接地、谐振接 地在单相接地故障时刻还可以带故障运行1 2 个小时，因而对于分布广、设备多、 绝缘水平适中、单相接地故障占所有故障比例高达9 0 的中压系统来说是最好的选 择。 中压电网是处于高压电网与低压配电网之间的中间环节，运行经验表明，中压 电网的过电压事故约占整个电力系统过电压事故的7 8 8 0 ，严重地威胁着电网 安全。选择合理的中性点接地方式对于应对过电压事故的影响也非常有帮助，因此 对于保护电力用户的人身安全、设备安全和企业安全都具有重大的意义。常用于中 压电网的三种接地方式中，中性点不接地系统在系统电容电流不大的时候可以满足 电网可靠性和安全性要求，但是电网中有可能产生异常过电压。在发生铁磁谐振时， 其过电压可达到4 倍相电压；发生间歇性弧光接地时，过电压可达到3 5 倍相电 压s 该过电压波及全网，持续时间较长时将对电网中的设备绝缘寿命产生不良影响。 电阻接地方式可以将单相接地时的异常电压抑制在运行相电压2 8 倍以下，可以为 继电保护提供良好的选择性，但是为了保证供电可靠性必须具备多个电源，综合投 资比较高。而且故障电地电位高，对人身及设备安全不利。而采用谐振接地方式的 华北电力大学硕士学位论文 电网因为可以熄灭瞬间电弧，因此运行可靠性最高，而且单相接地故障点故障电流 小对地电位低，异常过电压也可以抑制在相电压的2 - 8 倍以下 1 8 1 。尤其是装备了自 动跟踪补偿消弧线圈的中压系统，由于装置可以运行在欠补、过补和全补状态，不 会发生人们担心的串连谐振现象。同时自动跟踪消弧线圈补偿更加精确，可以将单 相接地瞬间电弧熄灭率从固定消弧线圈的6 0 提高到9 0 ，对电网的安全可靠运行 有十分重大的意义。随着我国中压电网规模的扩大和电缆线路的增多，谐振接地方 式得到了越来越多的应用。 在国外，除了美国传统上中压电网一直采用小电阻接地方式以外，欧洲曰本等 主要发达国家中压电网多以谐振接地方式和不接地方式为主。比如英国6 6 k v 电网 中性点采用经电阻接地方式，而对3 3 k v 及以下由架空线路组成的配电网，中性点 逐步由直接接地改为消弧线圈接地；电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接 地方式。法国电力公司( e d f ) 在1 9 9 0 年前后开始对中压电网中性点接地方式进行改 造，将运行了3 0 多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式 2 5 , 2 6 1 。日本东京电 力公司6 6 k v 配电网采用中性点经电阻接地或消弧线圈接地；6 6 k v 电网采用不接地 方式。 2 2 谐振接地系统运行分析 中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。谐振接地原理是消弧 线圈运行控制的理论基础，它由电网正常运行时的电压谐振和发生单相接地故障时 的电流谐振两部分组成。合理地利用电压谐振原理，可以指导补偿电网的正常运行 和断线故障的处理等。故障点接地电弧的熄灭，符合电流谐振原理。 2 2 1 正常运行串联等值电路 ，容性电流方向 !r i 压 上l _ l i 上i ，v 6 、一 i + i i i + 一i il 上j _ ll 上i 图2 1 补偿电网正常运行等值接线圈 非故障线路 非故障线路 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 为电网正常运行时补偿电网的等值接线图。对于系统的零序回路来说， 回路中的电源只有三相不平衡电压。在此三相不平衡电压的作用下零序电流流过消 弧线圈、线路、线路对地电容、大地组成的零序回路。由于三相不平衡电压比较小， 而线路对地电容容抗很大，所以这个零序电流非常小。将三相对地电容综合等效为 一个电容c ，可以画出谐振接地系统正常运行时的零序电路图2 】： r c? 兰 u o ：中性点位移电压 三：消弧线圈电感 c ：电网三相对地电容 【：中性点不对称电压 r l ：消弧线圈等值损耗电阻 图2 - 2 补偿电网零序串联等值电路 补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电网的对地电容等参数，便会 导致串联谐振过电压的出现，这是消弧线圈必须避免的。人工调谐和随调式自动消 弧线圈应适当偏离谐振点运行，预调式自动消弧线圈虽然可以靠近谐振点运行，但 一般需要在消弧线圈回路中串联限压电阻。 2 2 2 单相接地故障并联等值电路 图2 - 3 补偿电网故障等值接线图 a b 非故障线路 c a b 故障线路 c t 1 1 i l l 上 华北电力大学硕士学位论文 当中性点经过消弧线圈接地时，单相接地故障电流分布并不会有很大变化。如 图2 3 所示，在接地点增加了一个电感分量的电流1 。，从故障点经故障线路流向消 弧线圈。由于这个电流的补偿作用，接地点的故障电流小得多了。但是此时的零序 电源应该是位于故障点处的三相不平衡电压之和，金属性接地情况下- * n 电压为 零，三相不平衡电压即为相电压。在这个电压的作用下，消弧线圈电抗和线路电容 是并联关系。其等值电路为【2 】： i 。：故障相电压 r d ：接地点过渡电阻 ：消弧线圈和系统阻尼电阻c ：系统对地电容 图2 - 4 补偿电网零序并联等值接线图 22 3 故障相电压恢复过程分析 c 在补偿电网中，由于接地电容电流被消弧线圈产生的电感电流所补偿，残余电 流较中性点不接地时小很多，残余电流的接地电弧熄灭后，故障相的电压是伴随着 中性点振荡电压分量的衰减而逐渐恢复的，所以，残余电流的按地电弧比较容易熄 灭 1 , 2 , 1 6 , 17 , 1 8 。 u r2 + = 。乞墨们 1 一口。e “” ：u e j ( 帅【1 一p 一半“ ( 2 1 ) 式中，“。为电源的强制电压：= 。8 “； 为中性点的自由振荡电压：u o = 一。p 4 e 。“9 ； 嘞为自由振荡电压的角频率： 2 击2 烈1 _ 呱1 - 詈) j 为零序回路的阻尼系数：占= 三c o d z d 为补偿电网的阻尼率： 。为相电压的幅值； 妒为接地电弧熄灭时电压和电流之间的初始相角。 由故障相恢复电压的表达式1 , 2 1 ( 2 1 ) ，有利于电弧熄灭的条件有三个【1 8 】： 华北电力大学硕士学位论文 f 1 ) 袋流越，l 、熬容荔憨灭； ( 2 ) 恢复电压的初速度越低越容易熄灭； ( 3 ) 故障捐电愿恢复到额定据电聪蠛值的时阅越长越签易熄灭。 敬下钟对影响憋弧的三个方面及襁关问题进行分析： 1 、残流大小 消弧线圈补偿艏的残流大小与诸多方面有关。酋先如果装备黔是固寇消弧线 圈，补偿量不随电闷电容电流变化而变化，则补偿残流一般都比较大；对予自动跟 踪 缮瀵弧线圈，穗调式采建电子控麓，湾弧线霞毒 褛糖覆褰；露强囊式溺蔽绫霾 由于是机械式控制，档位之间电流查一般都在4 、5 安培，因此戚理上决定了补偿 糖瘦也不会像随调式一样高。 2 、故障榴电压的恢复初这廉 故障楣恢复电压豹初遮魔的大小在相当大的程度上制约着故障点的电弧是否 发生重燃璇象，敢障穑恢簸电莲韵初滚度为： 碥= 。等如丽i * 。詈争 ( 2 2 ) zz l c 式( 2 - 2 ) 清楚的袭明，故障相恢复电压的初滤度与阻尼率d 、失谐度d 直接相关， 或者说它阉故障点瓣残滚厶与接地电褰电流量的毖僮残纛比。显然，当残沆减小对， 恢复电压的初速度降低，接地电弧较雉熏燃。 阻尼率对于恢复电压初速度有重装影响。随着d 值的增大，振荡电压分量的衰 疆会热抉，薮复毫簇熬藜逮震逛会涟之增大，辩接这毫冁赘薅灭纛会产生不翻赘影 响，同时述会出现谐振点偏移现象。因此，自动消弧线嘲的限压电限值退出的快慢 将影响满弧线圈的熄弧效聚，最好能够取消阻尼电阻。 3 、故障栩电压的恢复时间 接嫩电弧过零熄灭后，故障相电鹰恢复到正常相电压的对间： r 2 云“了雾 万= 0 0 0 6 4 詈o ) 此式袭明 故障相电压的恢复时间与残流的大小成 反毙，教接遗电弧发生惹，蔽尽浃调熬瀵弧线潮健接缝残淀最小。这正好鼹羰薅调 补偿方式簧做的，单纯的随调式增大了残流值箍然会缩簸故障相魄压的诙簸时闻。 4 、故障点的绝缘恢复能力 交流电弧在电流过零熄灭以后鼹番重燃楚蠢接逢点静电压恢复速度和接遗点 的绝缘恢复能力两个因素共同决定的。故障点的绝缘恢艇能力取决于故障点的去游 囊能力，魄秘毂簿患熬电弧惫滚豹大夺秘燃弧黪溺；安骏表臻，滂强线壅瓣调节邃 华北电力大学硕士学位论文 度是决定接地电弧是否熄灭的重要因素，如果电弧在我们设定的预调补偿度下不能 熄灭，而消弧线圈又没有快速向全补偿点移动，这时接地电弧已经剧烈燃烧一段时 间了，空气已经被电离的非常充分了，接地点的去游离能力将急剧下降，也就是说 要使接地点的间隙绝缘恢复能力得到很快的恢复将相当困难，这样，接地点间隙的 电压恢复速度很快就超过了接地点间隙的绝缘恢复能能力，导致接地点间隙在电流 过零熄弧后再次击穿，这时即使投到全补偿点也可能无济于事，造成事故，因此消 弧线圈动作的快速性是检验消弧线圈性能的主要指标之一。 由以上两要点可以得出，由于消弧线圈的存在，使接地故障电流减小，有力地 限制了接地电流和电弧的电动力，热效应和空气游离等破坏作用，防止或减小了在 故障点形成残流性故障的概率；故障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电 压的恢复初速度，如此，接地电弧得以彻底熄灭，补偿电网便在瞬间恢复了正常运 行。 2 2 4 采用谐振接地系统的优势 采用谐振接地方式的优势有以下几点【9 ： ( 1 ) 经消弧线圈补偿接地后，能使单相接地故障点流过的电流减小，减缓故障相 电压的恢复初速度，减小了弧光接地过电压的危险，有利于单相瞬时接地故障处电 弧熄灭，从而避免了故障跳闸，提高了配电网的可靠性； ( 2 ) 当发生单相接地故障时，由于单相接地故障电流被消弧线圈补偿掉，故稳态 单相接地故障电流变小，从而故障点的接触电压和跨步电压降低，不会危机人身安 全。由于中性点经消弧线圈接地减小了接地点的电流，也就减轻了设备的损坏程度， 抑制了电弧的扩散范围； ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地可以根治电压互感器p t 引起的铁磁谐振，不再需要 其他消谐措施。因为消弧线圈电感l x 与电压互感器励磁电感l p 相比要小的多。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，l p 因饱和和引起的三 相不平衡，也不会产生过电压： ( 4 ) 经消弧线圈接地，减小了接地故障电流，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，而交变电磁场又在临近的导体中感应出电压，当这个回路是 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爆炸。消弧线圈接地系统中由于消弧线 圈的接入改变了配电网的参数，使综合零序阻抗变得很大，从而减小了对音频的干 扰。发生单相接地故障时接地故障电流的分布与故障点无关，而仅取决于消弧线圈 的安装地点及相对位置，因此可以设法调节接地故障电流的分布，使电磁感应部分 华北电力大学硕士学位论文 得以相互抵消； ( 5 ) 经消弧线圈补偿接地对于抑制中性点不接地系统中的过电压有明显的作用。 消弧线圈最早应用的目的就是限制电网过电压，当然后来发现其抑制接地电流的作 用更加有用。但是消弧线圈在限制过电压方面的作用仍然很重要。上几条中提到的 抑制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压就是典型的例子。除此之外，消弧线圈接地 方式对于断线谐振过电压、保护线路设备都用重要作用。 如前所述，谐振接地系统在熄灭瞬间电弧、降低故障对人身、设备安全的影响 等方面有很大的作用。因此在系统电容电流较大的时候应该采用谐振接地方式。根 据国家标准( g b 5 0 0 7 0 9 4 ) 矿山电力设计规范，当单相接地电容电流小于等于 1 0 a 时，宜采用电源中性点不接地方式；大于1 0 a 时必须采取限制措施。我国电力 行业标准( 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 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： 3 k v 和6 k v 时，3 0 a ，1 0 k v 时，2 0 a ： c ) 3 k v l o k v 电缆线路构成的系统，3 0 a 。 同时行业标准也规定了接地残流。正常运行情况下，中性点的长时间位移不应 超过系统标称相电压的1 5 ，故障点的残余电流不能超过1 0 a 。关于补偿电网的单 相接地残流值，德国工程通常要求不大于4 a ，瑞典要求不大于5 a ，我国煤炭部规 定不大于5 a 。 2 3 自动跟踪补偿消弧线圈 正如前面的分析，如果能够快速熄灭电弧，电网中的设备、人身安全就能够更 好地保证，由于电弧引起的各种过电压就能够得到限制，更重要的是单相接地故障 不会扩大为必须跳闸的相间短路故障，配电网的安全性就可以得到极大的提高。但 是对于电弧快速熄灭的三个条件( 残流越小越容易熄灭、恢复电压的初速度越低越 容易熄灭、故障相电压恢复到额定相电压幅值的时间越长越容易熄灭) 来说，传统 消弧线圈显得力不从心。因此研究一种新型的自动跟踪调谐消弧线圈，最重要的是 保证它在电网故障时能够快速消弧。抓住了消弧这个关键，就能够从总体上提高配 电网的运行安全性。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 自动跟踪消弧线圈概述 消弧线圈在电网发生单相接地故障时最好处于全补偿位置，这样对于接地瞬间 电弧的熄灭、限制接地电流对人身设备安全的损害、故障消失后的相电压恢复都更 有好处。但是要保证消弧线圈处于全补偿位置必须解决两个问题：一是运行在全补 偿点的消弧线圈在中压电网没有单相接地故障时存在产生串联谐振过电压的危险， 如何限制这个过电压的问题；二是配电网运行情况多变，系统电容电流也会随着季 节、天气、运行方式的不同发生改变，在这种情况下如何让消弧线圈跟踪系统电容 电流的变化的问题。9 0 年代以来在我国谐振系统中逐渐推广的自动跟踪补偿消弧线 圈在一定程度上解决了这两个问题。 从调谐方式上分，目前国内外自动跟踪消弧线圈的使用中，其补偿策略一般可 分为预调式( 全补偿外加阻尼电阻运行方式) 和随调式( 远离谐振点补偿方式) 两种。 预调式又叫外加阻尼电阻运行方式，它是在消弧线圈上串联或并联阻尼电阻 屹，从而增大电网阻尼率d ，使得电网正常运行时串联谐振过电压小于规程规定的 0 1 5 u 。，这样就可以在电网正常运行时将消弧线圈调谐至全补偿状态或接近全补偿 状态，等待故障的发生；当出现单相接地后，瞬间将阻尼电阻屹短接，从而实现最 佳补偿，目前的自动调匝式消弧线圈的控制就采用这种策略。随调方式7 】，f 2 】， 8 1 又叫 远离谐振点补偿方式，它是在电网正常运行时加大脱谐度，使消弧线圈远离谐振点， 当电网发生单相接地后，瞬时调整消弧线圈至全补偿状态，实施最佳补偿。目前的 偏磁可调式消弧线圈、二次调容式消弧线圈等均采用这种补偿方案。 从结构上来分，目前实现消弧线圈电感连续可调的原理有下列几种【2 0 】：气隙可 调原理、助磁可调原理、变压器高短路阻抗连续可调式、二次侧调容式等。 气隙可调原理是通过连续改变磁路中的气隙长度来实现电感的连续可调，这种 调节方式要求采用精密的机械传动机构，并且响应速度慢，噪声大，易产生机械动 作失灵。 助磁式可调原理是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可调，它属于静态调节方式，装置依靠电气手段实现自 动调谐，调谐时间短，无机械传动部件，但是存在非线性和噪声、谐波污染问题， 而且设计、制造工艺复杂，造价高。 变压器高短路阻抗连续可调式目前采用的方法是通过改变与高短路阻抗消弧 线圈二次绕组相并联的晶闸管的导通角来改变消弧线圈的等值电感，达到来连续调 节补偿电流的目的，此种消弧线圈虽然可提高调谐精度，但调谐范围难以扩展，同 样存在谐波问题，要附加滤波装置。 二次侧调容式是在传统人工调匝式消弧线圈的基础上，去除绕组上的分接头， 华北电力大学硕士学位论文 同时增加一个二次绕组，通过改变接入其中的电容器组数，达到逐级调节补偿电流 的目的。装设二次绕组，增加了消弧线圈的复杂度；二次侧并联电容，增加了额外 的投资。 这些消弧线圈方式的最大问题是配置不够灵活，有的调节方式还会给系统引入 谐波污染，而且都只能进行粗调，不能进行细调，不能使电力系统中发生的所有接 地电弧的熄灭。新编的交流电气装置的过电压保护和绝缘配合( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) 中规定1 0 k v 系统在满足一定的条件时，接地电容电流大于1 0 a 时应采取措施。这 就给人以这样的认识误区：1 0 k v 网络，似乎只要接地电流小于1 0 a ，就一定能够自 动消弧。但我们的实验表明接地残流不能成为接地电弧维持的唯一条件，系统能否 自行消弧，一方面取决于接地电流的大小，另一方面也取决于短路点电弧间隙的条 件( 包括间隙大小、气体游离情况、当时天气状况等) 。不利情况下，1 安培的接地 电流也无法自行消弧，所以开发出一种精确补偿，对大小电流，对各种电弧间隙都 应能迅速有效消弧的新型消弧线圈是非常必要的。 下表为不同类型消弧线圈的比较： 表2 - 1 不同消弧线圈构造间的比较 消弧线描述 存在的问题 圈 气隙可通过连续改变磁路中的气隙长度来实现电要求精密的机械传动机构，响应速度 调原理感的连续可调慢，噪声大，易产生机械动作失灵， 一般需加装限压电阻 自动调 将线圈绕组按一定的匝数，抽出若干个分接发生单相接地故障时不能进行调节， 匝式头，通过改变抽头的位置，调节消弧线圈的影响补偿效果；串阻尼电阻时存在阻 补偿度。正常运行时，将消弧线圈绕组抽头尼电阻的投切控制及阻尼电阻的热容 预调到全补偿点或接近全补偿点处量问题 偏磁可通过改变铁芯磁化段磁路的直流助磁磁通响应时间短，但需附加大容量的直流 调原理 大小来调节交流等值磁导以实现电感的连激磁电源，结构复杂。造价高，谐波 续可调较大 磁阀式利用自耦直流励磁控制铁芯的饱和程度来属于自励式，存在着较大的谐波，影 实现对补偿电流的调节响熄弧的效果 变压器通过改变高短路阻抗消弧线圈二次绕组相虽可提高调谐精度，但谐波 高短路并联的晶闸管的导通角来改变消弧线圈的 大，要附加滤波装置 阻抗可等值电感 调式 二次侧在二次绕组上并联不同容量的电容器组，采装设二次绕组，增加了消弧线圈的复 调容方用晶闸管开关投切电容器以达到改变消弧杂度 二次侧并联电容增加了额外 丸 线圈电感的目的。系统正常运行时消弧线圈 的投资，而且该种类消弧线圈维护工 远离谐振点，发生单相接地故障时调谐至谐作量大。 振点 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 主从式消弧线圈 在上面提到的消弧线圈调谐策略中，预调式补偿方案的补偿精度受限于消弧线 圈的调节精度，故障时接地点的残流大小、故障相电压恢复的速度还和短接阻尼电 阻的速度紧密相关：而随调式补偿方案在补偿精度上解决了自动调匝式精度不高的 问题，并可避免谐振过电压的出现，但它却无法解决故障时接地点残流过大的问题， 相反由于电网正常运行时其运行在远离谐振点处，使这个问题更加突出，对瞬时性 的接地故障没有起到迅速的抑制作用，放弃了在故障发生瞬间的熄弧打算；因而从 以上分析可以知道，无论采用预调式补偿方案还是采用随调式补偿方案，都会存在 其不可克服的缺点。基于此，在第一章论文提到了一种预随调补偿方式，解决了预 调式和随调式单独运用时存在的难以瞬间熄灭瞬时接地电弧的不足。预随调方式分 为粗调和细调，消弧线圈在正常运行时置于1 5 过补偿点附近，称为粗调；故障时 再快速调整消弧线圈到全补偿点处来实现消弧，称为细调。首先针对上节提到的 自动消弧线圈必须解决的两个问题一一抑制串联谐振过电压和跟踪电网电容电流 变化，预随调方式中粗调过程通过自动调整和置过补偿位置解决这两个问题。对于 快速消弧中必须面对的三个问题一一减小故障残流、降低电压恢复初速度、延长电 压恢复时间，预随调方式中的细调可以有效的减小接地电流，同时没有阻尼电阻的 存在，对降低恢复电压初速度也是很有帮助的。减小了接地残流，电压恢复的时间 也就相应减小了。 同时，为了兼顾选线，应用突变量法，需要在消弧线圈上有一个在故障时刻可 以投切的变量发生器。为了与预随调方式和选线消弧一体化控制相配合，实验室设 计了体现这种思想的主从式消弧线圈。本文研究的是从消弧线圈可控电抗实现方 式，这在本文第一章已经提到。主从式消弧线圈由于具备了先进的熄弧理念，因此 熄弧效果比较好。当然也具有选线的优势。消弧线圈的控制器负责完成消弧线圈自 动调节和故障处理( 包括全补偿消弧、谐振判断、突变量法选线等) 的协调工作， 实现消弧和选线的双赢。 本文建立的e m t p a t p 仿真模型由3 5 1 0 k v 变压器及接在1 0 k v 母线上的1 1 条出线构成，线路模型采用n 型等效模型模拟，系统最大运行方式下的总电容电流 为4 2 a ( 以相电压= 6 0 6 2 v 为参考) ；主消弧线圈容量为3 1 5 k v a ，从消弧线圈阻 抗为3 6 欧姆；该仿真模型依然由n 型等效模型模拟架空线路和电缆线路。在这个 e m t p a t p 仿真模型中，我们模拟了线路发生单相永久性金属性接地的情况，系统 电容电流为4 2 a ，主消弧线圈此时出力为4 8 a ( 均以相电压= 6 0 6 2 v 为参考) ：图 2 - 5 ( a ) 为永久性接地故障下从消弧线圈在故障后始终不投入时的接地电流波形，图 2 - 5 ( b ) 为该永久性接地故障下该从消弧线圈在故障2 0 m s 后投入从消弧线圈时的接地 华北电力大学硕士学位论文 瞧滚波形，接遣残浇 垂6 a 减小妥0 4 4 a 。同霹，跌接遗残滚麴变纯波形霹皴看出， 图2 - 5 ( b ) 中接遮残流曼小，而且在暂态阶段有更快的下降逮度。 1 i m o i | l m i # l 8 ) 扶游弧线圈故蹲簏娥终不投入b ) 腹涟弧线圈菽黪2 0 m s 后印投a 图2 - 5 永久性接她敞障接地电流波澎( e m t p a t p 仿真) 在华北电力大学小电流选线实验邃进行的商腿实验中