（电气工程专业论文）10kv电网中性点经消弧线圈接地自动调谐的研究与应用.pdf

上海大学工程硕：b 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp o w e rs y s t e ma n di t s c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t ，n e u t r a lr e s o n a n tg r o u n d i n gh a sb e e no n eo fi m p o r t a n tm e t h o dt o s u p p r e s st h eo n e p h a s eg r o u n d i n gf a u l tc u r r e n ta n dt oc l e a rt h ee a r t hf a u l ti nu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t r a d i t i o n a lr e s o n a n tc o i la r eu n i v e r s a l l yn o n c o n t i n u o u sr e g u l a t e d ，b u tw i t ht h er a p i de x p a n s eo ft h e p o w e rg r i d ，ag r e a td e a lo ft r a d i t i o n a lr e s o n a n tc o i ln e e dt ob er e b u i l d e d t h e r e f o r e ，i ti sp r a c t i c a lt o m a n u f a c t u r ean e wt y p eo fn o n c o n t i n u o u sr e g u l a t e da u t o m a t i cr e s o n a n c es y s t e m f i r s t l y ，t h i st h e s i s i n 仃o d u c en e u t r a lg r o u n d i n gi nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp o w e rs y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e r e s o n a n c ec o i l t h e n ，i ta n a l y s e st h ef u n c t i o n a lt h e o r ya n dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e s o n a n c e c o i la s s o c i a t i n ga c t u a li n s t a n c e ，a n da l s ot h em a n i p u l a t i v ea i mo fr e s o n a n c ei sa n a l y z e da n dt h em e a n s o fm e a s u r i n gt h ec a p a c i t i v ec u r r e n to n l i n ei sc o n f i r m e d b a s eo nt h e s ea n dc o n s i d e r i n gt h ea c t u a l c h a n g ea n dd e m a n do f t h er e c o n s t r u c t i o no f t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki nt o n g z h o u ，n a n t o n gd i s t r i c t ，t h e p c i 0 4b a s e dp r o j e c to f t h ei n t e g r a t i o no f t h et u n i n gc o n t r o l l e ra n dt h ef a u l t e dl i n es e l e c t i o ni sp r o v i d e d ， a n dan e wt y p eo fn o n c o n t i n u o u sr e g u l a t e da u t o m a t i ct r a c k i n gr e s o n a n tc o m p e n s a t i n gd e v i c ei s d e v e l o p e d a l s op a r a l l e lr e s i s t a n c ei sa d d e dt ot h et r a d i t i o n a ls e r i e sr e s i s t a n c e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y e n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h em i c r o - c o m p u t e rg r o u n d i n gs e l e c t i v ep r o t e c t i o nb yc o m b i n i n gt h es e r i e s r e s i s t a n c ew i t ht h ep a r a l l e lr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns c h e m e ，t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n d t h es o f t w a r ep r o c e d u r ea r ec a r r i e dt h r o u g h t h ep a p e rs e l e c t sa n dc o n f i g u r e st h ep a r a m e t e r so ft h er e s o n a n tc o i la c c o r d i n gt ot h e a c t u a l c o n d i t i o ni nt o n g z h o ud i s t r i c t t h ec h e c k i n gc o m p u t a t i o n sa n df i e l de x p e r i m e n t a t i o no ft h er e s o n a n c e c o i lh a sv e r i f i e di tc a ns a t i s f i e dt h ed e m a n do f m n n i n g h ep a p e ra l s op u t sf o r w a r df u r t h e rt e c h n i c a lp r o s p e c to nan o v e lt u n i n gd e v i c e ，u n d e rt h e p e m l i s s i o no ft h ei n v e s t m e n t ，t h ea t t e n u a t o rr e s i s t a n c ea n d d i v i c ec a nb es u b s t i t u t e db yt h er e s i s t a n c e w i t hac i r c u i tc o n s i s t o f h i g h - p o w e rs i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e r o r t h e n r l n o n l i n e a rr e s i s t a n c e y o uc a n i n s t a l lt h ee q u i p m e n ta c e o r d i n gt ot h es i t u a t i o no nt h eg r o u n dt om a k et h ee q u i p m e n ta p p l ym o r e f i e x i b l e k e y w o r d s ：r e s o n a n tc o i l ，n e u t r a ld i s p l a c e m e n tv o l t a g e ，c a p a c i t i v ec u r r e n t , c o m p e n s a t e ， v 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，沧文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 璐立嗍进业媚 一k 海大学工程硕：e 学位论文 第一章绪论 1 - 1 课题研究的基本概念、背景、及意义 所谓系统的中性点运行方式，是指系统中性点与大地的电气联系方式，就供配电 系统现状来看，主要有两类形式，即中性点接地和中性点不接地系统。中性点接地系 统，就是中性点直接接地或经小电阻接地的系统，该系统对绝缘有利，但供电可靠性 相对较低，并且易产生通信干扰，主要应用于1 i o k v 及以上电压等级系统。而中性点 不接地系统是指中性点不接地或经高阻抗( 如本文讨论的消弧线圈) 接地的系统，该 系统有利于提高供电可靠性，但对绝缘不利，主要应用于供配电系统中3 5 k v 、i o k v 、 6 k v 等中压系统。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 系统与中性点不接地系统相比，因单相接地故障电流显著减小，同时非故障相的工频 电压升高又稍有降低，而且也不存在中性点不稳定过电压等缺点，所以，其基本运行 特性明显优越。 补偿电网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。 并且当谐振接地系统发生永久性( 金属) 单相接地故障时，可以经微机选线装置或微 机接地保护检出故障线路后，作用于断路器进行瞬间跳闸；也可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运行可靠性。今天，电力系统的组成和结构日趋复杂，朝着 系统化的方向发展，对电力系统运行的基本要求首先是保证安全可靠地持续供电，因 此根据系统的网络结构、特性来选择谐振接地运行方式对于电力系统的安全可靠运行 有着重要意义。 随着南通通州城区配电网架结构的改造，网络容量不断扩大，大大增加了l o k v 线路的条数，同时由于城市建设的需要，原来以架空线路为主的l o k v 电网变为以电缆 线路为主，电缆线路的长度大大增加，通州城区各变电所之间实旌了“手拉手”，l o k v 联络线路剧增，变电站的运行方式变化很大，线路的对地电容增加很多，超过了电力 行业标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的规定，导致单相接 地故障时较大的电容电流在故障点产生的电弧不能自行熄灭，甚至进一步产生过电 压，扩大事故，因此，已不能再采用中性点不接地方式。为了保证电网的运行安全、 上海大学工程硕士学位论文 供电质量、人身安全性、运行维护，本文从电路分析的基本原理出发，分析了谐振接 地系统各种正常或故障运行情况下的特征，结合通州城区配电网的实际情况，研制新 型调匝式自动调谐消弧线圈接地补偿及选线装置，并研究了中性点经自动调谐消弧线 圈接地方式的实施方法，研究了变电站不同的运行方式下，对消弧线圈进行不同的调 档实现自动调谐，得出了一些对实际运行操作过程中有指导意义的结论。 1 2 国内外研究现状及发展动态 1 2 1 中性点接地方式的国外情况 世界各国的城市配电网中性点接地方式，每个国家和每个国家的不同城市都不相 同，主要是根据自己的运行经验和传统做法来确定的。 第一次世界大战期间，德国工程师彼得逊首先研制成消弧线圈，其后在德国各种 电压等级的电力网中大量发展中性点经消弧线圈接地方式，在3 0 2 2 0 k v 的电网中采 用了这种接地方式，甚至在柏林市的3 5 k v 、1 4 0 0 k m 电缆配电网中，电容电流高达 4 0 0 0 a ，也采用了消弧线圈接地方式。从上世纪6 0 年代起，因2 2 0 k v 电网中事故较多， 不再应用消弧线圈。 瑞典及其所在的整个斯堪的纳维亚米岛，在城市电网中广泛采用小电流接地方 式，甚至在大型发电机的中性点也采用谐振接地方式。 美国在1 9 2 5 年一1 9 4 5 年问，在2 2 7 0 k v 的配电网中，中性点直接接地方式占多 数( 1 9 2 5 年占4 6 ，1 9 4 5 年占7 2 ) ，而消弧线圈接地只占3 ，不接地方式已逐渐被 放弃。在2 0 年代使用过空心消弧线圈，发生过母线短路的严重过电压事故，严重影 响了消弧线圈的使用。但是后来美国也承认谐振接地方式的优点，但仍采用直接接地 和小电阻接地方式是由于经济方面的原因，美国存在许多私营电力公司，若要全面改 造，在经济上不合算，很难行得通；再加上美国的电力系统比较强大，电气设备性能 较好，系统备用容量较大，自动化装置水平较高，所以供电可靠性能够保证。 英国6 6 k v 电网中性点采用经电阻接地方式，而对3 5 k v 以下的架空线路组成的配 电网，中性点逐步改为消弧线圈接地。 日本1 卜3 3 k v 配电网中性点接地方式大致为：消弧线圈接地占2 8 ，电阻接地占 3 0 ，直接接地占2 ，不接地占4 。 前苏联的情况与我国基本相似，当6 k v 电网单相接地电流小于3 0 a ，l o k v 电网单 上海大学工程硕十学位论文 相接地电流小于2 0 a 时，采用中心点绝缘方式，否则采用经消弧线圈接地。1 。 1 2 2 中性点接地方式的国内情况 国内配电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，其中中性点接地方式 历来就是一个比较复杂的系统工程。因此在选用某种接地方式时，必须充分考虑国情 和本地区特点、电网结构、供电可靠性要求、继电保护方式、配电设备绝缘水平、人 身安全和对通信干扰等因素，进行全面的分析和论证，按照因地制宜的原则来选择。 1 9 4 9 年以前，中国电力工业尚不发达，只在l 个较大城市中形成了简单的、供 电容量不大的配电网。其配电电压有3 、3 1 5 、5 2 5 、6 3 、1 3 2 、1 3 8 、2 3 、3 3 k v 等，其中1 3 2 k v 及以上电压线路，在当时是作为城网主要输电线路使用的。这些配 电网中性点接地方式主要采用不接地、直接接地和低电阻接地等几种。 1 9 4 9 年以后，城市配电网逐步简化，统一电压等级，并在中性点接地方式上采 用以下标准： 3 5 ( 6 6 k v ) 不接地或消弧线圈接地； 1 0 ( 6 k v )不接地或消弧线圈接地； 0 3 8 0 2 2 k v 直接接地。 从上述情况可以看到在我国城市配电网中推广应用消弧线圈接地方式主要始于 5 0 年代。同时从5 0 年代初直到8 0 年代后期将近4 0 年的时间，没有在新建的各种电 压配电网中采用中性点直接接地、电阻接地和阻抗接地的方式。在8 0 年代后期出现 了中性点经低电阻接地、高阻抗接地、经自动跟踪补偿的消弧线圈接地等形式。 1 2 3 消弧线圈调谐技术的应用背景和发展 随着城市配电网的高速发展，我国电网网络结构发生了很大的变化。特别是改革 开放以来，城市配电网中电缆线路的比例逐年上升，使系统的电容电流数值大幅度增 加；其次是配电网中谐振过电压频繁出现，曾引起一些电器绝缘设备损坏和避雷器爆 炸等事故；加之有些城市高压架空配电线路方式一相断电事故，由于线路不跳闸，就 可能引起严重的人身伤亡事故。针对以上情况，有些城市将部分配电网中性点改为小 电阻接地运行方式，如北京、上海、天津、广州、苏州、深圳和珠海等城市，都已取 得了一定的运行经验。在以后的城网改造中，采用消弧线圈调谐，可以使系统经常处 上海大学工程硕二 学位论文 在最佳补偿状态下运行。1 。 一般来说，对配电网采用低电阻接地的运行方式时，首先应在以电缆为主的配电 网中实施，并应按n + l 结构模式组成环网，确保在某一段线路发生故障时，能及时将 它切除，以保证全部用户的正常供电。而对于以架空线路为主的电网则宜取高值电阻。 对城市配电网中性点采用不同接地方式时，对各方面的影响也是不一样的，主要 有：对用户供电可靠性的影响；对通讯系统的影响；对人身安全的影响；对故障检修 工作量的估计；对继电保护的要求等。对以上问题应综合考虑，保证整个配电网的安 全运行。 在选择中性点接地方式时，必须考虑一系列因数，其中主要是安全因素、供电可 靠性、电气设备和线路的绝缘水平，继电保护工作的可靠性及对通信信号的干扰等。 谐振接地方式在供电可靠性、人身安全、设备安全和通信干扰等方面，具有较好的运 行特性，谐振接地方式与其他中性点接地方式综合比较如下表： 表1 - 1 各中性点接地方式的优缺点 方式 经消弧 中心点绝缘电阻接地直接接地 比较内容、 线圈接地 单相接地健全相对过补偿时为 地电压( 相电压的倍3 倍以上3 倍以上l - 3 倍以下j 倍，欠补偿 数时有谐振危险 小，可能由串 发展为多重故障的线路长电容电流 较小几乎无联谐振引起多 可能 大时可能性大 重故障 由中心点接地 为三相总对地电电阻值确定，一最小，但随脱 单相接地电流小到最大 容般限制在 谐度而增大 5 0 4 0 0 a 实现有选择性的 可以实现选择实现选择性的 接地保护较困可靠迅速，灵 继电保护动作情况 性的接地保护， 继电保护尤其 难，灵敏度不易 灵敏度高 敏度最高 困难 满足 故障时对通信线路 最，j 、至0 j 、 随中性点电阻 最大，但高速最，j 、至0 ，j 、，但 的电磁干扰值增大而减小切断时间短时间较长 上海大学工程硕二仁学位论文 因有中心点不平有三次谐振引 因可能发生串 正常时的静电干扰衡电压，故有静较小起的静电感应联喈振故有静 电感应问题问题电感应问题 最小，采用快 速切断和重合 系统动态稳定性大 由 最大 闸，可得到改 善 绝缘水平高，全与中心点电阻比中心点绝缘与中心点绝缘 变压器绝缘 绝缘有关 方式低2 0 方式基本相同 避雷器灭弧电压高1 0 0 1 0 5 高1 0 0 1 0 5 低8 0 高1 0 0 中性点电阻价接地网工程费 消弧线圈价格 中性点装置费用 小 格大用最大更大 差( 低阻) ，较 人身设备安全 好差最好 好( 高阻) 中性点经消弧线圈接地方式几十年来在我国1 0 3 5 k v 电网上得到了广泛的应用， 也积累了运行经验。但是我国目前采用的消弧线圈大多是手动调匝式的。手动调匝消 弧线圈的调谐方式是：根据已设定的方案对不同的运行方式人工调节消弧线圈的分接 头，使电网的脱谐度、残流和中性点位移电压在规定的范围内心1 。 手动调匝式消弧线圈存在很多弊端： ( 1 ) 调节不方便。这种消弧线圈是无载调节式的，要退出运行才能调节分接头， 十分不方便，因此造成实际运行中很少能根据电网电容电流的变化及时进行调节。 ( 2 ) 运行人员判断调节困难。因为没有在线实时测量监视电网电容电流的设备， 运行人员即使想及时根据电网电容电流的变化进行调节，也因得不到电网电容电流的 具体值而不能做出准确的判断，确定消弧线圈目前在几档。另外，规程要求消弧线圈 接地系统每年对电网电容电流实测一次，重新设定补偿方案，工作量很大。 ( 3 ) 不利于电网的发展。近年来配电网的发展很快，现在电网的规模不断扩大， 特别是城市电网越来越多地采用电缆供电，系统单相接地电流增长很快，电网的运行 方式经常在变化，人工调节无法满足调谐要求，熄弧能力差，而且容易产生系统谐振 过电压，影响电网的安全运行。 ( 4 ) 由于其自身固有的特点，在电网中只能运行在过补偿状态，当电网发生了 上海大学工程硕：i ：学位论文 事故，参数变化时，脱谐度无法控制，以致往往不能运行在不允许的脱谐度之下，造 成中性点过电压，三相电压对称遭到破坏。 ( 5 ) 若在欠补偿状态下运行，遇到断线时易产生严重的谐振过电压现象，这种 过电压时网络绝缘所表现的危害比由电弧接地过电压所产生的更大。 ( 6 ) 弧光过电压的倍数较高，国内外研究证明，消弧线圈弧光过电压的效果与 脱谐度大小有关，只有其脱谐度不超过5 才能把过电压的水平限制到2 6 倍以下。 对于老式消弧线圈系统，考虑到躲过全补偿的范围，所以脱谐度取得保密一点，一般 都要达到1 5 2 5 甚至更大，这样消弧线圈抑制弧光过电压的效果就很差，几乎和不 接地系统一样。 ( 7 ) 不利于提高企业的管理水平。目前电力系统正在大力推广无人值班变电所， 显然手动调节式消弧线圈在无人值班情况下也就无人调节，给电力系统的综合自动百 分比造成困难。 因此，当消弧线圈不采用自动跟踪调整方式时，由于消弧线圈不能始终在最佳档 位，消弧线圈的补偿作用也得不到发挥。我们考虑用消弧线圈自动调整的方式来补偿 电容电流，有资料表明，世界上采用消弧线圈接地方式的国家普遍采用自动调谐方法。 不采用自动调节方法补偿电网的有效性大约为o 6 ，即6 0 的单相接地不发展为相问 短路。采用自动调整方法补偿有效性可提高到o 9 左右，即9 0 单相接地故障不发展 为相间短路，补偿的有效性大大提高。因此，我国开发、研究和推广应用消弧线圈自 动调谐技术势在必行。 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，消弧线圈的技术有 了长足的发展，多种自动调谐消日& 线圈接地装置被开发和应用。9 0 年代中后期，国 内外先后推出了几种自动跟踪补偿消弧限压成套装置，以微机控制为核心实现了消弧 线圈的自动调谐。消弧线圈自动调谐装置能自动跟踪由于配电网拓扑结构变化而引起 的零序电容变化，当电网发生单相接地故障时，故障处接地电容电流被消弧线圈的电 感电流有效补偿。 根据消弧线圈改变电感方法的不同，可以分为五类：可凋气隙式、自动凋节分接 头式、调容式、直流助磁式和磁阀式等。以上各类装置在电网中均有应用，其中凋节 分接头和调容式自动调谐消弧线圈份额较大。这些装置的应用不仅免除了人工调谐的 诸多麻烦，而且提高了调谐精度，使接地电弧容易熄灭，有利于进一步限制弧光接地 上海大学工程硕士学位论文 过电压。但仍存在如下的技术问题： ( 1 ) 实时在线测量电网的对地电容是实现消弧线圈自动调谐的根本。上述几种 装置都是在电网正常运行时，通过改变消弧线圈的电感值，检测电感值改变前后的中 性点电压、电流幅值及其相角的变化，利用阻抗三角形或简化线性方程组求解电网的 对地电容值。该方法的测量精度不足于实现准确调谐，当相角变化较小时误差很大， 对地电容测量值甚至是发散的。 ( 2 ) 自动调谐消弧线圈在减小接地电流的同时也为补偿电网的单相接地选线带 来了不利影响。应研究适合自动补偿电网的微机接地选线原理，并与自动调谐装置一 体化。 ( 3 ) 消弧线圈串联电阻接地在发生单相接地故障时，电阻不仅会增大残流，而 且使故障相的恢复电压特性变化，所以应在故障后最短时间内将其短接，以免对接地 电弧的熄灭产生不利影响。目前采用的继电器控制接触器方式响应时间过长“1 。 1 3 本课题的主要工作 分析消弧线圈的作用原理和运行特性，深入研究自动调谐的关键技术，对通州市 配电网的构架改造进行分析，测量镇北变的对地电容电流，由此根据消弧线圈的调谐 原则进行了消弧线圈的台数、容量及型号的选择。根据消弧线圈的自动调谐特性配置 阻尼电阻，由阻尼电阻对中性点过电压、断线过电压、单相接地故障选线及瞬间接地 电弧的熄灭的影响提出阻尼电阻的配置原则，并新增并联阻尼电阻与串联限压电阻配 合进行了有功电流选线，提高接地选线保护灵敏度，消除虚幻接地现象。由自动调谐 控制器和微机接地选线的硬件类似情况，提出了自动调谐控制器和选线装置的一体 化，无需另外安装选线接地装置，简化了硬件结构，节省了投资。 根据现场的改造情况进行了安装测量和安装试验，证明了自动调谐装置的安全可 靠运行和对现场的适用性。利用自动调谐装置的在线测量电容电流来实现单相接地故 障电容电流的跟踪管理。 对于投资允许的变电所，提出了用可控硅电路或n l r 非线性电阻代替阻尼电阻和 机械开关并联回路的方案，特别是n l r 非线性电阻，能根据不同情况无时延的变化阻 值，能够很好解决这些运行问题，使运行可靠性大大提高。 上海大学工程硕士学位论文 第二章谐振接地系统的电路原理 消弧线圈可使单相接地电弧自动瞬间熄灭，主要是基于两点原理： ( 1 ) 消9 & 线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，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 ) 当残流过零熄弧后，又能降低故障相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。 由于接地故障电流的减小，有力地限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空 气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率，使故障点介质 绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电压的恢复初速度，因此，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 1 谐振接地系统的正常运行时的电路分析 谐振接地系统在正常运行时的等值电路如图2 - 1 所示 e c () 留、童卫 le a 乏t e | j cc = 0 r i = 【】见 = = i】r l 图2 1 谐振接地系统正常运行时的等值电路 e 。、e 。、e 。为三相电源电势，c 。、c 。、c 。为配电电网三相对地电容，r 。、r a 、 尼为配电网三相泄漏电阻，并认为r 。= r 。= r 。= r ；l 代表消弧线圈的等值电感 上海大学工程硕士学位论文 r 。代表消9 线圈有功损耗的等值电阻。假设三相电源电势对称，以a 相电源电势为 参考相量，中性点位移电压为 讥一蕊等兰n 一而k o cd j ( 1 c o l ) ” m ( c ；+ c | + c ：) 一 十r o 7 。“ 式中，口2 一丢一等，口一丢+ - 孚，乜 c _ + a2 _ c b + - a c 。为电网的不对称度； 乙了i i i 州吧h 刊1 ”。郴熳； - 瓦1 = 页3 + 瓦1 ，= 页忑i i _ 1 d 乙了丽为电网阻尼率， = 一十，= 为电网且尼率， 尺。 尺 r 。r o 国( 巴+ g + c ：) y ：c o ( c o + 万c - 6 + 了c o - 1 一c o l ：互1 二互为电网脱谐度。 ( c + g + c o i c “。 从公式( 2 1 ) 可以看到，d 。的模值u o - 一! 呈丝，消弧线圈接地系统中性点 ，2 + d 2 电压的大小和脱谐度有关。脱谐度越小，中性点电压越高；脱谐度等于零，即谐振补 偿时，中性点电压最高。因此，为了保证正常运行时中性点电压不致过高，应避免谐 振补偿，尽量在较大的过补偿或欠补偿运行或者采取措施增大系统的阻尼，这是补偿 电网调谐的另一个基本原则。另外，在以架空线路为主的电网中，还应该采用线路换 位措施，以减4 , - - 相导线对地电容的不对称度，提高补偿效果。 并且， 由y=co(co+c6+co-：_1一col=互巫， 可看出补偿电网显现三种 j c o ( c o + c b + c c 、 i c j?jjj 运行状态： ( 1 ) 当消弧线圈满足，。= i 。的条件时， 故障点的电流最小，为纯阻性。 ( 2 ) 当消弧线圈满足i 。 i 。的条件时， 呈感性。 称为全补偿，或谐振补偿。这时流过 称为过补偿。这时流过故障点的残流 ( 3 ) 当消弧线圈满足i 。 国；当消弧线圈过补偿运行时，国。 国。 同时，自由振荡电压“。边旋转边衰减。由图2 - 2 零序回路中确定的阻尼系数为： j：旦：!棚(2-7) 6 c2 可知，阻尼系数与补偿电网的阻尼率成正比。所以，当接地电弧熄灭后，故障相 恢复电压的特性与补偿电网的脱谐度、阻尼率关系密切。 在单相接地电流过零熄灭的瞬间，相当于图2 - 2 中电源与回路断开，两端的电压 一端为强制的电源电压“。，另一端为中性点的自由振荡电压“。无论消弧线圈的补 偿状态如何，故障相的恢复电压即等于两者的电位差。 电源强制电压u = u 。e “”，自由振荡电压甜o = u 。pp 1 7 2 ) o 帅，将式 ( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 代入，故障相的恢复电压为： “，= u ，p 朐州 1 _ e - a e a 弛。) 。】 = u 。一) 【1 - e 一掣耐j ( z - 8 ) 上式表明，阻尼率与脱谐度同时影响故障相恢复电压，并且脱谐度是主要的。 将式( 2 8 ) 乘以共轭值后开方，取其模值，得到恢复电压的包络线表达式： 旷u 。厄五巧 ( 2 9 ) 将各项用傅立叶展开，忽略2 次方以上各项，化简后求取其一次导数，代入t = o ， 可得恢复电压的初速度： 阽u ”詈厢氓詈尝( 2 - 1 0 ) 因此，故障相恢复电压的初速度与阻尼率、脱谐度相关，或者同故障点残流，。与 接地电容电流，。的比值成正比。当残流减小时，初速度降低，接地电弧难以重燃。 上海大学工程顿士学位论文 实际运行中，运行方式确定后，电容电流和阻尼率是常数，只有减小脱谐度或残流， 方能降低恢复电压初速度。 根据式( 2 1 0 ) ，可得故障相电压恢复到正常相电压幅值的时间： f ：三x 占：0 0 6 4 i c ( 2 _ 1 1 ) 0 击+ y i is 故障相电压恢复时问与残流大小成反比，所以如果脱谐度趋近0 时，恢复电压 时间最长，接地电弧最难重燃。 由于消弧线圈的作用，降低恢复电压的初速度，延长了故障相电压的恢复时间， 并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重燃，达到彻底熄弧的目的。 这是消弧线圈熄弧原理的第二要点“3 。 2 3 本章小结 本章根据谐振系统正常运行时和发生单相接地故障时的稳态等值电路，分析了消 弧线圈在电网发生单相接地故障时的补偿电容电流、消除瞬间接地故障的作用原理， 推导一系列公式和结论，阐明影响熄弧的重要相关参数，为自动调谐控制和设计提供 理论依据。 上海大学工程硕士学位论文 第三章非连续可调式消弧线圈 自动调谐关键技术分析 自动调谐装置与人工调谐消弧线圈相比，具有显著的优越性。首先是可以避免人 工调协消弧线圈的诸多麻烦，而且不会使电网的部分或全部在调谐过程中暂时失去补 偿；其次由于自动调谐能够保证调谐的精度，不仅可以提高消弧线圈的动作成功率， 同时能够限制电网的电弧接地过电压和谐振过电压等，这些均有利于电网的安全运 行。 传统的消弧线圈是一个带有铁心的电感线圈。铁心具有间隙，以便得到较大的电 感电流并使电感电流和所加的电压成正比；线圈的接地侧有若干抽头，以便在定的 范围内分级调节电感的大小。 由于这种传统的非连续可调式消弧线圈在目前国内应用较广，随着各地电网的扩 展，许多安装非连续可调式的变电所需要根据网络情况进行改造，所以针对该种消弧 线圈的自动调谐设计有重要的实际意义。 采用非连续可调式消弧线圈实行自动调谐技术的关键是根据在线测量的电容电 流，调节分接头和增加阻尼来满足脱谐度和中性点电压的控制以及接地选线保护，即 根据在线测量的电容电流来计算脱谐度，根据计算结果相应地调节分接头，同时利用 消弧线圈的串联电阻来限制中性点过电压和断线过电压，在发生单相永久性故障时， 需要由接地选线保护进行选线切除故障线路，利用新增的并联电阻来解决接地选线保 护选择性问题。 3 1 脱谐度及中性点电压的控制 消弧线圈调节时应满足以下两个条件： ( 1 ) 脱谐度在规定的范围内； ( 2 ) 电网中性点电压不大于o 1 5 u 。 从理论上来说消弧线圈自动调谐最好用连续可调的消弧线圈。但分接头足够多的 调匝式消弧线圈也是可用的。例如，对于接地电容电流为9 0 a 的电网，当切除一回 4 上海大学工程硕： 学位论文 2 k m 的电缆线路时，接地电容电流只变化约2 a ，电网脱谐度也只变化 a 7 “a i c a l s o = 2 9 0 = 2 2 。 这时消弧线圈电感不改变也是安全的。当然，分接头数越多，则调节越细。那么必要 的分接头数该为多少呢? 分接头数的多少决定着可以达到的最小脱谐度，而脱谐度是 影响灭& 和限制电弧接地过电压的主要因素。 下面从三个方面来确定脱谐度的控制：( 1 ) 弧道中的残余电流；( 2 ) 恢复电压的 一h 升速度：( 3 ) 过电压的幅值。 ( 1 ) 弧道中的残余电流。 不计残流的高次谐波分量，。= i c 4 r 2 + d 2 ，其中d 为电网的电导引起残流 的系数。 当电网的1 c = i o o a ，d ：o 0 5 ，而脱谐度y 由0 偏至0 1 时，d 将从5 a 增至i i a ， 这说明y = o 1 显然偏大。y = o 0 2 5 和0 0 5 时，j 为5 6 a 和7 1 a ，这说明若能保证 脱谐度为0 0 2 5 ，则残流增加不大，只比完全谐振时大1 2 ，这说明，实际运行中消弧 电抗器没有必要连续可调，只要具有合适的分接头个数即可满足运行要求。 ( 2 ) 故障相恢复电压的上升速度 当d ：o 0 5 时，恢复电压升至最大值的时间曲线如下图所示。 图3 - 1 故障相恢复电压时间与脱谐度的关系 由该图看出，当7 = 0 0 5 时，恢复电压时间已减少一半以上，这对灭弧不利，7 最好在0 0 2 5 以内，不要超过0 0 5 ”1 。 上海大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 过电压的幅值 在补偿电网中，当脱谐度在5 的范围内变化时，单相接地故障时，内部过电压 的增长倍数为2 5 2 6 倍相电压，脱谐度大于5 时，过电压倍数就急剧增长，而2 6 倍相电压是中压电网中最薄弱产品如中压电机在大修后对电机绝缘水平的要求，大于 2 6 倍相电压的过电压将直接危害电机安全，所以y 不要超过o 0 5 。 当明确了脱谐度，的指标后，就可以求出必要的分接头数。消弧线圈相邻分接头 对应的电流，。和。遵循，。一j 。2 7 1 。的关系。若电流最小为。则最大电流 ，一= i n ( i + 2 7 ) ，n 为分接头数，故由此可得 n = 1 + ( 3 一1 ) 通常消弧线圈最大电流与最小电流之比为2 ，当y = 0 0 2 5 时，n = 1 5 ，应该看出， 当允许既可在过补偿又可在欠补偿状况工作时，1 5 档分接头的消弧线圈可以调节到 使脱谐度等于0 0 2 5 ；当运行人员只希望运行在过补偿状态时，1 5 档分接头只能使脱 谐度达到0 0 5 。 对于中性点电压，如前所述，在电网正常运行时，电网可等效为一个电感和电容 的串联电路。当脱谐度较小时，中性点电压可能超过规定值。可用增加阻尼的方法解 决这一问题，与消弧线圈串接或并接电阻都可以。下图是分析串接电阻r 。的等效电 路。 图3 2 消弧线圈串接电阻r 。的等效电路 上图中，设消弧线圈电感l 并接有消弧线圈有功损耗等值电阻月。，与电网对地 上海大学工程硕十学位论文 电容3 c 并联接有电导g 。，并联电路l 和r 。用等效的串联电路三s 和r s 管代，而 上。= 三0 2 + 1 ) ，尺。= p o n z , l ( p 2 + 1 ) ，其中p = 丝r l 为消弧线圈的阻尼率，。若忽 略与3 c 并联的g 。，则回路总阻抗为： z =i i 巧 当处于谐振状态时，中性点电压有如下形式： ( 3 - 2 ) 。= 巡糍等半砒脬c o 琴2 净s ， u “。 ( r 。+ 尺耐) 2u 。( 尺。+ r 。) 2 ” “ 式中的u 。即不对称电压k 。u 。 由上式可见，如对串联电阻尺。的阻值合适选择，可使中性点电压在谐振状态下 不超出规定范围，可以阻尼谐振现象，这样消弧线圈就可在全补偿状态下运行。 在实际运行中，串联阻尼电阻只在电网正常运行状态下起作用，在单相接地故障 时通过自动控制处于短路状态，而此时l c 处于并联状态，因而不影响消弧线圈正常 工作”1 。 综上所述，将消弧线圈分成一定的档位，再串接阻尼电阻，是可以满足电网调 节要求的。 3 2 串联电阻值的选择方案 在消弧线圈的接地侧串联电阻，主要是为了当系统发生谐振时，保证中性点位 移电压小于l5 相电压，维持系统的正常运行，防止谐振过电压。选择串联电阻值还 要考虑限制断线过电压、影响测控系统灵敏度和消& 线圈调谐精度等因素。所以串联 电阻的选择应结合上述要求及系统的实际要求来选择。 3 2 1 限制中性点过电压 由前可知合理选择串联电阻值可抑制中性点位移过电压( 参见3 1 ) ，则由( 3 3 ) 化简得： 上海大学工程硕士学位论文 r o d = 3 嬲厨 根据上式适当选择串联电阻值以满足系统限压要求。 ( 3 4 ) 3 2 2 限制断线过电压 运行中的补偿电网在消弧线圈欠补偿状态下，由单侧电源供电的线路发生断线故 障时，在4 1 起的不对称度、脱谐度变化综合不利时，有可能使中性点位移度显著升高， 产生较高的断线过电压。当消弧线圈在过补偿状态下运行时，断线过电压最高也不会 超过线电压。由双侧电源供电的线路，不论消弧线圈运行在什么状态，断线故障均不 会引起过电压问题。 ( 1 ) 断线后的电容电流 相对于断线故障，正常运行时补偿电网的不对称度数值很小，可认为正常运行时 三相对地电容彼此相等，即c 。= c 。= c 。= c ，电容电流i 。= 3 c o c u 。，当单相 断线或两相断线，故障相对地电容减小，其值与健全相对地电容之比用1 1 1 ( 1 ) 表示， 则单相断线与两相断线电容电流分别为： i c l = c o ( + 2 ) c u ，：掣，。 ( 3 如= + 1 ) c u c o ( 2 m 1 ) c u ，= 掣z _ i i g tj - ，。 净6 ) ，c 2 = + ，= _ 一，c ( 3 6 ) 不对称度为： k 。：研一l 2 k 。c t2m +2ct(3-7) k 。，：上兰 ( 3 8 ) k 0 c 22 2 m + 1 ( 3 8 ) 则脱谐度为： y 。= y + ( 1 r ) k 。， ( 3 9 ) y ：= ，一2 k 。2 ( 3 1 0 ) 上海大学工程硕士学位论文 断线后的位移电压为： 2 丽k o c 霸l u 口, ( 3 - u 。：掣( 3 - 1 2 ) 4 r ；+ d 2 由上述算式可得出，在过补偿运行情况下发生最严重的单相或两相断线故障时， 中性点位移电压分别为1 倍与0 5 倍的相电压，此时，短时问带故障运行一般不会带 来什么危险。在欠补偿运行情况下发生单相断线和两相断线故障时，中性点位移电压 分别可高达相电压的8 6 倍和6 7 4 倍，而相对地的最高过电压可达相电压的9 6 倍 和7 7 4 倍，应合理选择限压电阻来抑制断线过电压，对于非连续可调消弧线圈可选 择其档位在最靠近谐振点的过补偿档位上运行。 3 2 3 串联电阻选择其他注意事项 加装串联电阻可限制正常运行时的中性点位移电压和断线故障时的谐振过电压， 同时也可在故障时增加有功电流分量，提高有功电流微机接地保护装置的灵敏度。但 是，对接地电弧的瞬间熄灭会带来一些不利影响： ( 1 ) 电网正常运行时，若阻值较大，则中性点的位移电压将会降低，消弧线圈 中流过的零序不对称电流也会很小，会使自动测控系统灵敏度降低。并且正常时，因 串联限压电阻引起的最大中性点位移电压偏离谐振点的现象，可能影响自动消弧线圈 的调谐精度，阻值越大，偏离越明显。所以串联电阻的阻值应尽量小。 ( 2 ) 发生单相接地故障时，限压电阻会增大残流，提高有功电流分量，从而提 高有功电流接地选线保护的选择性，但也会使故障相的恢复电压特性变坏：并且串联 电阻在电网正常运行时投入，防止l c 产生串联谐振，当系统发生单相接地时，中性 点电压升高，中性点流过很大电流，这时必须将阻尼电阻短接，这时l c 处于并联状 态，不会产生串联谐振，也无须串联电阻运行。所以在发生单相接地故障后，应在最 短时间内将其短接，可整定为瞬时动作。 ( 3 ) 一股来说传统阻尼电阻的并接开关采用双重短接，即两套独立的控制回路， 一套为交流2 2 0 v 操作，由母线p t 开口三角电压启动，一套为直流2 2 0 v 操作，由消 弧线圈和交流接触器常开接点启动“”“3 。 上海大学工程硕士学位论文 3 3 微机接地选线方案 谐振接地方式可以自动消除电网的瞬间单相接地故障，无须继电保护和断路器动 作，在供电可靠性、人身安全、设备安全和通信干扰等方面，具有较好的运行特性， 但也存在接地保护的选择性问题。随着负荷特性的改变，电力用户更加重视人身和设 备的安全，电磁环境日益受到广泛的关注，在这种形势下发生永久性单相接地故障时， 则要求继电保护在很小的接地故障电流下瞬间检出故障线路并自动跳闸，或尽快转移 负荷后使断路器跳闸。由3 2 3 可知，串联电阻在故障时需要退出运行，这样串联电 阻就无法提高有功电流分量，从而使有功电流接地选线保护选择性降低，本文提出在 中性点新增一个并联电阻的方法在单相永久性故障时提供足够大的有功电流分量，同 时利用现代微机技术的灵敏度高、计算速度快和综合分析判断能力强等特点，可在谐 振接地系统中实现对故障线路的选择性。 3 3 1 谐振接地系统基波零序电流的分布 谐振接地电网发生单相接地故障时，流过故障点的电流中所含的基波零序电流， 由有功电流和无功电流两个分量组成。无功电流分量的大小和方向，是随消弧线圈补