（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的消弧及过电压微机保护装置的研制.pdf

r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa r cs u p p r e s s i o na n do v e r v o l t a g e m i c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i v ed e v i c eb a s e do nd s p a b s t r a c t a r cg r o u n d i n go v e r v o l t a g ei so f t e nh a p p e n e di nd i s t r i b u t i o np o w e rn e t w o k , i t t h r e a t e n sp o w e rn e t w o r k ss e c u r i t yo p e r a t i o na n de l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t i nt h e p a p e rs e v e r a lk i n do fo v e r v o l t a g ei se n u m e r a t e d ；t h er e a s o na n dt h eh a r mo fa r c g r o u n d i n go v e r v o l t a g e i s a n a l y z e d ；s e v e r a lw a y s o fa r c s u p p r e s s i o n a r e c o m p a r e d a f t e ra n a l y z i n ga n da b s o r b i n gt h ea d v a n c e de x p e r i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c u r r e n tm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e ，t h ep a p e rb r i n gak i n do fa r cs u p p r e s s i o n a n do v e rv o l t a g em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i v ed e v i c eb a s e do nd s pt os u p p r e s st h i sk i i l d o fo v e r v o l t a g e i nt h ep a p e rc o m p o n e n t so fa r cs u p p r e s s i o na n do v e rv o l t a g em i c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i v ed e v i c ei sp r e s e n t e d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed e v i c ec o n t r o l l e ri s p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d t h ec o n t r o l l e ru s e s3 2 b i t sh i g hp e r f o r m a n c et m s 3 2 0 f 2 8 12 d s pa si tc e n t r a lc o n t r o lu n i tp r o d u c e db yt ii n c o r p o r a t i o n t h eh a r d w a r ed e s i g ni s b a s e do nt y p i c a lh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nw h i c hi n c l u d e sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，m a i n m i c r o p r o c e s s o rs y s t e ma n ds w i t h i n gv a l u e ( d i g i t a lv a l u e ) i n p u t o u t p u ts y s t e m ；t h e s o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h ee m b e d d e dr t o sp c o s - i i ，t h et a s k e sa n dt h e i n t e r r u p t si sd i v i d e d ，a n dd e s i g no ft h ea p p l i c a t i o n i s g i v e n ；a tl a s t t h ed e v i c e r e l i a b i l i t yi sd e s i g n e d k e y w o r d s ：a r es u p p r e s s i o n ，o v e rv o l t a g e ，d s p ，t a s k ，r e l i a b i l i t y 插图清单 图2 1各类过电压及相互关系7 图2 2 弧光接地过电压的物理发展过程10 图2 3 消弧过电压保护装置组成部件一1 错误l 未定义书签。 图3 1 装置控制器硬件框图错误l 未定义书签。9 图3 2 装置控制器硬件插件布局图。2 0 错误i 未定义书签。 图3 3电压形成电路2 1 图3 4 模拟滤波电路2 1 图3 5a d 转换电路错误l 未定义书签。2 图3 6d s p 接线图错误i 未定义书签。5 图3 7c p l d 接线图错误l 未定义书签。6 图3 8 外部看门狗电路错误l 未定义书签。7 图3 9 外扩系统存储电路错误l 未定义书签。8 图3 1 0r t c 电路错误l 未定义书签。9 图3 1 1d s p 调试接口电路错误l 未定义书签。9 图3 1 2c p l d 调试接口电路错误l 未定义书签。o 图3 1 3 外部开关量输入电路错误l 未定义书签。0 图3 1 4 位置继电器的开关量输入电路错误l 未定义书签。l 图3 1 5 开关量输出逻辑控制电路错误l 未定义书签。2 图3 1 6 保护出口跳闸电路错误l 未定义书签。3 图3 1 7 保护出口合闸电路3 3 图3 1 8l c d 液晶显示电路3 4 图3 1 9 键盘输入电路3 5 图3 2 04 8 5 通信电路3 6 图3 2 1c a n 通信电路3 7 图4 1uc o s i i 体系结构错误l 未定义书签。1 图4 2 应用程序的任务划分框图错误l 未定义书签。7 图4 3 主程序流程框图错误! 未定义书签。8 图4 4 保护逻辑判断任务错误l 未定义书签。9 表格清单 表4 1需要修改的关键函数和宏定义4 2 表4 2 任务优先级与堆栈划分4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金月曼王些态堂 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谢 意。 学位论文作者签名： 钤 吃签字日期：研年参月7e tu i ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒匿工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 些叁坐可以将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适用本授权书) 学位论文作者签名：伶乙 签字日期：呻产啦月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一、 翩虢p 甲蕈1 签字日期口伊仁月7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先衷心地感谢导师在我学习和论文写作过程中给予的关 怀和帮助。导师严谨认真的研究方式、一丝不苟的治学态度、孜孜不倦的敬业精 神、朴实无华的工作作风和献身科学事业的崇高品格，始终激励着我奋发进取， 也是学生未来学习和工作中的人生楷模。值此论文完成之际，特向导师温阳东教 授表示深深的感谢和崇高的敬意。 论文工作顺利完成得到了实验室同学给予我的支持和帮助，在此向张丹丹、 臧小溪、陶晓丽、胡艳红、李华忠、袁亚东、李本春、王祥好、张磊、欧明双、 施勇、高震宇、王恒、杨伟、金毅仁、刘思邦等同学深表谢意。 谨以此论文献给永远支持和关心我的父母和所有的亲人，他们关坏、鼓励、 理解与支持始终是我学习与工作的巨大动力。 作者：徐飞 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 电力是国民经济的一项重要的基础工业，我们在电能生产、变换、分配和 使用的各种电力设备按照一定的技术和经济要求组成一个联合的电力系统，电 力系统的安全经济可靠运行是国民经济和国家安全的重要体现。电力系统主要 包括发电厂、输电网、配电网和用户几个部分组成。电力系统在传送分配电能 时，根据输送电能的作用、功率的大小和距离的不同，我们把电网分为输电网 和配电网，习惯上把1 1 0 k v 和2 2 0 k v 成为高压，3 3 0 k v 、5 0 0 k v 和7 5 0 k v 称 为超高压，而1 0 0 0 k v 以上成为特高压。 根据不同的运行条件，可以把电力系统的运行分为正常运行状态、不正常 运行状态和故障状态，按照电力系统的安全经济可靠运行，我们最希望的是电 力系统尽可能的运行在正常状态，而避免各种不正常运行状态和故障的发生。 根据电力在国民经济中的地位和作用，对于电力系统提出几个基本要求，即保证 供电的可靠性；为用户提供充足的电力；保证电能的良好质量和保证电力系统 运行的经济性。 为了保证电力系统的正常运行，尽快消除运行中的不正常情况及故障后迅 速恢复电力系统的正常运行，在电力系统中需要装备电力继电保护装置，使得 其反应电力系统中电力设备发生故障和不正常运行状态，动作于断路器跳闸或 发出信号，也对于继电保护提出了几个基本要求，即不发生误动和拒动的可靠 性；尽可能在最小区间切除故障的选择性；尽可能快速切除故障的速动性；对 于在保护范围内发生故障或不正常运行状态其反应能力的灵敏性。 电力继电保护的科技随着电力系统的发展而日益成熟，从机电式、整流式、 晶体管式、集成电路式的模拟型继电保护历史发展到目前广泛应用的微处理式， 即微继型继电保护或称为数字型继电保护。微机保护装置的广泛应用，从上世 纪的8 位机、1 6 位机，发展到目前的3 2 位机。保护的实现已从原来的单c p u 微机型硬件方案发展到了双c p u 或多c p u 硬件实现方案，硬件也实现了多扩 展插件式易升级的网络化结构；软件也从以前的前后台程序到目前基于实时操 作系统的软件实现法：编程言语由以前的汇编到目前的c 语言及更高级言语， 软件可读性、升级性更强。 微机保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。经 过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在高压、超高压电网中 无可替代的优势。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算 能力和记忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶 体管继电器所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外 围器件的采用，一直是微机继电保护不断发展的强大动力。此外，微机保护以 软件计算实现保护功能，使得继电保护摆脱了传统保护原理的束缚，能够充分 利用现代工程数学、信息技术、人工智能等学科的成果，结合继电保护的工程 实践，研制性能更加优良、更能满足实际需要的保护系统。总之，不断开发计 算机技术的潜力，研制、采用新型优良器件，有效的运用信息处理的最新技术， 才能推动继电保护技术的进步。随着计算机技术和大规模集成电路技术的飞速 发展，微机保护测控装置逐渐进入了实用阶段。 目前，国外较典型的微机保护测控装置有：通用电气公司生产的d d p 数字 配电微机保护系统。该装置具有保护、保护顺序配合、测量、重合闸、断路器 开断电流累计、人机对话、通信等功能。保护由瞬时过电流和延时过电流组成。 a b b 公司生产的配电微机保护系统。该装置具有保护、配合、测量、显示、重 合闸、事件记录、最大负荷统计、断路器开断电流累计和通信等功能。保护由 瞬时速断和延时速断组成。加拿大p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 生产的3 7 0 0 系列高 级电力综合监控仪等。其中3 7 2 0 a c m 能集采集、测量、控制、通信功能于一 体。近年来，该公司又推出了新产品，增加了微机继电保护功能。 我国对微机保护测控装置的研究从上世纪7 0 年代后半期开始。开始是几个 高等学校和水电部南京自动化研究所的一些继电保护工作者对国外微机保护测 控装置的发展作了广泛的介绍和综合分析。7 0 年代末至8 0 年代初则广泛地开展 各种算法以至样机的研制。1 9 8 4 年上半年，原华北电力学院研制的第一套以 6 8 0 9 c p u 为基础的距离保护样机投入使用，揭开了我国继电保护发展史上崭新 的一页，为微机保护测控装置的推广应用开辟了道路。随着我国变电站自动化 的全面实施，为数众多的科研院校和公司企业开发出了各具特色的微机保护测 控新产品。华中科技大学、东南大学、华北电力大学、西安交通大学、天津大 学、上海交通大学、重庆大学、南瑞集团、四方公司、许继集团和东方电子等 单位相继开发研制出了一大批不同原理、不同型式和不同应用的微机保护测控 装置。目前，市场上有代表性的产品有：南瑞生产的r c s 系列微机保护测控装 置，集微机保护、测量、通信功能于一体，采用单元式结构和独立的测量、保 护回路。 1 2 当前微机保护装置中存在的问题 随着国民经济的快速发展以及广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电 保护技术及装置应用水平有了较大的提高，但是国内目前正在运行使用的微机 保护测控装置还存在一些需要改进的地方。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 功能简单 作为处理器和控制器的c p u 基本上还是采用传统的m c s 一5 1 和8 0 9 6 系列 单片机，这些c p u 多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线方式 2 的限制，其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性 能较好，但是不善于数字信号的处理，因而微机保护装置在算法的实现上存在 一定的困难。另外，随着电力系统自动化水平的不断提高，微机保护装置除了 要完成传统的保护功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包 括电压、电流、有功、无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能 保证微机保护装置的高实时性、高可靠性和可扩展性。 ( 2 ) 软件系统开发平台不完善 与硬件技术发展的速度相比，软件的发展相对滞后。传统微机保护测控装 置的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，称为前后台系统。一般是一 个无限循环，在循环中调用相应的子程序来完成对应操作，这被称为后台行为 或任务级；用中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级。这种程 序虽然简单直观，易于控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着 电力系统自动化水平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越 多，不仅要完成继电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统 的线性程序结构会导致软件复杂度增高，增加了开发难度和时间。 目前的微机保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。然而，在汇编语言 的程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配、开入、 开出管理等相关条件，与高级语言( 如c 语言) 相比，软件开发难度大，周期长， 软件结构随意性很大，随编程人员的习惯、思维方式不同，相关条件约束不同 而差异很大，软件难以移植、交流和维护。 ( 3 ) 通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障 微机保护测控装置之间的通信技术是衡量一个变电站自动化系统先进程度 的一个重要指标。最初的通信技术是用r s 4 8 5 总线将微机保护装置连接在一起， 利用主从方式进行通信。这种通信方式简单，技术上缺陷较多，实际运行中暴 露出诸多问题：通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在传输大量数据时力不从心； 不能在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享用多主机技术带来的各种优 越性能。随着用户对变电站自动化系统的功能不断提出新的要求，人们便把目 光投向各种现场总线技术。由于其简单易用、组网方便、抗干扰能力强，在很 短时间内便成为变电站自动化系统的主流通信技术。随着变电站自动化系统从 以前的3 5 k v 、1 1 0 k v 等级低压变电站系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 及1 0 0 0 k v 超高压大型变电站系统发展，现场总线技术的诸多局限性也逐渐暴露出来，主 要体现在以下几个方面： a ) 当变电站系统比较复杂，通信节点达到一定数量后，相应速率会迅速下 降，不能满足大型变电站对通信的要求。 b ) 在通信带宽上不能满足滤波等大数据量的传输时，容易造成很大的通信 延迟。 c ) 缺乏统一的国际标准，许多微机保护装置采用的标准不尽相同，目前各 厂家在通信方式上各不相同，采用的通信协议也不尽相同，缺乏通用性，很难 使变电站自动化的通信网络标准开放。 1 3 目前配电网微机保护的现状及不足和本论文研究的意义 目前世界上各国的电力系统中，2 2 0 k v 以上的电压等级的系统中中性点都 是直接接地的，而在配电网这部分，各国的配电网中性点接地方式都不尽相同， 如美国的电网系统以直接接地为主；德国3 0 2 2 0 k v 的电压等级电网都采用中 性点经消弧线圈接地的方式；日本东京电力公司6 6 k v 电网采用中性点经电阻、 电抗或消弧线圈接地方式，2 2 k v 电网采用经电阻接地方式，而6 6 k v 电网则 采用中性点不接地方式；前苏联、中国、德国等在大都采用中性点经消弧线圈 或不接地方式。 在我国6 - - 3 5 k v 的配电网中，大多数采用中性点不直接接地运行方式，即 中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经阻抗接地。 在中性点不接地系统中当系统发生单相金属性接地时，由于非故障的两相 对地电压幅值升高1 7 3 倍，系统仍对称运行，对负荷的供电影响非常小。因此， 一般可允许运行1 2 小时。 然而随着中低压电网的扩大，以及电缆线路的大量运用，系统对地电容电 流急剧增大，在系统中绝缘较弱或绝缘老化或是单相接地后故障点电流较大时 产生电弧。在发生单相间歇性电弧接地故障时，由于电弧多次不断地熄灭和重 燃，导致系统对地电容上的电荷不断的积累和重新分配，会形成弧光接地过电 压，且电弧不能可靠地熄灭。 上述电弧对电网安全运行构成了严重的威胁，造成非故障相的高幅值的过 电压，过压为正常相电压的数倍甚至高达3 5 倍。这种过电压加剧了电缆等固体 绝缘的积累性破坏，易造成相间短路，使事故扩大。同时也易导致电压互感器 ，高压侧保险熔断，甚至烧毁t v ，还可能引发避雷器爆炸等。 对于中性点经电阻接地其主要目的是增大故障点的接地电流，利用零序电 流等保护快速切断故障线路，其优点是故障选线灵敏度高，选线准确率高，使 得单相弧光接地过电压的威胁大大降低，然而在单相接地时快速切断故障线路 却牺牲了用户的正常供电，当保护拒动时，由于接地电流较大，产生的弧光等 危害很大，对于一些重要负荷必须带故障运行时该保护方式不适用或必须由双 电源供电而牺牲了经济性。 中性点经消弧线圈接地或不接地时，发生单相接地故障，负荷供电没有影 4 响，电网可带故障短时运行，然而故障点电流较小，故障信息不易区分，现有 故障选线技术准确率不高，相关原理仍需进一步完善，而且在发生单相弧光接 地时对电网构成很大危害。在一段时间内，我国配电网中性点仍然采用经消弧 线圈接地或不接地，目前针对单相弧光接地过电压主要采用的是消弧线圈补偿 法，利用故障时消弧线圈的感性电流来补偿故障点流过的对地电容电流，使得 电弧不易产生或容易熄灭。然而消弧线圈并不能真正的消除电弧，其本身在某 种意义上也是对电网的潜在威胁。近几年针对弧光过电压问题的探索，有大致 三种思路：其一是进一步完善消弧线圈的消弧作用；其二是摒弃现有配电网中 性点接地方式，改为中性点经电阻接地方式：其三是研制新型消弧及过电压保 护装置。 本论文的研究点为第三种思路，在分析弧光的产生危害上摒弃使用消弧线 圈的抑制方案，同时在保持目前我国大部分依然采用中性点不直接接地的配电 网中性点接地形式，采用了新型消弧及过电压保护方案，即实时判断单相接地 故障形式，对产生了单相弧光接地过电压主动的转化为单相金属性接地，把过 电压抑制在1 7 3 2 倍，消除因电荷不断的积累和重新分配形成弧光接地过电压， 有效熄灭电弧。而对于配电网中发生除单相接的故障外的其他故障或不正常运 行状态不作为，把保护的任务交给配电网中其他保护装置，即本论文讨论的重 点放在了单相弧光接地故障特别是单相间歇性电弧接地故障时的消弧及过电压 的抑制消除上。 1 4 本论文研究内容和章节安排 本课题在分析和吸收国内外微机保护装置的先进技术和成功经验的基础 上，研发了一种基于d s p 的消弧及过电压保护装置，主要是硬件和软件设计两 大部分。本系统的硬件核心采用t i 公司的d s p f 2 8 1 2 芯片作为微控制器，并配 以适当的外围电路来实现各种功能。为了提高开发的方便和快捷，本系统选择 了源代码公开的小型嵌入式实时操作系统uc o s i i ，完成了其在d s p f 2 8 1 2 上的 移植，基于此操作系统采用结构化的程序设计语言c 语言。在软件设计中，在 重点讨论保护的功能外，还详细了设计实时信息的测量、通信、人机接口、控 制等功能。 论文的具体具研究内容和章节安排如下： 第一章：首先简要概括了当前国内外微机保护装置的发展过程，分析了微 机保护装置及配电网保护其中存在的一些缺陷和问题，叙述了本论文的研究内 容及意义。 第二章：首先分析了配电网中的外部过电压和内部过电压，并重点阐述了 5 弧光接地过电压的产生、物理发展过程和危害，叙述了目前限制弧光接地过电 压的几种技术措施及其不足之处，最后介绍了一种限制弧光接地过电压的新措 施，介绍了基于d s p 的消弧及过电压微机保护装置。 第三章：首先提出了基于d s p 的微机保护装置硬件平台的总体设计方案， 接着详细阐述了保护装置各插件单元各功能模块的设计，包括主要芯片的选型、 主要功能、电路原理的介绍等。 第四章：提出了消弧及过电压保护装置保护方案的设计，介绍了嵌入式实 时操作系统i _ t c o s i i 的基础知识，完成 l c o s i i 在d s p f 2 8 1 2 上的移植，在此基 础上完成了微机保护装置的应用程序设计。 第五章：为提高微机保护装置的可靠性，分析了装置所处环境，阐述了干 扰源及传播途径，从硬件和软件两个方面提出了提高微机保护的抗干扰能力、 增强检验元件损坏的自动检测能力。 第六章：首先对全文作了工作总结，并对未来需要进一步研究和改进的地 方做了展望。 6 第二章消弧及过电压的分析及限制技术措施 2 1 配电网中各类过电压的分析 在电力网中起分配电能作用的网络就称为配电网，配电网是由配电线路、 配电所及用户组成，它的作用是把电力分配给配电所或用户。 配电网按电压等级来分类，可分为高压配电网( 3 5 、1 1 0 k v ) ，中压配电网 ( 6 、1 0 l ( v ) ，低压配电网( 2 2 0 、3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分类，可分为城市 配电网，农村配电网和工厂配电网等。 由于配电网系统承担着直接向用户供电的任务，具有分布广、设备多、绝 缘水平低的特点，因此，极易因过电压造成绝缘事故。 电力系统发生的过电压包括外部过电压和内部过电压。 外部过电压主要指雷电过电压，又称为大气过电压，是由于雷击输电线路 或设备，从而侵入到电力系统中形成的。 内部过电压是指电力系统中由于断路器操作、故障或其它原因，使系统参 数发生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递所造成的电压升高。内部过 电压发生的时间较长，出现的频率较高，电压包括的频谱较宽( 频率范围从几十 h z 到几千h z ) ；外部过电压的幅值较高、波头较陡，因其所含高频成分丰富从 而对电力系统造成的危害更大。 图2 1 为各类过电压及相互关系： 厂直击雷过电压 f 外部过电压( 雷电过电压) 感应雷过电压 ll 流动波过电压 lr 空载电路电容效应 。jf 工频电压升高不对称i l l , 1 1 短1 路接地 过电压弋，暂时过电压一 l 甩负荷 l ，暂时过电压 。一hh lii厂线性谐振过电压 lil 谐振过电压铁磁谐振过电压 l 内部过电压 l 参数谐振过电压 lf ，单相间歇电弧接地过电压 ii 切断空载变压器过电压 i 操作过电压弋切除空载线路过电压 i 空载线路合闸、重合闸过电压 l 解列过电压 图2 1 各类过电压及相互关系 7 2 1 1 外部过电压 外部过电压主要是雷电过电压。雷电这种自然界气体放电现象，雷击线路 放电所产生的雷电流可高达数十、甚至数百千安，从而引起很高的雷电过电压， 对配电网的安全运行产生严重的危害。雷击引起暂态高电压或过电压常常可以 通过网络线路耦合或转移到网络设备上，造成设备的损坏。比如对于中性点不 接地的分级绝缘变压器，当雷电波从线路侵入变压站到达变压器中性点以及系 统单相接地、非全相运行，特别是伴随产生变压器励磁电感与线路对地电容谐 振时，会产生较高的雷电过电压或工频稳态过电压，对分级绝缘变压器中性点 构成威胁，甚至使绝缘损坏。 外部过电压由于雷云放电引起电网电压的不正常升高，包括直击雷过电压、 感应雷过电压和流动波过电压。 直击雷过电压是雷云直接对设备或导线放电引起的电网电压升高。 感应雷过电压是设备或导线附近几米至几百米发生雷电放电时，在设备或 导线上由于电磁感应而产生的短时过电压。 流动波过电压是线路的导线上受到雷电直击或产生感应时，雷电波沿着导 线向发电厂升压站或变电站传递，从而使发电厂或变电站的母线上、设备上出 现的过电压。 设备中元部件遭受雷击损坏的程度取决于不同的绝缘水平及受冲击的度。 对具有自行恢复能力的绝缘，击穿只是暂时的，一旦冲击消失，绝缘很快得到 恢复，有些非自行恢复的绝缘介质，如果击穿后只流过很小的电流，常不会立 即中断设备的运行，但随时间的推移，元部件受潮导致其绝缘逐渐下降，电路 特性变坏，最后将使电路中断。有的设备元部件如晶体管的集电极与发射极或 发射极与基极，若发生反向击穿就出现了永久性损坏，对易受能量损坏的元器 件，受损坏程度主要取决于流过其上的电流及持续时间。 2 1 2 内部过电压 配电网中存在大量的电感和电容元件，这些元件的能量不能突变，当电网 的运行状态改变时( 如切投电容器组，切空线，电网故障引起开关的跳合闸等) ， 这些元件的工作状态发生变动，正是由于这些元件的初始工作态和稳定工作态 不同，引起电场能和磁场能的相互转换，振荡从而导致内过电压的出现。 内部过电压的能源主要来源于电网内部，它的幅值与电网工频电压基本成 正比，一般将内部过电压的大小与电网正常运行相电压幅值之比称为内部过电 压倍数k n 。k n 表示了内部过电压的大小，k n 与不同类型的内部过电压、电网结 构、系统中各元件的参数、中性点的运行方式、故障性质及其操作方式等因素 有关。 8 内部过电压就其产生原因可分为暂时过电压和操作过电压。 暂时过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程 以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的超过额定值的电压。暂态过电压 分为工频电压升高和谐振过电压，工频过电压主要由空载长线路电容效应、不 对称短路接地及甩负荷等原因引起，而谐振过电压而由线性谐振、铁磁谐振及 参数谐振而引起。 操作过电压是由于操作或故障的过渡过程中引起的过电压，如单相间歇电 弧接地过电压、切断空载变压器过电压、切除空载线路过电压、空载线路合闸、 重合闸过电压及解列过电压。 2 2 弧光接地过电压分析 2 2 1 弧光接地过电压的产生及物理过程分析 我国现有电力网的中性点接地方式主要有：中性点直接接地、- 中性点经消弧 线圈接地和中性点不接地三种。单相弧光接地引起的过电压主要发生在中性点 不接地的电力网中，在线路较短时，接地电流不大，许多临时性的弧光接地故 障，一般能够迅速熄弧。但是，随着线路的增长和工作电压的升高，单相接地 电流也随之增大，许多弧光接地故障变得不能自动熄灭：另一方面，由于接地电 流不大，所以往往不能产生稳定性的电弧，于是就形成了熄弧与电弧重燃相互 交替的不稳定状态。这种间歇性电弧现象引起了电力网运行状态的瞬息改变， 导致电磁能的强烈振荡，并在非故障相以致故障相中产生严重的暂态过程过电 压，这就是弧光接地过电压。 单相接地是电力系统的主要故障形式，有统计数据表明，配电网故障的6 0 为单相接地故障，而单相接地故障中绝大多数为可自恢复的故障。在中性点不 接地系统中发生的单相接地有2 种形式，即单相金属性接地和单相弧光接地( 包 括单相稳定电弧接地和单相间歇电弧接地) 。从过电压的观点来看，最危险的是 间歇电弧接地。因为它的重燃电压由于弧隙的迅速去游离而增大。根据国内外 的测试结果，这种弧光接地电压一般不超过3 倍额定相电压，但个别可达3 5 倍及 以上。 产生间歇电弧的具体情况不同，使得间歇电弧产生的弧光过电压的过电压 倍数不同，比如电弧部位介质( 空气、油、固体介质) 不同及外界气象条件( 风、 雨、温变、湿度、气压等) 不同。多数研究者认为电弧的熄灭与重然时间是决定 最大过电压的重要因素。长期以来，多数研究者认为电弧的熄灭与重燃时间是 决定最大过电压的重要因素。 单相接地时流过弧道的电流有两个分量：工频电流( 强制) 分量和高频电流 ( 自由) 分量。一般假设在电源相电压为最大值时燃弧，燃弧瞬间出现的自由振荡 9 频率远远高于工频，故可认为接地瞬时弧道中的电流以高频电流为主，高频电 流迅速衰减后，剩下的主要是工频电流。从交流电弧理论知，间隙能否熄弧， 取决于电流过零后弧道的恢复抗电强度与加在弧道上恢复电压之间的相对关 系，空气中的开放电弧大多在工频电流过零时熄灭。 由于假定熄弧的时刻不同，在分析间歇电弧接地过电压时有两种假设：一 种以高频电流第一次过零时熄弧为前提进行分析，称高频熄弧理论，按此分析， 过电压值较高，因高频电流过零时，高频振荡电压恰为最大值，熄弧后残留在 非故障相上的电荷量较大，电压较高；另一种以工频电流过零时熄弧为前提进 行分析，称工频熄弧理论，按此分析，熄弧时残留在非故障相上的电荷量较少， 过电压值较低，但接近于电网中的实际测量值。 虽然两种理论分析所得的过电压的大小不同，但反映过电压形成的物理本 质是相同，这两种理论的分析方法和考虑的影响因素是相同的。但与系统实测 值相比较，高频理论分析所得过电压偏高，工频理论分析所得过电压值则较接 近实际情况。因而论文中只讨论用工频熄弧理论解释间歇弧光接地过电压的发 展过程。 j，1l一一、 ： i l 。 0 、! f 一一，厂ll t 、1 ：n ( 1 7 一- ii司 ，。1 t 哺 2 5i伽 l ks - k 埔l 尘爿互。一o di _ 弋一 一弋 ly ! 二黝氐 o1 舞一吨s 图2 2 弧光接地过电压的物理发展过程 工频熄弧理论假定故障相在工频电压最大值时发生绝缘击穿，接地电弧随 之产生，但电弧的熄灭不是在振荡电流过零时熄灭，而是在工频电流过零时发 生。图2 2 为工频熄弧理论阐述弧光接地过电压的物理发展过程。假定a 相在幅 值u m 发生单相接地短路，此时b 、c 两相电容上的初始电压为0 5 u r n ，非故障 b 。c 两相上的对地电压一开始由电容c o 维持，不能突变，通过振荡过程而趋于 新的稳定瞬时值1 5u m ，在此过程中，它们产生对地过电压为2 倍稳态值减去初 1 0 始值- 2 1 5u n 卜_ o 5 u m - - 2 5u m 。其后过渡过程很快衰减，非故障相将稳定在 线电势下运行。同时，在接地点通过了工频短路电流i d l ，由于其相位比a 相正 常时的相电势落后9 0 0 。经过半个工频周期t 1 时，非故障相电压为u m ，短路电流 i d l 通过零点，电弧自动熄灭，即发生了第一次断弧，从而使电网恢复了对称运 行。但在断弧后的瞬间，三相对地电容的电压之和不等于零。b ，c 相电容上的 电压各为1 5u m ，a 相为零，总电荷为q = 2 c o * ( 1 5u m ) = 3 c ou m ，这些电荷无 处泄露，将在三相电容间平均分配，形成了三相电压的直流分量u m 。这样， 断弧后导线对地稳态电压便由各相电源电势和直流电压分量u m 叠加组成。例 如，在断弧后的瞬间，b ，c 相的电源电势为0 5 u r n 叠加后为1 5u m ，而a 相的 电源电势为u m ，叠加后为零。由此可知，断弧后的瞬间，各相电压的初始值 等于稳态值，故不引起暂态过程。断弧后，a 相对地电压逐渐恢复，又经过半个 工频周期t 2 时，b 、c 相电压等于0 5 u m ，a 相恢复电压则高达2 u r n ，这可能引 起电弧重燃，其结果使b 、c 相的对地电压从初始值0 5 u m 趋于1 5 u r n ，从而产 生更高的过电压2 1 5u m o 5u m ) = 3 5u m ，暂态过程衰减后，正如上面讨 论的一样，非故障相将稳定于线电压。 通过工频熄弧理论可以看出，如果往后每隔半个工频周期依次发生熄弧和 重燃，暂态过程和过电压幅值不会有任何新的变化，而只是上述过程的重演而 已。这就是说，非故障相的弧光接地过电压不超过3 5u m ，故障相的最大电压 为2 u m 。 在实际电网发生间歇性电弧接地时，熄弧和重燃过程是及复杂的。另外， 尚应考虑线路相间电容的影响、绝缘子串泄漏残流电荷的影响以及网络损耗电 阻对过渡过程振荡的衰减作用等，使得非故障相过电压小于3 5u m 。 2 2 2 影响弧光接地过电压的因素 因研究分析，影响弧光接地过电压的因数主要有以下几个方面： ( 1 )电弧过程的随机性。间歇电弧接地过电压是由不稳定电弧引起的。电 弧燃烧及熄灭的随机性是影响过电压的主要因素。实际的电弧过程与理论上分 析所假定的条件有一定的偏差，因而在电网中实测过的电压值一般低于理论分 析值。 ( 2 ) 相间电容的大小。若相间电容远大于线路对地电容时，非故障相对地 电压自由振荡的初始值几乎是零。其物理意义：c x 足够大，在单相接地瞬间，c x 与c o 并联，c x 中储存的电荷1 5u m ，c x 几乎可使c o 电压也升至1 5u m ，此值正 是单相接地瞬间健全相对地的强制工频电压值。因此，健全相几乎不出现振荡 的过渡过程，也就不产生过电压。若配电网中装有三角形接线改善功率因数用 的补偿电容器组，则此配电网不会出现高幅值的间歇电弧接地过电压。一般配 电网中架空线路的c x c o ，但c x 的存在，使过电压有所降低。 ( 3 )电网损耗电阻。间歇电弧接地过电压中包含有自由分量，因振荡回路 中存在着有功损耗，例如电源内阻、线路电阻、接地电弧的弧阻等等，使振荡 衰减。 ( 4 ) 电网的泄漏电导。电弧熄灭后，电网对地电容所储存的电荷，因线路 绝缘有泄漏电导，要逐渐释放，不可能保持不变。电荷释放的决慢与线路绝缘 表面状况及气象条件等因素有关。电荷释放，使电网中性点位移电压减小，相 应的间歇电弧接地过电压也有降低。 2 2 3 弧光接地过电压的危害 由于不稳定的间歇电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电 感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值可达3 5 倍相电压。 这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的， 是断续的瞬间发生的幅度较高的过电压，对电力系统的设备危害极大，主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 随着我国电网特别上城市电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路将逐 渐取代架空线路。由于固体绝缘击穿的积累效应，当系统发生单相弧光接地时， 在最大3 5 倍过电压的持续作用下，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障 相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为多相对地短路、相间短路及复 杂的短路事故。 ( 2 ) 弧光接地过电压使电压互感器饱和或严重过载，容易激发铁磁谐振， 导致过电压，严重时甚至引起熔断器熔断或电压互感器爆炸事故。 ( 3 ) 弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间长，能量很大。当产生 的过电压超过避雷器所能承受的4 0 0 a ，2m s 的能量时，就会造成避雷器的爆炸 等事故。 2 3目前常用的限制弧光接地过电压的技术措施 目前在配电网中限制弧光接地过电压常用的有两种措施，即中性点经消弧 线圈接地和中性点经小电阻接地。 2 3 1 中性点经消弧线圈接地措施 配电网中性点经消弧线圈接地方式在我国应用较为广泛，这种接地方式是 在中性点接入一个电感性的消弧线圈。当发生单相接地故障时，消弧线圈将产 生与接地电流反相的电感电流，此电流与原系统中的电容电流相抵消，即补偿 了电容电流，最终使流经故障点的接地电流变得很小，或接近于零，从而消除 接地处的电弧以及由它产生的危害。此外，当接地电弧熄灭后，由于消弧线圈 的存在还可显著减小故障相电压的恢复速度，减小电弧重燃的可能性，使单相 1 2 接地故障自动消除。 根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿及过 补偿三种补偿方式。 过补偿使得流经中性点的电感电流等于线路对地电容电流，使得接地点的 电流近似为0 ，从消除故障点的电弧来看，这种补偿方式最好，而在这种方式下， 补偿的电感等于三相对地电容，正是引发工频5 0 h z 交流串联谐振的条件。这样 正常运行时电源中性点对地之间有电压偏移产生串联谐振，线路上有很高的谐 振过电压。 欠补偿是使得流经中性点的电感电流小于线路对地电容电流，补偿后接地 点电流仍然为电容性的，但当电力系统运行方式变化时，如电力设备的切除、 故障引发的跳闸及抛负荷等情况下，线路上对地电容电流就会减小，从而有可 能出现等于补偿的电感电流而引发串联谐振及过电压。 由于完全补偿和欠补偿两种补偿方式可能与线路中电感等元件引发串联谐 振，因而中性点经消弧线圈接地系统一般情况下应采用过补偿方式，即补偿后 的残余电流成感性的，这种方式不会产生串联谐振及过电压，电力系统中常用 脱谐度来表示消弧线圈的补偿度，在实际应用中长把控制脱谐度选择5 0 o 1 0 ， 而不大于1 0 。 中性点经消弧线圈接地存在以下缺点和不足： ( 1 )中性点采用经消弧线圈接地时，对于故障暂态过程中的高频电弧电流， 由于对于高频暂态下的电容和电感其电流波形、衰减过程不同，在一段时间内 消弧线圈却起不到理想补偿作用。 ( 2 ) 中性点采用经消弧线圈接地且过补偿方式时，如果线路不对称度很大， 特别是开关非全相动作或线路发生单相、两相断线时，有可能引起串联谐振； 消弧线圈与系统对地电容电流并联谐振，产生传递过电压。 ( 3 ) 中性点采用经消弧线圈接地且过补偿方式时，发生单相接地后流过故 障和非故障相的电流变化仅为对地电容电流的变化，其值都较小，且故障相和 非故障相功率和电流流向一样，使得不容易研发保护方案，也存在选线灵敏度 降低、故障选线、故障选相困难等。 近年来由于电力网的发展很快( 尤其是城市电网) ，电力电缆的比重亦在不断 增加，此外，系统运行方式变动又比较频繁，用常规的消弧线圈进行补偿己不 能满足电力系统实际运行的要求。因此在国内研制了能够进行自动跟踪并可进 行有载情况下调节抽头的新型消弧线圈一自动调谐式消弧线圈。自动调谐的消 弧线圈改进了旧式消弧线圈的缺点，它可自动调谐电感，提高消弧线圈的性能。 它采取措施可实现全补偿，使残余电流更小，电弧接地过电压更低。现己有调 匝式、动铁式、磁阀式及调容式等类型，功能相同但性能各有所不同。自动调 谐式消弧线圈接地方式优点在于可适用线路经常投切，接地电容电流变化的系 1 3 统。也非常适用要限制接地电容的场所。自动调谐式消弧线圈接地方式由于设 备装置较复杂，难免会出现一些问题： ( 1 ) 自动调谐式补偿消弧装置与电网的继电保护配置问题； ( 2 ) 自动调谐式补偿消弧装置与小电流接地选线选相灵敏度降低问题； ( 3 ) 中性点长期位移电压问题； ( 4 ) 自动调谐与状态识别； ( 5 ) 多台并联问题； ( 6 ) 噪声及抗干扰问题； 自动调谐式消弧线圈要求相对较复杂的设备、相对较高的制造、管理和维 护水平。正因为消弧线圈在运行时存在上述诸多问题，美国及欧洲一些国家早 期曾经用过一段时期后逐渐淘汰。 2 3 2 中性点经小电阻接地措施 中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻，该 电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放 元件和谐振的阻压元件，对防止电弧接地过电压有一定优越性。中性点经电阻 接地一般分