（电力系统及其自动化专业论文）基于tsc的消弧消谐选线综合系统的研制.pdf

东北电力大学硕l 一学位论文 a b s t r a c t s i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti st h em o s tf r e q u e n tf a u l to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , i nt h i sf a u l tc a 1 i n ev o l t a g e sa r es t i l ls y m m e t r i c a l ，s oi t sn oi n f l u e n c et oc o n t i n u o u s p o w e rs u p p l y , b u ta l lt h ec 印a c i t a n c ec u r r e n to f n e t w o r kw i l lf l o wt h r o u g ht h eg r o u n d p o h na n dp r o d u c ee l e c t r i ca r c a l o n gw i t ht h ee x p a n s i o no fn e t w o r ks c a l e s ，t h e c a p a c i t a n c ec u r r e n ti n c r e a s e sr a p i d l y ，a n dt h ee l e c t r i ca r co f t e nc a n tb ee x t i n g u i s h e d b yi t s e l f , s oi tn e e d si n s t a l l i n ga r cs u p p r e s s i n gd e v i c e a tt h es a m et i m e ，s i n g l e - p h a s e g r o u n d i n gf a u l ta l s oc a u s e sn o n f a u l tp h a s ev o l t a g et or a i s e ，i tw i l lr e d u c et h es t r e n g t h o fi s o l a t i o ni ft h et i m eo fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti st o ol o n g a c c o r d i n gt ot h e r u l e si ns a f e t yr e g u l a t i o n s ，t h ef a u l t l i n em u s tb es e l e c t e da n dc u to f fi no n et ot w o h o u r s b e s i d e s ，v a r i o u sr e s o r a n c eo v e r - v o l t a g em a y b eh a p p e no nt h ee o n d i t i o u so f o p e n - c o n d u c t o r ，s w i t c hc l o s i n ga n dd e v e l o p i n gn e wl i n e ，i tw i l li n f l u e n c et h es a f e t y o fp o w e rn e t w o r k f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho na r cs u p p r e s s i o n a n dr e s o n a n c ee l i m i n a t i o na n df a u l tl i n es e l e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n g f a u l ta n dr e s o n a n c eo v e r - v o l t a g e ，b a s e do nt h ea n a l y z e ，b r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o d i d e n t i l y i n gs i n g l ep h a s et og r o u n df a u l t ，a n di m p r o v e st h et w op o i n tm e t h o df o r m e a s u r i n gc a p a c i t a n c ec u r r e n t ，t h e nd e s i g n sas o r to fa r cs u p p r e s s i o n , r e s o n a n c e e l i m i n a t i o na n df a u l tl i n es e l e c t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mb a s e do nt h y r i s t o r - s w i t c h e d c a p a c i t o r i ts w i t c h e s t h e p a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r s t ot h ec a p a c i t o r - t u n i n g a r c s u p p r e s s i o nc o i l ss e c o n d a r yw i n d i n g sb ym i c r o - c o n t r o l l e r , c o n s e q u e n t l ya d j u s t s t h ei n d u c t a n c eo f a r cs u p p r e s s i o nc o i li m m e d i a t e l ya n df l e x i b l y t h ep r i n c i p l e so f a r c s u p p r e s s i o n ，r e s o n a n c ee l i m i n a t i o na n df a u l t l i n es e l e c t i o na r ea sf o l l o w s ：w h e n s i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l to e a ：u l s ，t h ed e v i c ed e c r e a s e st h eg r o u n d i n gc u r r e n ta n d e x t i n g u i s h e sg r o u n d e da r cb y 删u s t i n gt h ei n d u c t a n c eo fa r cs u p p r e s s i o nc o i lt o r e s o n a n c es t a t e ；i ft h es i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti sp e r m a n e n t , t h ed e v i c ea d j u s t s - i i t h ei n d u c t a n c eo fa r cs u p p r e s s i o nc o i l ，a n di d e n t i t i e st h ef a u l tl i n eb yt h ed i f f e r e n t c h a n g e so fe a c hl i n e sz e r o - s e q u e n c ec u r r e n t ；i nt h es a m ew a y , w h e nr e s o n a n c e o v e r - v o l t a g ea p p e a r s ，t h ed e v i c e b r e a c h e sr e s o n a n c ec o n d i t i o na n d s u p p r e s s e s r e s o n a n c eo v e r - v o l t a g eb ya d j u s t i n gt h ei n d u c t a n c eo f a r cs u p p r e s s i o nc o i l t h i sp a p e rc l e a r l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h e s y s t e m ，a n da n a l y s e st h em o d e l v i e w - c o n t r o l l e rm o d eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t a t l a s t , ad i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e di ne m t d c p s c a ds o f t w a r e a n ds o m e t e s t so ft h ee q u i p m e n th a v eb e e nc o m p l e t e di nt h el a b t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d t e s t sp r o v et h a tt h em e t h o dc a l le f f e c t u a l l ye l i m i n a t ee l e c t r i ca r c ，s u p p r e s sr e s o n a n c e o v e r - v o l t a g ea n dc o r r e c t l yi d e n t i 匆f a u l ti i n e k e y w o r d s a r es u p p r e s s i o nc o ij t h y r i s t o r - s w i t c h e dc a p a c i t o r s a r cs u p p r e s s i o nr e s o n a n c ee 1 m i n a t i o nf a u i ti r es e i e c t i o n 1 1 1 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 一 tj 、 论文作者签名：么酝垂：致 日期：_ 二兰! ! 乙年兰一月z z - 日 i 7 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：2 孕年一月早日 1 日期：幽孕_ 年j 二月4 日 第1 章绪论 第一章绪论 电力系统的中性点接地方式是关系到电网自身安全和供电可靠性的一个重 要问题。根据电网单相接地故障电流的大小可以分为两类【l 】：一类是单相接地故 障电流较小，接地电弧一般可自行熄灭的小电流接地方式，它包括经消弧线圈 接地、不接地和经高阻接地，这种接地方式下故障线路不会跳闸，可继续供电； 另一类是单相接地故障时接地电流较大的大电流接地方式，包括经低电阻接地、 低电抗接地和直接接地，这种情况下无论接地故障是瞬时性还是永久性的，故 障线路都会立即跳闸。目前，我国6 6 k v 及以下配电网通常采取的是中性点不接 地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，本文将针对这种接地方式下的消弧消 谐选线问题展开研究。 1 1 课题背景及意义 为了提高电网的供电可靠性，一直以来我国配电网多采用中性点不接地的 小电流接地方式，这种接地方式的优点是：发生单相接地故障时，线电压仍然 对称，不影响电网的连续供电，系统可带故障运行，且电网对地电容电流较小 时，故障点电流可自行熄灭。近几年来，随着配电网规模的不断扩大，电网对 地电容电流不断增加，特别是电缆线路的大量投入，使电网对地电容电流急剧 增加，单相接地故障的接地电弧难以自行熄灭，长时间带故障运行会造成系统 绝缘变差，如果发生间歇性弧光接地，还会引起弧光过电压，造成电网绝缘击 穿等事故，破坏电网的安全运行。为此，我国电力行业标准交流电气装 置的过电压保护和绝缘配合中规定：当单相接地故障电容电流超过规定数值 ( 1 0 a ) 又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式 2 1 。 中性点经消弧线圈接地的方式又称谐振接地方式，在这种接地方式下，当 电网发生单相接地故障时，消弧线圈在电网位移电压的激励下流过一个感性电 流，该电流与接地点流过的电网对地电容电流相位相反，因此可以起到减小接 地点故障电流的消弧补偿效果。为了得到最佳消弧效果，需要调节消弧线圈电 东北电力大学硕十学位论文 感至与电网对地电容并联谐振状态【3 】。在实际运行中，为了避免电网正常运行时 消弧线圈和电网对地电容发生串联谐振，通常将消弧线圈电感调节至过补偿状 态。早期的消弧线圈采取的是人工调谐的预调节方式，这种电感调节方式通常 需要手动离线调节，不能满足变电站自动化的需要。而且补偿精度低，容易引 起中性点过电压 4 1 。因此，消弧线圈的自动调谐问题，成为目前配电网安全稳定 的一个重要研究课题。 在配电网的实际运行中，单相接地故障是最主要的故障形式，大约占到电网 故障的8 0 左右，由于短时间带故障运行一般不会影响电网的安全稳定，因此， 为了提高供电的连续性，允许电网带故障短时运行。但是，单相接地故障会使 电网非故障相电压过高，最高可达额定相电压的3 倍，长时间运行会使系统绝 缘变差，发展成其它事故，因此必须尽快检出故障线路，按照规程规定应在l 一2 小时加以切除。传统的故障线路查找办法是拉闸断电式1 5 1 ，即由运行人员依 次断开、闭合各条供电线路，直至接地指示消失。这种手动寻找故障线路的方 法不仅繁琐，而且严重影响非故障线路的供电可靠性和电网的安全性。为了解 决这一问题，近几年来出现了很多自动选线装置，这些装置对于提高供电可靠 性和变电站自动化水平具有重要意义。 电力系统的谐振危害可分为：基频谐振、分频谐振、高频谐振和铁磁谐振。 基频谐振和高频谐振主要发生在中性点经消弧线圈接地电网中，而分频谐 振和铁磁谐振以中性点不接地系统较多。这些谐振情况如果得不到很好的预防 和抑制，将会产生严重的谐振过电压，抬高系统电位，使系统绝缘变差，威胁 电网和设备的安全运行。而且，在装有消弧线圈的谐振接地电网中，如果不能 准确识别谐振和接地，引起自动消弧补偿装置的误动作，还会进一步增大谐振 过电压的危害”1 。因此，必须对配电网的谐振现象加以研究，采取适当的措施预 防和抑制谐振过电压的产生，并准确识别谐振和接地故障。这对于提高电网的 安全稳定性，保证电网和设备的安全可靠运行具有重要意义。 电网单相接地故障的消弧、选线以及谐振过电压的抑制问题是影响电网安 全稳定和供电可靠性的一个综合性问题。早期的继电保护装置大多都是独立的 消弧、选线和消谐装置，由于这些装置可能是不同的厂家、人员设计制造的， 在运行配合上存在一定问题，不仅不能够共享有用信息，而且还可能造成了相 互间的不利影响，使消弧、消谐和选线的效果变差。为了勰决这一问题，同时 提高变电站的自动化水平，近年来出现了一些具有消弧、消谐、选线综合功能 的微机保护装置，这些装置对于解决这些问题和进一步提高配电网的供电可靠 性具有重要意义。 1 2 配电网消弧消谐选线研究现状 近年来，随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展，出现了许多自动 消弧、消谐和选线装置，这些装置对于提高配电网供电安全可靠性、减小设备 损坏、消除铁磁谐振和保护运行人员人身安全等方面都具有重要意义【6 】。但是由 于实际电网的复杂性，这些装置在一定程度上还不能满足复杂多变的实际需要， 而且这些装置自身还存在着一些缺陷。例如，很多自动消弧装置的消弧效果都 要不同程度地受到电网运行方式和故障时刻的影响；绝大多数选线装置的可靠 性都与接地电阻的大小有关；故障选线装置在谐振接地系统中选线困难等。 1 2 1 自动消弧的研究 根据消弧原理的不同，目前存在的消弧方式大致可以分为两种，一种是短 接线路法，这种方法无需使用消弧线圈，适合于中性点不接地的系统。其基本 原理是：当电网发生接地故障时，通过将故障相瞬时接地，把电弧接地转化为 金属性接地，从而消除接地电弧m 。这种方式对电网和设备有较大冲击，且故障 结束后可能存在较长时间的直流电压，抬高系统电位。另一种是调节消弧线圈 电感的谐振补偿法，它存在于中性点经消弧线圈接地的谐振接地系统中。其基 本原理是：通过调节消弧线圈电感，使电网对地电容和消弧线圈之间发生并联 谐振( 电流谐振) ，从而减小接地点电流值，使接地电弧自行熄灭1 8 。按照消弧 线圈电感调节方式的不同又可分为调匝式、调隙式、直流助磁式、磁阀式和调 容式1 9 等。 调匝式消弧线圈是在消弧线圈上制成有多个分接头，用有载开关来控制分 接头的分接，通过改变分接头实现消弧线圈电感的调节。这种方式成本较低， 且控制简单。缺点是调节速度慢，机械寿命低，调节过程有电火花。 调隙式消弧线圈将铁心分成静止铁心和可动铁心两部分，静止铁心在下， 东北电力大学硕十学位论文 与线圈固定在框架上，可动铁心在上，由传动装置带动。通过改变可动铁心的 位置时，从而改变气隙的大小，实现消弧线圈电感量的调节。这种方式可以实 现电感量的连续调节。但是其调节速度慢，振动和噪声比较大。 直流助磁式在消弧线圈内增加一个直流助磁绕组，通过改变直流助磁磁通 来调节消弧线圈的交流磁导率，从而实现消弧线圈电感量的调节【1 0 l 。其优点是 调节范围较宽，速度较快。缺点是需要附加大容量直流激磁电源，控制复杂， 长时间强励磁会使铁心过热，且装置本身是谐波源。 磁阀式消弧线圈是利用自耦直流励磁控制铁心的饱和程度，实现对补偿电 流的连续调节。此种方式无需大容量直流助磁电源，调节速度较快。但装置本 身是一谐波源。 调容式消弧线圈是一种基于晶闸管投切电容技术( t h y f i s t o r - s w i t c h e d c a p a c i t o r ，t s c ) 的电感调节方法i l “。调容式消弧线圈在干式消弧线圈增加一个 二次绕组，通过改变并联其两端电容器组的容量的大小来等效的改变电感量， 达到逐级调节补偿电流的目的，如图1 1 所示。这种方式具有响应速度快，调节 范围宽，对电网无污染等优点。 图l - l 调容式消弧线圈原理接线图 1 2 2 自动消谐的研究 中性点不接地和经消弧线圈接地是目前我国中低压电网的主要接地形式， 这两种接地形式下都存在着一定程度谐振过电压问题。在中性点不接地系统中 主要存在的是电压互感器t v 铁心饱和引起的铁磁谐振，另外还有分频谐振和高 第1 章绪论 频谐振。而在中性点经消弧线圈接地谐振接地系统中主要是基频谐振和高频谐 振，它是由消弧线圈和对地电容之间产生的串联谐振。 在中性点不接地系统，主要有以下几种消谐措施 1 2 1 ： 1 在互感器开口三角绕组端口接电阻，当谐振时消耗能量，限制谐振过电 压。 2 电压互感器高压侧中性点经电阻接地，电阻越大阻尼作用越明显。但是 如果电阻太大，零序电压会大部分降落在电阻上，开口三角绕组处零序电压就 太低，失去保护作用，因此阻尼电阻的选择需适当。 3 电压互感器高压侧中性点经大电容接地措施，这种方式能正确区分铁磁 谐振和单相接地或者是弧光接地，有选择的短接互感器开口三角形绕组。即当 发生铁磁谐振时，短接开口三角形绕组，消耗能量限制谐振。 4 选用励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器。 5 要求用户变电站中电压互感器中性点不接地，因为用户变电站可不监视 电网对地绝缘，网内并联的电压互感器少了，易躲开谐振参数。 以上的措施对限制谐振都有各自的利弊，消谐效果仍然不是很好，有的装 了消谐器还是产生了谐振过电压，这是由于铁磁谐振过电压本身是一个非线性 过程，现象比较复杂。分频谐振有i 2 、i 3 、i 6 及i 8 等，高频谐振有2 、3 次， 还有工频谐振，有时几种谐振同时发生，消谐器不能有效的限制。而且在系统 上有多台t v 时，只在某一台t v 的开口三角上装消谐器是很难奏效的，必须 要使系统参数发生较大的变化才能将谐振过电压抑制住。因此消谐问题始终没 有从根本上得到解决，t v 烧毁、熔丝熔断仍不断发生。 在中性点经消弧线圈接地的谐振系统中，以上现象可以完全消除，这是因 为t v 的励磁感抗比较大( 千欧至兆欧级) ，而消弧线圈的感抗( 百欧级) 比较小， 这样谐振条件x l = x c 很难满足，谐振就不会发生。另一方面无消弧线圈时单相 接地发生间歇性电弧时，电容上多次充放电造成t v 烧毁、熔丝熔吲1 3 】；有了消 弧线圈后，电容对小感抗放电，t v 中电流就很小，不会烧毁了。所以在中性点 接入消弧线圈，对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压具有很好的 限制作用，能够彻底解决此类问题。 为了防止消弧线圈和电网对地电容之间发生基频谐振或高频谐振，通常采 用的方法是中性点串接限压电阻的方法。限压电阻是一种大功率的阻尼电阻， 它可以增大系统阻尼率，破坏谐振条件，限制中性点谐振过电压到国家规定范 围以内【1 4 1 ( 1 5 的电网额定相电压) 。限压电阻主要装设在预调式的消弧补偿系 统中，在随调式的消弧系统中通常认为无需装设限压电阻。限压电阻的阻值不 可过大，以免影响消弧效果。 1 2 3 自动选线的研究 近年来故障选线的研究在国内外发展十分迅速，出现了很多选线方法，选 线理论正趋近于成熟。但是由于实际情况的复杂性和各选线方法自身的局限性， 很多选线理论并没有在实际工程中采用。自动选线理论仍需进一步发展。 1 稳态选线法 ( 1 ) 比幅比相法：根据故障线路上零序电流的大小较非故障线路大且相位 相反的特征进行选线。这种方式受实际线路长短分布的影响较大f ”】。 ( 2 ) 谐波法：根据消弧线圈对高次谐波补偿效果差而谐波容抗很小的特点， 采用故障谐波进行选线，五次谐波法是其中应用较多的种。虽然高次谐波的 容阻抗很小，但是谐波本身分量较小且受负荷谐波及过渡电阻等影响【1 6 1 。 ( 3 ) 有功分量法：根据故障线路流过的有功功率较大的特点选线。这种方 法实际上是利用零序电流基波的有功分量进行选线1 1 7 1 ，由于其幅值一般较小， 容易受到c t 不平衡电流的影响。 2 暂态选线方法 ( 1 ) 首半波法：根据暂态过程中故障线路零序电流首半波幅值和方向均不 同的特点选线【1 8 】。这种方法在故障发生在相电压最大值附近时效果较好，而对 于故障发生在相电压过零附近时效果较差。 ( 2 ) 能量法：构造能量函数，根据故障线路流过的能量与非故障线路大小 不同且极性相反的特点选线【1 9 1 。这种方法受噪声的影响较大。 ( 3 ) 小波分析法：用小波分析的方法提取故障线路特征分量选线。这种 方法目前发展十分迅速，是选线研究的一个热点。但是它需要很高的采样频率 且算法复杂，对硬件性能的要求很高。 3 外加影响法 第l 章绪论 ( 1 ) 改变系统参数法：通过瞬时改变系统参数进行选线【2 l 】。这种方法能有 效解决原系统选线存在的困难，但是自身仍存在些问题，目前发展还不成熟。 ( 2 ) 注入法：向电网中注入特殊频率的信号，根据该信号只流过故障线路 的特点进行选线 2 2 1 。这种方法抗干扰能力较差，且受过渡电阻影响，另外需投 入新设备，成本较高。 4 其它方法 ( 1 ) 负序电流法：根据故障线路负序电流较大的特点选线。这种方法容易 受负荷、c t 不平衡的影响。 ( 2 ) 综合选线法：对现存几种选线方法取长补短综合选线【2 3 1 ，是目前选线 的一个热点。 我国现有的选线装置在理论上多采用零序电流高次( 以五次为主) 谐波原 理来实现故障选线，首半波法、有功分量法及其它选线手段也有使用。近年来 又出现了一些小波选线的装置。在实际系统中，由于小接地电流系统发生单相 接地时，故障线路上的稳态零序电流较小，特别是中性点经消弧线圈接地系统， 经过补偿后的电流更小，给故障选线带来了不便。 1 2 4 消弧消谐选线综合系统 长期以来，人们对消弧、消谐和选线的研究一直都是独立进行的，虽然这 些研究领域目前都有自己较为成熟的理论和装置，但是这些装置在运行的配合 上存在一定问题，例如：由于消弧补偿装置在电网发生单相接地故障时立即动 作于完全补偿，大大降低了系统零序电流，使基于零序电流的选线装置选线困 难。为了解决这一问题，同时提高变电站的自动化水平和降低设备成本，近年 来出现了一些具有消弧消谐选线综合功能的微机保护装置。这些综合装置不仅 可以完全解决配合上的问题，而且可以共用有用信息，提高消弧消谐选线的整 体效果。 目前消弧消谐选线综合装景的种类较少，基本上都是采用中性点不接地方 式，通过短接特定线路进行消弧消谐和选线的综合装置。如图l - 2 所示。图中 q f i 、q f 2 、q f 3 为控制器控制三个单相高压开关，电网正常运行时断开。当发 生单相弧光接地时，将故障相所对应的高压开关闭合，故障相由弧光接地转化 东北屯力大学硕卜学位论文 为金属性接地，电弧消失。然后断开高压开关，判断故障是否消失，如果仍然 存在则再次投入。如果单相弧光接地消除后转变为金属性接地或者是永久性电 弧接地，则根据故障相高压开关投入前后各线路零序电流的变化情况进行选线。 当电网发生铁磁谐振时，瞬时短接三相t v 开口三角进行消谐。 这种方式选线正确率比较高，但是存在以下缺点： 1 短接过程中会对电网和设备造成较大冲击。 2 故障结束后可能存在较长时间的直流电压，抬高系统电位。 3 过多采用机械开关，动作频繁，影响装置寿命。 4 不能预防铁磁谐振的发生。 a b c ： 图l - 2 采用短接线路法的消弧消谐选线综合系统原理图 第l 章绪论 1 3 本文主要工作 针对目前消弧、消谐选线研究中的存在的问题，本文在综合比较了各种消 弧、消谐、选线方法的基础上，研究了一种基于t s c 的消弧消谐选线综合系统。 主要工作如下： 一、对配电网单相接地故障的故障特性进行了理论分析和仿真研究。 二、设计了基于t s c 的消弧消谐选线综合系统，完成了该系统的软、硬件 开发，并在p s c a d ，e m t d c 平台上搭建了仿真模型进行了仿真研究。 三、对软件的m v c 开发模式进行了研究，并开发了后台管理软件。 东北电力大学硕 学位论文 第2 章配电网运行及故障特性分析 配电网运行及故障特性的分析是消弧、 先对电网在正常运行的电气特性进行分析， 等故障下的故障特性进行分析。 消谐、选线研究的基础，本章将首 然后分别对电网在单相接地、谐振 2 1 正常运行情况下的电网分析 电网在正常运行时，电源电压e 一、e b 、e c 和三相线电压u “、【，b c 、u c a 保持对称( 模值相等，相位差1 2 0 度) 。三相相电压间基本对称，但是受三相线 路对地电容不平衡的影响，存在一定的不对称度西，因此电网的中性点总是存 在着一定的对地电位差u o ，当中性点不接地时，该电压即所谓的不对称电压u m ( 即此时u o = u ) 。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 中性点不接地时正常电网的等值网络图 a b c 图中消弧线圈未投入，中性点处于不接地状态，根据基尔霍夫定律由有： ( ，a k + u b 蚝+ u c 坛= 0 ( 2 一i ) 三相对地电压等于三相电源电压( 三相对中性点电压) 与中性点对地电压 之和，即： u b ：e b + 乩 ( 2 2 ) 厶+ e b + e 。c ：0 ( 2 3 ) 址一警= 一糠矬糍糌 在电网正常运行情况下，可以认为三相对地电导相等( g a = g a = g c = g o ) ， 沾一笔舞。139。ca 焉 + c b + c c 一二专( 2 - 5 ) 热1 、口一三+ _ ，孚一一1 丁, f i 为靴艟刍= 鬻为电 网不对称因子；【厶为相电压。 当电网中性点不接地时，由于阻尼率d 0 = 1 5 2 ，所以它对不对称电压 的影响可以忽略不计，因此电网不对称电压可以写为： u o o = 一p ( 2 - 6 ) 当消弧线圈投入运行以后，补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈电感和 电网对地电容之间构成电压谐振回路，如图2 - 2 所示。 东北电力大学硕卜学位论文 c 图中，中性点位移电压u o 远大于电网不对称电压u m ，u o 计算式如下： 抚2 彘“一嚣篙r 。三 国( c a + g + c c ) 一壶， 1 ( 2 - 7 ) 国( q + c b + q )。r c o ( c + c b + c c ) ： 型竺：旦生 警一j 瓮卜如 其中v = 眙丘) 协，称为脱谐度；d = “艮称为阻尼率。 式( 2 - 7 ) 表明，中性点位移电压矾与电网不对称电压u * 、阻尼率d 和消 弧线圈脱谐度v 有关。当电网运行方式确定后，中性点位移电压主要由消弧线圈 脱谐度决定。如果用有效值表示，则式( 2 7 ) 可写为： 砜： l” v 2 + d 2 ( 2 8 ) e h _ k 式可以看出，电网正常运行时，中性点位移电压的幅值取决于消弧线 圈脱谐度v 和电网阻尼率以脱谐度和阻尼率越大中性点位移电压越小，反之则 越大。因此，在电网正常运行时，为了限制中性点位移电压，需要增大脱谐度v 或阻尼率矾在预调式消弧补偿系统中( 参见3 3 消弧原理) ，脱谐度v = o ，阻 尼率d 较大。在随调式消弧补偿系统中，脱谐度v 较大，d 一般较小。 第2 帝配i 乜网运行及故障特件分析 2 2 单相接地故障下的电网分析 配电网的单相接地故障的物理过程可分为暂态、稳态两个阶段，下面分别 进行分析。 1 故障暂态过程电网发生单相接地故障时，故障相由于电压突然降低， 该相线路的对地电容将通过接地点放电，放电电流幅值衰减很快，其振荡频率 可达上千赫兹，振荡频率主要取决于线路参数、故障点的位置以及过渡电阻。 非故障相由于电压突然升高，其对地电容将通过接地点和电源充电。由于其回 路电感较大，充电电流衰减较慢，振荡频率较低( 几百赫兹) 2 4 o 同时消弧线 圈电感电流中还存在个衰减暂态直流分量，其衰减速度与消弧线圈电感和回 路电阻有关。暂态过程的电流分布及等值电路如图2 3 所示。图中卜表示故障相 电容电流，j 表示非故障相电容电流，- 表示消弧线圈电感电流。 a b c _l h +il 山i - 山 丘- l - _i 一+ ll 皇 li 4 r l ( a ) 暂态电流布( b ) 暂态等值电路 图2 3 电网单相接地故障暂态电流分布及等值电路 c 一补偿电网的三相对地电容；4 一三相线路和电源变压器等效在零序回路中的等值 电感；r 一零序回路中的等值电阻( 其中包括故障点的接地电阻和弧道电阻) ；屹，l 一 分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感；一零序电源电压 ( 1 ) 暂态电容电流在分析电容电流时，可以利用三o ，c ，r 和组成的串 联回路确定暂态的电容电流。根据图2 - 3c o ) ，不难写出下面的微分方程式： r 名+ 厶鲁+ 吉f f c 斫= s i n ( r o t + o ) ( 2 - 9 ) 东北电力大学硕 + 学位论文 当时回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性：当时，回路电流 则具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。 因为通常架空线路的波阻抗为2 5 0 5 0 0 q ，同时，故障点的接地电阻般较小， 弧光电阻又常可忽略不计，一般都满足的条件，所以，电容电流具有周期性的 衰减振荡特性，其自由振荡频率一般为3 0 0 1 5 0 0 h z ，电缆线路的电感远较架空 线路小，而对地电容却较后者大许多倍，但一般电缆线路仍满足的条件，故电 容电流仍具有周期性的衰减振荡特性，但它暂态过程的振荡频率很高，持续时 间很短，其自由振荡频率一般为1 5 0 0 3 0 0 0 h z 。 因为暂态电容电流是由暂态自由振荡分量和稳态工频分量两部分组成的， 利用时这一初始条件和，c 。= 甜c 的关系，经过拉氏变换等运算可得： r r ，、 屯= t 。+ t “= b i | s i n o s i n w t c o s 9 c o s 6 町i e 一“+ c o s ( a ，t + 妒) l ( 2 l o ) l 删 j 式中，为相电压的幅值，b 为电容电流的幅值，国，为暂态自由振荡分 量角频率，8 = l ，f c = e , o 2 上0 ，为自由振荡分量的衰减系数，f 为回路的时间常 数。 若系统的运行方式不变，则。为一常数。当。较大时，白由振荡衰减较慢； 反之，则衰减较快。因为式( 5 - 2 ) 中的自由分量。，中含有s i n 9 和c o s 9 两个因子， 故从理论上讲，在相角为任意够值发生接地故障时，均会产生自由振荡分量。当 妒= 0 时，其值最小；当妒= r r 2 时，其值最大。 实测结果表明，电网的结构、大小和运行方式不同时，会引起暂态过程的 改变。中压电网的自振频率的变化范围般为3 0 0 3 0 0 0 h z 。线路越长时。自振频 率越低，暂态电容电流的自由振荡分量的幅值也会降低。同时，自由振荡的持 续时间一般也会减少至半个工频周波左右。因为电网的自振频率一般较高，而 且衰减较快，所以，最大电流幅值存在的时间就相当短暂了。因此，随调式自 动跟踪补偿消弧线圈的响应时间应当越短越好。 ( 2 ) 暂态电感电流根据非线性电路的基本原理，暂念过程中的铁心磁通与 铁心小饱和时的方程式相同，因此，只要求出暂态过程中消弧线圈的铁心磁通 表达式，消弧线圈中的电感电流便迎刃而解。根据图2 3 ( b ) 不难写出下列微分 第2 章配电网运行及故障特件分析 方程式： s i n ( c o t + 伊) = 九屯+ 形旦 ( 2 1 1 ) 式中：形为消弧线圈相应分接头的线圈匝数，为消弧线圈铁心中的磁通。 因为在补偿电流的工作范围内，消弧线圈的磁化特性曲线应保待线性关系， 故i l = ( ) 睨。前面己假定三相的对地电容彼此相等，故在接地故障开始之前， 消弧线圈中没有电流通过，即为零。利用这一条件，同时将值代入式( 2 1 1 ) ，便 可求出磁通的方程式： ，f = 甲。罢当【c o s ( 妒+ 孝) p q i c o s ( 耐+ 妒+ 善) 】 ( 2 1 2 ) 厶 式中：甲。= ，c a w ，为稳定状态时的磁通；掌= 辔- 1 ( r l c o l ) ，为补偿电流的 相角；z = 疙+ ( 三) 2 ，为消弧线圈的阻抗；吒为电感回路的时间常数。 因托c o l ，故可取z “c o l ，善a 0 。考虑到、i ，l = + l f 。，这样带入式( 2 1 2 ) 并化简可得： ， 妩= 甲“ c o s p e i c o s ( c o t + c , o ) ( 2 1 3 ) 考虑矗= 乇。+ 乇。和j 厶= 己k c a l ，便可写出暂态电感电流的表达式： 屯= i t 。 c o s # 0 e , 一c o s ( c o t + c o ) ( 2 1 4 ) 消弧线圈的磁通和电感电流是由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成 的，而暂态过程的振荡角频率与电源的角频率相等，且其幅值与接地瞬间电源 电压的相角有关。当伊= 0 时，其值最大；当c , o = r e 2 时，其值最小。 此外，由于消弧线圈铁心的饱和，电感电流中不可避免地会有一定的高次 谐波分量，其值随铁心饱和程度的不同而定。若其伏安特性曲线在1 1 5 u o 以下 保持线性关系，则补偿电流中的高次谐波分量可以忽略不计。理论分析实测结 果表明，电感电流暂态过程的长短与接地瞬间的电压相角、铁心的饱和程度有 关。若妒“0 ，则电感电流的直流分量较大，时间常数较小，大约在一个工频周 波之内便可衰减完毕。若c , o “7 r 2 ，则暂态直流分量较小，时自j 常数较大，一般 为2 3 周波，有时可持续3 5 周波，而且其频率和工频相同。这同样说明，自 动消弧线圈的响应时间越短越好。此外，在加装有限压电阻的消弧系统中，由 东北电力大学硕f 学位论文 于眼压电阻的存在使电感回路的时间常数f ，减小，从而会提高暂态电感电流的 衰减速度。 ( 3 ) 暂态接地电流暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成， 其特性随两者的具体情况而定。关于暂态接地电流的数学表达式，可由式( 2 1 0 ) ， ( 2 1 4 ) 推导出来，其值为： i d = i c + i l = t i c 。一i h ) c o s ( a ，t + 们 + 。f 1 2 s i n 伊s i n c a t - c o s 伊c o s ( a f t l p 专+ lc 。s 卵专 ( 2 1 5 ) 0 97 式( 2 1 5 ) 中的第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电流的 幅值之差：其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由分量与电 感电流的暂态直流分最之和。后者即为； 。 一上 缸= f c 。+ 屯。= _ t o os i n ( c a d + a ) e2 + c o s p e 气 ( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 5 ) 再此说明，两者的幅值不仅不能相互抵消，甚至还可能彼此叠加， 使暂态电流的幅值明显增大。 综合以上分析可知，当单相接地故障发生后，在故障点便有衰减很快的暂 态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。由于流过故障点的暂态电容电流 和暂念电感电流频率和幅值显著不同，因此在暂态过程中电感电流和电容电流 不能互相补偿，消弧线圈不能起到很好的消弧效果。 2 故障稳态过程稳态过程中故障相电压降低，非故障相电压升高，中性 点位移电压升高到k ( o k l c 时，消弧线圈处于过补偿状态，脱谐度v 1 0 x u u 2 1 0 x u l s b( 3 4 ) 一u 1 0 x 。 u l s b 为控制装置电压测量精度。 图3 1 中性点位移电压随消弧线圈档位变化趋势闰 改进后的两点法可以自动寻找最佳测量档位，测量精度受电网不对称度和 对地电容电流大小的影响小。 3 2 单相接地故障识别原理 单相接地故障的识别包括两个方面：一个是故障起始时刻单相接地故障与 谐振、断线过电压的识别；另一个是故障结束时刻的判断。传统的方法是根据 中性点位移电压的大小启动，这种方法在谐振、断线情况下容易出现误判，为 了提高故障识别的准确性，本文在此基础上分析了两种新的故障识别方法。下 面分别进行介绍： 1 电压判别法当电网发生单相接地故障时，以a 相接地为例( 如图3 - 2 ) ， 由式( 2 1 7 ) 可知接地点电流厶包括三个部分：消弧线圈上的电感电流、电网对 地电容电流和电网对地有功电流( 包括消弧线圈的有功损耗电流和电网对地有 功损耗电流) ，其中有功电流很小，可以忽略，消弧线圈电感电流和电网对地电 容电流相位相反。由于消弧线圈工作在过补偿状态( l c ) ，因此接地点流过的 电流为感性电流，其相位与消弧线圈上的电感电流基本相同。又由于接地电阻 基本呈纯阻性，因此中性点电压和故障相电压相位相差9 0 度。在图3