（电力系统及其自动化专业论文）基于igbt的配电网中性点接地阻抗控制系统.pdf

a b s t r a c t t h en e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gi n l p e d a n c ei s d e c i d e db yt h es i n g l e p h a s ea r c g r r o u n df a u l ta n dn e u t r a l t o g r o u n dv o l t a g e c a p a c i t i v ec u r r e n ti sa n1 m p o r t a n ta s p e c t f o rt h ec o n t r 0 1o fn e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gi m p e d a n c e t h e r e f o r e ，t h ec a p a c l t l v e c u 玎e n tm e a s u r e m e n tm e t h o d f o rd i s t r i b u t i o na n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g y o t n e u t r a l p o i n tg r o u n d i n gi m p e ( 1 a n c ea r er e s e a r c h e dm t h ep a p e r i no r d e rt os o l v em el o wp r e c i s i o np r o b l e mo ft r a d i t i o n a lm e a s u r i n gc a p a c l t l v e c u r r e n tm e t h o d an o v e lm e a s u r e m e n tm e t h o do fc a p a c i t i v ec u l l r e n t ( i n j e c t l n go n e f r e q u e n c ys i g n a l ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f o c u s i n go nt h ep r o p o s e dm e t h o d ，t h e c a p a c i t a n c ec u r r e n tm e a s u r e m e n td e v i c ei sd e s i g n e da n d t e s t e di nt h ed y n a m l cp o w e r s y s t e me x p e r i m e n t a t i o n s e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o d w i t hh i g hp r e c i s i o na v o i d st h ei n f l u e n c eo f t h ev o l t a g et r a n s f o m e rl e a k a g ei m p e d a n c e a n dt h ec o m b i n a t i o np r o b l e mo fi n je c t i n gs i g n a lf r e q u e n c i e s m o r e o v e r ，i td o e sn o t n e e dt oc h a n g et h ec o n n e c t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n dd o e sn o ti n f l u e n c et h e c o m m o no p e r a t i o no ft h ep o w e fs y s t e m ，t h em e r i t so ft h i sm e t h o da r es t a b l e ，s w i f t ， a n dp r e c i s e a i m i n ga tt h ed e f e c t st h a tt h ea u t o m a t i ct u n i n gp e t e r s e n 。c o i lc a n n o tc o m p e n s a t e t h er e a lc u r r e n t ，t h ec o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 yo fn e u t r a l 一p o i n tg r o u n d i n gi m p e d a n c e1 s p r o p o s e di nt h i sp a p e r ，t h ef a u l tr e s i d u a lc u r r e n tc a n b ec o m p l e t e l yc o m p e n s a t e db y r e g l l l a t i n gr e s i s t a n c ea n dr e a c t o r ；i na d d i t i o n ，b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t o t o u rg r o u p ，t h ea c t i v ea n dp a s s i v ec o n t r o ls y s t e m so fn e u t r a l 一p o i n tg r o u n di m p e d a n c e b a s e do ni g b ta r ed e s i g n e di nt h ep a p c r m a t l a bs i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u ta n d r e s u l t ss h o wt h a tt h eg r o u n di m p e d a n c ec o n t r o ls y s t e m sc a nc o m p e n s a t eb o t ho ft h e r e a c t i v ec u r r e n ta n dr e a lc u r r e n t ，a n de a nm a k et h er e s i d u a lf a u l t - c u 玎e n ta p p r o a c h z e r ob yc h a n g i n gt h er e a c t o rc o n t i n u a l ly i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e ds y s t e m sh a v et h e m e r i to fh i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n de x c e l l e n td y n a m i cr e s p o n d l n g t h ep r o p o s e dm e a s u r i n gm e t h o da n dt h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mw l l l1 m p f o v e t h el e v e lo f d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ， a c c e l e r a t i n gg r o u n d i n g f a u l t a r c s e l f 乙e x t i n g u i s h i n g ，p r e v e n t i n gr e s o n a n c eo v e r v o l t a g e ，a n de n h a n c i n gp o w e r q u a l i t y ： k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ；c a p a c i t a n c ec u r r e n t ；p e t e r s e n - c o i l ；i g b t ； p a s s i v ec o n t r o l n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：许堍日期：捌年芗月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密m 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：许避日期：硼年 铷弥砷加肌7 月皿日 月霸日 ， 1 1 引言 第一章绪论 近些年，随着工业的快速发展，配电网输电容量的不断增大，输电距离的不 断延长，城市配电网中电缆线路所占比例越来越高，配电网对地电容电流日益增 大，发生单相接地故障时，故障点的接地电弧不能自行熄灭，而且间歇性接地电 弧产生的过电压往往又使事故扩大，显著降低了电力系统的运行可靠性，因此电 力部门运行规程规定，当配电网电容电流达到一定数值时，采用中性点经消弧线 圈接地，以补偿配电网单相接地故障的对地电容电流，促进接地电弧熄灭【l ，2 j 。 然而，配电网接地故障电流不仅含有无功电流，还存在有功电流，采用消弧 线圈只能补偿接地故障电流中的无功电流，而不能补偿接地故障电流中的有功电 流，因而急需要研究一种新型的配电网中性点接地阻抗控制技术，有效补偿对地 电流中的有功电流，使配电网接地故障残流接近零，以保证配电网安全稳定运行。 1 2 课题背景及其意义 1 2 1 中性点接地方式及其发展概况 如何正确选择电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系 统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通 信干扰及接地装置等有密切的关系。因此，电力系统中性点接地方式选择具有理 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。 电网中性点与大地之间的电气连接方式就其主要运行特征而言，可分为有效 接地和非有效接地两大类。有效接地包括中性点直接接地和经低电阻( 或小电抗、 低阻抗) 接地；非有效接地包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻( 或高 阻抗) 接地。有效接地方式因其单相接地时故障电流较大，因此也常被称为大电流 接地方式，其特点是需要断路器遮断单相接地故障。非有效接地方式又被称为小 电流接地方式，其特点是单相接地电弧可以瞬间自行熄灭。其中，中性点经消弧 线圈接地方式也称谐振接地方式【2 - 1 1 1 。 ( 1 ) 国外发展概况 世界各国的配电网中性点接地方式，每个国家和一个国家的不同地区不尽相 同，主要是根据自己的运行经验和传统做法来确定的。 德国在第一次世界大战时期首先发明了消弧线圈，当时德国对各种电压等级 的电网中性点广泛采用了消弧线圈接地方式，电压范围为3 0 2 2 0 k v ，后因2 2 0 k v 电网中事故较多，6 0 年代初就不再采用消弧线圈了。 美国在上世纪2 0 年代中期至4 0 年代中期，在2 2 7 0 k v 电网中，中性点直接接 地方式占多数( 7 2 ) ，且发展很快，逐步取代了不接地的运行方式，一直延续至今。 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；由电缆组成的配电网，仍 采用中性点经小电阻接地方式。 日本各级电网除个别地区外，11 3 3 k v 配电网中性点接地方式大体为：消弧 线圈接地占2 8 ，电阻接地占3 0 ，直接接地占2 ，其他方式占4 0 。其采用电 阻接地方式时，一般限制接地电流数值为l o o 2 0 0 a 。 总之，世界各国的配电网中性点在上世纪5 0 年代前后，大都采用经消弧线圈 接地方式；到6 0 年代以后，高电压电网逐步采用直接接地和低电阻接地方式，低 电压电网仍采用经消弧线圈接地方式f 1 卜15 1 。 ( 2 ) 国内发展概况 我国在建国初期至8 0 年代，完全参照了前苏联的规定，对3 6 6 k v 电网中 性点主要采用不接地或经消弧线圈接地两种方式。8 0 年代中期，我国城市1 0 k v 配电网中电缆线路逐渐增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧 线圈调整存在困难，当发生单相接地时间一长，往往发展成为两相短路。因此， 国内开始重新考虑合适的接地方式。在总结国内配电网中性点接地方式多年运行 经验的基础上，1 9 9 7 年原电力部颁布的电力行业标准d i j 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装 置过电压保护和绝缘配合中，修订并增加了关于中性点接地方式的规定，明确 规定6 3 5 k v 系统中，当单相接地故障电容电流超过3 0 a 时应采用消弧线圈接地 方式。 中性点经消弧线圈接地方式有以下优点：单相接地时，由于消弧线圈的电感 电流可抵消接地点流过的电容电流，使流过接地点的电流较小，可带单相接地故 障运行2 h 。对于配电网中日益增加的电缆馈电回路，虽然接地故障的发生概率有 上升的趋势，但因接地电容电流得到补偿，所以单相接地故障并不会发展为相间 故障。然而，经消弧线圈接地系统通常会运行在全补偿状态附近，不对称度很大 时，电网易产生很高的过电压。这同样会破坏绝缘设备，酿成大面积停电事故。 如何使中性点运行方式同时具有中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式的优 点，克服两者缺点，也逐渐成为国内外专家的主要研究方向。 1 2 2 配电网电容电流测量的国内外研究现状 电容电流的快速精确测量是配电网是否装设消弧线圈、选取消弧线圈容量以 及消弧线圈自动调谐的依据，是保证电网安全可靠供电的关键。由于故障后，消 弧线圈必须快速合理地补偿电容电流，以使接地电弧快速自熄，所以消弧线圈应 实时跟踪配电网运行方式的变化，在配电网j 下常运行时，测量计算当前运行方式 2 下的电容电流，以合理调节消弧线圈的出力。显然，对配电网电容电流的计算精 度，将直接影响消弧线圈的调谐和补偿效果。 传统电容电流测量方法有直接法和间接法两种。直接测量法如单相金属接地 法，在较早时期，测量电容电流一般采用这种方法。这种方法就是利用一个断路 器来操作，将配网线路人为地进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接测量 入地的电容电流。这种方法需要的操作及接线非常繁杂，而且有可能危及非接地 相绝缘薄弱处的绝缘造成两相异地短路，很不安全。整个试验工作对试验人员和 电网的安全均构成威胁，试验的危险性很大。间接法包括中性点外加电容法、外 加电压法、调谐法、变频法和电容增量法【1 6 之2 1 。间接测量方法比较简单，若利用 得当，能较准确地测量电容电流值，获得满足现场需要的数据。但是在实施间接 测量方法时仍然与一次侧打交道需要直接接触配电网主回路，人员与设备安全得 不到保证。另外由于要涉及一次设备，操作繁琐，同时也存在误操作的危险。准 备工作耗时长，测量工作效率低。通常大部分时间耗费在等待调度命令、开工作 票、倒闸操作和做安全措施。一天只能测量两至三个站，工作效率非常低【2 3 啦】。 针对以上测量方法存在的不足，国内外相继提出了一些从电压互感器二次侧 测量配电网电容电流的新方法，主要包括： ( 1 ) 三频率法 三频率法是在电压互感器的开口三角侧注入三个不同频率的电流信号，再分 别测量在不同电流下，开口三角侧的电压。从而计算配电网对地电容电流1 3 3 。 ( 2 ) 两频率法 两频率法是在电压互感器开口三角侧注入两个不同频率的电流信号，同样测 量其返回电压来计算电网电容电流【3 4 】。 ( 3 ) 相量法 相量法是在零序电压互感器的开口三角侧分别注入两个频率不同，但是大小 和相位已知的电流信号，再分别测量其在开口三角侧的电压大小和相位来计算电 网电容电流【35 。 ( 4 ) 谐振测量法 谐振测量法是在零序电压互感器的开口三角侧串联一个电感，并注入一个变 频的恒流信号，通过寻找系统在此串联电感下的谐振频率来计算配电网的电容电 流1 3 6 1 。 以上四种方法都可以快速、安全地从二次侧测量配电网电容电流，但各有各 的局限性。随着电力系统对安全可靠性要求的日益提高，用户对消弧线圈调谐精 度和补偿效果的要求也越来越高。而现有的各种消弧线圈自动跟踪补偿装置中所 采用的计算理论和方法，无法很好满足用户的要求。要提高消弧线圈的调谐精度 和补偿效果，首先就要进一步提高电容电流的计算精度。本文将从理论分析、模 3 拟实验入手，综合传统配电网电容电流测量方法的优点，研究测量新方法。 1 2 3 消弧线圈自动调谐技术的国内外发展现状 为了保证配电系统的连续不问断供电，准确地测量系统的电容电流后，必须 根据系统电容电流的大小，装设适当容量的消弧线圈，避免电弧重燃产生过电压。 因此，精确调节消弧线圈容量即消弧线圈的自动调谐是保证电力系统安全运行的 重要方面。 消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈，是德国的彼得生于1 9 1 6 年发明的，也称彼得生线圈，在美国又称为接地故障补偿装置( g r o u n df a u l t n e u t r a l i z e r ) 。世界上第一台消弧线圈安装在德国波兰台尔斯海姆电厂的发电机中 性点，于1 9 1 7 年投入运行。经过8 0 多年的实践检验、理论充实和近些年来高新技 术的支持，消弧线圈已在世界范围内得到极其广泛的应用。 消弧线圈的电感有分级调整和无级调整之分，调整方式又有手动和自动之别， 随着微机技术的发展，消弧线圈调谐也从原来的人工手动调档转变为微机控制自 动补偿。自动跟踪补偿装置与人工调整消弧线圈相比，具有显著的优越性。首先 是可以避免人工调谐消弧线圈的诸多麻烦，而且不会使电网的部分或是全部在调 谐过程中暂时失去补偿；其次，由于自动补偿装置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【3 7 ，3 引。 传统的消弧线圈调节电感方法主要有四类： ( 1 ) 自动调匝式 利用有载分接开关，调节具有多个分接头的消弧线圈，故消弧线圈电感量不 能连续调节，消弧线圈不能在这个调节范围内均运行于最佳补偿状态；且需要装 设体积较大的有载调节开关，降低了操作的可靠性。 ( 2 ) 可调气隙式 通过连续调节励磁间隙来获得变化的电感。故这种方式要求采用较精密的机 械传动机构，响应速度慢，噪声较大。同时发生接地故障时，由于消弧线圈中通 过很大的补偿电流，其产生的磁场力足可将铁心吸住，使该装置不易在发生故障 后继续跟踪补偿接地电容电流。 ( 3 ) 直流助磁式 在交流工作绕组内设置个铁心磁化段，通过改变直流助磁磁通的大小，以 调节交流的等值磁导，使电感连续可调。其优点是：无传动装置，即为静止调节 方式；响应速度较快；调节范围较宽，交流等值电感线性好。其缺点是：需要附 加电源，设计、制造技术复杂，造价较高。 4 ( 4 ) 磁阀式 它需要预先在微机中存储多个补偿电抗值，一旦电网发生单相接地故障，由 电压互感器的信号启动跟踪测量运算系统，实测电网的容抗值，然后提取与之对 应的补偿电抗值，实现自动跟踪补偿。磁阀式消弧线圈利用自耦励磁技术，无机 械转动部分，响应时间短，无磨损，低振动、低噪音和运行可靠性高等。但是， 因受电容电流跟踪测量方法的限制，与同类消弧线圈的并联运行目前尚存在困难， 但可与预调式消弧线圈并联运行。 上述四类消弧线圈中，前两类消弧线圈采用预调谐方式：在电网正常运行情 况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。利用机械传动机构完成自动调谐， 所用时间较长，所以一般需要加装限压电阻，以保证电网正常运行时中性点的位 移电压不大于额定相电压的1 5 。后两类消弧线圈采用动态调谐方式：电网正常 运行时，使消弧线圈工作在远离谐振点的位置；当发生单相接地故障时，使消弧 线圈自动调谐到合理补偿位置。依靠电气手段实现自动调谐，调谐时间短，不需 要限压电阻，没有机械传动部件，因此结构相对简单。这些能够自动调谐的消弧 线圈克服了人工调谐存在的缺点，提高了调谐精度，使接地电弧瞬间熄灭。但仍 存在一些不足。调匝式和可调气隙式消弧线圈的限压电阻控制复杂，而且在不同 的电网中阻值不同，电阻的热容量必须仔细核算；外加直流偏磁和磁阀式消弧线 圈存在非线性和谐波等问题【3 9 4 2 1 。 为解决上述问题，晶闸管投切电容( t h y r i s t o fs w i t c hc a p a c i t o r s ，简称t s c ) 式消弧线圈应运而生【4 3 郴】。这种方式主要是通过改变补偿电容的大小，使得在电 网正常运行时，消弧线圈工作在远离谐振点的位置；发生单相接地故障时，消弧 线圈自动调谐到合理补偿位置。但是这种方式存在级差问题，为了提高精度，必 须增加电容的数量。 随着电力电子技术的高速发展，针对以上问题，近几年国内外相继提出了一 些基于i g b t 控制的调感技术，主要包括： ( 1 ) 华中科技大学所提出的基于磁通可控的消弧线圈系统 基本原理图如图1 1 所示，若在变压器二次侧采用有源的方法注入一个电流 j ，= 一撕。= 础( 口为一实数，且o 口 1 ) ，则变压器一次侧等效阻抗为 r ， z = 争= z 1 + ( 1 一口) 乙。因此调节口的大小，可使得铁心中磁通零。在【o ，蒯】之间 l 变化，从而使绕组a x 在一次回路中呈现阻抗z 肼在【z 。，乙】之间连续可控变化 【4 6 50 1 。 5 蓬 i 、z tz ；i 1 2 图1 1 基本原理图 图1 2 基于磁通可控的消弧线圈系统控制原理图 基于磁通可控的消弧线圈系统控制原理图如图1 2 所示，采用电压型p w m 逆 变器自动跟踪一次侧电感电流，以产生所需要的二次侧注入电流f ，。当消弧线 圈所需容量较大时，单个的电压型p w m 逆变器难以实现大电流的注入，则利用 i g b t 的工作特性，采用并联模块的办法来解决。此种系统是主要是利用磁通的原 理，通过改变口，进而改变调节消弧线圈次侧等效电抗，实现电抗的连续可调。 此种装置的缺点是只能补偿电容电流，不能补偿有功电流，补偿精度差；采用了 多组i g b t 并联结构，造价高。 ( 2 ) 哈尔滨理工大学所提出的i g b t 的消弧接地补偿装置 该装置原理图如图1 3 所示，i g b t 三相桥经过y n ，y n 连接的升压变压器接至线 路母线，母线带有若干条支路，变压器一次侧中性点接地连接，从而给系统提供 一接地端，三角形连接的电压互感器t v 的引出一端u g ，提供给控制电路，t a 为 用于测量中性点电流的电流互感器。该补偿装置的控制原理是：线路在正常运行 时，流过y n ，y n 变压器一次侧电流很小，i g b t 处于退出状态，系统不平衡电压u g 很小。当线路未发生单相接地故障前，控制电路控制i g b t 运行将线路对地电容求 出，而后退出运行状态等待u g 信号的变化。当线路发生单相对地短路时，线路零 6 序电压升高，此时u g 会明显增大，控制电路检测到u g 的升高后，便控制i g b t 桥 向线路注入与接地故障电流相相反的电流，从而补偿了接地电流，达到熄灭电弧 的目的。当u g 变到参考值以下，表明故障已经消除，控制电路控制i g b t 退出运 行状态( 5 1 5 3 1 。 c b 么 图1 3 装置控制原理图 该装置是通过检测系统的不对称电压来判断是否发生故障并进行补偿，在系 统三相不对称运行的条件下，将会误动，无法准确的检测单相接地故障。故该套 系统不适用于三相不对称度大的配电网。 1 2 4 煤矿供电系统接地故障电流 随着电网规模的越来越大，煤矿电网作为电力系统中的一个特殊分支，规模 也随着扩大。目前，我国煤矿高压电网大多采用6 k v 供电，少数新建矿井采用1 0 k v 供电f 5 4 1 ，煤矿6 1 0 k v 供电网均采用中性点不直接接地运行方式，主要有中性点 不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地等三种方式【5 5 】【56 1 。单相接地 故障是影响煤矿高压电网安全供电的主要因素之一。据相关资料统计，在煤矿电 网故障中，高压电网的单相接地，约占总电气故障的6 0 左右1 57 。煤矿井下环境 恶劣，周围环境含有瓦斯等易燃、易爆气体。当煤矿井下供电电网发生单相接地 时，接地电流产生的漏电火花可能引燃瓦斯煤尘；接地处引起的电弧接地过电压， 很可能击穿供电电缆的绝缘薄弱处，造成更严重的短路故障，严重时导致瓦斯、 煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆。近年来，我国煤矿井下由电气故障引起的 电火花引燃瓦斯煤尘爆炸事故时有发生，给煤炭工业造成了极大的影响。为确保 矿井安全，减少因单相接地引起的瓦斯、煤尘爆炸的危险性，煤矿安全规程第 7 4 5 7 条规定：矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过2 0 a 。 煤矿电网接地故障电流不仅含有电容电流，还存在有功电流，采用传统消弧 线圈只能补偿对地电流中的无功电流，不能补偿对地电流中的有功电流，当煤矿 电网发生接地故障时，故障电流中可能存在很大的有功电流得不到补偿，严重危 害煤矿供电系统的安全运行。 1 2 5 中性点接地阻抗控制 现有的消弧线圈自动调谐系统只能通过调节消弧线圈补偿配电网故障残流中 的无功电流，而无法补偿有功电流。对于煤矿等安全系数要求高的系统，为了进 一步提高安全运行指数，降低事故发生几率，必须对故障残流中的有功电流进行 补偿。为此，迫切需要将对消弧线圈自动调谐的研究上升到对中性点接地阻抗控 制的研究，通过对中性点接地阻抗的控制实现对无功和有功电流的补偿。 通过控制补偿电流的大小，可以精确补偿残流中的无功电流；通过控制补偿 电流的相位，可以对补偿残流中的有功电流进行补偿。消弧线圈自动调谐系统一 般只能控制补偿电流的大小，因而无法对残流中的有功电流进行补偿。而中性点 接地阻抗控制相当于在中性点处添加了一个负阻抗，因此不仅能控制补偿电流的 大小，还能控制补偿电流的相位。故而，可以在补偿无功电流的同时补偿有功电 流，进而实现残流为零。 1 3 本文主要工作 针对以上内容，本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 综合研究了已有的几种从电压互感器二次侧测量配电网电容电流的方 法： ( 2 ) 提出了一种精确测量配电网电容电流的新方法，即单频率测量法。并通 过理论推导和模拟实验验证其正确性； ( 3 ) 基于上述提出的配电网电容电流测量新方法，进行硬件和软件设计； ( 4 ) 对华中科技大学所提出的基于磁通可控的消弧线圈系统进行了仿真分 析，并在此基础上，设计了一种基于i g b t 有源控制的中性点接地阻抗系统； ( 5 ) 设计了一种新型基于i g b t 无源控制的中性点接地阻抗系统，并用 m a t l a b 软件对该中性点接地阻抗系统进行了仿真分析以验证其可行性。 8 第二章配电网电容电流实时测量新方法 在经济迅速发展的今天，如何确保直接面向用户的配电系统不发生供电中断 变得越来越重要，要保证配电系统的连续不问断供电，准确测量系统的电容电流 是一个重要方面，是决定是否装设消弧线圈和正确选择消弧线圈补偿电流的依 据。根据目前国内外配电网电容电流测量方法的优点和不足，本章提出了一种配 电网电容电流实时测量新方法单频率测量法。 2 1 电网的电容电流 中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障简化图如图2 1 所示。其中，屯、 岛、忘为三相电压；三为消弧线圈；s 为隔离刀闸；乞。、乞：、厶。、屯：为非 故障相对地电容充电电流；厶为中性点不接地时非故障相流入故障点的电流；t 为消弧线圈提供的电感电流。 图2 1 单相接地故障简化网络图 在该系统中，若刀闸s 断开，则消弧线圈与系统隔离，该系统即变成中性点 不接地系统。此时若发生单相接地故障，非故障相只能通过线路对地电容与故障 点形成回路，此时的故障点电流为非故障相充电电流之和，呈容性，故称之为电 容电流。假定c 相发生金属性接地故障，此时a 、b 两相电压升高到线电压，中 性点位移电压矾升高到相电压，若三相对地电容相等( 均为c 0 ) ，则有下式成立： 9 ，c = 3 国c 0 一+ j = 歹缈3 c o ( 2 1 ) 由上式可知，当配电网对地电容很小时，电容电流也很小，单相接地故障电 流过零后，电弧能够自行熄灭。 但当故障点的电容电流超过一定值后，随着电容电流的增大，接地电弧就很 容易重燃，无法可靠熄灭。电弧的反复重燃，将导致非故障相电压的急剧升高， 产生弧光过电压，给电网的安全运行带来极大的危害。 然而，若采用中性点经消弧线圈接地( 图2 1 中刀闸s 闭合) 。当单相接地故 障发生时，消弧线圈提供的电感电流在故障点与电网的电容电流抵消，从而大大 减小故障点的电流，使接地电弧可靠熄灭。 由于配电网的运行方式经常变化，使系统的电容电流也不断改变。在本文所 研究的运行方式中，为了使发生故障时能投入的消弧线圈达到最佳的补偿效果。 必须及时测量当前运行方式下的电容电流，以确定当接地电容电流超过一定值时 消弧线圈补偿容量。如果在故障发生后测量电容电流，需要从各路出线采集电流 量，受故障暂态信号的影响，采样误差大；而且需要处理的数据量大，计算复杂。 更重要的是，故障发生后，弧光接地过电压在1 5 3 个周波内就会急剧上升到3 4 倍相电压，严重危害系统的安全，而在这么短的时间内消弧线圈自动调谐装置难 以完成电网当前电容电流的测量计算，并投入恰当的消弧线圈进行调节补偿。因 此，电容电流的快速精确测量是保证电网安全可靠供电的关键。 2 2 已有的电容电流测量方法的综合比较 目前国内现有的通过电压互感器向配电网注入信号，测量配电网接地故障电 流的方法主要有两种：一种是通过变电站母线电压互感器三角侧注入两个或三个 不同频率的信号，测量信号电压和信号电流，建立方程组，求解配电网对地电容 电流值；另一种是通过变电站母线电压互感器三角侧注入变频信号，并在电压互 感器三角侧并联一电感，通过寻找谐振频率计算配电网对地电容电流。具体分析 如下： 2 2 1 三频率法 图2 2 为三频率法测量原理图，图中c 。、c 。、g 为三相导线对地电容。其 测量等效电路图如图2 3 所示，图中尺为绕组电阻和三为漏电感。如果在零序电压 互感器开口三角端注入3 个不同频率但幅值相同的恒定电流信号厶，其频率分别 为z ( 汪1 ，2 ，3 ) ，将在开口三角端测得3 个零序电压值u o = l ，2 ，3 ) p 川。根据注入的 电流信号和测得的电压信号，可得下列方程组： 1 0 n 卜一剖2 = 彳c 川幺3 ， 亿2 ， 式中互= 三幸后2 宰等，q = 2 斫，其中七为电压互感器变比。 求解式( 2 2 ) 可得出配电网单相对地电容值为： c =( z ；一z ? k + ( z ? 一z ；b ；+ 弦一z ；b ? 西一国? 。国? 一缈；国；一霹 面 霹 。 缈? iq u j 图2 2 三频率法测量原理图 r l ( 2 3 ) 图2 3 三频率法测量原理等效电路 由于该方法受电压互感器漏电阻和漏电感影响较大，且需要注入三个不同频 率的电流信号，难以确定合适的测量频率，不同组的频率计算结果也不同，因此 该测量方法有一定的局限性。 2 2 2 两频率法 高压侧 图2 4 两频率法测量回路的等效电路 图2 5简化等效电路 两频率法测量回路的等效电路为图2 4 ，简化等效电路为图2 5 ，该方法将漏 电阻和漏电感归结为一个未知阻抗，从电压互感器丌口三角侧注入两种不同频率 的电流信号，通过测量开口三角侧相电压计算对地电容电流，计算出电容值。假 设所注电流、所注电流频率和测得的电压分别为小k 石、以、u 。、u ：，令 z l = 导尼2 ，z ：= 警七2 ，其中七为三角侧与一次侧变比，不考虑电压互感器电感厶 和三，的影响，则有【3 4 】： z 。= 等= z ：盟： i 、 据( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可得出： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由上可知，该方法没有考虑电压互感器电感影响，而该电感的感抗与被测电 容的容抗相当，如忽略，将严重影响测量结果；且没有考虑不同测量信号频率的 影响。因此，该方法无法测量到正确的电容值。 1 2 2 2 3 相量法 r l 图2 6 相量法测量等值电路图 相量法测量等值电路图如图2 6 所示，图中r 为绕组电阻和三为漏电感。该方法 从零序电压互感器开口三角侧注入两个不同频率的电流信号，其大小相位已知， 分别测量三角开口侧电压大小和相位计算出电容值【35 1 。假设所注电流和测得的电 压分别为厶、玩、厶、以，令z l = 鲁后2 ，z z = 老后2 ，其中k 为三角侧与一次侧变 比，则有： z 1 姐“蛾卜豪) ( 2 - 缈，l z 22 r + ( 缈2 三一嘉) ( 2 8 ) c 上，1 i - ， 将求得的z l 、z 2 取虚部得： i m ( z 1 ) 卸卜去 ( 2 9 ) i m ( z 2 ) 列2 卜去 ( 2 1 0 ) 国，o 联立( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 两式得： 竺一堕 c ：一一堕竺一 ( 2 1 1 ) q i m ( z 2 ) 一吐l m 【z 1 ) 该方法不能忽略电压互感器短路阻抗对测量结果的影响，且难以确定合适的 测量频率，因此测量误差大。 2 2 4 谐振法 。 谐振法测量原理图如图2 7 所示。图中，三7 为与电压互感器开口三角侧串联的 电感线圈归算到一次侧后的等效电感，三= 七2 ，七为电压互感器变比，为电压 互感器开口三角侧串联的电感，c 为配电网单相对地电容【36 1 。该方法通过从开口 1 3 三角侧注入一个变频电流信号厶，测量返回电压乩的大小，当返回电压最大时， 电网对地电容与串联电感发生串联谐振，记录该谐振频率，则有互= j ， 织。 则对地电容为： 疵 q _ 2 ) 折合到工频后容抗为： = 圭= 警 ( 2 1 3 ) 鸭。石“5 0 图2 7 诣振法测量原理 该方法在测量过程中忽略了电压互感器自身短路电阻和短路电感的影响，实 验中所测得的谐振频率并非为串联电感与配电网对地电容的谐振频率，而是串联 电感、电压互感器短路电感和电网电容三者谐振时的频率，因此，根据公式( 2 1 3 ) 计算出来的电容与实际电容相比，存在较大的误差。 2 3 配电网电容电流实时测量新方法一单频率测量法 根据目前国内外配电网电容电流测量方法的优点和不足，为消除电压互感器 短路阻抗和注入信号频率选取组合对测量结果的影响，本节提出了一种配电网电 容电流实时测量新方法单频率测量法。 2 3 1 单频率测量法测量原理 测量原理如图2 8 所示，c 、c 。、c ，分别为配电网三相对地电容。若从电压互 感器开口三角侧注入一个角频率为缈的恒定电流j 。，可测得开口三角侧的电压为 玩，且在其一次绕组a 、b 、c 三相分别感应出电流五，在低压星形侧感应出三相 大小相位相等的电压以和电流，。设高、低压星形侧和三角侧绕组的匝数分别为 1 4 l 、2 和3 ，互感器的励磁电流为l ，则有： n 3 ( i o l m 、) = nl il + n 2 1 2 ，egg l 鼍f j 感器| 手圭圭| 1i：i 攒谶 u h 玩瞳 厶 f 测量仪 ( 2 1 4 ) 图2 8 单频率测量法测量原理图 由于电压互感器的励磁阻抗z 卅比短路阻抗和线路单相对地电容的容抗大很 多，因此，式( 2 1 4 ) 中电压互感器的励磁电流几乎为零；另外考虑低压星形侧负 载阻抗较大，感应电流厶可以忽略，这样高压侧三相流出的电流的大小由注入 的电流厶确定，则式( 2 1 4 ) 可以简化为： ，l - 等 ( 2 j5 ) 由于是一次侧感应的零序电流，不能在电源和负载之间流通，只能通过线 路对地电容形成回路。忽略电网对地泄漏电阻，注入信号测量电容回路的等效电 路如图2 9 所示。图中冠、厶为电压互感器高压侧漏电阻和漏电感，琏、趟、e 、 r ，分别为低压星形侧和开口三角侧的漏电阻和漏电感归算到一次侧的值，c 为配 电网单相对地电容，矗、哦、吠分别为厶、玩、d ：折算到一次侧后的值。考虑 电压互感器低压星形侧的信号电流近似为零，励磁电压近似等于低压星形侧电压， 并忽略互感器励磁阻抗，等效电路可以简化为图2 1o 。 1 5 高压侧 图2 9 单频率测量等效电路图 c c 图2 1 0 单频率测量简化等效电路 设三相电压互感器的参数对称，配电网三相对地电容相等，测得开口三角端 信号电压为吨，低压星形侧的信号相电压为( 7 z ，一次侧与二次星形侧变比t = 薏 一次侧与三角开口侧变比七：盟，则由图2 1o 可得： n ， 篡= 墨+ 砖+ 歹木瞄+ 鸠一去 ( 2 1 6 ) 等咄川奸专 ( 2 1 7 ) 、令开口三角绕组计算阻抗毛= 鲁= 象后；，二次星型绕组计算阻抗 簪专专她乞，只取虚黼 i m ( 劾= 鸣+ 叫一壶 ( 2 1 8 ) i m ( 2 2 ) = 砒。一去 ( 2 1 9 ) 玑 1 6 厶：华：? a ， ( 2 2 0 ) l 未归算到一次侧的开口三角形绕组漏电感为： 厶：华：孵人， ( 2 2 1 ) 0 厶归算到一次侧为： e = 碍孵人，盯= ? 人，。( 2 2 2 ) 式中办矿和磊，分别为一次侧和开口三角侧的漏磁通，人，和a 。，分别为一次 侧和开口三角侧的漏磁导。 漏磁路的主要通过绝缘材料或空气形成回路，故漏磁导是常值，且只与互感 器线圈的尺寸和空气磁导率有关。电压互感器不同绕组线圈距离很近，通常可以 认为漏磁路相同，漏磁导人l 矿与人3 ，近似相等【5 引。 由( 2 2 0 ) 式和( 2 2 2 ) 式可得，一次侧和开口三角侧漏电感归算到同一侧 的值近似相等，即： = 墨( 2 2 3 ) 该结论与实际互感器的测量参数相符f 5 9 1 。 将( 2 18 ) 、 ( 2 ，1 9 ) 、( 2 2 3 ) 联立即可求得单相线路对地电容值c 和配电 网对地电容电流值厶分别为： ( 2 2 4 ) 仁前2 一 心2 5 l l 厶i 上式中为配电网工频角频率，“为配电网相电压。 因此，通过向电压互感器开口三角侧注入一定频率的恒流信号，通过测量开 口三角侧信号电压及低压星型侧信号相电压，可以计算出配电网单相对地电容值。 由于低压星形侧与开口三角侧负载阻抗较大，通常为数百欧姆；电网对地电容的 阻抗也通常为数百欧姆，但折算到二次侧后，仅为零点几欧姆，远小于低压星形 侧或开口三角侧负载阻抗。因此图2 9 所示等效电路中，低压星形侧与开口三角侧 负载阻抗可以忽略，负载电流对测量产生影响很小，可以忽略，能够满足配电网 电容电流实时测量要求。该测量方法的相量图如图2 1 1 所示： 1 7 翻 上以 程一七 砭 一烈 ，l l磁砸 图2 1 1 相量图 该测量方法完全消除了电压互感器短路阻抗对测量结果的影响，大大提高了 配电网对地电容电流的测量精度。另外该方法只需向被测配电网注入一个单一频 率的测量信号，因此不用考虑测量信号频率的选取组合问题，测量结果更精确、 稳定。 2 3 2 测量信号频率的选取 测量信号频率的选取将直接影响测量的准确度。 由( 2 2 4 ) 可知： = i m ( 2 。) 一2 i m ( 2 ：) ( 2 2 6 ) 令： k = i m ( 2 。) 一2 l m ( 2 ：) ( 2 2 7 ) 设测量误差为i m ( 毛) 和i m ( 2 ：) 所导致的容抗计算误差为似c ，由于( 2 2 7 ) 式是线性方程，则有： 又0 = i m ( z o ) 一2 i m ( z 2 ) ( 2 2 8 ) 对( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 求导数： 倒= 去等 亿2 9 ， 即： c 们2 从c = 2 班2 从c ( 2 3 0 ) 由( 2 3 0 ) 式可以看出，当测量误差( 赵，) 不变时，增大注入信号的选取 频率，电容的计算误差( c ) 增大；为减少测量误差，频率厂越小越好。另一 方面，频率厂越小，互感器的励磁阻抗越小，测量回路中励磁阻抗不能忽略；特 别在电网电容电流较小条件下，容抗较大，为忽略图2 9 中的励磁阻抗，要求选 1 8 择较大的测量频率。通常测量信号频率的取值范围为：1 0 h z 6 0 h z ，当电网电容 电流大于1 0 0 a 时，选取信号频率大于4 0 h z ；而当电网电容电流小于1 0 a 时，选 取信号频率小于3 0 h z 。 2 3 3 模拟实验 图2 1 2 试验接线图 表2 1 测量值与实际值的比较 测量电测量电测量 容值容电流相对 ( 胪) 值( a )误差 在实验室完成电容电流测量仪的测试，接线如图2 1 2 所示。模拟试验中采用 1 0 k v 三相五柱式电压互感器，其一次侧与二次星形侧变比毛= 1 0 0 ，一次侧与三 角开口侧变比毛= 1 0 0 怕。用三个大小相等的集中电容代替线路对地电容，电容 值可调；采用课题组研制的配电网电容电流测量仪作为变频电源，该测量仪能够 发出0 1 0 0 h z 的恒流信号，并可以对需要测量的信号进行采样和滤波，能够准 确测量出低压星形侧相电压和三角开口端电压的幅值和相位。为避免由于注入电 流过大而导致互感器的损坏，控制注入信号电流小于1 a 。实验结果如表2 1 所示， 测量值相对误差最大不超过o 8 ，测量精度高，完