（电力系统及其自动化专业论文）基于matlab的故障选相及故障电流可控开断研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文基于m a t l a b 的故障选相及故障电 流可控开断研究，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他 个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使 用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：螺略 日期：l o l l 够 指导教师签名：方霜嗯 日期： 2 0f 1 ，够 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：捌 日期：加f 眵 指导教师签名：方鸯想 日期：p ，厶 ， 西华大学硕士学位论文 摘要 断路器在同步开断多相故障时，若能准确判别故障类型和故障相别，然后对故障相 采用同步开断技术，以控制触头分离时刻，使得电弧电流以最佳燃弧时间经过零点，可 以有效减少燃弧时间和电弧电流，从而提高断路器的开断容量和减少触头磨损。断路器 在同步开断多相故障时，由于三相系统间相互耦合，当断路器首开相分断之后，剩余故 障相的电流零点会发生转移，从而会对同步开断故障电流的控制策略产生影响，进而不 同故障类型应采用不同的故障电流同步开断控制策略。快速、准确识别系统故障类型和 故障相是同步开断多相故障电流的关键问题之一。 为了保证同步开断过程中故障相快速可靠识别，本论文采用相关分析理论，结合故 障电流序分量分解方法，获得故障序分量的相位关系，根据相位关系确定故障类型和故 障相别，从而实现故障选相。 确定故障类型和故障相别之后，对高压断路器中开断相采用自适应检测算法实现故 障电流可控开断。可控开断主要目的是快速提取故障电流参数，准确预测开断过程中电 弧熄灭时的故障电流过零点，从而确定断路器触头最佳分离时刻。本论文设计的断路器 可控开断方案在处理故障时采取不同的控制流程以避免延长故障清除时间等情况。方案 中提出的自适应检测算法有效地判断检测出故障电流初始相角，实现对故障电流的快速 跟踪，从而预测故障电流开断过程中电弧熄灭的电流过零时刻，控制开关触头在最佳燃 弧区间分离。 为了评估故障初始相角口、直流分量衰减时间常数f 、环境白噪声和继电保护响应 时间f 豫凹对多相故障时的选相算法和故障电流可控开断算法性能影响，在理论分析基础 上，采用m a t l a b 建立多相故障同步开断模型，进行大量仿真实验，并采用电力系统 实际故障录波数据进行算法性能验证。仿真结果表明，选相算法能够在故障发生后半个 周期内准确识别出特定条件下的故障类型和故障相，故障电流可控开断算法能够在继电 保护响应时间内、在较低的采样频率下较好预测可控开断的目标电流零点，预测的过零 点最大误差值均在燃弧裕量l m s 内，可控开断算法对环境白噪声也具有较好的抗干扰 能力，并且能够减少燃弧能量达2 0 5 0 。本论文为断路器同步开断多相故障电流提供 了理论依据和实现基础。 关键词：高压断路器，故障选相，相关分析，可控开断，故障电流模型，假设检验 l i ，t 基于m a t l a b 的故障选相及故障电流可控开断研究 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f b r e a k e rs y n c h r o n o u s l yi n t e r r u p t i o no fm u l t i - p h a s ef a u l t , i ft h ef a u l tt y p e a n df a u l tp h a s ec a nb ee x a c t l yd i s t i n g u i s h e d ，t h e nt h es y n c h r o n o u ss h o r t - c i r c u i ti n t e r r u p t i o n t e c h n i q u ei su s e dt oe l e c t r i cc u r r e n to ff a u l tp h a s ea n ds h o r t c i r c u i ti n t e r r u p t i o nm o m e n to f c o n t a c tt e r m i n a lo fb r e a k e ri sc o n t r o l l e d ，t h ee l e c t r i cc u r r e n to fe l e c t r i ca r ct h r o u g ht h ez e r o p o i n ti no p t i m u mc o m b u s t i o nt i m eo ft h es h o r t - c i r c u i ti n t e r r u p t i o np r o c e s s t h i sc o n t r o l l e d f a u l ti n t e r r u p t i o nc a ne f f i c i e n t l yr e d u c et h ea v e r a g ec o m b u s t i o nt i m eo fe l e c t r i ca r co fc o n t a c t t e r m i n a la n dp e a kv a l u eo fe l e c t r i cc u r r e n ts ot h a tt h ec a p a c i t yo fs h o r t - c i r c u i ti n t e r r u p t i o no f c o n t a c tt e r m i n a lc a nb ei n c r e a s e da n dt h ea b r a s i o no fc o n t a c tt e r m i n a lc a nb er e d u c e d b e c a u s eo fm u t u a lc o u p l i n go ft h r e e p h a s es y s t e m ，a f t e rt h ei n t e r r u p t i o no ft h ef i r s t s h o r t - c i r c u i tp h a s e ，t h ez e r op o i n to fe l e c t r i cc u r r e n to fr e m a i n d e rf a u l tp h a s e sw i l ls h i f t t h e n t h es t r a t e g i e so fc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o nw i l lb ei n f l u e n c e da n dc h a n g e d d i f f e r e n tf a u l t t y p e sc o r r e s p o n dt od i f f e r e n tc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n so ff a u l te l e c t r i cc u r r e n t t oi d e n t i f y s y s t e mf a u l tt y p ea n df a u l tp h a s eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi st h ep r i m a r yp o i n to fc o n t r o l l e d f a u l ti n t e r r u p t i o no fm u l t i - p h a s ef a u l te l e c t r i cc u r r e n t ， i no r d e rt os e l e c tf a u l tp h a s ei nt h ep r o c e s so fs y n c h r o n o u s l yi n t e r r u p t i o nq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y ，t h er e l a t i o n s h i po fp o s i t i v es e q u e n c ea n dn e g a t i v es e q u e n c eb a s e do nc o r r e l a t i o n a n a l y s i sf o rt h ep h a s ep o s i t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h er e l a t i o n s h i po fp h a s e p o s i t i o ni su s e dt ov e r i f yt h ef a u l tp h a s er a p i d l ya n de x a c t l y t h ep h a s er e l a t i o no fo r d e r s u b - v a l u eo ff a u l te l e c t r i cc u r r e n tc a nb eo b t a i n e da n df a u l tt y p ea n df a u l tp h a s ec a nb e d e t e r m i n e da c c o r d i n gt or e l a t i o no fp h a s e ，f i n a l l yt h ei d e n t i f i c a t i o no ff a u l tp h a s ec a nb e r e a l i z e d w h e nt h ef a u l tt y p ea n df a u l tp h a s ei sd e t e r m i n e d ，a na d a p t i v e ，s e l f - c h e c k i n ga l g o r i t h m t ot h ep h a s eo fn e e d i n gs h o r t c i r c u i t i n t e r r u p t i o no fh i 【g hv o l t a g ea l t e r n a t i n gc u r r e n t c i r c u i t - - b r e a k e r si sa d o p t e dt or e a l i z ec o n t r o l l e ds h o r t c i r c u i ti n t e r r u p t i o no ff a u l te l e c t r i c c u r r e n t t h ep r i m a r yo b j e c to fc o n t r o l l e ds h o r t c i r c u i ti n t e r r u p t i o ni se x t r a c t i n gt h ep a r a m e t e r o ff a u l te l e c t r i cc u r r e n tq u i c k l ya n dp r e d i c t i n gt h ez e r op o i n to ff a u l te l e c t r i cc u r r e n te x a c t l yi n e x t i n g u i s h i n go fe l e c t r i ca r c t h e r e b yt h i sm e t h o di ss e e k e dt or e d u c et h ee l e c t r i c a ls t r e s sa n d w e a ro nt h ei n t e r r u p t e r t h es t r a t e g yo fc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o no fb r e a k e rp r o p o s e db y t h i st h e s i sa d o p t sd i f f e r e n tc o n t r o lp r o c e d u r et oa v o i du n d u ep r o l o n g a t i o no ft h et o t a lf a u l t 西华大学硕士学位论文 c l e a r i n gt i m ea n d s oo ni n h a n d l i n gf a u l t t h ea d a p t i v e ，s e l f - c h e c k i n ga l g o r i t h mc a n e f f e c t i v e l yi d e n f i f ya n dd e t e c tt h ei n i t i a lp h a s ea n g l ea n dr e a l i z eq u i c k l yt r a c kt of a u l te l e c t r i c c u r r e n ts ot h a tp r e d i c tt h ez e r op o i n to ff a u l te l e c t r i cc u r r e n ti ne x t i n g u i s h i n go fe l e c t r i ca r c w h e ns h o r t - c i r c u i ti n t e r r u p t i o i la n dc o n t r o lt h ei n t e r r u p t i o no fc o n t a c tt e r m i n a li nt h eo p t i m u m i n t e r v a lo f c o m b u s t i o na r c 。 ： i no r d e rt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo fi n i t i a lp h a s ea n g l e 口r ，a t t e n u a t i o nt i m ec o n s t a n to f d cs u b v a l u ef ，w h i t en o i s ea n dr e s p o n dt i m eo fr e l a yp r o t e c t 4 0 no nc o n t r o l l e ds h o r t c i r c u i t i n t e r r u p t i o na l g o r i t h mo fm u l t i - p h a s ef a u l te l e c t r i cc u r r e n t , t h i sd i s s e r t a t i o ni nt h eb a s i so f t h e o r ya n a l y s i sa d o p t sm a t l a bt oe s t a b l i s hs y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o nm o d e lo fm u l t i p h a s e f a u l ta n dm a k el a r g en u m b e r so fs i m u l a t i o n a n dt h ep r a c t i c a lf a u l tw a v eo fp o w e rs y s t e mi s a d o p t e dt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r m et h a tt h e s e l e c t p h a s ea l g o r i t h mc a ne x a c t l yi d e n t i f yf a u l tt y p ea n df a u l tp h a s eo fs p e c i f i c a l l yc o n d i t i o n i nt h eh a l f - c y c l eo ff a u l th a p p e n i n g a n di nt h er e s p o n d i n gt i m eo fr e l a yp r o t e c t i o n , t h e c o n t r o li n t e r r u p t i o na l g o r i t h mo ff a u l te l e c t r i cc u r r e n tc a nb e t t e rp r e d i c tt h ez e r op o i n to f e l e c t r i cc u r r e n to fo b j e c ti nl o ws a m p l i n gf r e q u e n c y t h em a x i m u me r r o rv a l u eo fp r e d i c t e d z e r op o i n ti sa l li n l m sa n dt h ec o n t r o l l e da l g o r i t h ma l s oh a v eb e t t e ra n t i - j a m m i n ga b i l i t y t ow h i t ev o i c eo fe n v i r o n m e n ta n dt h ee n e r g yo fc o m b u s t i o na r cc a l lb es a v e d2 0 - 5 0 s o t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e st h e o r yb a s i sa n dr e a l i z a t i o nf o u n d a t i o nf o rs y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o n o fm u l t i - p h a s ef a u l te l e c t r i cc u r r e n to fb r e a k e r ，。 ， k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ea l t e r n a t i n gc u r r e n tc i r c u i tb r e a k e r ，f a u l tt y p ei d e n t i f i c a t i o n ， c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，c o n t r o l l e ds w i t c h i n g , f a u l tc u r r e n tm o d e l i n g ，h y p o t h e s i s ： 7，、 7 i i i 基于m a t l a b 的故障选相及故障电流可控开断研究 目录 摘要i a b s t r a c t ：】 i l 绪j 沧1 1 1 概述1 1 2 同步开关技术的意义：2 。 1 3故障选相及同步开断研究现状与发展前景3 一 1 4 真空断路器同步开断的目的和意义。5 1 5 论文的主要研究内容6 2 高压断路器故障选相及可控开断建模8 2 1故障电流特征参数的辨识模型8 2 2m a t l a b 软件的总体功能及应用j l o 2 3电力系统高压输电线路故障模型及分析1 l 3 断路器可控开断的原理一l 1 9 3 1断路器的基本功能1 9 3 1 1 断路器的基本功能1 9 3 1 2 电弧特性及其特征：l 1 9 3 2 真空断路器可控开断的基本理论2 2 3 3 1 交流电弧的开断一2 2 3 3 2 真空电弧的弧后绝缘介质恢复过程2 4 3 3 3 开断故障时的恢复电压一2 7 3 3 4 燃弧时间对断路器开断能力及电寿命的影响一2 9 4 断路器故障选相31 4 1常用故障选相方法3 5 4 1 1 故障选相方法概述3 5 4 1 2 各类故障选相方法比较3 6 4 1 3 多序电流故障选相方法3 6 4 2 断路器故障选相的算法实现3 7 4 2 1 故障电流的相关分析理论3 9 4 2 2 多序电流故障选相算法的实现3 9 4 2 3 故障选相的算法流程一4 2 4 3 断路器故障选相仿真验证4 2 4 3 1 仿真参数设置及评价原则4 2 西华大学硕士学位论文 4 3 2 理想状态下系统仿真及分析一4 2 4 3 3 故障录波数据验证及分析4 7 5断路器可控开断方案设计及算法理论分析5l 5 1断路器可控开断总体方案设计51 5 1 1同步开断工作原理。5l 5 1 2 断路器可控开断方案功能分析。5 2 5 1 3断路器可控开断的目的及影响方案实施因素5 3 5 2 断路器可控开断算法的研究5 4 5 2 1故障电流数学模型5 6 5 2 2自适应检测算法。5 7 6 断路器可控开断方案仿真验证及结果分析6 3 6 1仿真参数设置及评价原则6 6 6 2 理想状态下系统仿真及分析6 8 6 3白噪声干扰下系统仿真及分析7 8 7 全文总结8 0 7 1 研究工作总结8 0 7 2 对未来工作的设想8 l 参考文献。8 2 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果8 5 致谢8 6 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1概述 。； 近三十年来，随着国民经济的飞速发展，电力系统作为基础产业也取得了巨大进步， 而电力系统的等级及容量的发展也尤为迅猛。发电机的单机容量逐年增加，发电厂的规 模也在不断扩大。为了传输这样巨大的电能，输电线路的输电容量也随之逐年增加。同 时，随着短路容量的增加，断路器的开断容量也有了相应的提高，5 0 0 k v 主网短路电流 可能超过5 0 k a l l ，2 l 。基于电力系统运行关乎国计民生这一特点，电网的安全、可靠、稳 定运行需要给予更高的要求。据统计，电力系统的非正常运行绝大多数由短路故障引起。 发生短路故障时，系统从一种状态突变为另一种状态，并伴随复杂的机电暂态和电磁暂 态现象。因短路类型、故障点和持续时间的不同，短路可能不仅破坏局部地区正常供电， 而且可能威胁整个系统的安全运行。 一 短路故障会对整个系统和一次电力设备造成严重的不利影响，随着电网负荷密度增 加，故障电流的不断提高，其造成的不利影响也在不断加剧。短路故障的不利影响主要 有以下几个方耐列： ( 1 )短路故障使短路点附近的支路中出现数倍于额定电流的短路故障电流，由于 导体间的电动力与电流的平方成正比，当很大的短路电流通过导体时，可在 导体问产生非常大的电动力，进而产生很大的机械应力，破坏导体和它们的 支架。 。 ( 2 )短路故障导致大的故障电流，使一次设备发热增加，若短路持续时间较长时， 设备可能过热以致损坏和缩短它们的使用寿命。短路点的电弧也有可能烧坏 电气设备。 ( 3 )当短路点离电源不远而又持续较长时间时，短路故障有可能使并列运行的发 电厂失去同步，破坏电力系统的稳定运行，引发重大系统事故，导致大面积 停电。 ；。 ( 4 )短路故障导致系统电压大幅度下降，即电压跌落，产生电能质量问题；电能 质量问题可能导致一些高技术行业不能正常生产，造成重大经济损失。在一 条母线带多负载出线的配电网中，任意一个负载出线上发生短路故障，都会 导致母线电压跌落，影响所有负载的电能质量。 ( 5 ) 不对称短路产生的不平衡电流将产生零序不平衡磁通，在附近的平行线路( 如 通信线路、铁道信号线路等) 内感应出较高的电动势，干扰通信线路并危及 基于m a t l a b 的故障选相及故障电流可控开断研究 设备和人身安全。 ( 6 )数倍于额定电流的故障电流通过杆塔或其他方式流入大地，会形成跨步电压， 危及附近人员的人身安全和附近设备的安全。 因此，随着电力系统容量和电网负荷密度快速增加，系统故障电流不断提高，必须 提高运行电力开关设备的开断容量，从而保证电网运行的安全性和可靠性。断路器是电 力系统继电保护的终端设备，其智能化的水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生重 要影响。此外，断路器操作的暂态过程对配电系统会产生各种干扰，包括恶劣的电能质 量导致的保护不按时动作和不可接受的过电压导致的严重危害和早期故障。开关在本地 发生电流暂态过程时，暂态过电压会传播，有时会影响其他用户并发展到不同的电压等 级。所以对于给定的断路器，采用同步开关技术在电压或电流的指定相位完成电路的断 开或闭合，可以极大地减小合闸操作时暂态过程中的过电流和过电压；并且通过控制开 关触头的分离相位有效提高开关的开断能力，减少开关输入的燃弧能量，从而减少触头 的磨损和延长开关寿命。因此，开关智能化的研究将有效的改善电能质量并提高系统的 西华大学硕士学位论文 行条件，降低灭弧室内部及周围的温度和电位梯度，减轻开关部件机械应力与触头烧蚀， 延长易损件的电寿命和维修周期；最后，可以提高开关额定关合、开断能力，防止复燃 与重击穿，降低超高压系统的绝缘保护水平等。 同步开关技术难以实现的主要因素是基于弹簧或电磁操动机构的开关操动时间分散 性大，难以预测和控制。在进行选相操作时，要充分考虑开关的断口绝缘特性、合分闸 动作特性以及控制系统精度等关键因素。在高压领域，国外最新研制出一种数字控制的 伺服电机驱动操动机构有利于实现同步开关技术；此外，近期出现的永磁机构更适合于 相控开关的实现并在逐步向高压领域拓展。因此，实现断路器同步开断的技术条件也己 基本成熟了。而大量试验表明缩短燃弧时间可以减小电弧能量、提高开断能力，且特定 开断电流对应一个最佳触头间隙区，即最佳燃弧时间。因此控制断路器分闸时刻的首要 目标就是控制开关燃弧时间，使其在交流电流过零、电弧自然熄灭时能承受恢复电压， 防止燃弧时间过短导致的重燃、重击穿与燃弧时间偏长造成的触头烧损。绝缘强度上升 率( r r d s ) 指的是开关开断时的断口间耐压水平上升率，其值决定了避免重燃与重击穿的 最小燃弧时问。因此，采用同步开关技术实现选相分闸，控制开关的实际燃弧时间，使 开关触头在最有利于熄弧的时刻分离，大大提高了开关的实际开断能力和电寿命。 同步开关技术在欧美市场的使用数量与应用范围迅速扩大，从开始时只控制电容器 ( 组) 的投切发展到多种用途。该技术原理上优于合闸电阻、串联电抗器或避雷器等传统 方法，但同步开关实际动作的准确性与可靠性还有待于试验与现场运行的进一步检验。 1 9 9 8 年，国际大电网会议( c i g r e ) 对选相控制高压开关的优缺点进行了讨论，根据分析 计算结果和现场应用状况证明了其经济性、可行性与必要性。 1 3故障选相及同步开断研究现状与发展前景 常用的故障选相方法是根据电气量信息特征来实现，随着电力系统规模的日益扩大， 系统的运行方式和线路更趋于复杂化，一些特殊清况下的选相方法开始受到关注，例如 串补线路选相、发展性故障、复合故障等情况时的选相。随着大容量机组和超高压输电 线路的增多，对系统暂态稳定性的要求也更高，因而，新型的基于故障暂态量的选相方 法得到了广泛应用。 ， 利用故障暂态量的故障选相研究成为了研究的热点。因为故障后的暂态分量包含了 大量的故障信息，利用故障行波或故障暂态分量识别故障相己经得到了普遍的关注和应 用。1 9 7 8 年，a s e a 公司首次提出了利用行波或者故障暂态分量识别故障相的方法。 暂态选相元件通过模变换去掉三相之间的电磁耦合，将故障信息从相空间变换到模空间， 在模空间中，各模量相互立，对各模量经过小波变化分析，对不同故障类型的模极大值 的特性分析来进行选相。 3 基于m a t l a b 的故障选相及故障电流可控开断研究 近年来，数字信号处理理论及相关技术在电力系统中获得了广泛的应用，如相关分 析、小波变换、神经网络、数学形态学与分形理论等，这些方法推动了故障选相技术的 进一步发展。总体来说，这些新的选相方法具有选相速度快、适应于系统更多工况的特 点，克服了传统选相方法的一些不足。但它们大多建立在理论分析与仿真的基础上，对 于实际的工程运用场合还需进一步的研究。 同步开关技术的提出已经近3 0 年了，但限于当时的技术水平，主要停留在理论研究 水平上。到了2 0 世纪9 0 年代，随着高压开关及其操动机构制造水平的不断提高和微电 子自动控制技术的进步，同步开关技术日益成为现实，受到了很大关注，并得到了广泛 应用。最新的报道有：加拿大的魁北克水电公司在7 3 5 k v 系统，实现对并联电抗器的同 步操作减少合闸涌流和消除重燃过电压；日本东京电力公司首次成功地选相切除5 0 0 k v 并联电抗器【6 l ；2 0 0 3 年，匈牙利与法国分别实现1 3 2 k v 1 5 k v 1 5 5 m v a 与 3 2 0 k v 1 3 8 k v 31 5 m v a 空载变压器的选相关合和切除，减少合闸涌测7 s l ；2 0 0 3 年，加 拿大蒙特尔的n o t r e - d a m e 变电站成功地运行了1 2 0 k v ，9 6 m v a r 的背靠背电容器组同步 投切，用以减少合闸涌流和过电压，提高电能质量【9 l 。目前在相控开关相关产品的研发 方面领先的国外公司主要有：瑞士的a b b 公司，日本的m i t s u b i s h i 公司，美国的j o s l y n 公司与法国的a i s t o m 公司等。 近年来，国内一些高等院校与研究机构对选相投切技术在理论和可行性方面进行了 探讨，也进行了不同程度的尝试，取得了一些阶段性成果f 协1 2 】。国产高压、超高压开关 几乎都配用弹簧或液压操动机构，动作分散性较大，难以达到选相投切所要求的精度。 新型永磁操动机构自上世纪9 0 年代末问世以来，经国内很多单位的不断改进，稳定性与 可靠性有了很大提升，给中低压领域选相投切技术的实现提供了有力的硬件基础。在同 步开关技术的实际应用方面，国内还是以试点引进为主。1 9 9 8 年，中国第一次为某 5 0 0 k v 3 5 0 k m 空载输电线安装了选相投切装置，将过电压限制在2 p u 以下；2 0 0 0 年，长 春市一个5 0 0 2 2 0 6 6 k v 变电站选相投切6 6 k v 电抗器与电容器时把过电压限制在1 3 p u 以下；2 0 0 3 年，大朝山水电站为了解决5 0 0 k v 系统内部过电压问题，引进了a b b 公司 的开关同步合闸装置( c a t ) 1 3 1 ；2 0 0 4 年，大唐陕西韩城第二发电有限责任公司i 期工程 为了降低涌流、过电压等不良影响，引进了法国a l s t o m 公司的选相投切装置【1 4 1 。目前均 运行良好。 - ： 国际大电网会议( c i a 也) 对同步开关的发展也给予极大关注，其下设专门的研究 委员会w g a 3 0 7 定期对同步开关的应用与进展情况进行调研审议，出版了一系列文献， 并先后向c i g r e 提交了同步开关在丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、巴西等国家应用情况 的调查报告 1 5 - 1 9 1 。c i g r e 统计了截止2 0 0 1 年同步开关在不同用途中的应用情况： 4 西华大学硕士学位论文 表1 1 同步开关的应用状况调查结果( 1 9 8 4 至2 0 0 1 年) t a b 1 1r e s u l t so fw o r l d w i d es u r v e yo fc o n t r o l l e ds w i t c h i n ga p p l i c a t i o n si n s t a l l e d ( f r o m19 8 4t o2 0 01 ) 应用类型( 2 6 4 k v 8 0 0 k v )所占比例数( 2 5 0 0 ) 电抗器组投切 1 7 电容器组投切 6 4 空载架空线关合与自动重合闸 2 变压器关合 1 7 c i g r e 对同步开关的优缺点进行了多次讨论，最终确认了同步开关的有效性。w g a 3 0 7 的调查报告显示：1 9 8 4 至2 0 0 1 年期间，同步开关主要分布在2 6 4 8 0 0 k v 电压等级 与日本、欧美等发达国家，l o k v 配电网和1 0 0 0 k v 超高压领域很少有应用实例。各应用 类型所占比例如表1 1 【2 0 l 。从表1 1 中可以看出，同步开关以常规领域应用为主，尤以选 相投切电容器组的应用最多，占总数2 5 0 0 台的6 4 。这主要是由于电容器组在电网中应 用最广泛、操作最频繁，且相对更容易实现选相投切。由于其中的非周期、不对称暂态 过程使得目标相位难以有效地预测与控制，使得架空线路自动重合闸应用很少，故障电 流的选相及其可控开断未见实用报道。因此，致力于故障电流选相开断应用方面的解决 方案也是近年来智能化同步开关研究的主要方面之一。 国外故障电流同步开断的研究报导为2 0 0 3 年由p l o t l 采用的“安全点算法”确定同步 开断故障电流的目标相位【2 1 1 ，并提出了一种快速预测故障类型算法。安全点可分为对称、 非对称与偏移三种类型，一般发生在短路电流固定相角位置，常超前并接近过零点。用 安全点代替过零点作为同步参考，可把计算时间减小到6 m s 以下，从而可在继电保护装 置响应之前开断短路电流。此法缺陷在于较高的三r 比率会加大安全点与电流过零点的 间隔，从而削弱同步效果；并且在系统出现零点延迟情况下，采取安全点算法将大大降 低同步开断的可靠性。近年来，国内的一些高等院校也致力于相关技术的研究，文献 2 2 】 提出了基于自适应神经元的短路电流参数提取算法，该算法在半个周波后实现对故障电 流的跟踪；文献【2 3 采用改进梯度校正算法辨识短路电流特性，该方法对于采样窗口的 数据量要求比较灵活，减少了衰减时间常数对计算结果的影响，但是在故障发生后1 8 m s 以上才能准确计算出短路电流的基波分量，不能满足继电保护快速响应场合，与继电保 护装置的配合上不够理想。故障电流的不对称特性给同步开断时预测和选择目标电流零 点带来了极大的困难。因此，需要通过更多的试验与实践来检验其可行性与益处，推动 此项技术的进步。 1 4 真空断路器同步开断的目的和意义、 随着世界范围内的高中压领域无油化趋势的快速发展，真空断路器得到了极为广泛 5 基于m a l l 。a b 的故障选相及故障电流可控开断研究 的应用，特别在3 5 k v 以下的中压领域，真空断路器占了主导地位。因而，实现对真空 开关的智能化操作具有革命性的理论意义和重要的工业应用价值。因此本文的研究主要 以真空断路器作为研究载体。近年来国内外真空开关智能化的前沿课题是实现同步操作， 即开关触头在零点电压时关合，或在零电流时分断1 2 4 1 。断路器的同步分断可以大大提 高其分断能力，一台低成本的开关如能保证在电流接近过零点时快速分开触头，就可分 断相当大的短路电流。因此，同步开断技术已成为真空断路器向高电压大容量发展的必 然趋势。多相故障时，确定故障类型和故障相别后，实现故障相电流同步开断需要解决 两方面问题：一是需要采用快速有效算法，精确地根据短路电流的离散采样值辨识出短 路电流的特征参数，建立故障电流模型，预测其零点并计算出等待时间，进而提前向操 动机构给出分闸命令；二是利用物理元器件实现同步开断算法的功能和行为要求。 本论文所进行的断路器同步开断着重于故障后选相算法和断路器选相分断算法及控 制策略的研究，所设计的方案主要目的是快速选出故障相、对于故障电流运用同步开断 技术使得断路器经历最优燃弧时间切除。断路器触头分离后只有在电流过零点才可能将 电弧熄灭断开电路，它的理想的开断过程是其触头电流过零点准确分开熄灭电弧。真空 开关分断故障电流时，触头分离时产生真空电弧，触头间电弧的温度和压力骤增，在磁 场的作用下电弧形态发生转变，其转换时间主要与分闸相位有关。 如果触头在电流过零后不久就分离，则电弧燃烧时间长、能量大，不利于熄弧；如 果触头在接近电流零点前才分离，虽然电弧燃烧时间短、能量小，但当电流过零时，触 头开距来不及增大，触头间隙中金属蒸汽来不及扩散，同样也不利熄弧。因而，存在一 个最佳的电流过零前分离时刻，只要触头在电流过零前的最佳时刻分离，则过零后弧隙 的介质恢复强度特性上升最快。此时要求真空开关在最短的触头分离时间和保证电弧形 态已转变的最短时间之内达到临界开距，即在保证电弧形态转变时间和提高开关的初始 分闸速度之间找到一个最佳时间点，保证电流过零时电弧已转变为扩散形态，同时保证 燃弧时间是临界开距下的最小燃弧时间。若能达到上述要求，则可有效避免弧隙的电击 穿和热击穿，有利于电弧熄灭。因此，采用同步分断技术使触头在过零前的最佳时刻分 离，可以提高断路器的开断能力、减少触头电磨损、延长触头电寿命、优化断路器的设 计。 一 1 5 论文的主要研究内容 本论文的研究工作集中在两个方面。第，对断路器开断多相故障时故障选相的研 究。由于不同故障类型下相电流故障分量的正负序分量具有不同的相关性，故从相关分 析可以确定故障类型；多序故障分量均进行相关分析即可确定出故障相别。该部分分析 了不同故障类型下，各相故障分量电流的正负序分量之间的相关性，选相算法正是基于 6 西华大学硕士学位论文 这种相关性来确定故障类型和故障相别。第二，以提高高压断路器的开断能力、在可靠 开断故障电流的前提下缩短燃弧时间、+ 顺利切除故障部分为目的，从同步开关的基本理 论，断路器的统计特性，控制信号的检测和提取，算法应用于各种故障条件的可行性等 方面进行分析和研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 论述了高压断路器开断相关理论，开断过程中弧隙介质强度大于恢复电压时成功 开断故障电流。指出了高压断路器若采用可控开断技术i 则能够有效抑制开关操 作暂态过电压，提高开关的开断能力，明确了本文的研究方向。 ( 2 ) 基于高压断路器开断故障电流的相关理论，论述了故障选相在高压断路器开断多 相故障时的实际意义。采用相关分析的理论，利用多序故障分量实现多相故障时 的快速、准确选相。 ， ( 3 ) 结合同步开关技术，提出断路器可控开断设计方案，分析影响可控开断的主要因 素，配合不同继电保护响应时间调整可控开断处理流程以保证不延长故障切除时 ， 间。采用自适应检测算法快速判断故障初始相角、准确提取故障电流特征参数， 建立故障电流模型，实现了断路器可控开断控制信号的快速、准确提取。 ： ( 4 ) 根据电力系统运行条件，在m a t l a b 中s i m u l i n k 下建立电力系统模型进行深 入的探讨。通过仿真不同短路类型、不同短路电流参数，检验故障选相算法和可