（电机与电器专业论文）故障电流相控分断电流零点预测算法的研究.pdf

故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 r e s e a r c ho nf o r e c a s tm e t h o do fc u r r e n tz e r o c r o s sp o i n t s f o rc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n a b s t r a c t s h o r tc i r 曲i tf a u l ti sac o m m o nf a u l ti np o w e rs y s t e m b e c a u s eo ft h ed e c r e a s i n g i m p e d a n c eo fp o w e rs u p p l yc i r c u i ta n d t r a n s i e n tp r o c e s sr e s u l t i n gf r o ms u d d e ns h o r tc i r c u i t w h e nt h ef a u l th a p p e n s ，t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti n c r e a s e sg r e a t l yi nt h es h o r tc i r c u i tl o o p ， e v e nm a n yt i m e sm o r et h a nt h er a t e dc u r r e n t s h o r tc i r c u i tc u r r e n ts e r i o u s l ya f f e c t ss a f ea n d s t a b l eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s c o n t r o l l e ds w i t c h i n g , a l s oc a l l e ds y n c h r o n o u s s w i t c h i n g , h a sb e e np r o p o s e di nr e c e n ty e a r s i th a sb e e ng r a d u a l l yu s e di ns w i t c h i n go f c a p a c i t o rb a n k , s h u n tr e a c t o r , u n l o a d e dt r a n s f o r m e ra n ds oo n , w h i c hc a ne l i m i n a t ei n r u s h p h e n o m e n o na n do v e rv o l t a g ee f f e c t i v e l y h o w e v e r , t h e r eh a s n tb e e na ne f f e c t i v es o l u t i o nf o r c o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o ny e t c o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o nc a nr e d u c et h ec o n t a c ta b l a t i o na n di m p r o v es o m e p r o p e r t i e so fc i r c u i tb r e a k e r s ，s u c ha sb r e a k i n gc a p a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dl i f e t i m e s o c o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o nc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fn e w b r e a k i n gt e c h n o l o g y , w h i c h i st h ef r o n t i e rt o p i c si nt h ef i e l do fh i g hv o l t a g es w i t c hi nd o m e s t i ca n da b r o a da tt h ep r e s e n t t i m e c o n t r o l l e ds w i t c h i n gi sat e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n t o fo p e n i n go rc l o s i n go fac i r c u i tw i ms p e c i f i ct a r g e tp o i i l to na na s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n t w a v e f o r m f o rc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n , f o r e c a s to fc u r r e n tz e r o c r o s sp o i n t si st h e p r i m a r yt a s k a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hs t a t u si nd o m e s t i ca n da b r o a d ，t h i sp a p e ri n 仃o d u c e s t w of o r e c a s tm e t h o d so fc u r r e n tz e r o - c r o s sp o i n t sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hm a yl a ya t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec a u s e so fs h o r tc i r c u i tf a u l ta n dc o n t r o l l e ds w i t c h i n g ，a n d a l s od e s c r i b e sd i f f e r e n tt y p e so fs h o r tc i r c u i tf a u l ta n da p p l i c a t i o ns t a t u so fc o n t r o l l e d s w i t c h i n g s e c o n d l y , t h es c h e m eo fc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o ni sd e e p l yr e s e a r c h e dw h i c h d e s c r i b e st h en e c e s s a r yw o r kb e f o r ep r e d i c t i n gc u r r e n tz e r o - c r o s sp o i n t s a n dt h e nt h i sp a p e r c a r r i e so u tt h ee f f e c t so fr e l a t e dp a r a m e t e r so nc u r r e n tz e r o c r o s sp o i n t sa c c o r d i n gt os e t t i n g u ps i n g l ep h a s es h o r t c i r c u i tm o d e l f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e s c r i p t i o n so fs a f e - p o i n t s a l g o r i t h ma n ds e l f - c h e c k i n ga l g o r i t h mi nd e t a i l ，a n dp r e s e n t st h ep r o c e s so fi t sr e a l i z a t i o n b a s e do nd i f f e r e n tw a y st od e s c r i b ef a u l tc u r r e n t , t h i sp a p e rp u tu ps i m u l a t i o na n a l y s i sb yt w o a l g o r i t h m s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 t h ea d a p t a b i l i t yo ft h et w oa l g o r i t h m sh a sb e e nd i s c u s s e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s a n dd a t ap r o c e s s i n gf o rs e v e r a lt i m e s ，w h i c hc a l lp r o v i d ea d v a n t a g e o u sr e f e r e n c ef o rc h o o s i n g s u i t a b l ea l g o r i t h mt oa c h i e v ec o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o na c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d a tl a s t ， t h i sp a p e rc o n c l u d e st h er e s e a r c ha n da n t i c i p a t e st h ep r o s p e c t so f i t k e yw o r d s ：f a u l tc u r r e n t ；c o n t r o l l e di n t e r r u p t i o n ；z e r o 。c r o s sp o i n tf o r e c a s t ； s a f e p o i n t sa l g o r i t h m ；s e l f - c h e c k i n ga l g o r i t h m p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 8 7 7 0 6 6 ) 1 1 1 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期i - j 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工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，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。 学位论文题目：丝璋鱼z 趁控金毖直盗鐾选遨冽簋笾豳鸳室 作者签名：垒盐日期：丝2 年鱼月三上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1电力系统的故障概述及其影响 电力系统可能发生的故障类型比较多，常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、 断相以及各种复杂故障等，而短路故障则是电力系统中危害最严重的故斟。 1 1 1短路的概念及原因 所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的短 接。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间都是绝缘的。如果由于 某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，就称电力系统发生了短路故障。表1 1 给出了在 三相线路上发生各种短路的情况，三相系统中短路的基本类型有三相短路k ( 3 ) 、两相短 路k ( 、单相短路接地k ( n 、和两相短路接地k ( 1 1 ) 。其中三相短路时，三相电路仍然是 对称的，故称为对称短路，其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。 表1 1 各种短路的示意图和代表符号 t a b 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m sa n dr e p r e s e n t a t i v es y m b o l so f v a r i o u ss h o r t = c i r c u i t s 短路种类示意图 代表符号 ， 三相短路 夕 k o ) ， 两相短路 7 k ( 2 ) ， 单相短路接地 亏 k ( 1 ) ， 两相短路接地 夕 k ( u ) 发生短路故障的原因主要是电气设备载流部分的绝缘损坏。引起绝缘损坏的原因有 各种形式的过电压，如遭到雷击；绝缘材料的自然老化、脏污；直接机械损伤等。绝缘 的破坏在大多数情况下是由于没有及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运 行维护不良所致。运行人员误操作，如带负荷拉刀闸、线路检修后未拆地线加电压等也 会引起短路故障。此外鸟兽跨接在裸露的载流部分以及风、雪、雹等自然现象所造成的 短路也是屡见不鲜【2 】。 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 1 1 2 短路的现象及后果 电力系统短路故障的基本表现为电流的剧烈增加和系统电压的大幅度下降。短路对 电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。在发生短路时，由于电源供电回路的阻 抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该 回路的额定电流许多倍。短路点距电源的电气距离越近，短路电流越大。例如在发电机 端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的 1 0 1 5 倍，在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安。相对地短路时，短路点 电压降至零，短路点及其附近各点的电压明显降低【2 捌。 短路故障对电力系统造成严重的负面影响，主要表现有下列几个方面【l 卅： ( 1 ) 短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发热 增加，当短路持续时间较长时，也可能使设备过热而损坏。 ( 2 ) 很大的短路电流通过导体时，可引起导体间很大的机械应力，可能会对导体 及其支撑造成破坏，如变压器绕组变形。 ( 3 ) 不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，在邻近的平 行线路( 如通信线路、铁道信号线路等) 内感应出很大的电动势，造成对通信的干扰， 并危及设备和人身安全。 ( 4 ) 系统电压短时大幅度下降，即电压跌落，产生电能质量问题。对于异步电动 机负荷，其电磁转矩同端电压平方成正比，电压下降时，电磁转矩显著降低，可导致电 动机停转，造成产品报废及设备损坏的严重后果。目前新出现的高科技企业，如半导体 企业，对电压质量的要求非常严格，电压跌落将造成严重的经济损失。 ( 5 ) 短路故障有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏电力系统稳定运行，甚 至使电力系统瓦解，引起大面积停电，这是短路故障最严重的后果。 ( 6 ) 短路电流很大时，造成断路器开断困难。 ( 7 ) 变电站增容改造后，大批设备需要更换，投资巨大。 运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的机率最高， 我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数如表1 2 ，其中l l o k v 线路上各种类型短路故障的相对机率如表1 3 所示【5 】： 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 2 某电力系统发生短路故障的相对次数统计 t a b 1 2r e l a t i v en u m b e rs t a t i s t i c so fs h o r t - c i r c u i tf a u l to c c u r r e di no n ep o w e r s y s t e m 发生范围相对次数 在l l o k v 线路上 7 8 o 容量为6 0 0 0 k w 以上的发电机 7 5 1 1 0 k v 变压器 6 5 1 1 0 k v 母线 8 0 9 6 表1 3 某电力系统l l o k v 线路上短路故障类型的相对机率统计 t a b 1 3r e l a t i v ep r o b a b i l i t ys t a t i s t i c so fs h o r t - c i r c u i tf a u l to c c u r r e d0 1 11 10k vl i n ei no n ep o w e rs y s t e m 短路类型相对机率 三相短路5 两相短路 4 单相短路接地 8 3 两相短路接地 8 从表1 3 的数字中可以看出，在线路短路故障中单相短路接地短路占绝大多数，所 以线路短路故障开始发生时，绝大多数的故障可能是单相接地，考虑到故障常具有转变 扩展的性质，单相短路故障很容易发展为多相短路故障，从这点出发，缩短故障切除时 间，可避免多相短路故障对电力系统造成的严重影响，并使单相重合闸充分发挥作用； 同时，缩短故障切除时间，也可减轻故障点设备的损伤程度。 两相短路接地故障比单相短路接地故障少得多，但比三相短路故障多，这合乎故障 发展的特点，上述统计资料表明，对中性点直接接地的高压电力系统，单相和两相接地 的短路故障占了绝大多数，也就是说接地短路故障的保护担负着十分重要的任务，任何 情况下，应保证反应接地短路故障的保护有较好的性能并可靠投入运行。 三相短路故障有两种类型：第一种是发展性三相短路，由单相、两相故障发展为三 相短路故障，大多数三相短路故障属于这种类型，在短路初瞬电力系统是不对称的。发 展为三相短路故障的时间不是固定的，有长有短。第二种是三相同时性的对称短路，主 要由雷害造成。例如当线路杆塔接地电阻较大、架空线路保护耐雷水平较低而雷击架空 地线时，塔顶电位突然升高，大大超过瓷瓶的绝缘强度，则会向三相导线闪络，造成三 相短路。在三相同时性对称短路时，电力系统一直处于对称状态。运行实践表明，三相 短路故障比两相短路故障多，占有一定比例，且三相短路故障对电力系统影响最严重。 两相短路故障发生原因较为特殊，所占比例较小。如大风造成的导线异常摆动，在 两相导线摆动靠近时引起闪络，发生两相短路。这种短路故障的特点是：只有保护动作 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 迅速时才能跳闸，如保护动作时间较长或短路电流较大的一侧先跳闸后，故障可能自行 消除。此外，这种故障会连续发生，有时一天内一条线路会连续发生多次。船桅与过江 导线相碰，飞机与导线相碰等均会引起两相短路故障。如不迅速切除，两相短路故障可 能发展为两相接地短路或三相短路故障。 分析短路故障时还要注意故障的转换性、故障的重复性。所谓转换性故障，指的是 短时间内，一种故障转换为另一种不同性质的故障。如a 相接地后，由于雷害，短时间 内b 相又发生接地。可能出现a 相接地后发展为a b 相短路而接地消失的现象，也有可 能故障开始时是两相短路，短时间内转换为两相接地短路。故障的重复性则是指输电线 路发生故障，在重合闸合闸成功的短时间内，在同一地点又发生故障的可能性较大，尤 其是在大气条件恶劣的情况下【4 】。 1 2 相控开关技术 1 2 1相控开关技术简介 由于开关分合闸操作的暂态过程会带来不可忽略的负面效应，为了满足电网发展和 电力用户对高质量、高可靠供电的需求，目前所采用的传统措施又存在这样或那样的不 足，不能从根本上解决问题。近年来随着开关制造工艺、现代电力电子和测控技术的不 断提高，开关正朝着智能化方向发展。同时，电力市场的竞争日趋激烈，要求进一步减 少设备费用，延长维修周期，提高供电质量，提高系统运行的经济性和可靠性。在此背 景下，开关选相投切技术日益受到制造部门与用户的关注，目前已成为智能化电器的研 究热点之一。 选相投切技术是由相控开关( 又称同步开关或选相控制开关) 来实现的。相控的概 念最早出现于二十世纪七十年代，其实质是根据不同负载( 如电容器组、空载变压器、 架空输电线等) 的特性，控制开关在电压或电流的最佳电角度完成合闸或分闸，实现无 冲击的平滑过渡，能有效地削弱开关瞬态电磁效应【6 】。图1 1 为相控开关的基本工作原理 图，相控开关是以微处理器为核心的电子控制系统，它主要由相控开关控制器、参考电 压和电流输入、操作命令输入和输出、开关操作时间补偿( 环境温度和控制电压) 和电 力开关组成【7 8 】。表1 4 为相控开关的使用目的、优点及最佳投切相位。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 r厂弋“j j v 、- d厂、1： 负载” - ， 厂、1： ：_ 磊差塞茎嘉e 二n - ， 三相合闸信号 控于f 关 i 7 i 操动 i 控制电压监测h 叫 拦剜菥千i 三相赢信喜 机构l i 远动就地i = 相开关状态 i 操作指令i 图1 1 相控开关的基本工作原理框图 f i g 1 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fc o n t r o l l e ds w i t c h i n g 表1 4 相控开关的使用目的、优点及最佳投切相位( c i g r ew g l 3 0 7 ) t a b 1 4 p u r p o s e s ，b e n e f i t sa n do p t i m u mi n s t a n t so fc o n t r o l l e ds w i t c h i n g 内容使用目的优点最佳投切相位 空载变压器合闸 省略合闸电阻中性点接地：相电压峰值 抑制励磁涌流提高电压稳定性中性点绝缘：首合相，电压峰值， 并联电抗器合闸 防止继电保护误动后两相线电压峰值 抑制涌流 减少触头磨损中性点接地：各相电压零点 电容器组合闸降低维修成本中性点绝缘：第1 ，2 相为线电压零 抑制过电压降低绝缘水平 点，第三相为相电压零点 省略合闸电阻 空载输电线合闸 抑制过电压 各相电压零点 降低绝缘水平 降低绝缘水平 并联电抗器开断防止重燃无重燃的燃弧时间 减少触头磨损 空载输电线与 防止重击穿 提高容性小电流开 电容器组开断 断性能可靠性 无重击穿的燃弧时间 在电力系统运行中，最通常的操作包括：投切电容器组、投切电抗器组、投切空载 输电线、投切空载变压器。在这些操作中，都容易产生过电压或涌流等暂态现象，对电 力设备和系统运行产生危害。相控开关技术通过将断路器触头的分合闸瞬时控制在电压 或电流零值附近，来减小甚至消除这些暂态的危害。图1 2 和图1 3 为随机投入与相控投 入时对电流和电压的影响【9 , 1 0 】。 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 图l2 非相控和相控投入时的合闸涌流 f i g 1 2 i n r u s hp h e n o m e n o nf o rn o n - c f ia n dc f i 图1 3 非相控和相控投入时的合闸过电压 f i g 1 3c l o s i n g0 v e l v o l t a g ef o rn o n - c f ia n dc f i 1 2 2 相控开关技术的应用现状与前景 c i g r e 对相控开关的发展给予极大关注，其下设专门的研究委员会w g a 3 0 7 ( 前 身是第1 3 工作组w g l 3 0 7 ) ，定期对相控开关的应用与进展情况进行调研审议，出版 了一系列文献，给出了相控开关在丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、巴西等国家应用情况 的调查报掣1 1 d5 1 。2 0 0 5 年，c i g r e 在日本东京召开，其中仍有相控开关的专题讨论【1 6 】。 c i g r e 多次对相控开关的优缺点进行讨论，确认了其有效性。w g a 3 0 7 的调查报告显 示：1 9 8 4 2 0 0 1 年相控开关主要分布在2 6 4 8 0 0 k v 电压等级与日本、欧美等发达国家， 1 0 k v 配电网及1 0 0 0 k v 超高压领域鲜有用例。各应用类型所占比例如表1 5 【1 7 】。从表中 可以看出，相控开关以常规领域( 参考信号具有周期性) 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。架空线自动重合闸应用很少，短路电流选相 开断未见实用报道，这主要是由于相关的非周期、不对称暂态过程使得目标相位难以有 效地预测与控制。 表1 51 9 8 4 2 0 0 1 年相控开关的应用状况调查结果 t a b 1 5 s u r v e yr e s u l t so 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 d19 8 4 2 0 01 应用场合( 2 6 4 - 8 0 0 k v ) 所占比例( 总数2 5 0 0 ) 电容器组投切6 4 电抗器组投切 1 7 变压器的投入 1 7 空载架空线关合与自动重合闸 2 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，匈牙利与法国分别实现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 3 1 5 m v a 空 载变压器的选相关合；2 0 0 3 年，加拿大蒙特利尔的n o t r e - d a m e 变电站成功地运行了 1 2 0 k v 等级的背靠背电容器组同步投切装置；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。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( 适用于不同工况的s w i t c h s y n c t m 系列产品) ，日本的m i t s u b i s h i 公司( 已 经开发出1 2 1 k v 、1 4 5 k v 、2 4 5 k v 、3 6 2 k v 与5 5 0 k v 电压等级的产品) ，美国的j o s l y n 公司( 主要有1 5 2 3 0 k v 电压等级投切电容器组的s y n c h r o t e q 系列产品) 与法国的a l s t o m 公司( i 冲h 2 系列产品) 等。 随着1 9 9 7 年a b b 公司研制出基于永磁操动机构的真空开关，为国内中低压领域改 进、推广永磁机构及其选相控制系统启动了良好的开端。此外，美国西屋公司已经制造 出1 3k v 6 0 0 a 、由g t o 元件组成的固态开关，目前已应用于新泽西州某变电站中的电容 器组选相投切。g t o 的开断时间可以缩短至l j l 3m s ，这是一般机械开关所无法比拟的， 不过因为其价格昂贵，并且配套设施复杂，在短期内尚不能大面积推广【6 , 1 8 】。 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【1 蛇2 1 。但在相控开关技术的实 际应用方面，国内还是以试点引进为主。国外相关的新产品中较典型的有适应于中压系 统的“智能开关模块 ，这无疑是断路器智能控制方面取得的重大进步【2 3 】。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 ) 【2 4 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r p h 2 t 2 习；目前均运行良好。 综上所述，在世界范围内相控开关可以广泛地应用于多种场合，它有着很广阔的应 用和发展前景。目前，相控开关以欧美为主在国际上的研究与实际应用己经初具规模， 但国内关注程度与实践力度还存在些不足。鉴于相控开关的优越性与显著的经济效益， 我国电力部门在改造旧电网或规划新电网时应予以关注与推广【6 】。 1 2 3 故障电流相控分断的优势与困难 。 虽然相控开关技术在近十多年的时间内得到飞速发展，在常规负荷投切方面的应用 研究越来越多，超高压空载传输线路的相控投切也已经实现。但对于更有实用价值的故 障电流相控开断( c o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n ，简称c f i ) ，情况则完全不同，迄今为止， 还没有一个有效的方案，更谈不上实际应用，是智能化开关电器领域尚未解决的难题之 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 一【1 7 】。采用相控技术分断故障电流所带来的好处是显而易见的，体现在如下几个方面： ( 1 ) 减小触头烧蚀，延长断路器寿命。断路器在分断一定的故障电流时，对应有 一个最佳开距，因而通过控制断路器触头分离相位，使开断故障电流时电弧电流在经过 最佳燃弧时间后过零，从而可以有效减少触头烧损，延长开关的电寿命。 ( 2 ) 提高断路器的开断能力。降低对灭弧室的热应力要求和对操动机构的机械应 力要求，在电力系统短路容量日益增大的背景下尤为重要。 ( 3 ) 推动新的开断技术的发展。以大功率电力电子器件为基础的新的开断技术在 一些高压大电流开断场合还存在很大困难，电流零点的预测也是以大功率电力电子器件 ( 如i g b t ) 为基础的“无弧 开断技术的前提，因此故障电流相控分断技术的发展将 推动这类新的开断技术的发展。 ( 4 ) 在一些特殊的开断场合获得最优的开断处理和效果。例如在发电机出口短路， 电流出现“失零”现象时，可以通过控制触头在最佳时刻分离，提高断路器开断大直流 分量电流的能力。此外，相控开断技术可以推广到一些需要频繁操作的负载电流开断场 合，例如电弧炉的变压器断路器，抽水蓄能电站的发电机断路器，通过相控分断，可以 大大减小触头烧蚀，提高断路器寿命，减小维修费用。 2 0 0 4 年c i g r e 针对相控开关的特殊设计和测试要求，制定了相关指导标准，并提出 短路故障电流的相控开断是相控开关技术新的研究方向和研究课题【2 6 刀】。故障电流相控 分断技术有着诱人的应用前景，引起人们的关注但迄今没有真正有效的解决方案的重要 原因之一是观念上的，目前保护人员还很难接受保护系统里有另外一个电子装置。而更 实际的原因则是实现这个任务本身的困难。要实现故障电流相控分断，需要解决的问题 有电流零点的快速预测、最佳燃弧时间的确定以及断路器固有分闸时间分散性的补偿。 要完成相控分断的任务，首先要预测目标电流零点，最佳的目标电流零点要尽可能 靠近短路故障发生时刻。然而故障电流相控分断必须与保护系统紧密结合，除了为获得 最佳燃弧时间而必须的一段很短的等待延时外，系统不允许任何其他开断命令的延时， 这样一来，目标电流零点的预测必须在保护系统响应时间内完成，而在超快速保护中， 此时间甚至可能只有5 m s ，相控分断的控制器也必须在如此短的时间内完成电流零点的 预测。但是，由于短路故障的多样性以及直流分量的影响，故障电流并不一定周期过零， 要完成此任务非常艰难。此外，有些故障还是发展的，有可能在一个故障周期内演变成 其他类型的故障，即使是稳定的故障，在三相系统中，还要考虑首相分断对另外两相短 路性质和电流零点的影响，所有这些，进一步增加了电流零点快速预测的难度。因此， 如何快速准确实现故障电流特征参数估计和电流零点预测，是相控分断必须解决的核心 大连理工大学硕士学位论文 问题，这同时也是制约当前高压断路器相控分断短路故障电流的主要瓶颈。 1 3 本文研究意义与主要内容 1 3 1 本文研究意义 随着i e c 有关智能化开关设备相关标准的颁布 2 8 2 9 】，开关电器智能化的过程必将加 速，这也将推动最典型的智能开关电器相控开关的发展。正如前文所述，故障电流 相控分断有其显而易见的优势，但也存在着一些困难，目前仍处于探索阶段，无法应用 于实际。 要想实现故障电流相控分断，首先要解决电流零点的快速预测问题。针对这一现状， 本文开展了对电流零点预测的相关研究。本课题来源于国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 8 7 7 0 0 6 ) ，本课题研究工作的突破将直接推动相控开关技术在最困难的工况即短路 故障电流开断中的应用，可以提高断路器的开断能力，提高断路器的机械、电气寿命和 可靠性，对提高断路器的技术经济水平具有重要意义，并为更高电压等级的应用打下基 础。同时还将丰富智能化电器内涵，推动以电力电子器件为基础的“无弧开断技术的 发展，为我国高压开关产品的更新换代提供技术支持，推动高电压等级开关电器的智能 化过程。 1 3 2 本文主要内容 全文共分为五章，各章内容简介如下： 第一章绪论，阐述本文研究课题的相关背景、研究意义和主要内容。 第二章首先介绍了选相投切的基本原理以及相控开关技术用于故障电流相控分断 的原理及实现方案。 第三章详细介绍了用于电流零点预测算法的单相短路系统模型的搭建，首先建立了 单相短路模型，对故障电流的各个分量进行分析，为了进一步研究相关参数的影响，本 文采用s i m u l i n k 来搭建该模型。 第四章针对文献【3 0 3 1 】中提出的两种电流零点的预测算法安全点算法和自适应 算法进行描述及相关计算，明确算法的实现原理及适用条件。 第五章重点描述了算法实现的软件平台，并以安全点算法为例介绍了算法的流程。 在此基础上分别使用两种算法对电流模型表达式及s i m u l i n k 模型的仿真数据进行仿真 分析，得出两种算法的适应性。另外也对算法在三相系统的应用进行了初步分析。 本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 2 故障电流相控分断的方案研究 2 1 引言 故障电流相控分断是选相投切技术在短路电流方面的一个应用。从绪论中相关背景 的介绍，可以看出相控开关在电容器组、电抗器组和空载变压器的投切等方面研究成果 已经非常显著。另一方面，结果也显示了在输电线路自动重合闸以及故障电流分断方面 还处于研究试验阶段。对于最具诱人用途的故障电流分断，本文将进行初步研究探讨， 而本章将首先解释故障电流相控分断的原理及实现方案。 2 2 选相投切的基本原理 选相投切技术的实质是控制开关在参考信号最佳相角处关合或开断。以在电压零点 合闸为例的选相关合原理如图2 1 。其控制过程可分为四步：( 1 ) 收到合闸指令，预期 在电压零点合闸；( 2 ) 控制系统实时检测电压零点，以前一个过零点a 为参考零点，算 出在最佳目标相位b 处闭合所需的延时t a l ；( 3 ) 延时时间到，控制器发出合闸指令； ( 4 ) 在预期相位触头闭合。与随机关合过程相比，选相关合多了步骤( 2 ) ，从而达到 相位控制的目的【们。 u ( t ) 合闸指令 控制指令 触头接触 图2 1 开关选相合闸时序图 f i g 2 1t i m i n gs e q u e n c eo fc o n t r o l l e dc l o s i n g 按式( 2 1 ) 计算出在图示相位选相合闸所需的最小延时为 l = 一t z 。+ t c k m o d l 一t c l ( 2 1 ) 式中f 为电网频率，t z l 为合闸指令距离同步参考零点的时间，t o l s 为开关合闸时 间，t o l 为c p u 计算过程所需时间。 大连理工大学硕士学位论文 控制开关的分闸相位以获得最佳燃弧时间，可在电流自然过零时获得较大的触头开 距与介质恢复强度，此时触头间隙足以承受系统恢复电压，从而避免了重燃与重击穿。 图2 2 为开关选相分闸时序图，控制器在t 2 时刻收到分闸指令后，以此前的电流零点为 同步参考零点，预设开关燃弧时间为t 躺，可由式( 2 2 ) 算出最小同步延时为 11 k = 一( k + k ) m o d 去一吃一l ( 2 2 ) - 1 式中t z 2 为分闸指令距离参考零点时间，t o p n 为分闸时间，t c 2 为c p u 计算所需时间。 图2 2 开关选相分闸时序图 f i g 2 2t i m i n gs e q u e n c eo fc o n t r o l l e do p e n i n g 2 3 故障电流相控分断的方案研究 对特定电力开关而言，总存在一个最佳燃弧区间，因而通过控制开关触头分离相位， 使分断故障电流时电弧经过最小燃弧时间过零，可以有效减少触头烧损，降低对灭弧室 的机械和热力学要求，延长开关电寿命，并提高其开断水平忉。短路故障发生后，希望 尽快在电流过零点开断，这与保护系统响应时间、开关操作时间及最小燃弧时间有关。 相控分断故障电流的最佳参考点理论上为其过零点，但是由于短路状态千变万化以及直 流分量的影响，短路电流并不周期过零，很难直接预测。 2 3 1故障电流相控分断的基本原理 当断路器结构确定以后，触头的烧损主要由燃弧过程中的电弧能量大小决定。电弧 能量可表示为 一f w = i u 口r 。( t ) i ( t ) d t ( 2 3 ) - l 式中u a r 。( t ) 为电弧电压，f ( f ) 为开断电流，为触头分离时刻，乞为电弧熄灭时电流 过零时刻。在其它条件一定的情况下，可以控制燃弧时间来减少输入触头的电弧能量。 故障电流相控分断电流零点预测算法的研究 利用电子操动的智能化真空断路器实现故障电流相控分断【3 2 弓5 1 ，即选相分闸可以提高开 关的开断能力和电寿命【2 2 】。 图2 3 高压断路器相控分断故障电流的系统简图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o no f ah i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r 如图2 3 所示，当故障发生时，断路器检测流过自身的电流信号，并采用适当方法 对电流信号进行分析，当发现奇异点时，启动故障处理程序。当确定为主动保护开关时， 根据故障初始时刻，确定一个位置，并在最佳时刻，即获得最佳燃弧时间时刻给出跳变 指令，以达到相控分断的目的。 触头状态 ( 非相控) 分闸命令 ( 非相控) 触头状态 ( 相控) 分闸命令 ( 相控) k 一。 i 八小绚 t 觥a 皇自晴 u 渤鞠 关艮访。 t 绷艘 成莲万督。p 以弋 t 矿、j u j 妁 占 t 0t 1t 2 t 3 - 一等待延时1 w a i t 故障清除时间( 2 - 3 个周期) 图2 4 故障电流相控分断原理 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo fc o n t r o l l e df a u l ti n t e r r u p t i o n 位l 大连理工大学硕士学位论文 用图2 4 表示单相不对称故障电流的开断过程，使用相控( c f i ) 和非相控( n o n - c f i ) 两种故障电流开断的方法。在一般的非相控分断过程中，短路故障在厶时刻发生，保护 系统经过一段响应时间f ，榭后( f p 脚是继电保护系统完成故障检测和处理需要的时 间) ，在f 1 时刻发出分闸命令，经过断路器的固有分闸时间kd ，e 后触头分离，再经过 段燃弧时间，瓜删凇r 后在电流零点处熄弧，完成开断过程。相控分断的过程则是在 短路故障发生后，找到一个目标电流零点t ，在特定的时亥l j t 2 给出断路器分闸命令，使 得断路器触头在岛时刻分离后，经过最佳燃弧时间t t a r g e r 脚，在目标电流零点处熄弧， 完成开断过程。 在传统的n o n - c f i 执行过程中，保护系统一旦监测到故障发生，就直接给断路器发 出跳变命令，经过一定的燃弧时间开断。由于断路器在最小燃弧时间内即可完成分断， 不需要等到弧触头分离后的第一个零点处开断。图2 4 中可以清楚地看出燃弧时间 t a r cd ，r 盯r 明显比最小燃弧时间k 删长，超出最小值的部分可以认为是“浪费”的燃 弧，会给断路器造成了多余的电损耗，也不能提高开断的可靠性。而对于相控分断的一 个主要目标就是在不延长总的故障清除时间的情况下，使“浪费 的燃弧时间最小。根 据开断电流的幅度和特征( 如容性，感性，负载或故障) ，以及所使用断路器类型的合 成暂态恢复电压特性的不同，最小燃弧时间也不同。相控分断意味着目标指向一个特殊 的电流零点，并且与断路