（电气工程专业论文）新型消弧控制技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 术义行九分析了；杉响 j f 搬拔地i u 嗍宜个f j l i u 的索，分析j ，个补偿消弧的必篮 羽i 灾施i ：的堆。小义4 ：刚迷颅随鲥睹策略捐jl ：从式消弧线阍纪构的球砌l ：，本 文敛力j j i ii ) s p 拧制器、i ，i 功渊式消弧线陶用i i | 1 0 竹拧制i u 机器“c l ) 实现利一 1 ：从式i 叮栉l l 抗消弧线吲。小义汁细刚述了、：次设锯的构成羽；选，弘，币点介绍 了1 1 c r 的原川! 嗣i 构成j i 分析了甘迎角度j 等效i 【l 抗的灭系以及惜波含：l i 笛问题。域 后文誓刈柠制器的软什做r r 介纠。新掣消弧线幽的绵构较之f i 统毛。，构铂微人f i ， 1 人1 此拧制策略- i i u 弈i u 流计3 、洲稍、选线、谐振处王i i - 郡被进行了个新的改。h 关键词：竹撤接地，消弧线i j ! ；i ，1 ：从戍，i 叮拧 u 执器 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t yo ft h ep o w e rs y s t e ma tf i r s t ， a n a l y s e st h en e e da n dh a r d n e s si na p p l i c a t i o no fa l l c o m p e n s a t i o na r c s u p p r e s s i n g f o l l o w i n gt h a to n t h eb a s i co fd e t a i l so nc o m b i n a t i o no fp r e s e t t i n gm o d ea n d f o l l o w i n g s e t t i n gm o d ea n dt h ec o n s t r u c t i o no fp r i n c i p a l a u x i l i a r y ，t h i sp a p e rf o c u so n c a r r y i n go u tap r i n c i p a l - a u x i li a r yc o n t r o l l a b l er e a c t o ra r c - s u p p r e s s i n gc o i lu s i n gt h ed s p c o n t r o l l e r ，t h ea u t o m a t i ct a p a d j u s t i n ga r c s u p p r e s s i o nc o i la n dt h et h y r i s t o r sc o n t r o l l e d r e a c t o r ( t r c ) b o t hp r i m a r ya n ds e c o n d a r ys i d e sd e v i c e sa r ed i s c u s s e dm i n u t e l y a n dt h e p a p e rc s p c c i a l l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft r ca n da n a l y s e ss u c ha st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc o n d u c t i o na n g l ea n dt h ee q u a lr e a c t o ra n dt h eh a r m o n i cc o n t e n t ，e t c a tl a s tt h e p a p e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o no nt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e r 7 r h ei n s t r u c t i o no ft h cn c w a r c s n p p r e s s i n gc o i l d i f f e r sal o tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s ，s ot h ec a p a c i t i v ec u r r e n t c a l c u l a t i o n 、t a pa d j u s t i n g 、f a u l tl i n ed e t e c t i n ga n dt h er c s o n a n c cp r o p o s i n ga r ei n n o v a t e d t o l a i i y k l yw ( ) r d s ：r e s o n a n t g i o u n d c ds y s t e m a r c s u p p r e s s i o n c o p r i n c i p a l a u x i l i a r y ， c o n t r o l l a b l er e a c t o r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎：i 亟 日期：塑垡! ! - f g 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：卫吼导师签名卜至垦亟。日 期：型：鱼蟹 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 问题的提出 随着国民经济的飞速发展，近年来我国的中压配电网络普遍向久容量、多 出线方向发展。城市电缆网络的广泛应用更加加剧了这种容量扩展的趋势。与 此同时，不断进步的社会对供电可靠性也提出了越来越高的要求，供电可靠性 成为衡量供电企业成功与否的重要标准。在这种大背景下，为中压配电网络选 择一种高可靠性的接地方式，并对这种接地方式的运行工况进行分析并提出进 一步改进的方法，成为摆在电力科研工作者面前的一个重大任务。 电力系统的中性点接地方式可划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接 地故障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属 于小电流接地方式。在大电流接地方式中，主要有中性点直接接地方式、中性 点经低电阻、低电抗接地方式；在小电流接地方式中，主要有中性点经消弧线 圈接地方式、中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性 点接地方式是一个系统工程问题。选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特 点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电 压水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济 比较，加以确定【”。 我国中压配电网普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，近年来有 些大城市的中心地区改为中性点经小电阻接地方式运行。但绝大部分仍然采用 不接地或经消弧线圈按地方式( 即小电流接地方式) 。中压配电网由于绝缘距离 小，绝缘子绝缘能力弱，比较容易在外力或者雷击下发生各种绝缘破坏故障。 而在众多的故障中单相接地故障占了全部故障的9 0 以上。对于所有故障小电 阻接地方式都必须跳闸，从而对供电可靠性构成一定影响。如果将中压电网建 设为多电源系统虽然可以解决供电可靠性问题，但是电网投资巨大，广泛采用 的话国家财力难以承受。而小电流接地方式最大的特点就足单相接地故障不需 要跳闸，对于接地电容电流较大的系统，加装自动调谐消弧线圈后能够熄灭9 0 以上的架空和电缆线路接地故障引起的电弧，避免接地故障进一步发展造成相 山东大学硕士学位论文 两葡路，不使供电企业利益受损。实践表明，小电流接地方式运行可第性商， 投资小，非常适合我国国情。 随着容毽的扩展，越来越多的中胜电网采用了谐振接地方式，以便有效的 熄灭接地电弧。谐振接地方式安全性和可靠性高【6 l ，对于电网单相接地故障的 电厝恢复和谐振过电压的限制也钉很好的作用，因此在世界范围内( 美困、英 困除外) 得到了极其广泛的应用。在中国，消弧线圈已经大量应用于6 6 6 k v 的中压电嘲中。自动调谐消弧线嘲在上世纪9 0 年代的研制成功使消弧线圈的应 用水平上了一个新的台阶。 中性点经消弧线圈接地电网在发生单相接地故障时，消弧线圈的作用体现 在两个方面：第一，接地点流过的电容电流得到消弧线圈电感电流的补偿，接 地残流减小；第二，在故障消失时故障相接地电弧两端的电压恢复速度降低， 电弧不容易重燃。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地 过电压的概率，还可以有效地抑制过电压的幅值，同时由于接地残流减小，最 大程度地减小了故障点热破坏作用。在谐振接地方式的应用中，关键在于正常 运行时不应引起谐振过电压，发生单相接地故障时应能够补偿接地电流并消除 各种瞬时接地电弧。因而其关键技术是消弧线圈补偿方式和消弧线圈的选取。 由于电网运行方式的每一次改变都对应着系统对地电容电流的改变，因此 在任何运行方式下都应保证接地残流在规程规定的范围内。对消弧线圈接地补 偿提高了新要求。老式手动调谐的消弧线圈由于不能精确地跟踪电网电容电流 的变化，其使用越来越受到限制。为此从9 0 年代中期开始，国内先后研制了几 种具备在线调节功能的自动跟踪补偿消弧线圈。自动跟踪补偿消弧线圈的应用 使得单相接地故障媳弧率从固定消弧线圈的6 0 提高到现在的9 0 ，大大提高 了中压电网运行水平。为了解决限制串联谐振过电压和接地全补偿这对矛盾， 现主要采用两种调谐方式：预调谐方式和动态调谐方式( 又称为随调方式) 。预 调谐方式指在电网正常运行时消弧线圈预先调整到全补偿点，为了抑制串联谐 振过电压，需要在消弧线圈上串联一个限压电阻。故障时迅速切除电阻实现全 补偿；随调方式指消弧线圈在电网正常运行时工作在远离谐振点的位置来防止 谐振，一旦发生单相接地故障消弧线圈迅速投切到全补偿点。 两种调谐方式都存在着自己的缺点。预调式消弧线圈的限压电阻控制复杂， 必须在故障时刻迅速切除，而且电阻的热容星必须仔细核算。顸调式普遍采用 机械式结构，速度慢，档间距大，补偿精度不高，难以实现精确补偿。随调式 消弧线圈还存在非线性和谐波等问题，故障开始时刻需要几个周波才能调整到 2 山东大学硕士学位论文 位，不能在故障开始瞬间消弧。这些都对电弧的熄灭产生非常不利的影响。 除此之外，消弧线圈系统的选线问题直没有得到很好的解决。消弧线圈 接地系统选线本来就足小电流接地系统选线领域中的难题，自动跟踪消弧线圈 由于补偿精确，故障电流更小，故障线路选择变得更加困难。实践证明突变量 选线方法是谐振接地系统最有效的选线方法之一。但是这种方法需要在选线的 时候需改变消弧线圈补偿度。造成了突变鬣法应用困难，选线屡屡失败。 1 2 解决问题的方法 在对当前消弧线圈运行模式分析的摹础上，提出了预调与随调相结合的新 调谐方式，简称预随调方式。该方式兼顾了两种方式的优点。消弧线圈的主要 作用在于熄弧，兼有补偿永久性接地故障时的接地电流。既然消弧线圈的主要 作用在消弧功能，就应该充分发挥消弧线圈能够瞬时熄灭电弧的优点，将消弧 线圈运行状态置于1 5 过补偿点处，故障发生时再快速调整到全补偿点处以实 现电弧的快速、完全熄灭。故障不消失即认为是永久性接地故障，可以进行选 线。自动跟踪补偿系统电容电流技术的发展、成熟，1 2 1 1 7 1 【8 1 也使得这种补偿方 式得以确立。其优点是明显的： ( 1 ) 这种补偿方式发挥了固定消弧线圈补偿时无须动作的优点，消弧效果 好，不需要控制就能够瞬时熄灭电网中6 0 7 0 的电弧； ( 2 ) 自动跟踪补偿消弧线圈能够在故障时快速投到全补偿点处，这足以熄 灭系统中发生的绝大多数的电弧。 ( 3 ) 电网正常运行时消弧线圈处于过补偿1 5 的位置，自动调整，能够有 效抑制谐振过电压； 除去调谐策略以外，针对消弧线圈系统 选线不准确的问题，提出了选线和消弧协调 控制的思想。这一思想来源于突变量选线方 法的应用。对于谐振接地系统，由于消弧线 圈的补偿作用，故障信号更加微弱，传统选 线方法很难正确选择故障线路。而突变量法 依据消弧线圈补偿量变化只会出现在故障线 路这原理，选线正确率相当高。但是它的 缺点就是需要消弧线圈制造一个突变量，这 图1 - i ：j z - 从式消弧线嘲方案 山东大学硕士学位论文 在消弧、选线分开进行的时候是不能实现的。选线消弧协调控制思想即选线和 消弧共用一个控制器，这个拧制器既可以调整消弧线圈到全补偿，又可以控制 制造突变量。 为了实现以上思想。必须设计一种新的消弧线圈实现方式。如何能够使已 经投入的消弧线圈在故障时迅速改变补偿量，这是预随调方式面临的困难。为 了在颅调式的基础上实现随调特性，新型消弧线圈设计采取了主从式串联结构。 如蚓1 - 1 所示，主消弧线圈为有载分接开关控制的调匝式消弧线圈，从消弧线 圈为晶闸管控制的可控电抗器。电网正常运行时只投入主消弧线圈，接地故障 发生瞬间迅速投入电抗连续可调的从消弧线圈来逼近全补偿。要想实现从消弧 线圈的电抗连续可调，还需要借助电力电子技术的帮助。 近年来电力电子技术已经在电力系统中得到广泛的应用。例如静止无功补 偿器、大容量发电机的励磁系统、高压直流输电等。可控电抗技术是晶闸管器 件应用中的一种，能够通过控制晶闸管的导通角实现电抗器电抗值的连续变化。 将这种技术应用于从消弧线圈研制中，结合上述的预调与随调相结合的调谐思 想、选线消弧协调控制思想和主从式的结构设计，就能够实现这一新型的消弧 线圈系统。这种消弧线圈在电网正常运行时工作在1 5 过补偿点，因此能够瞬 时熄灭大多数瞬时性接地电弧。对于其余的未瞬时熄灭的少量接地电弧，可以 通过投入相应的从消弧线圈电抗达到全补偿点以熄灭电弧。而对于永久性接地 故障更可以达到使接地残流更小的目的。并投切从消弧线圈制造突变量选线， 有利于保障电网安全和人身安全。它是主从式消弧线圈结构的种具体实现形 式，为了突出它的从消弧线圈实现方式，我们将其命名为“可控电抗消弧线圈”。 1 3 论文的主要工作 本论文共分四个部分。 第一部分( 第二章) 从提高谐振接地电网运行水平出发，对影响中压配电网 安全性和可靠供电的因素、消弧线圈发生单相接地故障时刻的作用进行分析， 研究提高中压电网可靠性的方法。 第二部分( 第三章) 介绍新消弧线圈可控电抗消弧线圈的整体设计，包 括定值计算、设备选型、系统结构组成等等。 第三部分( 第四章) 介绍可控电抗消弧线圈的核心部分之一可控电抗器 的原理和实现方式，包括可控硅导通角与等效电抗的关系、谐波含量分析、可 4 山东大学颈士学位论文 控硅控制电路设计等等； 第四部分( 第五章) 论述了消弧选线体化控制装置的实现问题。主要介绍 控制器的软件实现，包括电容电流计算方法、调谐策略、谐振控制和选线方法 等等。 5 山东大学硕士学位论文 第二章谐振接地系统安全分析 本章壬要分析影响中乐配电叫接地方式选择的因素，谐振接地系统与采用 其他接地方式电网系统的比较，消弧线斟在中压配电网运行中的作用、 从式 消弧线圈功能特点等等，并在此基础上研究提高谐振接地系统运行水平的方法。 2 1 电网中性点接地方式 我国电力系统中常用的电网中性点接地方式共有四种：中性点直接接地、 中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地、中性点经电阻接地和中性点不接地。 在前面的章节中我们习惯性地将这些接地方式分为大电流接地方式和小电流接 地方式。但是在我国的国家标准电工名词中，将上述四种接地方式归结为三类 接地系统【l j ，即中性点有效接地系统、中性点非有效接地系统和谐振接地系统。 常用的四种接地方式中，中性点直接接地和中性点经小电阻接地系统被归为有 效接地系统；中性点不接地、中性点经大电阻接地或谐振接地，成为中性点非 有效接地系统；中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地，称为谐振接地系统。 电力系统中性点接地方式是人们防止系统事故的一项重要应用技术。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【lo 】。合理选择中性点接地方式，对电力系统运行有几个好处：降低设备的 接地电压值；减小故障点热破坏作用；对人体提供保护；减少对通信线路的干 扰；为选择出故障线路和消除故障提供信息等【l o 川。 接地方式的选择，通常要考虑以下几个因素【1 ，2 1 0 1 ： 1 、供电可靠性 供电可靠率是国家对电网的重要考核指标。供电可靠性的首要问题是供电 连续性。我国中压电网的基本情况是装备水平普遍不高，系统备用容量不足， 而且自动化和管理水平较差。在现有条件下如何保证供电可靠性，在进行城网 和农网改造或新建时，可以选择的重要技术之一，就是选择好中性点的接地方 式。即使将来我国中压电网的条件改善了，情况也依然如此。 2 、设备安全 现代社会进入信息时代，广大用户的负荷已经和正在发生着明显的变化： 7 山东大学硕士学位论文 信息筒理系统大量进入( i 民绎济备部门，微机进入千家万户；电力控制设备和 数控加工机械丈量增加；大功率电子设备得到推广应用：长途通信设备迅速普 及。这些精密紧凑、价格高的电子、微电子设备，均具有对过电雎的敏感性， 加上电磁兼容问题的n 益突出，囡际标准在绝缘配合方面的改变等，要求电网 必须防止因各种原因在电网的低压侧和用户内部引起的地电位升高。 3 、人身安全 事实证明，为了防止与低压设备有关的人身事故，需要有效限制跨步电压 及有害电流的大小。谐振接地系统限制故障电流，在以人为本的今天对保护电 力职工和广大群众的生命安全显得更有意义。 4 、通信干扰和电磁兼容 电力网在正常运行和故障的情况下，因电磁耦合、静电耦合，地中电流传 导和高频辐射等原因，可能对通信网络产生干扰1 6 o 采用谐振接地方式，限制 单相接地故障电流，能较好地与线路密集、覆盖面广的城市通信网络兼容。 不同的中性点接地方式适用于不同的电压等级和输配电要求。中性点直接 接地系统为继电保护提供了良好的选择条件。而且不会像中性点不接地系统一 样在单相接地故障时引起非故障相电压升高。因而在单相接地故障概率小、绝 缘投资大的l l o k v 及以上高压输电系统中得到了应用。另外3 8 0 v 低压系统也 采用了这种接地方式。对于中压电网来说，近年来中性点经电阻接地在我国大 城市市中心电缆网络中得到了一些应用。这种方式为继电保护提供了良好的选 择性，但要想保证可靠供电必须有多电源。因此在我国广泛应用的可能性不大。 而中性点不接地、谐振接地在单相接地故障时刻还可以带故障运行1 2 个小时， 因而对于分布广、设备多、绝缘水平适中、单相接地故障占所有故障比例高达 9 0 的中压系统来说是最好的选择。 中压电网是处于高压电网与低压配电网之间的中问环节。运行经验表明， 中压电网的过电压事故约占整个电力系统过电压事故的7 8 8 0 ，严重地威 胁着电网安全。选择合理的中性点接地方式对于应对过电压事故的影响也非常 有帮助。因此对于保护电力用户的人身安全、设备安全和企业安全都具有重大 的意义。常用于中压电网的三种接地方式中，中性点不接地系统在系统电容电 流不大的时候可以满足电网呵靠性和安全性要求，但是电网中有可能产生异常 过电压。在发生铁磁谐振时，其过电压可达到4 倍相电压【；发生间歇性弧光 接地时，过电压可达到3 5 倍相电压。该过电压持续时问较长时将对电网中的设 8 山东大学硕士学位论文 备绝缘寿命产，七不良影响。电阻接地方式可以将单相接地时的异常电压抑制在 运行相电压2 8 倍以下，为继电保护提供良好的选择性，但是为了保证供电可靠 性必须具备多个电源，综合投资比较岛。而且故障点地电位商，对人身及设备 安全不利。而采用谐振接地方式的电网阂为可以熄灭瞬间电弧，因此运行可靠 性最高，而且单相接地故障点故障电流小对地电位低，异常过电压也可以抑制 在相电压的2 8 倍以下【l ”。尤其是装备了自动跟踪补偿消弧线圈的中压系统， 由于装置可以运行在欠补、过补和全补状态，不会发生人们担心的串连谐振现 象。同时自动跟踪消弧线圈补偿更加精确，可以将单相接地瞬问电弧熄灭率从 固定消弧线圈的6 0 提高到9 0 ，对电网的安全可靠运行有十分重大的意义。 随着我国中压电网规模的扩大和电缆线路的增多，谐振接地方式得到了越来越 多的应用。 在国外，除了美国中压电网一直采用小电阻接地方式以外，欧洲日本等主 要发达国家中压电网多以谐振接地方式和不接地方式为主。比如英国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；电缆组成的配电网，仍采用中性点经小 电阻接地方式。法国电力公司( e d f ) 在1 9 9 0 年前后开始对中压电网中性点接地 方式进行改造，将运行了3 0 多年的大电流接地方式全部改为谐振接地方式【2 5 ，2 “。 日本东京电力公司6 6 k v 配电网采用中性点经电阻接地或消弧线圈接地；6 6 k v 电网采用不接地方式。 2 2 谐振接地系统运行分析 中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。谐振接地原理是 消弧线圈运行控制的理论基础。它由电网正常运行时的电压谐振和发生单相接 地故障时的电流谐振两部分组成。合理地利用电压谐振原理，可以指导补偿电 网的正常运行和断线故障的处理等。故障点接地电弧的熄灭，符合电流谐振原 理。 2 2 1 正常运行串联等值电路 图2 - 1 为电网正常运行时补偿电网的等值接线图。对于系统的零序凹路来 说，回路中的电源只有三相不平衡电压。在此三相不平衡电压的作用下零序电 9 山东大学硕士学位论文 流流过消弧线崮、线路、线路对地电容、大地、组成零序f l j f 路。由于三相不平 衡电磕比较小，而线路对地电容容抗很人，所以这个零序电流非常小。将i 相 对地电容综合等效为一个电容c ，可以确出谐振接地系统正常运行时的零序电 路图 2 】： 一容性电流方囱 a ! ， 蛋 帼i 上 - l l 上i ( 、，v 、一 t t l t - l 上上 - ， ， i i ， ii i i 上i ( 图2 - l 补偿电网正常运行等值接线图 c 非教障线路 非故障线路 ：中性点位移电压k ：中性点不对称电压 l ：消弧线圈电感 r ：消弧线圈等值损耗电阻 c ：电网三相对地电容 圈2 - | 2 补偿由网零序串耳j 等信电路 补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电网的对地电容，可能产 生串联谐振过电压，这是消弧线圈必须避免的。人工调谐和随调式自动消弧线 圈应适当偏离谐振点运行，预调式自动消弧线圈虽然可以靠近谐振点运行，但 一般需要在消弧线圈吲路中串联限压电阻。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 单相接地故障并联等值电路 图2 - 3 补偿电网故障等值接线图 a b 1 - 故障线路 c a b 故障线路 c 当中性点经过消弧线圈接地时，如图2 3 所示，在接地点增加了一个电感 分量的电流i l ，从故障点经故障线路流向消弧线圈。由于这个电流的补偿作用， 接地点的故障电流小很多。但是此时的零序电源应该足位于故障点处的三相不 平衡电压之和，金属性接地情况一相电压为零，三相不平衡电压即为相电压。 该电压的作用下，消弧线圈电抗和线路电容是并联关系。其等值电路为2 1 ： 一n 。：故障相电压 r d ：接地点过渡电阻 ：消弧线圈和系统阻尼电阻c ：系统对地电容 图2 4 补偿电网零序并联等伯接线图 图2 4 补偿电网零序并联等值电路 c 山东大学硕士学位论文 2 2 3 故障相电压恢复过程分析 在补偿电网中，由于接地电容电流被消弧线圈产生的电感电流所补偿，残 余电流较i j 性点不接地时小很多。残余电流的接地电弧熄灭后，故障相的电压 足伴随着中性点振荡电压分餐的衰减而逐渐恢复的，所以，残余电流的接地电 弧比较容易熄灭 1 , 2 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 咋2 u a + u o 2 艺= 【l - e - s t e j ( “o - m ) t 】 = c ，“e 且4 + 计【l p 。于“】 ( 2 1 ) 式中，为电源的强制电压：u a = k 。e 7 “+ 一； 为中性点的自由振荡电压：u o = - u c p m e 4 e j ( 州埘： 为自由振荡电压的角频率： 铴= 7 每= 双l 一口) ；烈l 一罟) ； 、，l o 山 占为零序回路的阻尼系数：j = 三刎： 2 d 为补偿电网的阻尼率： 为相电压的幅值； 妒为接地电弧熄灭时电压和电流之问的初始相角。 由故障相恢复电压的表达式1 2 1 ( 2 一1 ) ，有利于电弧熄灭的条件有三个1 8 】： ( 1 ) 残流越小越容易熄灭； ( 2 ) 恢复电压的初速度越低越容易熄灭： ( 3 ) 故障相电压恢复到额定相电压幅值的时问越长越容易熄灭。 以下针对影响熄弧的三个方面及相关问题进行分析： l 、残流大小 消弧线圈补偿后的残流大小与诸多方面有关。首先如果装备的是固定消弧 线圈，补偿量不随电网电容电流变化而变化，则补偿残流一般都比较大；对于 自动跟踪补偿消弧线圈，随调式采用电子控制，消弧线圈补偿精度高；而预调 式消弧线圈由于是机械式控制，档位之间电流差一般都在4 5 安培，因此原理 上决定了补偿精度也不会像随调式一样高。 2 、故障相电压的恢复初速度 故障相恢复电压的初速度的大小在相当大的程度上制约着故障点的电弧是 否重燃，故障相恢复电压的初速度为： 1 2 山东大学硕士学位论文 k 2 詈厮2 詈哮 2 ) 式( 2 2 ) 清楚的表明，故障槲恢复电压的初速度与阻尼率d 、失谐度”直接相 关。或者说它同故障点的残流厶与接地电容电流k 的比值成正比。显然，当残 流减小时，恢复电压的初速度降低，接地电弧较难重燃。 阻尼率对于恢复电压初速度有霞耍影响。随着d 值的增大，振荡电压分量 的衰减会加快，恢复电压的初速度也会随之增大，对接地电弧的熄灭也会产生 不利的影响，同时还会出现谐振点偏移现象。因此，自动消弧线圈的限压电阻 值退h 的快馒将影响消弧线圈的熄弧效果，最好能够取消阻尼电阻。 3 、故障相电压的恢复时间 接地电弧过零熄灭后，故障相电压恢复到正常相电压的时问： 1lr f = 二_ 1 鼍兰一= 0 0 0 6 4 善( j ) 。此式表明，故障相电压的恢复时间与残流的大小 国4 a 2 + 1 8 成反比。故接地电弧发生后，应尽快调整消弧线圈使接地残流最小。这正好是 预随调补偿方式要做的。单纯的随调式增大了残流值，显然会缩短故障相电压 的恢复时问。 4 、故障点的绝缘恢复能力 交流电弧在电流过零熄灭以后是否重燃是由接地点的电压恢复速度和接地 点的绝缘恢复能力两个因素共同决定的。故障点的绝缘恢复能力取决于故障点 的去游离能力，也即故障点的电弧电流的大小和燃弧时间。实验表明，消弧线 圈的调节速度是决定接地电弧是否熄灭的重要因素。如果电弧在我们设定的预 调补偿度下不能熄灭，而消弧线圈又没有快速向全补偿点移动，这时接地电弧 已经剧烈燃烧一段时间，空气已经被电离的非常充分，接地点的去游离能力将 急剧下降。要使接地点的间隙绝缘恢复能力得到很快的恢复将相当困难，接地 点间隙的电压恢复速度很快就超过了接地点问隙的绝缘恢复能力，导致接地点 间隙在电流过零熄弧后再次击穿，这时即使投到全补偿点也可能无济于事，因 此消弧线圈动作的快速性是检验消弧线圈性能的主要指标之一。 综上所述，由于消弧线圈的存在，使接地故障电流减小，有效地限制了接 地电流和电弧的电动力、及热效应和空气游离等破坏作用，防止或减小了在故 障点形成残流性故障的概率；故障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相 电压的恢复初速度，接地电弧得以彻底熄灭，补偿电刚瞬问恢复了正常运行。 山东大学硕士学位论文 2 2 ，4 采用谐振接地系统的优势 采朋谐振接地方式的优势有以f 几点【9 l ： ( 1 ) 经消弧线圈补偿接地后，能使单相接地故障点流过的电流减小，减缓放 障相电压的恢复初速度，减小了弧光接地过电雎的危险，有利于单相瞬时接地 故障处电弧熄灭。从而避免了故障跳闸，提高了配电网的可靠性。 ( 2 ) 当发牛单相接地故障时，由于单褶接地故障电流被消弧线圈补偿，故稳 态单相接地故障电流变小，从而故障点的接触电雎和跨步电压降低，不会危机 人身安全。由于中性点经消弧线圈接地减小了接地点的电流，也就减轻了设备 的损坏程度，抑制了电弧的扩散范围。 ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地可以根治电压互感器引起的铁磁谐振，不再需要 其他消谐措施。因为消弧线圈电感l x 与电压互感器励磁电感l p 相比要小的多。 在零序回路中，l x 和l p 是并联的，所以l p 几乎被l x 短接，l p 因饱和和引起 的三相不平衡，也不会产生过电压。 ( 4 ) 经消弧线圈接地，减小了接地故障电流，从而创造了配电网电磁兼容环 境。输电线路电磁场对通讯与信号系统的干扰是相当严重的。每条交流输电线 路的周围都建立了交变电磁场，而交变电磁场又在临近的导体中感应电势，当 回路位于高压输电线路附近的通信线路或信号系统时，感应电就会造成严重的 干扰，甚至危及工作人员的安全或引起信号装置的爆炸。消弧线圈接地系统中， 由于消弧线圈的接入改变了配电网的参数，使综合零序阻抗变得很大，从而减 小了对音频的干扰。发生单相接地故障时，接地故障电流的分布与故障点无关， 而仅取决于消弧线圈的安装地点及相对位置。因此可以设法调节接地故障电流 的分布，使电磁感应部分得以相互抵消。 ( 5 ) 经消弧线圈补偿接地对于抑制中性点不接地系统中的过电压有明显的 作用。抑制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压就是典型的例子。除此之外，消 弧线圈接地方式对于断线谐振过电压、保护线路设备都有重要作用。 如前所述，谐振接地系统在熄灭瞬问电弧、降低故障对人身、设备安全的 影响等方面有很大的作用。因此在系统电容电流较大的时候应该采用谐振接地 方式。根据国家标准( g b 5 0 0 7 0 - - 9 4 ) 矿山电力设计规范，当单相接地电容 电流小于等于1 0 a 时，宜采用电源中性点不接地方式；大于1 0 a 时必须采取限 制措施。我国电力行业标准( d l t 6 2 0 - - 1 9 9 7 ) 交流电气装置的过电压保护和 绝缘配合规定，3 k v 1 0 k v 不直接连接发电机的系统和3 5 k v 、6 6 k v 系统， 1 4 山东大学硕士学位论文 当单棚接地故障电容电流不超过卜列数值时，应采用不接地方式；当超过f 列 数值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式： a ) 3 k v1 0 k v 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有3 5 k v 、 6 6 k v 系统，1 0 a 。 b ) 3 k v 1 0 k v 非钢筋混凝士或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压 为： 3 k v 和6 k v 时，3 0 a ：1 0 k v 时，2 0 a 。 c ) 3 k v 1 0 k v 电缆线路构成的系统，3 0 a 。 同时行q p 标准也规定了接地残流。正常运行情况下，中性点的长时问位移 不应超过系统标称相电压的1 5 ，故障点的残余电流不能超过1 0 a 。关于补偿 电网的单相接地残流值，德国工程通常要求不大于4 a ，瑞典要求不大于5 a ， 我国煤炭部规定不大于5 a 。 2 3 自动跟踪补偿消弧线圈 正如前面的分析，如果能够快速熄灭电弧，电网中的设备、人身安全就能 够更好地保证，由于电弧引起的各种过电压就能够得到限制，更重要的是单相 接地故障不会扩大为必须跳闸的相问短路故障，配电网的安全性就可以得到极 大的提高。但是对于电弧快速熄灭的三个条件( 残流越小越容易熄灭、恢复电 压的初速度越低越容易熄灭、故障相电压恢复到额定相电捱幅值的时间越长越 容易熄灭) 来沈，传统消弧线圈显得力不从心。因此研究一种新型的自动跟踪 调谐消弧线圈，最重要的是保证它在电网故障时能够快速消弧。抓住了消弧这 个关键，就能够从总体上提高配电网的运行安全性。 2 3 1 自动跟踪消弧线圈概述 消弧线圈在电网发生单相接地故障时最好处于全补偿位置，这样对于接地 瞬间电弧的熄灭、限制接地电流对人身设备安全的损害、故障消失后的相电压 恢复都更有好处。但是要保证消弧线圈处于全补偿位置必须解决两个问题：一 是运行在全补偿点的消弧线圈在中压电网没有单相接地故障时存在产生串联谐 振过电压的危险，如何限制这个过电压的问题；二是配电网运行情况多变，系 统电容电流也会随着季节、天气、运行方式的不同发生改变，在这种情况下如 山东大学硕士学位论文 何t 卜消弧线圈跟踪系统电容电流的变化的问题。9 0 年代以来在我嗣谐振系统1 1 l 逐渐推广的自动跟踪补偿消弧线圈在一定程度上解决了这两个问题。 从调谐方式上分，目前困内外自动跟踪消弧线圈的使用中，其补偿策略一 般可分为预调式( 全补偿外加阻尼电阻运行方式) 和随调式( 远离谐振点补偿方式) 两种。 预调式又叫外加阻尼电阻运行方式，它是在消弧线圈上串联或并联阻尼电 阻屹，从而增大电网阻尼率d ，使得电网正常运行时串联谐振过电压小于规程 规定的o ，1 5 “m ，这样就可以在电网正常运行时将消弧线圈调谐至全补偿状态或 接近全补偿状态，等待故障的发生；当出现单相接地后，瞬间将阻尼电阻如短 接，从而实现最佳补偿，目前的自动调匝式消弧线圈的控制就采用这种策略。 随调方式盯1 ，孔哪又叫远离谐振点补偿方式，它足在电网正常运行时加大脱谐度， 使消弧线圈远离谐振点，当电网发生单相接地后，瞬时调整消弧线圈至全补偿 状态，实施最佳补偿。目前的偏磁可调式消弧线圈、二次调容式消弧线圈等均 采用这种补偿方案。 从结构上来分，目前实现消弧线圈电感连续可调的原理有下列几种【2 0 】：气 隙可调原理、助磁可调原理、变压器高短路阻抗连续可调式、二次侧调容式等。 气隙可调原理是通过连续改变磁路中的气隙长度来实现电感的连续可调， 这种调节方式要求采用精密的机械传动机构，并且响应速度慢，噪声大，易产 生机械动作失灵。 助磁式可调原理是通过改变铁芯磁化段磁路的直流助磁磁通大小来调节交 流等值磁导以实现电感的连续可调，它属于静态调节方式，装置依靠电气手段 实现自动调谐，调谐时问短，无机械传动部件，但是存在非线性和噪声、谐波 污染问题，而且设计、制造工艺复杂，造价高。 变压器高短路阻抗连续可调式目前采用的方法是通过改变与高短路阻抗消 弧线圈二次绕组相并联的晶闸管的导通角来改变消弧线圈的等值电感，达到来 连续调节补偿电流的目的，此种消弧线圈虽然可提高调谐精度，但调谐范围难 以扩展，同样存在谐波问题，要附加滤波装置。 二次侧调容式是在传统人工调匝式消弧线圈的基础上，去除绕组上的分接 头，同时增加一个二次绕组，通过改变接入其中的电容器组数，达到逐级调节 补偿电流的目的。装设二次绕组，增加了消弧线圈的复杂度；二次侧并联电容， 增加了额外的投资。 1 6 山东大学硕士学位论文 这些消弧线圈方式的最人问题足配置不够灵活，有的调符方式还会给系统 引入谐波污染。而且都只能进行粗调，不能进行细凋，不能使电力系统中发生 的所有接地电弧的熄灭。新编的交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 ( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) 中规定1 0 k v 系统在满足一定的条件时，接地电容电流人j 二 1 0 a 时应采取措施。这就给人以这样的认识误区：1 0 k v 网络，似乎只要接地电 流小于1 0 a ，就一定能够自动消极。经过调查表明接地残流不能成为接地电弧 维持的唯一条件。系统能否自行消弧，一方面取决于接地电流的大小，另一方 面也取决于短路点电弧间隙的条件( 包括问隙大小、气体游离情况、当时天气 状况等) 。不利情况下，1 安培的接地电流也无法自行消弧，所以开发出一种精 确补偿，对大小电流，对各种电弧问隙都应能迅速有效消弧的新型消弧线圈是 非常必要的。 下表为不同类型消弧线圈的比较： 表2 1 不同消弧线圈构造问的比较 消弧线描述存在的问题 圈 气隙可 通过连续改变磁路中的气隙长度来实现要求精密的机械传动机构，响应速度 调原理电感的连续可调 慢，噪声大，易产生机械动作失灵， 一般需加装限压电阻 自动调将线圈绕组按一定的匝数，抽 j 若干个分发生单相接地故障时不能进行调节， 匝式接头，通过改变抽头的位置，调节消弧线影响补偿效果：串阻尼电阻时存在阻 圈的补偿度。正常运行时，将消弧线圈绕尼电阻的投切控制及阻尼电阻的热 组抽头预调到仝补偿点或接近仝补偿点容量问题 处 偏磁可通过改变铁芯磁化段磁路的直流助磁磁响应时问短，但需附加大容鼍的直流 调原理通大小来调节交流等值磁导以实现电感激磁电源，结构复杂，造价高，谐波 的连续可调较丈 磁阀式 利用自耦直流励磁控制铁芯的饱和程度 属于自励式，存在着较大的谐波，影 来实现对补偿电流的调节响熄弧的效果 变压器通过改变高短路阻抗消弧线圈二次绕组虽可提高调谐精度，但谐波大，要附 高短路相并联的晶闸管的导通角来改变消弧线加滤波装置 阳抗可圈的等值电感 调式 二次侧在次绕组上并联不同容量的电容器组，装设_ 二次绕组，增加了消弧线圈的复 调容方采用晶闸管开关投切电窖器以达到改变杂度；二次侧并联电容，增加了额外 式消弧线圈电感的日的。系统矿常运行时消的投资，而该种类消弧线圈维护工 弧线矧远离谐振点，发生单相接地故障时作壁大。 调谐至谐振点 1 7 山东大学硕士学位论文 2 3 2 主从式消弧线圈 在上面提到的消弧线圈调谐策略中，预调式补偿方案的补偿精度受限于消 弧线圈的调节精度。故障时接地点的残流大小、故障相电压恢复的速度还和短 接阻尼电阻的速度紧密相关；而随调式补偿方案在补偿精度上解决了自动调匝 式精度不高的问题，并可避免谐振过电压的出现。但它却无法解决故障时接地 点残流过大的阀题。相反由于屯网正常运行时其运行在远离谐振点处，使这个 问题更加突出。对瞬时性的接地故障没有起到迅速的抑制作用，放弃了在故障 发生瞬间的熄弧打算；因而从以上分析可以知道，无论采用预调式补偿方案还 是采用随调式补偿方案，都会存在其不可克服的缺点。基于此，在第一章论文 提到了一种预随调补偿方式，解决了预调式和随调式单独运用时存在的难以瞬 问熄灭瞬时接地电弧的不足。预随调方式分为粗调和细调，消弧线圈在正常运 行时置于1 5 过补偿点附近，称为粗调；故障时再快速调整消弧线嘲到全补偿 点处来实现消弧，称为细调。首先针对上一节提到的自动消弧线醐必须解决的 两个问题抑制串联谐振过电压和跟踪电网电容电流变化。预随调方式中粗 调过程通过自动调整和置过补偿位置解决这两个问题。对于快速消弧中必须面 对的三个问题减小故障残流、降低电压恢复初速度、延长电压恢复时问， 预随调方式中的细调可以有效的减小接地电流，同时没有阻尼电阻的存在，对 降低恢复电压初速度也是很有帮助的。减小了接地残流，电压恢复的时问也就 相应减小了。 同时，为了兼顾选线，需要在消弧线圈上有一个在故障时刻可以投切的变 量发生器。为了与预随调方式和选线消弧一体化控制相配合，设计了体现这种 思想的主从式消弧线圈。本文研究的是从消弧线圈可控电抗实现方式，这在本 文第一章已经提到。主从式消弧线圈由于具备了先进的熄弧理念，因此熄弧效 果比较好。同时具有选线的优势。消弧线圈的控制器负责完成消弧线圈自动调 节和故障处理( 包括全补偿消弧、谐振判断、突变量法选线等) 的协调工作， 实现消弧和选线的双赢。 本文建立的e m t p a t p 仿真模型由3 5 1 0 k v 变压器及接在1 0 k v 母线上的 1 1 条出线构成，线路模型采用n 型等效模型模拟，系统最大运行方式下的总电 容电流为4 2 a ( 以相电压以= 6 0 6 2 v 为参考) ；主消弧线圈容量为3 1 5 k v a ，从 消弧线圈阻抗为3 6 欧姆；该仿真模型依然由n 型等效模型模拟架空线路和电缆 线路。在这个e m t p i a t p 仿真模型中，模拟了线路发生单相永久性金属性接地 山东大学硕士学位论文 的情况，系统电容电流为4 2 a ，主消弧线圈此时出力为4 8 a ( 均以丰h 电压 【= 6 0 6 2 v 为参考) ；图2 - 5 ( a ) 为永久性接地故障下从消弧线斟在故障后始终不 投入时的接地电流波形，图2 - 5 ( b ) 为该永久性接地故障下该从消弧线圈在故障 2 0 m s 后投入从消弧线圈时的接地电流波形，接地残流 1 16 a 减小到0 4 4 a 。同 时，从接地残流的变化波形可以看出，图2 - 5 ( b ) 中接地残流更小，而且在暂态阶 段有更快的下降速度。 a ) 从消弧线嘲故障后始终不投入b ) 从消弧线圈故障2 0 m s 后即投入 图2 - 5 永久性接地故障接地电流波形( e m t p a t p 仿真) 在系统运行在最大运行方式上，消弧线圈运行在最人出力处，这时候消弧 线圈的过补偿度为1 9 0 5 。模拟各种间隙的电弧接地现象，证明当电弧间隙较 小而从消弧线圈不动作，电弧可能仍然无法自熄，但是如果采用文中提出的这 种主从式消弧线圈以及与之相适应的预随调补偿方式，电弧将很快熄灭。图 2 6 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别示出了接地残流、零序电压、故障相电压在从消弧线圈投入 后的波形图。 ( a ) 接地残流 ( b ) 零序电压( c ) 故障相电压 图2 6 主从式消弧线圈下电弧接地故障点波形 1 9 山东大学硕士学位论文 从图2 5 和阁2 6 町以发现，从消弧线圈的投入极丈的减小了接地点的接地残 流，短时接地救障将因为残流极大减小而迅速熄灭；而在永久性接地故