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消弧线圈自动调谐系统及接地选线研究 摘要 随着配电网的不断发展，电缆的大量敷设，配电网对地电容电流不断增加， 我国现有配电网一般采取中性点经消弧线圈接地方式。使用中性点经消弧线圈接 地后，可以有效地抑制单相故障时的故障电流，提高了系统稳定性和人身安全。 但是，中性点经消弧线圈接地后存在两方面的问题：首先，消弧线圈调谐不当易 产生谐振过电压；其次，在中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地时故障 选线困难。本课题就这两方面的问题进行了深入研究，设计了一种消弧线圈自动 补偿装置，该装置可测量系统对地电容电流和阻尼率，具有响应快、准确性高的 优点；同时提出了一种基于f t u 的配电网接地选线方法。 本文首先综合比较了各种中性点接地方式的特点，介绍了消弧线圈的基本构 成以及调谐原理。分析了消弧线圈接地系统中各种相关参数的计算和推导方法， 同时研究了了基于信号注入法的脱谐度和阻尼率测量方法，并在实验中验证了这 种方法的有效性。然后论文分析了一种基于f t u 接地选线装置的工作原理，提出 了一种基于信号融合的接地选线方法，给出了动模实验结果。本课题所开发的装 置采用i n t e l 的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，外围功能电路有c p l d 功能模 块，具有译码和计数功能；液晶触摸屏模块，具有显示和按键功能；通信接口模 块，具有通信功能；a d 装换模块和滤波模块等。软件使用汇编语言开发完成， 使用模块化设计，主要分为主程序、显示程序、按键程序、中断响应程序几个部 分。最后在抗干扰方面，本装置在硬件和软件方面都使用了多种抗干扰设计方法 手段，提高了装置的稳定性。 本课题将理论运用和实践相结合，为中性点经消弧线圈接地系统的自动调谐 提供了一种新的技术手段，具有广阔的应用前景。 关键词：配电网；消弧线圈；自动补偿；阻尼率；故障选线 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h eg r e a tu s eo fc a b l e ，t h e n e t w o r k sc a p a c i t o rc u r r e n ti n c r e a s e df a s t a s s o c i a t i o nw i t ht h es i t u a t i o no fc h i n a ，t h e s o l u t i o ni sg r o u n d i n gt h en e u t e rp o i n tb yp e t e r s o nc o i lw h i c hw i l ld e c r e a s et h ef a u l t c u r r e n ta n di m p r o v et h eh u m a ns e c u r i t y b u ti ta l s ob r i n g st w op r o b l e m s ：f i r s t ，t h e i m p r o p e rc o m p e n s a t i o nw i l lc a u s eo v e rv o l t a g e ；s e c o n d ，i t sh a r dt of a u l ts e l e c t ，i n t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hw a sm a d et os o l u t et h e s ep r o b l e m s t h ep e t e r s o nc o i l c o m p e n s a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hc a nm e a s u r ec a p a c i t o rc u r r e n ta n d d a m pd e g r e e ；af a u l ts e l e c t i o nm e t h o do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hw a sp u tf o r w a r d t h a tb a s e do nf t u a tf i r s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed e v e l o p i n ga n dt h ep r e s e n ts t a t eo fp e t e r s o n c o i la u t o m a t i cc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fi t a sa n i m p o r t a n tp a r t ，t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gc a p a c i t o rc u r r e n ta n dd u m p i n gd e g r e eh a s b e e na n a l y z e d t h e n ，a nn o v e lm e t h o dt om e a s u r et h ec a p a c i t o rc u r r e n ta n dd u m p i n g d e g r e ew h i c hi sb a s e do nt h es i g n a li n j e c ti sp u tf o r w a r d t h e n ，t h ec i r c u i t so ft h i s i n s t r u m e n t sh a r d w a r ea r ei l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r ，s u c ha sc p l di n t e r f a c e ，e x t e n d e d m e m o r yc i r c u i t ，r e a l t i m ec l o c k ，a n dt o u c hs c r e e ni n t e r f a c e ，e t c o nt h es o f t w a r e ，t h e r e a l i z a t i o no ft h em a i np r o g r a ma n dt h es u b p r o g r a m ss u c ha sd i s p l a y , t o u c hk e y sa n d i n t e r r u p t ，a r ei n t r o d u c e dw i t hs o m ef l o wc h a r t s f i n a l l y ，s y s t e m sm e a s u r e m e n te r r o r a n de r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o da r ea n a l y z e d ，a n ds o m em e a s u r e so fa n t i i n t e r f e r e n c e a r et a k e nt oi m p r o v es y s t e m sr e l i a b i l i t y t h ep r o j e c tw a sf i n i s h e db yc o m b i n a t i o nt h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c e ，a n dan e w w a yo np e t e r s o nc o i la u t o m a t i cc o m p e n s a t i o ni sa v a i l a b l e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；p e t e r s e nc o i l ；a u t o m a t i cc o m p e n s a t i o n ； d um pd e g r e e ；f a u l ts e l e c t i o n l l i 湖南大学 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：罩虮茔 i 日期：g o o 舌年舻月2 9 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。本人授权湖南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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密硒。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 际岛 刷雅名强彬 0 ) 和过补偿( v 0 ) 。当电流谐振等值回路在欠补偿工作状态下时，因v 0 ，i c il t p o ，此时，1 6 中不仅含有有功分量，同时含有容性无功分量，其值较前明显增 大，同时1 6 超前于u o 。 过补偿( v 0 ) 。当电流谐振回路在过补偿状态下工作时，因v i l ，币 i ) 、欠补偿( k i ) 、全补偿( k = i ) 三个状态。若k 值从两个方向趋近于l ，则表示回路或消弧线圈的工作状态逐 消弧线圈自动调谐系统及接地选线研究 渐向谐振点靠拢。 ( 2 ) 阻尼率( d ) 根据式( 2 2 ) 可知，阻尼率d = l a 1 c ，即残流i a 中的有功电流分量与电容电 流之比。而r = l + 九，这说明补偿电网的阻尼率是由两部分组成的，其值为： 拈生i 刊。+ 壶刮。+ 刊。 5c kp+dl 式中d 。= 二，为中性点不接地电网的阻尼率，其值为该电网的对地泄漏电流与 。 r o o k ? 电容电流之比，也即对地泄漏电导与电容导纳之比；d c 为因消弧线圈的有功损耗 而增加的阻尼率，其值为消弧线圈的和谐度k 与其有功损耗p ( ) 的两者之积。 不同类型与不同电压等级的电网，阻尼率的大小不相等，其值与电网中电气 设备的绝缘状况有关。多次实测结果表明，对于中性点不接地的电网，在绝缘正 常的情况下，电缆网络的阻尼率较小，一般不超过1 5 ，；架空线路电网的阻尼 率较大，一般为1 5 2 0 。当电缆绝缘老化、受潮或架空线路污秽严重时，阻尼 率会显著增大，可能达到5 以上。 2 2 消弧线圈过电压分析 补偿电网调谐不当，难常运行时可能发生串联谐振，电网发生断线或断路器 拒动等故障时也有可能引起谐振，并产生谐振过电压，危及设备的安全、妨碍设 备的正常运行，必须设法解决。 2 2 1 正常运行下的中性点位移电压 在消弧线圈投入运行或退出运行之后，电网的中性点不接地运行( 图2 。5 中 的中性点隔离开关断开) 时，因中压架空线路的三相对地电容不太平衡，电网的 中性点总是呈现一定数值的对地电位差，即所谓的“不对称电压”。 图25 消弧线圈投入前的电网等值接线图 坝士学位论文 在消弧线圈投入运行前或退出运行后，当电网中性点处于不接地状态下运行 时，图2 5 中的三相对地电容电流，只能以大地作为返回之通路。根据基尔霍夫 定律可得： u l + u b + u c 砭，= 0 ( 2 6 ) 式中：、比分别为电网三相的对地导纳。 假定已知中性点的不对称电压为u o o ，则- - , g 对地电压等于三相对中性点的 电压与中性点对地电压的向量和，即： u = u a o + u 0 0 i u 口= u b 0 + u 0 0 u c = u f o + u l 】0 1 ( 2 7 ) 式中：u 。、u 。、u 。分别为电源的三相对地电压。 假定电源为无限大，则可认为三相对称，因此： u o + u 舢+ u c o = 0 ( 2 8 ) 与力学原理相似，三相电压的中性点和三角形的几何重心相重合，前者即所 谓的电气重心。电源的三相电压即是由电气重心指向线电压三角形顶点的三个向 量，相位互差1 2 0 0 ，幅值等于相电压。现将式( 2 7 ) 与式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) ， 经整理后可得中性点对地的不对称电压u 。 3 玩r u o o = 一号广一= 一 f 拦1 旦! ! 墨! ! 竖! ! 坠! 曼! + j a , c 。) + d ，( g 。+ j o c c ) ( g + ，巴) + ( g b + ，c d c 口) + ( g c + i ，国c c ) ( 2 9 ) 式中：乳2 吉、g 。2 毒、g c = i 1 ，分别为电网的三相对地电导。 在电网e 常运行情况下，可以认为电气设备三相绝缘的运行条件和污秽情况 大致相同，即此时三相对地的泄漏电阻相等( r a = 珊= r c = 物) 。但是，电网的三相 对地电容总是不平衡的，即c , # c 毋c c 。 这样，式( 2 9 ) 经化简后可得： u 0 0 = 1 c a + a 2cb+acc。f!一巴 c c l l - j - - + 3 9 。而 式中：1 、a = 一三2 + 鱼2 、口2 ：一三2 一鱼2 为单位向量； 。 j。_ j 一 网的不对称因子，驴。为相电压。 而o o 南c z - 。， 2 等鲁等为电2 芎了群为电 当用标么值来表示不对称度u 。o 。时，式( 2 1 0 ) 可以写成： 2篱=玎a2a面c2+a面ac3m ( 2 - ，) l + m 2 + 13 c 。+ c + c ， 式中：聊：2 百c b 、m z = 生c a 为以最大电容c n 为基准的电容标么值；a c 2 = c 。- c a , a c ，= c 。一c 。，分别对应相电容减小的绝对值。 如果不对称是由单相电容减小引起的，则电网的不对称度n 。，为： “2 m + 2 “ ( 2 - 1 2 ) 如果不对称是由两相电容同样减小引起的，则电网的不对称度i 。为： “。0 2 2 l + 2 m l ( 2 13 ) 当消弧线圈投入运行后，补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电 网的三相对地电容构成电压谐振回路。由于电网中性点有不对称电压u 。存在， 回路中便有零序电流，。流过，于是在消弧线圈的两端产生了电位差，即中性点位 移电压方。，其大小和方向，可由式( 2 1 4 ) 确定： 哦2 击哦。 ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 1 4 ) 中，可得： u o2 西u o o 了 ( 2 1 5 ) 其绝甜值为 卟志 ，s ， m 、l 眇 一 式( 2 1 5 ) 表明，中性点位移电压u o 与不对称电压向量u o o 、补偿电网的阻 尼率d ，及消弧线圈的脱谐度v 有关。当补偿电网的运行方式确定后，中性点位 移电压u o 将主要随消弧线圈的脱谐度变化而改变。将中性点位移电压用相电压 的标么值表示时，即为位移度。这样，式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可以写成： ：上 ( 2 1 7 ) v j a 铲考豢 由式( 2 1 7 ) 与( 2 18 ) 可知，随着脱谐度v 绝对值的减小，位移度u o 逐渐 增大；当v = 0 时u o 达到最大值。正常架空线路的阻尼率d 约为3 5 ，线路污 染受潮，d 可增至1 0 ；电缆线路d 值约为2 4 ，绝缘老化时，可增至1 0 。 同时架空线路的不对称度一般为o 5 1 5 ，个别情况下可能达到2 5 以上i8 1 。 这样，但在最严重情况下：9 0 = 1 5 ，d = 3 ，且全补偿时v = 0 ，u o = 5 0 ，考 虑其他因素的影响，砜甚至可能超出相电压。 2 2 2 断线故障状态下的位移度 系统断线时，引起不对称电压和消弧线圈补偿度的变化，从而导致中性点位 移电压发生变化。假设正常运行时三相对地电容c a = c b = c c c o ，当单相断开或 两相对地电容等量断开时，故障相的对地电容减小，其值与健全相对地电容之比 用i l l ( 1 ) 表示，则单相断线与两相断线后的电容电流分别为： l ：甜( m + 2 ) c o 一m + 2 i c ( 2 1 9 ) ，c 2 = 国( 1 + 2 m ) c 。u 中一l + 2 m l c ( 2 2 0 ) 根据定义，单相断线与两相断线后，新的和谐度为： k 1 = 笋= 一k ：( 1 - u o m ) k(221)m 2 7 i c l + 。 k2=生=去世=(i+2u002)ki ( 2 2 2 ) t。 1 + 2 m 、 一 新的位移度大小分别为： 。希 2 s ， 2 赢 他2 4 式中：y l = l k l 、l ，2 = 1 一k 2 取补偿电网的阻尼率d 一5 ，系统运行在过补偿和欠补偿方式下，断线后中性 点位移电压分别如下图： oo - 盒 8 ，吨 o * 嚣0 8 l 魄幢m 图2 6 过补偿单相( 实线) 、两相( 虚线) 断线时，u o l 、u 0 2 与n l 、k 的关系 j ，c 缸 00 20 ，10 t #o 8 比德m 图2 7 欠补偿单相( 实线) 、两相( 虚线) 断线时，u mu o t 与m 、k 的关系 由图2 6 和图2 7 可以看出，消弧线圈过补偿运行时，发生任何断线故障， 电网中性点位移电压都不会大于相电压，而欠补偿运行时，可能进入谐振状态， 使中性点位移电压迅速增大，严重时，可达相电压的8 倍。实际上，消弧线圈在 1 3 1 5 倍额定电压作用下，铁芯开始饱和，补偿电流增大，电感值急剧下降， 电网由欠补偿自动转换成过补偿，限制了中性点位移电压的幅值。 但这种状态下，流经消弧线圈电流过大，系统出现过电压，可能导致其它事 故的发生，必须采取一定的措施加以预防。通常从其产生的原理出发，可以采取 以下措施： 1 ) 正常运行，消弧线圈在过补偿状态。 2 ) 采用消弧线圈串接小电阻接地，抑制谐振过电压的大小。 3 ) 当系统出现过电压时，对系统进行辨识，确认是谐振过电压，然后根据 硕士学位论文 系统阻尼率与脱谐度来确定调节系统阻尼率或调整消弧线圈档位，改变系统参 数，降低位移电压。 2 3 谐振接地配电网系统参数的测量 正确掌握谐振接地系统的参数，对于消弧线圈的合理调谐、提高动作成功率、 防止过电压事故和保障电力系统的安全运行等都是不可缺少的。在本论文所设计 的装置中，对谐振接地电网的脱谐度、电容电流和阻尼率的测量均采用了信号注 入法，能够可靠地测量出上述参数，且方法简单易行。 2 3 1 脱谐度的测量 在系统正常工作时，经过零序电压互感器系统注入电流信号i o ，通过改变信 号的频率，可以找到其谐振频率f 0 ，经计算可得消弧线圈的脱谐度，其等效示意 图如图2 8 所示： 囫2 8 信号注入法测量电容电流等效图 x t 、x z 、x 。为消弧线圈等效1 - 型模型；x 、 x 。、x t x l 裕，一墩搬￥ 图2 9 信号注入法实际测试接线图 其中：a 、x 为一次侧绕组：p 1 、p 2 ，a 、x 为二次侧绕组 忽略x ，、x z 的影响，x l 可看作消弧线圈的等值感抗，c 为三相对地电容的总 合，r 为系统对地阻尼率。通过改变i 。的频率。，当其满足谐振条件时，有： 消弧线圈自动调谐系统及接地选线研究 c ：l ( 2 2 5 ) 国o x 。 则脱谐度为： 。：盟x 1 0 0 ：1 一生 l ci c 堕 小鲁小c 为“ o ) o 2 x z ，( 2 2 6 ) ( ) ， 式中：u o 一单相接地时中性点位移电压，= u m ；f 0 一系统谐振频率；f _ 5 0 h z ； 由式( 2 2 6 ) 可知，可以通过测量系统谐振频率计算出脱谐度。该方法测量 简单，无需另外的参数测量，且不受线路老化的影响。我国一般采用调档式多 分接头消弧线圈，其补偿电流i l 可由铭牌e 读出，电容电流可由下式求出： 卜南( 2 2 7 ) 由于系统零序阻抗折算到电压互感器二次侧一般小于1 0 q ，采用注入信号法 测量电容电流，向系统注入的信号功率一般小于2 0 w ，不影响系统正常运行。对于 具有多个消弧线圈的配电网，只需选定一个消弧线圈向系统注入信号，测量系统谐 振频率，在式( 2 2 7 ) 中取i l 为系统中所有消弧线圈的电感电流之和，就可完成整个 配电网脱谐度、电容电流的测量。 2 ，3 2 零序电导及阻尼率的测量 同样如图2 8 所示，当注入的零序恒流源频率满足系统谐振条件时，注入的 电流信号将全部从三相对地泄漏电导上流过，这样，只要在谐振测量出电导两端 的电压以及注入恒流源的大小，就可以求出系统的零序电导，如式( 2 2 8 ) 所示： p = 竺( 2 2 8 ) u g 式中：i o 为注入的电流源有效值；u 。为电导两端的电压值。 则系统阳尼率可由下式求出： d ：玉：羔一 ( 2 2 9 ) 。 c o c 作者基于上述方法，在长沙华源公司进行了现场测量实验。实验中使用的是 多分接头式有载可调消弧线圈，该消弧线圈由一次侧绕组a 、x 和二次侧绕组a 、x ， p 、p 2 组成。其中二次侧绕组的电气特性完全一致。具体接线如图2 1 0 ( e l , ) ： ( a ) ( b ) 图2 1 0 小电阻串电容测试 实际测量中将小电阻与电容串联在一次侧，可将其变换成大电阻与电容并联 方式，如图2 1 0 ( b ) ，其变换后的容抗与阻抗为： r z + ( ) z 心2 平 ( 2 3 0 ) x l = ( 2 3 1 ) 式中：r i 。一变换后的阻抗；x l 一变换后的容抗 测试中，消弧线圈位于1 l 档，其一次侧与二次侧变【= t n = 6 1 8 6 6 ，一次侧额定 电压为6 1 0 0 v ，补偿电流为7 5 a 。测试信号为5 安恒流源，测试频率分别为3 0 ，4 0 ， 4 5 ，4 7 ，5 0 ，5 2 ，5 5 ，5 7 ，6 0 ，7 0 h z 。为了测量电流i l 的相位，在绕组1 上串联一 个0 2 q 的电阻，与u 2 相位相比较可得相位差0 。则电阻可由下式得出： 耻华c o s 口 ，z ， 式中：r 。一计算所的电阻值；n 一一次侧与二次侧变比；u 。一二次侧电压值；i 。 注入信号电流值。 实际测试数据及处理见表2 1 ( 本文只列出了谐振点附近数据，下同) ： 表2 1 零序电阻测量1 _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ - _ _ _ _ - 一一 b 04 6 6 0 3 1 4 1 5 9 3 3 6 6 2 8 7 3 4 4 7 7 1 4 5 2 4 5 7 0 3 1 2 7 4 1 3 5 7 6 9 3 8 = 旦上竺i 翌! ! 翌! ! ! !坐塑： 在谐振点( 5 0 h z ) 附近，测量值r x = 3 4 4o ，实际值r = 3 3 6q ，误差为2 4 。 将电阻变为1 0 q ，其余接线同图2 1 0 ，测试数据见表2 2 ： 强盈 一 岛盈 一 上 半啪 港弧线馘电动诵落系统技攮地选线研究 表22 零序电阻测量2 在谐振点( 5 0 h z ) 附近，r x = 6 5 8 q ，r l = 6 4 3 q ，误差为2 3 。 将接线方式改为图2 1 l 所示，其中电阻为3 0 5 q ，电容为4 0 u f 。 l o2 0 实验数据及处理见表2 3 ： 图2 1 1电阻与电容并联测试 表2 3 零序电阻测量3 在谐振点( 5 0 h z ) 附近，rl = 3 0 5 ，r x = 2 7 3 ，误差为l o 5 。 电阻不变，电容改为4 4 u f ，接线同图3 ，实验数据及处理见表2 4 表2 4 零序电阻测量4 在谐振点( 4 7 h z ) 附近，r 。= 3 0 5 ，r x = 2 7 5 ，误差为9 8 。 经分析，测量所存在的误差主要有两方面的原因：测试中所注入信号并没 有达到完全的谐振；由于信号注入法的计算公式是用完全谐振的频率来计算的， 由测量数据也可知，当频率偏离谐振点越远，误差越大。消弧线圈内部阻抗的 影响：由于消弧线圈内部存在一定的阻抗，但计算中没有将其考虑在内，这也是 产生误差的一个方面。 利用信号注入法测量谐振接地配电网的系统的阻尼率，在不用改变消弧线 圈分接头的情况下，注入谐振频率的信号，一次即可完成对系统阻尼率的测量， 相比其它方式，主要有以下几个方面的优点：测量精确度较高，对阻尼率的测 量误差范围在1 0 以内，同时计算方法简单，不会出现因少许误差而导致计算结 果为负的情况。测量方式简便，易于施行。所有操作均在二次侧完成，同时不 用调节消弧线圈分接头，减小了调节故障的发生几率。易于在微机测控系统中 盈习 实现。对基于信号注入法的自动调谐装置作少许改造即可实现阻尼率的测量功 能。 ；塑堡些塑! 塑望塑垂堇圣堡丝童丝! ! 耋 第3 章基于f t u 的故障选线模糊识别 3 1 引言 我国3 6 0 k v 中压电网一般采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式。 这种接地方式故障选线困难1 2 4 4 ”。发生单相接地故障时，一般依靠逐条出线拉闸 停电柬判断故障线路，严重影响供电的可靠性。为了提高配电自动化水平，国内 外提出了一些故障选线方法 2 i p “，包括：采用零序电流血次谐波分量故障选线、 采用零序电流的故障暂态分量故障选线、采用注入零序电流信号跟踪法故障选线 及采用零序有功电流故障选线等。所有这些选线方法一般需集中比较各条出线的 零序测量电流大小或相侮，使得仪器接线复杂，且难以与馈线保护结合为一体， 在开关柜上就地实现。 随着配电自动化技术的发展，配电网接地故障选线保护越来越得到国内外学 者的重视。配电自动化现场终端单元( f t u ) 是安装在配电线路附近就地测量二 相电压三相电流等模拟量和开关量进行就地保护控制及实现远方监测和控制的 智能装置”1 。f t u 也很难实现对变电站所有馈线的测量，传统的比较零序电流故 障选线方法，不便在配电自动化现场终端单元( f t u ) 上实现。 在3 2 节中提出了几种基于f t u 仅需就地采集电压电流量的接地保护方法， 并埘各种接地保护方法进行信息融合处理，提出了故障线路模糊识别技术。动模 实验表明凌接地保护具有很高的精度和鲁棒性，完全能够满足配电自动化要求。 3 2 基于f t u 就地参数的接地保护方法 在配电自动化中，f t u 仅能就地采集被保护和测控线路的三相电压电流等信 号。为此，提出以下基于三相电压电流及零序电压电流信息的配电线路接地保护 继电器： ( 1 ) 零序过流继电器 无需零序电压启动，循环测量零序电流，计算零序电流有效值，当零序电流 有效值大于整定值时接地保护动作。整定值厶。取木线路( 线路i ) 的电容电流。 和零序精工电流厶：中的大者，司靠系数疋。取2 ， o 。= k o ，m a x ( l ，o 。) ( 3 1 ) 其中精工电流为：能满足f t u 装置别电流人小的测量误差在3 0 范围内，相位测 量误差在3 0o 范围内的撮小工作电流。 量误差在3 0o 范围内的撮小工作电流。 碗七学位论文 零序过流继电器只能在线路电容电流小于接地故障残流的条件下适用。一般 不能应用于经消弧线圈接地系统，且只能对低阻接地故障进行保护，对弧光接地 故障保护能力差。 ( 2 ) 零序电压启动继电器 实时检测前后一个周波的零序电压变化量，进行接地故障启动判断，连续三 点零序电压变化量大于整定值，确定第一突变点为故障发生点，等待一个工频周 期后，计算零序电压变化量有效值，当大于1 5 额定相电压时，认为配电网有接 地故障发生，进行接地保护判断；当零序电压恢复到小于1 0 额定相电压时，即 认为接地故障清除。在确认整个电网有接地故障发生后，启动下列接地保护继电 器，判断该f t u 保护线路是否发生接地故障。 ( 3 ) 负序电流变化量过流保护继电器 配电网发生接地故障时，故障点有负序电流产生，由故障线路流向电源，非 故障线路的负序电流很小，因此可以通过故障前后负序电流的变化量( 故障后的 电流减故障前的电流) 进行接地保护。当零序电压启动后，负序电流大于精确工 作电流，且负序电流变化量大于整定值，接地保护动作【25 1 。整定值按其它线路发 生金属性接地故障时流过该线路的最大负序电流整定。例如分析馈线詹的接地保 护，按躲开其它馈线( ) 会属性接地故障( 尼= 0 ) 在馈线膏产生的负序电流e 。， 进行整定： ，2 口= k t 陬j ( 3 2 ) 式中：亿为可靠系数。 配电网发生接地故障时，故障线路负序电流和零序电流都同时增大，故障前 后故障线路的负序电流变化量近似等于零序电流变化量；非故障线路的负序电流 变化量近似为零，小于零序电流变化量：因此负序电流保护比零序电流保护具有 更高精度；且单相接地故障产生的负序电流在系统中的分配不受中性点接地方式 的影响，负序电流接地保护原理可以适用于各种中性点接地方式，但接地残流大 小将影响保护的精度，负序电流接地保护还具有较强的抗弧光接地能力【2 5 1 。 4 ) 零序导纳继电器 配电网发生接地故障时，故障线路的零序导纳等于系统导纳，非故障线路的 零序导纳为线路对地导纳，可以采用配电线路的零序导纳进行接地保护。零序电 压启动后，当配电网零序电压( 有效值) 大于5 0 额定相电压时，依照参考文献 2 6 ，由零序电流变化量和零序电压变化量计算零序导纳，根据零序导纳的大小 和方向进行接地保护判断。 由于零序导纳保护方法测量系统导纳或线路对地导纳，是反映电网的固有参 数，与接地故障特性无关。零序导纳保护原理不受故障接地电阻的影响，抗过渡 消弧线黼自动调蕾系统技接地选线研艽 电阻能力强，且适合对地绝缘老化型故障的检测，保护动作裕度大，配电网结构 及参数在一定程度上的变化不影响保护性能；配电网中性点经电阻接地或经消弧 线圈并联电阻接地，能增大系统零序电导，有利于提高接地导纳继电器的灵敏度。 ( 5 ) 接地电阻继电器 配电网发生接地故障时，故障线路故障相对地的电阻显著降低，等于故障电 阻；非故障线路的故障相对地电阻值不变，为泄漏电阻，值很大。测量馈线故障 相对地电阻，可以进行接地保护。线路k 发生a 相接地故障，非故障线路的j 的 三相电流变化量相等27 。，为： a 1 4 = l ，= ，c 。= ，a u o ( 3 3 ) 式中：一为系统频率，o 为线路j 每相对地电容，为故障前后零序电压变化量。 故障线路七的故障相a 电流变化量为： ，= ，r + ，卵女a u o ( 3 4 ) 即故障接地残流为： i f = 鲥a k j 雠k 厶u o 1 3 5 ) 故障线路k 的非故障相电流变化量为： 出m = 世m = ，删i u o ( 3 。6 ) 则故障接地电阻为： 吩2 刚万靠 ， 零序电压启动后，当配电网零序电压( 有效值) 小于5 0 额定相电压时，根据相 电压和三相电流变化量计算故障接地电阻尼，当接地电阻小于整定值( 通常取 1 0 k q ) 时，接地保护动作。接地电阻继电器适合对高阻接地故障进行检测，理 论上不受中性点接地方式积故障残流大小的影响，保护精度高；但接地电阻保护 抗弧光过渡电阻能力较差。 ( 6 ) 相电流差值继电器 由式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 和( 3 6 ) 可知：故障前后非故障线路任意两相电流变 化量差值为零，而故障线路的故障相与非故障相电流变化量差值等于故障点故障 电流，因此可以采用相电流差值进行接地保护。零序电压启动后，任意两相电流 变化量差的有效值大于整定值，接地保护动作：取整定值为配电网金属性接地故 障残流的十分之一2 钉。相电流差值继电器采用稳态量进行保护，抗干扰能力强， 但抗弧光过渡电阻能力较差。 ( 7 ) 零序能量继电器 配电网发生接地故障时，故障线路的零序能量为由故障点滤向系统的零序能 量；非故障线路的零序能量为该线路对地电容充放电能量，由系统流向线路，平 均值较小。根据参考文献 2 4 ，由零序能量大小进行接地保护：零序电压启动后， 坝士学位论文 当配电网零序电压( 有效值) 大于5 0 额定相电压时，由零序电流采样值的变化 量和零序电压采样值的变化量相乘、累加，计算故障后一个周波的零序能量，当 零序能量大于整定值时2 4 1 ，接地保护动作。整定值选取与系统运行方式有关，通 常按故障5 0 相电压和4 a 零序电流计算整定。该保护方法只适合低阻接地故障 2 4 1 ，因此增加零序电压大于5 0 $ d 电压的启动判据。零序能量继电器适合对弧光 接地故障保护。 ( 8 ) 故障点消耗能量继电器 故障点消耗零序能量继电器是采用故障相电压与故障点电流的乘积对时间 的积分。根据( 3 5 ) 和( 3 6 ) 式，故障点电流为故障线路故障相电流变化量与 非故障相电流变化量的差值。零序电压启动后，当配电网零序电压( 有效值) 小 于5 0 额定相电压时，由相电压和三相电流采样值的变化量计算故障后一周波内 故障点消耗的能量，当能量大于整定值时，接地保护动作。故障点损耗能量继电 器按接地电阻2 0 k q 时故障点损耗能量整定。 a 相接地故障时，故障点消耗能量为： 阡，厂2 4 i ，= 甜( f 4 一( + ) 2 ) ( 3 8 ) 由于高阻接地故障时，故障相电压高，即使故障电流小，但故障点损耗能量 仍较大，因此该保护方法适合保护高阻接地故障；但低阻接地故障时，故障点电 压接近零，故障点损耗能量很小，故该保护方法检测低阻接地故障灵敏度低。因 此增加零序电压小于5 0 相电压的启动判据。 ( 9 ) 相电流采样值差值继电器 采用参考文献 2 9 中采样值差动保护原理实现相电流采样值差值保护，零序 电压启动后，计算故障后半个周波内( 1 6 个采样点) 任意两相电流采样值变化量 的差，当有1 0 个以上的采样点差值大于整定值时，接地保护动作。相电流采样 值差值继电器能够满足对弧光故障的检测。 3 3 基于f t i j 的故障线路模糊识别 上述各种接地保护方法通常利用不同的故障信息进行处理，所适用的范围不 同，检测的鲁棒性和精度不一样。在现场运行中，单一的接地保护方法放障检测 准确度较低。如果对各种故障信息进行综合分析、融合处理，可以减少干扰信号 的影响、消除单一保护方法的固有缺陷，提高故障检测的精度和鲁棒性【2 8 1 。 3 3 1 接地故障模糊识别的基本思想 单一的接地保护继电器输出结果：要么故障、要么不故障，如果用l 代表故 障、0 代表不故障，则接地保护输出取( 0 ，1 中的值。模糊接地保护的基本思 想”：把接地保护中的绝对隶属关系灵活化，使元素对集合的隶属度从原来只能 取 0 ，1 ) 中的值扩充到可以取 0 ，1 区间中的任一数值，用隶属函数表示各 接地保护继电器输出的不确定性，然后进行模糊逻辑运算，得出综合的接地故障 模糊判断结果，再进行清晰化处理，得到最终的故障或者非故障的判断结果。 3 32 隶属度函数的选取 任意接地保护继电器j 的隶属度函数，根据具体情况可选取为：正态函数、 三角函数、梯形函数、s 形函数及折线形函数等等。如图3 1 ，选择折线形隶属 度函数，其中s 为通常接地保护继电器的动作整定值，s 。为故障条件下动作量可 能出现的下限值，s 。为非故障条件下动作量可能出现的上限值。在 s 。，s 。 区间， 单个故障选线方法的动作是不可靠的，通常定义该区域为模糊区，采用模糊隶属 度描述该区间故障选线的可能动作情况。为简化分析，每个保护的隶属度函数设 计一。样，模糊区根据配电网性质( 中性点接地方式、系统电容电流等参数) 设定。 3 3 3 多接地保护继电器之间的模糊信息融合 图31一种接地保护动作的隶属度函数 。 图3 2 模糊接地故障检测方法 模糊信息融合的计算方法很多，适应接地故障选线的特点，通常取加法运算。 采用各接地保护继电器对故障决策的隶属度与该继电保护继电器观察值对故障 决策的支持程度( 模糊可信度系数) 之积的和作为故障决策总的可信度。例如： 根据专家经验，取接地保护继电器j 的模糊可信度系数为丘( 取值范围为o 1 ) ， 进行加法运算，n 个接地保护继电器信息融合输出为 y = i = l ( 3 9 ) 模糊可信度的清晰化处理：根据模糊规则，转换为实际输出判断( 故障或者 非故障) 。例如：当y 0 5 ，该配电线路发生接地故障；当y 0 5 ，该配电线路 不发生接地故障。 整个信息融合的过程如图3 2 所示。如要进一步提高保护精度，也可以随接 地故障特性变化在线调整模糊可信系数。由第二节分析可知，本文提出的几种保 护方法是相关的，但各有一定的应用范围和局限性。高阻接地故障时，零序电流 保护、零序导纳保护和零序能量保护的模糊可信系数取值较低；而弧光接地故障 时，零序电流保护、零序导纳保护、故障接地电阻保护和相电流差值保护的模糊 可信系数取值较低。 3 4 实验结果及数据分析 f t u 装置由宁波天安集团提供，该装置由数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 0 6 实现， 采用测量t a 和1 4 位a d 转换，能有效提高保护精度。 l 2 图3 3 动模试验模型 采用图3 3 试验模型进行动模试验测试，图中l 1 为1 5 0 公里长线，模拟多 条线路的等效；l 2 、l 3 为短线，f t u 安装在线路3 上。改变故障点与中性点接地 方式进行a 相接地故障试验。当故障点为k 或k 。时，f t u 零序电压启动继电器 r 2 可靠启动，但其他保护跳相继电器可靠不动作。当故障点为k 。时，试验结果 见表3 1 ，表中零序过流继电器r 1 仅在中性点不接地或经消弧线圈并联电阻接地 系统出现低阻接地故障条件下才能可靠动作；负序电流继电器r 3 除消弧线圈直 接接地系统完全补偿状态下高阻接地故障外，均能可靠动作；零序导纳继电器r 4 和接地电阻继电器r 5 配合，对各种类型的故障均能可靠动作；相电流差值继电 器r 6 除消弧线圈直接接地系统高阻接地故障外，均能可靠动作；零序能量继电 器r 7 和故障点损耗能量继电器r 8 配合，对各种类型的故障均能可靠动作；相电 流采样值差值继电器r 9 在各种故障条件下均能可靠动作；对上述各种继电器综 合分析的故障模糊识别继电器r i o 对各种中性点接地方式各种故障类型均能可靠 动作。 表3 1 ：l 3 故障时继电器动作情况试验测量结果 故障中性点接 r ir 3r 4r 5r 6r 7r 8r 9r 1 0 类型 地方式 a 相 不接地 是是 是 是 是 1 是是 金属消弧圈青o否是是是是是是 性接接地 一l o 否是是是是是是 接 0 是是是是是是是 地 消弧线圈 ( r f 5 串联电阻 欧) 接地 一1 0 是是是是是是是 a 相不接地否是 是 是是 是 是 高阻消弧线圈 o 否否是否是是是 接直接接地 一1 0 否是是否是是是 地 消弧线圈 o 否是是是是是是 ( r ，= 2串联电阻 k q ) 接地 一l o 否 是是是是是是 注：表中r 1 为零序过流继电器，r 3 为负序电流继电器，r 4 为零序导纳继电器，r 5 为接地 电阻继电器，r 6 为相电流差值继电器，r 7 为零序能量继电器，r 8 为故障点损耗能量继电器， r 9 为相电流采样值差值继电器，r 1 0 为故障模糊识别继电器。 测试结果表明：对继电器( r 1 r 9 ) 综合分析的故障模糊识别继电器r i o 能 对各种中性点接地方式各种类型故障均能可靠动作，具有很高的保护精度和鲁棒 性，完全能够满足配电自动化要求。 第4 章硬件设计 4 1 硬件总体设计原理 整套装置基于i n t e l 的8 0 c 1 9 6 系列芯片开发完成，配以适当的接口电路来 完成各项功能3 4 】【3 5 】【3 6 】【37 1 。整个系统由c p u 电路，滤波电路，发信电路，电阻投 切电路以及主板电路构成( 图4 1 ) 。采用3 2 0 2 4 0 点阵式带触摸屏的图形液晶， 比传统的数码管、液晶屏加键盘的方式操作更为方便，界面更为直观，界面分辨 率高，显示内容丰富。译码及测量信号采用c p l d 芯片控制，减小了电路的设计 面积，提高了谐振频率的测量精度。 8 0 c 1 9 6 l ( b ( c p u ) 圈4 1系统硬件结构图 其主要功能如下： ( 1 ) 能自动测量配电网的电容电流、脱谐度、阻尼率、中性点位移电压及系 统频率。 ( 2 ) 能够自动调整阻尼电阻和消弧线圈，使正常运行下的中性点位移电压不 超过整定值。 ( 3 ) 能跟踪系统运行方式的改变及线路的增减，自动调整消弧线圈的档位， 保证系统运行在过补偿状态，并且脱谐度绝对值尽可能小。 ( 4 ) 当发生谐振过电压时，能够根据当前脱谐度、阻尼率等参数通过投入适 当阻尼电阻或调节消弧线圈档位的方式自动消除谐振过电压状态。 ( 5 ) 消弧线圈具有手动和自动调整功能，保证每次只调整一档，档位到头( 1 档和