（电力电子与电力传动专业论文）交流浮地电网对地绝缘故障监测的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；# = = = = = = = = _ = = = = = = = a 1 b s t r a c t a cf l o a t i n gg r o u n de l e c t r i cp o w e rs y s t e m , w i t c hi sa l s o c a l l e dn e u t r a l u n g r o u n d e dp o w e rs y s t e m , i sw i d e l yu s e di nd o m e s t i ca n df o r e i g ns h i p b o a r d d i s t r i b u t i o ns y s t e m w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fm o d e r ns h i p s a u t o m a t i o n t h e i rp o w e rs y s t e mc a p a c i t yr i s e sc o n s t a n t l y ，t h ee l e c t r i cn e t w o r kb e c o m e sm o r e a n dm o r ec o m p l e x , 。a n dt h eh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n g e tw o r s ea n dw o r s e ， w h i c hm a k ep o w e rs y s t e mi n s u l a t i o nf a u l t sq u i t e f r e q u e n t o n c ei n s u l a r i o nf a u l t s o c c u r ，i t i s q u i t ed i f f i c u l tt of i n df a u l tp o i n t t h e r e f o r es t r e n g t h e n i n g i n s u l a t i o ns t a t u sm o n i t o r i n g f i n d i n gi n s u l a t i o ns t a t u sv a r i a n c et i m e l ya n d e x c l u d i n gf a u l t sp r o m p t l ya r et h ek e yt a s k st og u a r a n t e es a f eo p e r a t i o ni n s h i p b o a r dp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，, i t s v e r yi m p o r t a n t t o d e v e l o p an e w i n s u l a t i o ns u p e r v i s i o nd e v i c ew i t ht h ef u n c t i o no fb r a n c hi n s u l a t i o nb r e a k d o w n o r i e n t a t i o n a tp r e s e n t ，t h e r ee x i s t sm a n y 、a r i o u sd e v i c e sw i t ha l lk i n d so fd e f i c i e n c i e s o r i e n t a t i n gb r a n c hi n s u l a t i o nb r e a k d o w no fa cf l o a t i n gg r o u n de 1 e c t r i cp o w e r s y s t e m t h e u n a v o i d a b l ed e f i c i e n c yi st h a td i s t r i b u t i o n c a p a c i t a n c eh a sa n i n f l u e n c eo no r i e n t a t i n gb r a n c hb r e a k d o w n t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sd o u b l e f r e q u e c ym e t h o d so ft e s t i n ga t t e r a t i n g s y s t e mi n s u l a t i o nb r e a k d o w na n dw h a tk i n do fd e t a i l e db r e a k d o w nt y p ed i f f e r e n t m e t h o d sc a nt e s ta sw e l la st h ed e f i c i e n c i e si nt h e s em e t h o d s 。a sf a ra s t h e d i f i c e n c i e sa r ec o n c e r n e d ，, i t ss u g g e s t e dt h a tw es h o u l de l i m i n a t et h ei n f l u e n c e o fd i s t r i b u t i o nc a p a c i t a n c eb yi n d u c t a n c ec o m p e n s a t i o n w eh a v eg o tt h em a t h s m o d e la n dt h e o r e t i c a lf o r m u l aa b o u te l e c t r i cn e t s t a t ea f e rt h e s u p p l yo f i n d u c t a n c et h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n s u t a t i o ns t a t u s ：w ea l s o h a v eg a i n e dt h e s u p p l ym o d ea n dm a g n i t u d eo fi n d u c t a n c ec o m p e n s a t i o nw h i c hn e e d sc o n s e c u t i v e c o n t r o l l a b l ei n d u c t a n c et h r o u g hl o t so fe m h d a t i o nm o d e sa n de x p e r i m e n t s 。 k e y w o r d ： a cf l o a t i n gg r o u n de l e c t r i cn e t w o r k i n s u l a t i o ns t a t u s d i s t r i b u t i o nc a p a c i t a n c e e o m p e n s a t e di n d u c t a n c e c o n s e c u t i v ec o n t r o l f a b l ei n d u c t a n c e 一_ h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 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 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绍蹿，缉 日期：沙妒事卢月? 一日 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密酞 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：妊堰、弭 日期：2 帅垆年尹月，o 日 指导教师签名：琳群 日期：勿r 年中月扣e t 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电力系统中性点接地方式概论 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统供电的可靠性、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( 电磁环境) 及接地装 置等问题有密切的关系。 在发展初期，电力系统的容量较小，当时人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要 原因，即使相电压短时间升高至3 倍，也会威胁安全运行。由于对过电压的一系列危 害作用估计不足，同时对电力设备耐受频繁过电压冲击的能力估计过高，所以，电力设 备的中性点最初都采用直接接地方式运行。 随着电力系统的扩大，单相接地故障的增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停 电事故。于是，便将上述的直接接地方式改为不接地方式运行。 尔后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大，距离延长，电压等级逐渐升高， 电力系统的延伸范围不断扩大。在这种情况下发生单相接地故障时，接地电容电流在故 障点形成的电弧不能自行熄灭，同时，间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大，显著 地降低了电力系统运行的可靠性“”1 。 为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上两个工业比较发达的国家分别采取了 不同的解决途径。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作采用了 中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美国采用了中性点直接 接地和经低电阻、低电抗等接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障 线路、这两种具有代表性的解决办法对后来世界上许多国家的电力系统中性点接地方 式的发展产生了很大的影响。1 。 近几十年来，在飞速发展的社会生产力的推动下，已经形成了遍布世界各地的强大 电力系统。当今世界上已经有了从低压、中压、高压到超高压、特高压等多种电压等级 的电力系统。在不断深化的理论研究和日益丰富的运行经验的基础上，人们对中性点的 各种不同接地方式有了更好的掌握，并进行了创造性的应用，使当今电力系统的建设发 展和安全经济运行均达到了很高水平。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 浮地电网系统绝缘故障概述 我国舰船所采用的浮地电网供电系统属于中性点不接地系统，即中性点对“地” 绝缘系统，萁魏点为当一裙( 线) 对筑短路辩不会密魏短籍魏阕焉导致侯毫中断，嗣 时对人员的人射安全也有保证，即使触及一根绒也不会发生触电事故”“。 戳安际运行中赘麓麓电力系统秀钢，毫网毒艇俸( 速) 之淹存奁分毒毫容，各耱 设备还接有一燎用于减少干扰的去耦电容，因而电网并非是理想的对“地”绝缘系统， 这薅，舞票建阙绝缘较莲甚至发生单程接逮鼓薅，海产生较大瓣瀑毫滚或接懿蠡效薅电 流，但其电流数值不足以使保护电器动作，所以故障长期存在，并导数以下后果。 ( 1 ) 弓l 越是部发热，馒绝缘撰琢趣副，可l 产生逸弧，簇至弓l 越火灾。 ( 2 ) 故障进一步扩大，旗至两掇线对“地”绝缘均极差时，便可能出现两相短路，造成 跳潮叛电。 因此绝缘问题是影响舰船电力系统寰全性与可靠性、人身与舰船安全性的个十分 蓬要垂奄涟题。电网的绝缘状态对于舰躲魄力系统的安全运行具套十分重要的意义 4 j i ”l 。 1 。3 国内外电力系统绝缘监测技术灼发展 国内外对电力系统绝缘故障监测开展了大量的研究_ i 作，并取得了一定的成果，许 多绝缘张线监溺方法及装置己簌电力系统中樽鄹了应蔫。国外对电力系统状态监测与敬 障诊断技术的研究始于六十年代，各个发达国家都很熏视。但到了七十歪八十年代，随 着传感、计算机、光纾簿商新技术鹃袋震与应翔，在线诊甑技术才真戎得到迅速发展。 我国高替院校和电力部门科研院所都相继开展了这方面的研究”3 。 崮予获态蕊溺窥敖漳诊断羧零静难壤，无论国内还建国努，除个剽项交班外，丈多 还很不成熟，仍处于研究发展阶段。以下对中性点不接地交流电网绝缘故障监测方法的 图内岁 磷究瑰妖彀存在的润透送 亍分辑秘讨论。按臻旁翡笼缘装置工 乍簇瑾大致可以分 为以下三类“”。 1 ) 三电莲法邮】 华中科技大学硕士学位论文 0 闰1 1中性点不接地系统绝缘电阻电路图 如燃l 。l 涨示为电鼹中性线不接遐窳统存程绝缘电隈时鲶电路鹭。 该系统中性点位移电压可用下式表示： 氏。半群 式中：u o o 、阮、瓯蠢豢绞各疆穗电压； r o 、瓦、v o 为备相对地导纳。 在毫网绝缘难掌的馕况下盎予各糖对越的泄漏电导魄对她魄套的导魏小褥多，在进 行分析时泄漏电导可以忽略不计，并可认为三相对地电释相等。当a 相绝缘电阻尼降低 时，各棚对她的静皱为 r o2 意十，甜 ( i 2 ) 墨= 艺= j o x ： 戮 阮= 一1 + j 坠3 0 ) c g 。 ( 1 。3 ) 可以将( 1 。3 ) 式变为 一。= u o d + 3 “期。 ( 1 4 ) 分祈( 1 4 ) 式可知，兄发艇变纯，矢量乩始端的轨迹是以故障相相电压矢量瓯。 为直径的位于其顺时针方向一侧的半圆上，如图l 。2 所示。各相对地电压均发生变化 并存在定关系。 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 单相接地故障中性点电压偏移轨迹 三电压法就是利用各相对地的电压差别来判断故障的发生。 2 ) 信号寻迹法 信号寻迹法就是在被测电网中注入信号，而后通过对信号的跟踪测量来判别电网的 绝缘情况。信号寻迹法根据注入信号的不同可分为直流信号法、单频法、双频法“。 ( 1 ) 直流信号法 其原理如图1 3 所示，图中风为限流电阻。在三相交流电网中投入直流信号，电网 电流也随之变化，利用此来判断电网总的绝缘情况。 根据直流注入原理实现的绝缘监测装置已被应用于浮地绝缘故障支路定位中，其原 理简单，且不受电网接地电容的影响。但该方法技术上实现较难，欲对漏电流的直流分 量感应，需采用霍耳器件，而由此带来的每个传感器的电源支持问题、舰船恶劣电磁环 境的干扰问题、传感器间的偏差校正问题等使直流注入原理难以在舰船环境中应用。 图1 3 直流信号法绝缘测量原理示意图 ( 2 ) 单频法 其原理图如图1 4 所示，在交流电网中注入一个低频信号，将传感器套在地线( 支 路) 上跟踪测量所加的低频信号，当某一支路绝缘降低时该支路低频信号引起的电流变 大，依次来判断各个支路的绝缘情况。但是它所能检测的接地电阻受电网系统的分布电 4 华中科技大学硕士学位论文 容的制约。 = 图1 4 单频法绝缘测量原理示意图 壹 图1 5 变獭探测法原理示意图 ( 3 ) 变频探测法“ 当绝缘监察装置茇出接地警报信号焉，为了检测出是哪条支路发生接地故障，可向 电网交替注入两个不同频率的交流信号，如图1 5 所示。即在有接地点的母线与地之间 注入低黼僮低颁绿静交流信号。当互感器在接媳点与信号发室器之间的接遗支路测量 时，感受到接地电流，据此就能判断出哪条支路有接地故障。 下瑟分丰厅电流浇篷跑较粪恭下所检灏电两接速电阻与分布电容之湖的关系。 该判据是根据发生接地故障后，不同频率下两个电流的比假大于正常情况下两个电 流的逡魏来判瑟篷否发生接逮敖簿。 若设支路对地电容为c ，在正常情况下，当分别注入频率为； ，。 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 劳经过变形嘉霹褥 土一 上 ! 6 1 6 8 + 5 c , 6 1 6 8 5 岛一o ，0 5 0 6 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 即是投入的补偿电感l 的取值范围。投入在此在此范围内的补偿电感后 理论上竣毒 偿蜃躲藏障支漆潺逛滚罄夫予i m a ，栽够搜谨感器捻瓣戮。 为方便补偿电感的取值，不仿将l 的取值定为 ll 己：6 1 6 8 ：, 5 c z - 0 , 0 5 0 6 6 , 1 6 8 5 c z , , , ； 。垒：! 。+ 兰l ( 2 11 ) 26 1 6 8 5 0 - 0 ，0 5 0 66 1 6 8 ，5 c ： b 注入电流频警f = 2 5 h z 时 丽理w 得在注入电流频率f = 2 5 h z 辩瀚l 韵敬值为 l = 0 。50 5 一上一 2 4 6 7 4 c + - 0 t1 9 8 2 4 6 7 4 c z ( 2 。1 2 ) 当投入的补偿电感的值按照上述的( 2 。1 1 ) ，( 2 。1 2 ) 式的约寨变化瓣，理论上可暖 灞太瀛魄流囊大予i m a 。能够羧僚感器聚礁翡梭测蠢表。 式( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) 中的补偿电感与系统分布电容的关系可以见图2 7 。圈中的关 象蕊线蹙速霆m a t l a b 蠡冀较转建模藿掇赡4 。1 。 由图2 7 可见，当信号电流的频率f = 1 2 。5 h z ，g o 时，当大到一定程度后，结型场效应管进入饱和工作区，漏源等效电 阻吃固定，基本不随着的变化而变化，因而不能用作压控电阻。 ( 2 ) 在 0 时，由于器件本身的结构的原因，减小到一定程度以后，栅极g 和漏 极d 之间的p n 结导通，使得漏极电流厶将突然增大，在特性曲线上表示为近于 平行于y 轴，这时候结型场效应管当然也不能够作为压控电阻使用了。 上述分析表明：结型场效应管作为压控电阻时，能够直接加在栅源两端的电压在 上述两种情况下应用范围很小。 为了扩展输入电压的范围，可以在结型场效应管的源极和地之间串一个受控电压 源，这个受控电压源的输出为( i - - a ) 屹，如图3 4 所示。 3 4 输入范围扩展 华中科技大学硕士学位论文 则可得出漏源电压为： 吃= a 屹 ( 3 7 ) 其中令a ( 1 ，这样实际加在漏源两端的电压a 吃就很小，只要a 圪位于结型场效应 管的非饱和区的电压范围内，就可以保证电路具有的动态范围。同时，这个电路相当 于将原来的结型场效应管的阻值和动态范围扩大了1 a 倍。因此，只要改变a 的取值， 就可以得到具有不同阻值范围和不同动态范围的压控电阻。 这样电路就显示出良好的线性和较大的动态范围。 3 1 3 压控感性电抗。”“ 我们将上文所论述的结型场效应管压控电阻放入图3 1 中的可调电抗原理图中，用 它来代替图中的电抗五，则可以得到图3 5 。 图3 5 加入场效应管后的原理图图3 6 等效原理图 图3 5 中a 。，4 为理想运算放大器；z 1 ，z 2 ，z 3 ，z 4 为电抗：q 1 为结型场效应 晶体管；为输入电压；圪为控制电压。 当结型场效应管工作在可变电阻区时，对电路进行分析，可得： 、v ，2 z 等散2 z 1 + 琢丽p 】 3 _ 8 上式中，如取z 1 = r ，乏= 1 s c 2 ，电路为压控电感，有 华中科技大学硕士学位论文 z 旷r l 1 + 热】 ( 3 9 ) 其等效电感值和等效电阻值为 k 枯：终r l ( 31 0 ) 坞效i 。( 一2 5 ) “ r 等效= r l ( 3 1 1 ) 由上式可见，图3 4 所示的可控电感的入端看过去等效为一个定值电阻和可调电感 的串连，如图3 5 所示。 上面所做的分析都是基于未进行输入范围扩展的结型场效应管进行分析的。为了扩 大场效应管的输入范围，从而得到具有不同电感值范围和不同动态范围的压控电感，我 们将上文的原理图加以改进，见下图。 图3 7 进行输入扩展后的原理图 由电路可知，结型场效应管的栅源电压可以表示为： 矿：监竺 0 5 2 另外由于a r 和r 两个电阻分压的缘故，有： 吃= 警圪= 口吃 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 这样，电路就满足了两个条件，使结型场效应管的漏电流l 与漏源电压成线性关系 并且输入电压很大，圪很大时，漏源电压都不会很大，结型场效应管不会进入饱和区， 这样就大大增加了输入电压的动态范围。 由于进行了输入扩展，随之结型场效应管的等效电阻也会发生改变。其等效阻值为 = 告= = 击