（电力系统及其自动化专业论文）全补偿消弧线圈及其控制方法的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t ，t h em e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko f o u rc o u n t r yu s i n gr e s o n a n tn e u t r a lg r o u n d i n gi sg r o w i n g h o w e v e rw i t ht h ep o p u l a r r e s o n a n tg r o u n d i n gu s e d ，t h ef a u l tl i n ed e t e c t i o nr e s u l t sa n da r cs u p p r e s s i o nr e s u l t sa r e n o ti d e a l i ti se a g e rt of i n dab e t t e ra r cs u p p r e s s i o nm e t h o dt om e e tt h er e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rs y s t e m b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i s v a r i o u sf o r m so f e x i s t i n ga r cs u p p r e s s i o nc o i ls t r u c t u r ea n dc o n t r o la p p r o a c h ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e w f u l l c o m p e n s a t i o n a r cs u p p r e s s i o nc o i lw h i c hc o u l dc o m p e n s a t eb o t ha c t i v ea n d h a r m o n i cc o m p o n e n to ft h eg r o u n df a u l tc u r r e n t t h e nt h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sw i t h t h i sn e wa r c s u p p r e s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h e s t r u c t u r eo ft h ef u l l c o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o nc o i la n di t s o p e r a t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g y , t h es y s t e me a r t h c a p a c i t o rc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，t h ef a u l t1 i n es e l e c t i o nt e c h n o l o g y , a n ds o o n f i r s t l y , w es t u d yt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hs u i t s t h es t r u c t u r eo fn e wa r c s u p p r e s s i o nc o i lf o rt h en e e do ff u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o n t u n i n gi nn o r m a l o p e r a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa no n - l i n ec a p a c i t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o do f i n je c t e ds i g n a lb a s e d o nt h en a t u r a ls y s t e mf r e q u e n c y i ti su s e df o rt h eo n l i n er e f e r e n c e a u t o m a t i ct u n i n go fm a i na r cs u p p r e s s i o nc o i lt oe n s u r et h a tt h em a i na r cs u p p r e s s i o n c o i lo p e r a t e si nt h en e a ro ff u l lc o m p e n s a t i o np o i n t w h e nt h es y s t e ms i n g l e 。p h a s e g r o u n df a u l to c c u r r e d ，f o rt h eb e t t e rc o m p e n s a t i o n t ot h eg r o u n df a u l tr e s i d u a la n dt ot h e s m a l l e s to fi t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa na d a p t i v eg r o u n df a u l tr e s i d u a lf l o wh a r m o n i c d e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ef u z z yi n f e r e n c e ，w h i c h p r o v i d e dt h e a c c u r a t e d r e f e r e n c eo fo u t p u tc u r r e n ti n je c t i o nf o rt h ea u x i l i a r yc o i l t h e n ，f o rt h ec o n t r o lo ff u l lc o m p e n s a t i o n a r cs u p p r e s s i o ns y s t e m ，t h i sp a p e r p r e s e n t saf u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o nc o i lc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nt h eh o o c o n t r o lt h e o r ya g a i n s tt h eu n c e r t a i n t yo fs y s t e mm o d e l ，t h ec o m p l e x i t yf a c t o r so fp o w e r s y s t e mf a u l ta n do u t s i d ei n t e r f e r e n c e t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fc o n t r o lo b j e c t i v e so f t h em i x e ds e n s i t i v i t ya n a l y s i sf u n c t i o n ，w et r a n s f o r mc o n t r o ls y s t e mi n t oas t a n d a r dh o o c o n t r o lp r o b l e mt os o l v e ，a n dr e d u c eo r d e rp r o c e s s i n gu s i n gl e a d i n gt ot h ef i n a ln o d et o c r e a t et h ec o n d i t i o n sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n w i t ht h i st e c h n o l o g y , w er e a l i z et h e r a p i d l ya n ds t e a d i l yc o n t r o lo ff u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o nc o i l s u b s e q u e n t l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sat r a n s i e n tf a u l tl i n es e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h em u l t i s c a l em o r p h o l o g yw a v e l e ta n a l y s i sa g a i n s tt h ep r o b l e mo ff a u l tl i n e ss e l e c t i o n i nr e s o n a n tg r o u n d i n gs y s t e m w ec o m b i n et h ea d v a n t a g e so fw a v e l e ta n a l y s i sd e t a i l st o 1 1 1 a b s t r a c t s i g n a l sm u l t i - s c a l ea n dm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yc o m p u t i n gs i m p l e ，e a s yt op r o g r a mt o a c h i e v e w eu s ea l t e r n a t i v em o r p h o l o g yo p e r a t o rw a v e l e to p e r a t o r , b u i l d i n gt h ep y r a m i d t h e o r ys i g n a lt h es h a p e r e s o l v e dm u l t i s c a l ew a v e l e ta l g o r i t h m ，t os o l v et r a n s i e n te a r t h f a u l tl i n es e l e c t i o np r o b l e m s f i n a l l y , t h i sp a p e rs t u d i e sp s e u d o f a u l tb yf e r r o r e s o n a n c ei nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t ht h ed e t e c t i o nn e e d so ft h ep o w e rs y s t e mb e f o r ef u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o n c o n t r 0 1 b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ff e r r o r e s o n a n c ea n di n s u r a n c ei s s u e sf u s e m e c h a n i s mi nt h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e c o r r e s p o n d i n g s u p p r e s s i o np r o g r a m m ea n dv e r i f i e s t h ec o r r e c t n e s st h r o u g hh i g h - p r e s s u r ep h y s i c s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t o v e ra l l a s p e c t so fr e s e a r c hh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， s i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds o m eh i g h p r e s s u r ep h y s i c se x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d et h e n e c e s s a r yr e s e a r c hb a s ef o rt h ep r a c t i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yo ff u 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 o n t h e ya r eu s e f u ls u p p l e m e n ta n di m p r o v e m e n tf o rt h e a r cs u p p r e s s i o n c o n t r o la n df a u l tl i n e ss e l e c t i o nt e c h n o l o g yi nt h er e s o n a n tg r o u n d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o np o w e rn e t w o r k ，a r cs u p p r e s s i o nc o i l ，f u l lc o m p e n s a t i o na r c s u p p r e s s i o n ，巩c o n t r o l ，f a u l tl i n es e l e c t i o n i v p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文全补偿消弧线圈及其控制方法的研 究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 签名：1 些掾眵日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位 论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文； 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部 分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：望塑皇 e t 期：嘘兰：! ： 导师签名：j 脚 f t 期：z 鲤茏厶：陟 华北电力大学博士学位论文 1 1 引言 1 1 1 配电网概述 第一章绪论 现代电力系统是一个超大规模的系统，通常把它分成三个子系统：发电系统、 输电系统和配电系统。其中作为发电系统的大型发电厂往往远离负荷中心，发电厂 发出的电能一般要通过输电系统的高压或超高压输电网络送到负荷中心，然后在负 荷中心由电压等级低的网络把电能分配到不同电压等级的用户，配电系统就是这种 在电力网中主要起分配电能作用的网络。配电网相对于区域电力网络来说，它的电 压等级和供电范围均要小一些，在整个电网中处于末端，是连接发电系统、输电系 统和用户的中间环节。它最大的特点是作为电力网的末端而直接和用户相连，能敏 锐地反映着用户在安全、优质、经济等方面的要求。一旦配电网设备发生故障或进 行检修试验就会同时造成系统对用户供电的中断，配电网的可靠性实际上是整个电 力系统结构及运行特性的集中反映。据不完全统计，用户停电故障中8 0 以上是由 电力系统中配电环节的故障引起的，也就是说配电网对用户供电可靠性的影响最 大，且配电设备数量大、分布面广，对系统投资和停电损失的影响不容忽视。因此， 配电网安全运行的根本要求是安全、可靠和经济，并且以安全可靠最为重要。 影响配电网安全运行的主要因素是系统中出现的过电压和过电流。一般情况 下，配电网中由于直接的两相短路或三相短路产生过电流较为少见；而由于过电压 造成绝缘破坏，导致各种短路故障却有很高的概率。有关统计资料显示【lj ，配电网 的过电压事故约占整个电力系统过电压事故的7 0 8 0 ，这严重威胁着电网安 全。配电网中的过电压主要分为外部过电压和内部过电压。外部过电压主要指雷击 过电压；内部过电压则主要包括谐振过电压和操作过电压。 由系统发生铁磁谐振所引发过电压为典型的谐振过电压。当系统发生雷击、接 地等故障时均易引发系统铁磁谐振，当系统发生谐振时会产生过电压和过电流，不 仅对系统电气设备的绝缘构成危害，同时有可能导致系统p t 损毁或保险熔断，影 响供电可靠性和电量计量。此外，铁磁谐振还会使系统中性点电压位移而产生零序 电压，开口三角电压升高，易引发系统保护误动，接地故障监测装置误判等问题。 由系统接地故障引发的间歇型弧光接地过电压则为配电网典型的操作过电压。 配电网的故障绝大多数是单相接地故障，在架空线路中其发生概率约占系统短路故 障总数的8 0 - 9 0 以上，配电网发生单相接地故障时，按规程是允许带电运行一 定时间的，但必须首先解决好发生单相接地故障时的弧光过电压问题。当系统发生 第一章绪论 单相接地故障时，只要有接地电流从接地点流过，就可能产生弧光接地过电压。弧 光接地过电压，会破坏系统或系统中的设备绝缘，甚至损毁设备，使系统的安全性 受到很大影响。 从理论上讲，弧光过电压的产生分两种情况【。一种是系统接地电流小于系统 的熄弧临界值，此时接地电流由于能在电流过零时可靠熄灭，不形成间歇性的接地 电弧，也就不容易产生弧光接地过电压；另一种情况是系统接地电流大于系统的熄 弧临界值，此时接地电弧在电流过零时短暂熄灭，在峰值附近重燃，形成时断时续 的间歇性电弧。由于系统是由电感、电容和电阻等元件组成的网络，电弧间歇性的 熄灭与重燃会导致网络强烈的电磁振荡，产生严重的过渡过程过电压。尤其不利的 是，此时过电压的幅值最高可达3 5 乩，且过电压持续时间长，遍及全网，至使系统 中绝缘弱点发生击穿，对系统构成较大的危害。因而，研究系统接地过渡过程的具 体特性及相应控制策略具有明显的现实意义。 配电网单相接地故障的过渡过程，与系统的中性点运行方式是密不可分的【1 8 】。 我国中压配电网中，常用的中性点运行方式主要有中性点经消弧线圈接地系统、中 性点经低阻接地系统、中性点不接地系统。在中性点不接地系统中，弧光过电压发 生的概率及危害最大；在中性点经低阻接地系统中，发生单相接地故障时，系统要 跳闸，牺牲了电网的供电可靠性。而中性点经消弧线圈接地系统，则即降低了弧光 过电压的发生概率及危害，又不牺牲系统的供电可靠性。因此，目前我国的配电网， 其发展趋势是采用中性点经消弧线圈接地系统，也称谐振接地系统。 1 1 2 谐振接地系统概述 消弧线圈的作用是当系统发生单相接地故障时，产生感性电流补偿系统线路对 地的容性电流，使接地电弧易于熄灭，降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避 免接地电弧的复燃，减少弧光接地过电压。 配电网中性点装设消弧线圈，主要是为了自动消除由于电网接地故障所引发的 接地电弧。其作用的原理有二：一是消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电 流，限制了接地故障电流的破坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭；二是当残 流过零熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免接地电弧的重燃 并使之彻底熄灭。由于接地故障电流的减小，有力的限制了接地电流和电弧的电动 力、热效应和空气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成永久性故障的概 率，使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，如此， 接地电弧得以彻底熄灭，谐振接地电网便在瞬间恢复了正常运行。 从理论上讲，当系统发生单相接地故障时，如果单纯从熄灭故障点电弧的角度 考虑，消弧线圈在谐振点状态下运行最为有利，即消弧线圈的感抗值在数值上最好 等于线路对地电容的容抗值；但对于实际运行中的电网，系统正常运行时，这样的 2 华北电力大学博士学位论文 参数匹配，又会使系统发生串联谐振，谐振过电压同样严重威胁系统的安全；特别 是中压电网，线路导线的换位情况欠佳，电网的三相对地电容互不相等，因此中性 点对地必然存在一定数值的残余电压，当消弧线圈投入运行后，电网的三相对地电 容与消弧线圈的电感便会构成串联谐振回路，如果串联回路没有阻尼，当消弧线圈 恰好在谐振点运行，便会出现电压谐振问题，使电网中性点发生显著位移，严重破 坏电压的对称平衡，若长期运行，易损害电气设备，酿成事故。为此，为避免上述 问题的出现，现有消弧线圈均在结构形式及相应的控制方式上加以合理考虑。 1 2 消弧控制技术的发展现状 谐振接地系统消弧控制技术主要包含消弧线圈的结构形式及与其相适应的运 行控制策略、接地电容电流检测和谐振接地系统故障选线等几方面研究内容1 9 1 。我 国在消弧控制技术方面也开展了多年的研究，推出多种形式的消弧线圈，并提出多 种地接地电流检测及相应的控制方式。 1 2 1 消弧线圈结构及调谐控制方式的发展现状 1 2 1 1 消弧线圈结构的发展现状 在中性点谐振接地系统中，消弧线圈的控制技术是与消弧线圈的具体结构形式 密不可分的。最早的消弧线圈采用的是固定电抗器结构，其电抗值是固定的，所以 补偿量也是固定的。其作用只能是在一定程度上减小了接地残流，降低了接地电弧 危害，具有显而易见的局限性。因此，研制可调谐消弧线圈，是消弧线圈技术发展 的必然趋势，在此背景下，产生了离线式手动调节的消弧线圈。但是，如果消弧线 圈接地系统的设计和控制调节不当，系统同样会出现其他新的问题，尤其是随着配 电系统的发展，传统的采用离线式手动调节的消弧线圈，由于存在着许多缺陷和不 足，已经不能满足新的发展需要。主要表现在【8 9 】：调整困难，操作繁琐。脱谐 度测量困难。调谐不当易产生谐振过电压。 正是由于传统的消弧线圈存在着上述缺陷，伴随着计算机控制技术和电力电子 应用技术的突飞猛进发展，消弧线圈的研究进入了一个高速发展时期，出现了各种 各样的自动调谐式消弧线圈结构和控制方法。进入上世纪8 0 年代后，欧洲及前苏 联等国家，先后研制出两种新产品，即气隙可调式和直流偏磁式消弧线圈，并广泛 应用于欧洲、亚洲等地。我国于1 9 9 1 年研制出气隙铁心可调式消弧线圈，接着又 开发出在线分级调匝式、直流偏磁式、直流磁阀式、调容式和高短路阻抗变压器式 等具有自主知识产权的消弧装置。这些自动调谐的消弧线圈，可以自动适时地监测 跟踪电网运行方式的变化，快速地调节消弧线圈的电感值，以调谐变化的电容电流， 使失谐度始终处于规定的范围内。 第一章绪论 1 气隙可调式消弧线圈 1 2 , 1 3 】 由上海交通大学高压实验设备研究开发中心和北京煤炭设计研究院联合开发 的自动调谐消弧成套装置是目前已投入运行的第一种国产自动调谐消弧设备。其 z x b 6 - - l o k v 自动调谐消弧装置在徐州矿务局权台煤矿和信阳局五里暾变电站投入 运行以来，使供电可靠性有了很大提高。该消弧线圈采用调整铁心气隙的方法，实 现了连续无级电感调节。这种消弧线圈串联了一个电阻于接地回路，用于阻尼谐振 过电压，限制弧光接地过电压，实际上，这也是国内首次在消弧线圈回路中串联了 阻尼电阻，消弧线圈预调至全补偿点附近，故障时短接阻尼电阻以消除电弧，同时 保护阻尼电阻不至过热损坏。 该装置的不足之处主要是：通过连续调节磁路中的间隙长度来获得连续变化的 电感，采用较精密的机械传动机构，响应速度慢，噪声较大。同时，当发生故障时， 由于消弧线圈中通过很大的补偿电流，其产生的磁场力足可将铁心吸住，使该装置 不可能在发生故障( 单相接地) 后继续调谐接地电容电流。 2 自动调匝式消弧线圈【1 4 】 19 9 4 年1 2 月，邯郸电力实业有限公司和邯郸市邯山电力自动化研究所联合开 发出一种6 - 3 5 k v 中性点小电流接地系统自动调谐消弧装置。该装置的接地变压器 采用曲折型结构，其消弧线圈采用1 4 档有载开关的调匝式电抗器，配以专用接地 变压器和以8 0 9 8 为核心的微机控制器，可实时监测电力系统接地电容电流。当电 网运行发生变化时，自动调节电抗器的分接头，使残流限制在允许范围内。为了实 现全工况工作( 既可工作于欠补偿，全补偿，过补偿三种状态) ，其消弧线圈串联 了一个电阻于接地回路，抑制电网的中性点位移电压，把过电压水平限制在允许值 ( 2 6 倍相电压) 以下。 上述装置存在的不足主要是消弧线圈调谐精度不够，故消弧线圈不能始终运行 于最佳补偿状态。 3 三相五柱组合式消弧线圈 1 5 , 1 6 j 1 9 9 4 年3 月，由中国矿业大学和邢台矿务局共同研制开发的x b s g 6 ( 1 0 ) 5 0 型 自动调谐消弧线圈( 专利号c n 2 2 0 2 3 6 9 y ) 和w l d 4 型接地保护装置，它的主要技术 特点是采用了一种全新思路的可连续调节电感值的消弧线圈( 三相五柱干式消弧线 圈) 。其最大优点在于用磁路将接地变压器和消弧线圈融为一体，通过控制晶闸管 导通角以改变电感l 3 的等值电感量实现消弧线圈电感量的细调。如图1 1 所示。该 系统既能在单相接地故障前运行在“预调谐工作方式 ，也可在系统发生接地故障 时进行实时调谐，因而可以较好的保证接地故障时对接地容性电流变化的自动调 谐。但其不足之处主要是内部的电感值固定，导致其调谐范围极其有限，故实际应 用仍然受到限制。 4 华北电力大学博士学位论文 图卜1 三相五柱于式消弧线圈 4 直流偏磁式消弧线圈】 直流偏磁式消弧线圈的基本工作原理是利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心 的磁导率，实现电感量的连续变化。这类消弧线圈的结构有多种，按照励磁方式的 不同，可分为他励式和自励式( 又称磁阀式) 两种。1 9 9 4 年，偏磁式( 他励式) 消 弧线圈z d b 6 8 0 研制成功并投入某6 k v 电网运行，该直流偏磁式消弧线圈的原理 是在交流工作绕组内设置一个铁心磁化段，通过改变直流助磁磁通的大小，以调节 交流的等值磁导，使其电感连续可调，其基本结构如图1 2 所示。该消弧线圈首次 应用了动态补偿方法，即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故障后，瞬时调整消弧线圈至全补偿状态，实施最佳补偿。该 补偿方式不串联阻尼电阻，称之为“随调式”补偿方案。 这种消弧线圈的优点是：无传动装置，属静止调节方式；响应速度较快；调节 范围较宽，交流等值电感线性度较好。缺点则是：需要附加电源，设计、制造技术 复杂，造价成本高；需要直流励磁，控制复杂，长时间励磁还会使铁心过热。 而自励式的磁阀式消弧线圈则是利用自耦直流励磁控制铁心的饱和程度，实现 对补偿电流的连续调节。1 9 9 7 年1 月在国内首次投运，不过，因受电容电流跟踪方 法的限制，同类消弧线圈运行尚存在困难，这种形式的消弧线圈并没有得到发展。 誊 图1 - 2 直流偏磁式消弧线圈 5 调容式消弧线圈1 8 】 由华北电力大学和广东顺特电气联合生产的调容式消弧线圈是基于晶闸管投 切电容( t s c ) 的概念构造出来的，于2 0 0 0 年5 月在河北沧州某3 5 k v 变电站1 0 k v 5 第一章绪论 系统挂网运行。调容式消弧线圈由带二次绕组的消弧线圈和多组不同容量的t s c 构 成，如图1 3 所示。晶闸管以开关的方式控n - 次侧电容器组的投切，实现消弧线 圈等值电抗的阶梯变化。此种消弧线圈的优点为：由于采用了晶闸管电子开关，响 应速度快。其调节范围也较宽，可在1 0 - - 1 0 0 最大补偿电流范围内任意调节，级 位的调节一次到位，相邻级位的电流差可小于3 a 。在线实时监测，自动调谐，动态 调谐，无需阻尼电阻。 其缺点在于：电容会对系统的谐波成分造成放大作用，而且由电容去补偿消弧 变压器的电感电流也造成了消弧线圈容量上的浪费，另外需监测电容器的电压以避 免电容投入时产生冲击电流。电容器的最大问题是过电压运行能力差，存在非线性。 图卜3 调容式消弧线圈原理 嘲圃蛩当z 勰 6 华北电力大学博士学位论文 细调线圈( 称之为从消弧线圈) ，它们的电感值采用二进制组合，可构成2 一个补偿 值。这种主从式消弧线圈既可根据系统运行方式将主消弧线圈大范围粗调节到系统 要求的过补偿点( 如1 5 过补偿点) ，实现消弧线圈的预调功能；故障时根据实际 接地电流值小范围细调补偿精度，投入从消弧线圈快速自动达到或接近全补偿点， 实现消弧线圈的随调功能。即利用电子开关的快速响应特性，提高谐振接地电网的 自动化水平，同时，在电感电流过零时投切辅消弧线圈，对系统的几乎没有谐波污 染。从消弧线圈电感值的调节范围满足由主消弧线圈的过补偿点达到或接近全补偿 点的要求。此消弧线圈的不足是设备构件数量较多。 图1 - 5 主从微调电抗式消弧线圈结构 在此基础上，为进一步提高补偿精度，又提出另一种主辅式电子控制消弧线圈： 实时高精度补偿消弧线圈( 专利号2 0 0 4 2 0 0 8 8 8 3 3 x ) ，以自动调匝式消弧线圈为主 体，串联辅以晶闸管电子开关控制的单一细调线圈，按照连续可调导通角的方式投 入等效补偿电感值，从而实现补偿电流的连续调节。这种方式既有快速消弧的功能， 又能连续平滑调节补偿电流量；虽然会引入一定的谐波，但理论推导与实验结果表 明，由于所控制的细调线圈的容量只占到消弧线圈总容量的1 5 以下，给系统引入 的谐波很小。 总的来说，新型消弧线圈的研究方向是利用先进的电力电子技术，不断地朝电 抗值连续可调且不产生谐波的方向发展。 1 2 1 2 自动消弧线圈调谐控制方式的发展现状 一种消弧线圈的结构决定了其所采用的调谐控制方式。合理确定消弧线圈的调 谐控制方式，不但可以最大程度的消除电网的各种电弧接地故障，而且可以有效的 减少产生弧光接地过电压的概率，并有效抑制过电压的幅值；同时如果接地电流更 小，也将最大限度的减小故障点的热破坏作用。无论系统线路的对地电容电流有多 大，消弧线圈都可以有效的控制接地电流，这意味着系统的安全可靠性大大提高； 同时故障电弧的自熄也使得供电质量得到了改善。 第一章绪论 从发挥消弧线圈的作用来看，失谐度d 的绝对值越小越好，最好是处在全补偿 状态，即调谐至谐振点上；但是，在电网正常运行时，消弧线圈调谐至全补偿时会 产生危险的串联谐振过电压，这是不允许的。目前，有两种方法解决这个矛盾【卜4 】， 一是采用“预调式”调谐控制方式( 全补偿外加阻尼电阻运行方式) ，前面提到的 调气隙式消弧线圈、自动调匝式消弧线圈以及三相五柱组合式消弧线圈均采用了这 种补偿方式 4 , 1 4 , 1 6 ；二是采用“随调式”调谐控制方式( 远离谐振点补偿方式) ，目 前的直流偏磁式消弧线圈、高短路阻抗消弧线圈以及大部分调容式消弧线圈均采用 了这种补偿方式【1 7 - 1 9 , 2 2 】。三是采用“预随调式”的调谐控制方式，主从微调电抗式 消弧线圈采用这种形式 1 0 , 2 1 , 2 3 1 。 1 “预调式”的特点：一是由于消弧线圈电感量的调整较慢，无法满足故障 时候的跟踪补偿速度要求，因此必须在系统正常运行时，跟踪检测系统对地电容电 流并调节消弧线圈电感量使之能与对地电容发生谐振，即预先调节于谐振点的工作 方式；二是由于消弧线圈预调至谐振点处，为了限制此时出现的位移过电压，在消 弧线圈上需串联或并联阻尼电阻器，使得电网正常运行时串联谐振过电压小于 0 1 5 玑。在国内，自从1 9 9 1 年调气隙式消弧线圈研制成功并投入现场运行以后，这 种补偿方式便被广泛采用。它需要在系统发生接地故障时迅速退出阻尼电阻，实现 最佳补偿，使电弧熄灭，但是由于切除电阻不够快，在单相接地故障发生的起始一 段时间内不能补偿接地点电容电流，阻尼电阻的存在，增大了单相接地的有功成分， 加快了熄弧后中性点振荡电压的衰减速度，从而加快了故障相恢复电压的上升速 度，不利于电弧熄灭，实际上，削弱了消弧线圈的功能。而且带来了电阻投切机械 动作可靠性和电阻过热损毁、投切次数、开关寿命等一系列问题。 引起上述问题的根本原因是这类消弧线圈不能实现快速调节所致，很显然，如 果消弧线圈能够做到快速调节，那么消弧线圈的调谐就可以不必受到阻尼电阻的限 制。为此，人们陆续开发了可快速调节的新型消弧线圈，如：直流偏磁式消弧线圈、 高短路阻抗消弧线圈以及调容式消弧线圈，但是，如上文分析指出，由于受到消弧 线圈结构上的限制，这些消弧线圈均采用“随调式”调谐控制方式，使得消弧线圈 在系统正常运行时工作于一个比较大的过补偿点或欠补偿点处。 2 “随调式”的特点是：电网正常运行时，消弧线圈被调整到远离谐振点处， 故障发生时再通过快速的自动跟踪补偿系统迅速调整到全补偿点上以实现消弧。这 种补偿方式也称为动态调谐方式，1 9 9 4 年，我国学者蔡旭首次提出这种补偿方式， 并将这种补偿方式运用于直流偏磁消弧线圈的现场运行实践【1 7 】。它可完全避免谐振 过电压的出现，但却失去了对瞬间接地电弧的熄灭作用，消弧线圈在单相接地故障 发生瞬间相当于完全不起作用，甚至于出现接地点电流放大( 这取决于远离谐振点 的程度) 等问题，显然接地瞬间的接地电流过大不利于电弧的瞬间自熄，也不利于 保障电网的安全。 r 华北电力大学博士学位论文 3 既然实现消弧线圈的快速调节是消弧线圈发展的方向，而现有的消弧线圈 在结构上和调谐控制方式上均存在对熄弧不利的因素，如果设想一种快速可调的消 弧线圈，正常运行时置于距离谐振点不远的个过补偿点位置处，这样发生单相接 地故障时，因为此时接地故障残流已经得到有效的补偿，因此即使消弧线圈不作任 何调整，也能自动消除系统中发生的大部分电弧接地故障，消弧线圈对于接地故障 的响应时间为0 秒；而对于少数不能被消除的电弧接地故障，则将具有快速响应特 性的消弧线圈迅速调整到谐振点，使其彻底熄灭。我们称消弧线圈的这种调谐控制 方式为“预随调式”。 采取这种控制策略的消弧线圈在电网正常运行时，消弧线圈不在谐振点，不会 引起中性点位移过电压，不用串联或并联阻尼电阻，避免了在电网一次回路中串联 或并联电阻带来的一系列问题，而且，由于消弧线圈在故障发生的瞬间起到了有效 的补偿作用，提高了故障瞬间的熄弧能力；快速可调节的消弧线圈在故障后能够迅 速的向谐振点移动，这使得消弧线圈的熄弧能力大大提高。 1 2 2 谐振接地系统接地电容电流检测的发展现状 消弧线圈的主要作用是当电网发生单相接地故障后，提供一个感性电流i l 补偿接地 电容电流i c ，使接地电流减小，并使故障相接地电弧两端的电压恢复速度降低，从而达 到熄弧的目的。正确掌握谐振接地系统的参数，对消弧线圈的合理调谐、提高动作的成 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。实时跟踪监测电 网运行方式的变化，实现快速准确的电网接地电容电流检测，是保证消弧线圈自动调谐，点 能够实现最佳的补偿效果必要条件，对于快速可靠地熄弧具有非常重要的意义。 对于自动调谐消弧线圈系统，目前工程上常用的接地电容电流测量方法，一般 分为离线式和在线式两类方法【2 , 4 , 2 6 】。离线式主要是测量计算电网接地电容的大小， 以确定消弧线圈容量的选取。主要有单相金属接地直接法、中性点外加电容法、偏 置电容法【2 5 】等。在线式主要是实时监测电网运行方式变化，相应实时调节消弧线圈 容量，以保证快速可靠的熄弧，也是现有自动调谐消弧线圈系统研究的重点和难点。 主要有中性点位移电压法、两点法、三点法、阻抗三角法、变频法、注入信号法【2 卜如j 在出 号子。 根据图1 - 6 所示的谐振接地系统等效回路【l 】，中性点位移电压可表示为 玩= 寿i 吒= 毒瓦3 9 两o + j 丽c o c 九 ( 1 - 1 ) 由于3 9 0 一般只为c o c 的1 5 - 2 0 ，忽略式( 1 1 ) 分子中的3 9 0 后得 9 第一章绪论 蜘一2 尚 ( 1 - 2 ) 热。= 笺芋= 警酬皆振电网峨d = 了g l + 3 9 0 = 专黼振 电网的阻尼率，吒为系统的不平衡电压。 图卜6 谐振接地系统等效回路 1 中性点位移电压法 主要是利用谐振电网串联谐振原理，通过调节消弧线圈，根据式( 1 2 ) 利用中性 点位移电压的最大值来确定谐振点，在谐振点，消弧线圈的感抗等于系统的容抗， 从而直接测得系统的对地电容。这种方法主要适用于无级调节的消弧线圈。对于级 差调节的消弧线圈，由于不一定恰好找到谐振点，测量误差会比较大。另外，由于 在谐振点附近中性点电压的变化很小，有时受到电网电压波动的影响，要找到谐振 点很困难。 其改进方法是利用消弧线圈在系统正常时运行在1 5 过补偿度左右，大大超出 系统阻尼率，从而忽略系统阻尼的影响，可将l 与c 看作为在系统不平衡电压e e 作用下的串联谐振电路，从而可以得到e = u o + 厶缈c 的标量表达式从而求取c 。 在实际应用中，每隔一定时间测量一次砜和，。来实时跟踪系统电容电流的变化。此 方法只适用于中性点不接限压电阻的“随调式 消弧线圈。 2 两点法 利用式( 1 2 ) ，解方程组可得到系统对地电容表达式。当公式中的阻尼率d 远远 小于脱谐度1 ，时，可以忽略阻尼率。用有效值表示，可得到公式 啦眚一+ 幽c o c - l c o l ( 1 _ 3 ) l c o c l 式中，当d 0 时，取“+ ；反之，取“一”，由于消弧线圈的有功损耗电导一般 很小，忽略掉以后，对于式子( 1 - 3 ) 即只有两个未知量和c ，这样测量时通过改 l o 华北电力大学博士学位论文 变一次消弧线圈的电感值，取得两组对应的砜和，。，分别代入式子( 1 3 ) 联立即可求 解c 。此方法忽略了电网阻尼率，在计算消弧线圈感抗时忽略了鼠和3 岛，若电网 阻尼率较大、消弧线圈损耗等值阻尼较大或测量时脱谐度过小，都会导致1 0 以上 的误差，所以计算时应选取脱谐度较大的档位。若中性点加装了限压电阻时，则测 量误差会更大，甚至可能得出错误的结果。此方法只适用于中性点不接限压电阻的 “随调式”消弧线圈。 3 三点法 为此在考虑阻尼电阻的情况下，同样对于式( 1 4 ) 用有效值，我们可以得到 职2南2上(coc-1col)2+d2 卜4 c o c 式中的未知量增加到三个，所以需要选取三组相应的砜和，来求解c 。此方法 不必考虑脱谐度的正负，同样存在计算消弧线圈感抗时忽略了g 和3 9 0 的误差，但 要比两点法的理论误差要小，一般在5 以下。此方法同样只适用于中性点不接限 压电阻的“随调式”消弧线圈。 4 阻抗三角法 对于预调式消弧线圈，由于中性点加了阻尼电阻，就可以利用串联谐振回路中 的电阻、电抗之间的阻抗三角形关系来计算对地电容。由于电网阻尼相对于阻尼电 阻来说很小，利用忽略电网阻尼后的串联谐振等效回路及阻抗三角形，测量时改变 一次消弧线圈的电感值，取得相应的流过中性点消弧线圈电流和中性点不平衡电 压，利用阻抗三角形阻抗夹角的变化求解三角形关系式得到相应的c 。由于在计算 中忽略了消弧线圈的损耗电阻和电网阻尼，理论误差一般在5 左右。对于中性点 不接阻尼电阻的“随调式 消弧线圈，阻抗三角形的阻抗夹角很小，计算误差大， 所以，此方法一般只适用于中性点加装阻尼电阻的“预调式 消弧线圈。 5 变频法 变频法是指在补偿电网正常运行的情况下，不改变串联谐振回路的物理参数， 借助于系统运行频率的自然变化或人工调频等方法，根据变化前后的有关参数，计 算出电网的电容电流。这种方法简便易行，可适用于各种消弧线圈，但系统频率变 化微小且受各种测量因素的影响，测量精度难以保证，现场应用很少。 6 注入信号法 信号注入法主要是在消弧线圈二次侧加装信号源，通过向系统注入某种特定的 信号，使消弧线圈同系统对地电容发生并联谐振，通过测量谐振系统的谐振频率五 来相应求取系统对地的总电容，进而取得系统对地电容电流。当系统频率为厂时， 即可得出电网的脱谐度表达式为 第一章绪论 0 = 1 - ( a i ) ( 1 5 ) 进而求取电网的系统电容电流为s c = s l 1 一d 。目前主要有变频信号法和扫频法 两种形式。相对于前面的几种算法而言，当系统的不平衡电压为零时，就无法测量 计算电容电流，适用范围有限。而对于注入信号法，则不存在这些问题，对于“预 调式 和“随调试均适用。并且，在测量系统电容电流时，不影响系统的正常运 行，不受系统运行的影响，不需要调节消弧线圈档位，速度快，误差一般在5 以 下。信号注入法是目前在中压谐振电网中较广泛应用的电容电流测量方法，尤其适 用于新型的基于电力电子技术的自动调谐消弧线圈。 1 2 3 谐振接地系统单相接地故障选线的发展现状 自从谐振接地方式出现以来，随着消弧线圈更为广泛的应用，谐振接地系统的 单相接地故障选线作为完善配电网谐振保护的必要措施之一，许多专家学者在这方 面开展了广泛深入的研究。但由于接地点的电容电流得到了消弧线圈电感电流的补 偿，故障线路与非故障线路的电流大小与相位均很相近，可靠的故障选线较难实现， 一直以来都是现场运行中的一大难题【1 - 4 ,