（电气工程专业论文）10～66kv配电网消弧线圈的应用研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文1 0 6 6 k v 配电网消弧线 圈的应用研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蕉皇日期：z 竺乙三：z 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：旌字导师签名： 日期：圣翌z ：三：日期：翌2 ：三：z 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 1 i1 0 。6 6 k v 配电网系统基本运行方式及特点 我国6 6 k v 及以下配电网一直以中性点不接地的运行方式为主，这是符合我国 国情的。我国配电网的网络结构比较简单，不能达到多电源供电的要求，因此中性 点不接地系统当系统发生单相接地后仍能维持供电的优点显得可贵。 选择电网中性点接地方式是一个要考虑许多因素的问题，它与电压等级、单相 接地短路电流数值、过电压水平、保护配置等有关。并直接影响电网的绝缘水平、 系统供电的可靠性和连续性、主变压器和发电机的安全运行以及对通信线路的干 扰。l o k v 中性点不接地系统( 小电流接地系统) 具有如下特点：当一相发生金属性接 地故障时，接地相对地电位为零，其它两相对地电位比接地前升高3 倍，一般情 况下，当发生单相金属性接地故障时，流过故障点的短路电流仅为全部线路接地电 容电流之和其值并不大，发出接地信号，值班人员一般在2 小时内选择和排除接地 故障，保证连续不间断供电。 随着城市建设发展的需要和供电负荷的增加，许多地方正在城区建设6 6 1 0 k v 终端变电所，一次侧采用电压6 6 k v 进线，随着城网改造中杆线下地，城区l o k v 出 线绝大多数为电缆出线，l o k v 配电网络中单相接地电容电流将急剧增加。 以电缆线路为主的配电网具有以下特点： 1 单位长度的电缆线路的电容电流比架空线路电容电流大1 0 几倍，以电缆为 主的城市电网对地电容电流很大。 2 电缆线路受外界环境条件( 雷电、外力、树木、大风等) 影响小，瞬时接 地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。 3 电缆线路发生接地故障时，接地电弧为封闭性电弧，电弧不易自行媳灭， 如不及时跳闸，很容易造成相间短路，扩大事故。 4 电缆为弱绝缘设备。例如，l o k v 交联聚乙稀电缆的一分钟工频耐压为2 8 k v ， 而一般l o k v 配电设备的绝缘水平为4 2 k v 。在消弧线圈接地系统中，由于查找故 障点时间较长，电缆长时间承受工频或暂态过电压作用，易发展成相间故障，造成 一线或多线跳闸。 5 在电缆线路中，高频振荡电流幅值大衰减慢，高频振荡电流远大于工频电 流，在工频电流过零时高频振荡电流仍然有很大的幅值，维持弧光燃烧取决于高频 振荡电流衰减的快慢和工频电流，消弧线圈不能补偿高频振荡电流，又由于在电缆 线路中消弧线圈补偿后的残流大，消弧线圈在电缆线路中不能消弧。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 根据国家原电力工业部交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规定，3 6 6 k v 系统的单相接地故障电容电流超过1 0 a 时，应采用消弧线圈接地方式。一般的 6 6 i o k v 变电所，其变压器低压侧为接线，系统低压侧无中性点引出，因此，在 变电所设计中要考虑1 0 k v 接地变、消弧线圈和自动补偿装置的设置。 1 2 影响消弧线圈应用效果的重要性能 1 2 1 线性良好的伏安特性 消弧线圈必须具有线性良好的伏安特性( 在0 1 1 0 额定电压范围内是一条 过原点的直线) ，目前尚未得到应有的重视。在有关老式( 非自动跟踪式) 消弧线 圈的标准中，对该性能的考核被列为“特殊试验”，并未作为必须保证的指标，用 户也往往忽视由于不满足该要求而可能造成的后果，国内在该领域的学术活动中对 此也未有足够的关注。然而，此性能实际上是十分重要的。本文就k d x h 消弧系 统在现场运行中的记录数据加以分析。 k d x h 型智能化快速消弧系统( 型号k d - - x h o i 一5 0 0 1 0 5 ) 白2 0 0 0 年4 月 在双山变电站投运，到2 0 0 1 年4 月的1 年多时间内已动作7 4 次，记录到的中性点 电压u n 的统计结果列于表1 。 囊l 藏山爱电站单桕接地教麓时 中性赢电舔“的数佳统计 t m b i t h es t = t l j el h “f l 知睡饨。呻由一，w h i l e 寰涵甓i 簟p l l 婚e 童l 螂日畦细lks ；翻u t i 鐾蜘ns a l x t a t l o u u i v o 时为欠补偿，v o 时为过补偿。从发挥消弧线圈 的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点 上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。如煤矿 6 k v 电网，当消弧线圈处于全补偿状态时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移 电压是未补偿电网的l o 2 5 倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。除此之外。电 网的各种操作( 如大电机的投入，断路器的非同期合闸等) 都可能产生危险的过电 压，所以电网正常运行时，或发生单相接地故障以外的其它故障时，小脱谐度的消 弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害。综上所述，当电网未发生单相接地故 障时，希望消弧线圈的脱谐度越大越好，最好是退出运行。 2 2 国内外消弧线圈使用现状 按照补偿方式分类：基本可以分成：1 、固定补偿，2 、随动式补偿，3 、动态 补偿系统。 早期采用入工调匝式固定补偿的消弧线圈，称为固定补偿系统。 固定补偿系统的工作方式是：将消弧线圈整定在过补偿状态，其过补程度的大 小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移电压超过相电压的1 5 ，之所以采用 过补偿是为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压。因为如整定在 欠补偿状态，切除线路将造成电容电流减少，可能出现全补偿或接近全补偿的情况。 但是这种装置运行在过补偿状态当电网中发生了事故跳闸或重合等参数变化时脱 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 谐度无法控制，以致往往运行在不允许的脱谐度下，造成中性点过电压，三相电压 对称遭到破坏。可见固定补偿方式很难适应变动比较频繁的电网，这种系统已逐渐 不再使用。 取代它的是跟踪电网电容电流自动调谐的装置，这类装置又分为两种，一种称 之为随动( 自动) 式补偿系统，一种称之为动态补偿系统。 随动( 自动) 式补偿系统的工作方式是：自动跟踪电网电容电流的变化，随时 调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串一电阻，增加电网阻尼率， 将谐振过电压限制在允许的范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻 短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高压调整。 动态补偿系统的工作方式是：在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点， 彻底避免串联谐振过电压和各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地 后，瞬间调整消弧线圈到最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈 能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性，通过适当的控制， 该系统是唯一可能使电网中原有功率方向型单相接地选线装置继续使用的系统。 2 3 各种形式消弧线圈工作原理分析及比较 2 3 1 固定补偿的传统式消弧线圈 为了保证配电网的安全运行，不少地区采用了老式消弧线圈接地方式，这种方 式对减少事故跳闸起到了明显的效果，但也暴露出一些问题。 当3 6 6 k v 系统的单相接地故障电容电流超过i o a 时，应采用消弧线圈接地方 式，通过计算电网当前脱谐度( e = ( i l i c ) z c 1 0 0 ) 与设定值的比较， 决定是否调节消弧圈的分接头，过去选用的传统消弧线圈必须停电调节档位，在运 行中暴露出许多问题和隐患，具体表现如下： 1 、由于传统消弧线圈没有自动测量系统，不能实时测量电网对地电容电流和位 移电压，当电网运行方式或电网参数变化后靠人工估算电容电流，误差很大，不能 及时有效地控制残流和抑制弧光过电压，不易达到最佳补偿。 2 、传统消弧线圈按电压等级的不同、电网对地电容电流大小的不同，采用的调 节级数也不同，一般分五级或九级，级数少、级差电流大，补偿精度很低。 3 、调谐需要停电、退出消弧线圈，失去了消弧补偿的连续性，响应速度太慢， 隐患较大，只能适应正常线路的投切。如果遇到系统异常或事故情况下，如系统故 障低周低压减载切除线路等，来不及进行调整，易造成失控。若此时正碰上电网单 相接地，残流大，正需要补偿而跟不上，容易产生过电压而损坏电力系统绝缘薄弱 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的电器设备，引起事故扩大、雪上加霜。 4 、由于消弧线圈抑制过电压的效果与脱谐度大小相关，实践表明：只有脱谐 度不超过5 时，才能把过电压的水平限制在2 6 倍的相电压以下，传统消弧线圈 则很难做到这一点。当在欠补偿状态下运行时遇到断线易产生严重的谐振过电压， 这种过电压对网络绝缘的危害比电弧接地过电压还要大。所以老式消弧线圈接地装 置在电网中只能运行在过补偿状态，而不能长期运行在欠补偿状态，更不能在全补 偿状态下运行。因为要躲过全补偿，所以脱谐度总是取得保守一点，一般都要到 1 5 2 5 左右，电网发生事故时，跳闸或重合闸参数变化时脱谐度无法控制。以致 由于运行在不允许的脱谐度之下造成中性点过电压，三相电压对称遭到破坏，这样 消弧线圈抑制弧光过电压的效果就比较差。 5 、运行中的消弧线圈不少容量不足，只能长期在欠补偿下运行。传统消弧 线圈大多数没有阻尼电阻，其与电网对跑电容构成串联谐振回路，欠补偿时遇电网 断线故障易进入全补偿状态( 即电压谐振状态) ，这种过电压对电力系统绝缘所表 现的危害性比由电弧接地过电压所产生的危害更大。既要控制残流量小，易于熄弧； 又要控制脱谐度保证位移电压( u o = o 8 u d 2 + s 2 ( 见参考文献3 ) 不超标，这对矛 盾很难解决。鉴于上述因素，只好采用过补偿方式运行，补偿方式不灵活，脱谐度 一般达到1 5 卜2 5 ，甚至更大，这样消弧线圈抑制弧光过电压效果很差，几乎与不 装消弧线圈一样。 6 、单相接地时，由于补偿方式、残流大小不明确，用于选择接地回路的微机 选线装置更加难以工作。此时不能根据残流大小和方向或采用及时改变补偿方式或 调档变更残流的方法来准确选线。该装置只能依靠含量极低的高次谐波( 小于5 ) 的大小和方向来判别，准确率很低，这也是过去小电流选线装置存在的问题之一。 7 、为了提高我国电网技术和装备水平，国家正在大力推行电网通讯自动化和 变电站综合自动化的科技方针，实现四遥( 遥信、遥测、遥调、遥控) ，进而实现 无人值班，传统消弧线圈根本不具备这个条件。 2 3 2 随动( 自动) 式补偿系统 目前，自动补偿的消弧线圈国内主要有三种产品，分别是调气隙式，调匝式及 偏磁式。 2 3 2 1 调气隙式自动式补偿系统 其消弧线圈属于动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的 目的。然而其调整只能在低电压或无电压情况下进行。其电感调整范围上下限之比 为2 5 倍。控制系统的电网正常运行情况下，将消弧线圈调整至全补偿附近，将约 1 0 0 欧电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允 华北电力大学= r = 程硕士专业学位论文 许范围内( 中性点电位升高小于1 5 的相电压) 。当发生单相接地后，必须在o 2 s 内将电阻短接实现最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。该产品的主要缺点主要有四 条： 1 3 - 作噪音大，可靠性差 动芯式消弧线圈由于其结构有上下运动部件，当高电压实施其上后，振动噪 音很大，而且随着使用时间的增长，内部越来越松动，噪音越来越大。串联电阻 约3 k w ，1 0 0 m o 。当补偿电流为5 0 a 时，需要2 5 0 k w 容量的电阻才能长期工作， 所以在接地后，必须迅速切除电阻，否则有爆炸的危险。这就影响到整个装置的 可靠性。 2 调节精度差 由于气隙微小的变化都能造成电感较大的变化，电机通过机械部件调气隙的 精度远远不够。而且用液压调节成本太高 3 过电压水平高 在电网正常运行时，消弧线圈处于全补偿状态或接近全补偿状态，虽有串联 谐振电阻将稳态谐振过电压限制在允许范围内，但是电网中的各种扰动( 大电机 投切，非同期合闸，非全相合闸等) ，使得其瞬态过电压危害较为严重。 4 功率方向型单相接地选线装置不能继续使用 安装该产品后，电网中原有的功率方向型单相接地选线装置不能继续使用。 2 3 2 2 调匝式自动补偿系统 它同调气隙式的唯一区别是用有载调匝式消弧线圈取代动芯式消弧线圈，这种 消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕 组的匝数，达到调节电感的目的。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联 电阻限制谐振过电压。目前在系统中投运的消弧线圈多为调匝式，它将绕组按不同 的匝数，抽出若干个分接头，将原来的无励磁分接开关改为有载分接开关进行切换， 改变接入的匝数，从而改变电感量，消弧线圈的调流范围为额定电流的3 0 1 0 0 ， 相邻分头间的电流数按等差级数排列，分头数按相邻分头间电流差小于5 a 来确定。 为了减少残流，增加了分头数，根据容量不同，目前有9 档一1 4 档，因而工作可靠， 可保证安全运行。消弧线圈还外附一个电压互感器和一个电流互感器。 该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果， 消弧线圈不能连续调节，只能离散的分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压 水平赢，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联的电阻存在爆炸的危险等 缺点，另外该装置比较零乱，它由四部分设备组成( 接地变压器，消弧线圈、电阻 箱、控制柜) ，安装施工比较复杂。 2 3 2 3 消弧线圈的补偿方式 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一般分为过补、欠补、最小残流3 种方式可供选择。 a 欠补：指运行中线圈电感电流i l 小于系统电容电流i c 的运行方式。当0 i c - i l i d ，( i d 为消弧线圈相邻档位间的级差电流) ，即当残流为容性且残流 值级差电流时，消弧线圈不进行调档。若对地电容发生变化不满足上述条件时， 则消弧线圈将向上或向下调节分头，直至重新满足上述条件为止。 b 过补：指运行中电容电流i c 小于电感电流i l 的运行方式。当i c - i l o ) ： 。超前于玉为：0，：270+arctanu 82 7 0a r c t a n 半 o ) ： 超前于u 一为= ，= j 二l # 6 ，则判断v 广v 。的符号，根据该符号的正或负，进行相应 的分接头调节。 该算法忽略了电网的阻尼率，使用时要注意使用条件，同时，由于算法中用到 各分接头的电抗值，所以要考虑消弧线圈在端电压很小时的非线性失真问题。 4 模型法 电网电容电流由接入的线路总长度而确定，因此可以用合闸线路断路器的多少 来计算电容电流。设电网共有r l 条线路，在模型上每一条线路相当于一个电阻，在 j 3 华北电力大学i ：程硕十专业学位论文 这一电阻两端并联着与该线路断路器触头一致的触点，若线路接入，则电阻被短路。 图3 中左边的电阻串为电网中线路的模型，右边的电阻串为消弧线圈的模型。线路 投入愈多，被短路的电阻愈多，因此经左边电阻串流到底部电阻r 。的电流越大在其 上面的压降即为微分放大器的一个输入信号。微分放大器的另一个输入信号是消弧 线圈模拟电阻串底部电阻r + “的电压降。若两信号差得多，放大后的电压超过继电 器k a 的动作电压就需要调整消弧线圈电感。否则，说明调谐度在允许范围内。这 种方法的调节精度取决于线路模型及消弧线圈模型的精度。由于电网中某些线路的 电容可能改变，即使电容不改变，测定其对地电容也很烦琐，另外系统的电容电流 还受到其它电器设备的影响，所以建立线路模型不仅非常困难，而且在某些情况下 不可能做得准确。 瞳3 电膀簟量零曩 5 附加电源法 中性点附加电源法是在中性点的消弧线圈上附加一个信号源，用于附加信号源 的变压器串联或并接在系统零序回路中，相当于一个阻抗变换器，它反映了系统的 零序回路阻抗的状况。因此，检测附加电压与电流之间的相位关系，即可实现自动 调谐。附加电源法的调节原理如图4 所示。从图4 可以看出，附加电源0 会在消弧 线圈上感应一个电压驴，该电压实际上就相当于一个零序电压。忽略消弧线圈原、 副边漏电抗，其等效电路如图5 所示。 1 9 兰! ! 皇垄奎堂王堡堡主童些兰堡垒塞 口 f k 瓯一电闷j 栩电雄电琅l1 一接照蹙援嚣；l ，一耱曩 蟪d 一龟擗每棚肘鼍啦存；j 卜也搠簟鲴l | 总囊鼍屯姒i 矗，j l 辩瓣也蠢昀奄撬。呕蠢 饔4 咐加电曩法调节罪疆 啊s 耐加皂潭法等效电路 譬 1 面 华北电力大学工程硕十专业学位论文 由图5 知，当c o l = - 王= 时，电流，与电压u 同相位( 即，与u 同相位) ，实 j 扰 1 际上就是让该电路处于并联谐振状态，消弧线圈处于全补偿工作状态。当础 之时， 3 垃疋? 电流j 的相位超前于酽的相位，消弧线圈处于欠补偿工作状态。只要检测，与扩的 相位关系，调节消弧线圈的电感值并使两者的相位差足够小，就可以实现消弧线圈 的电感电流对电网电容电流的自动跟踪。当电网发生单相接地时，接地电流就很小。 但是，这种调节原理存在的问题是：电网正常时偏移电压的影响。中性点经消 弧线圈接地以后的电网，其偏移电压要将原来中性点不接地的自然偏移电压放大， 电流j 是电网偏移电压，。与附加电源电压f 共同作用的结果，为了减小仇瓣j 的 影响，必须让附加电源感应到消弧线圈回路的电压d 比矾大得多，但是伊过大会在 电网中造成各相对地电压不对称。虽不影响电网对负载的供电，但长期存在会对设 备绝缘产生不良后果，还会引起各级接地( 漏电) 保护装置误动作。另外，电网正常 运行时中性点位移电压对该方法调节精度影响较大，这些都限制了该方法的使用。 6 注入信号法 小电流接地系统的电容电流测量及消弧线圈自动跟踪调整是在系统正常运行 时进行的，此时中性点位移电压较低，采用从消弧线圈上的零序电压互感器注入变 频电流信号，测量系统电容电流( 接线图如图6 ) 。等值电路如图7 所示，其中；x 。 x ix l x 2 忽略x 1 ，x 2 ，注入信号等值回路中消弧线圈感抗( x 。) 与三相电容( 因三相对称， 故c 、c 。、c 。等效为3 c ) 并联。通过改变注入信号的频率，使电感和电容发生并联 谐振，找到系统的谐振频率f 0 ，则： 式中u 。为谐振角频率。 3 c ：l 簖l 2 l ( 1 0 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 c “。q h 肆麓也蜜：氐膏焉? 嘲越麓饿电鬟 6 莲入信粤洼磊电骞毫漉接缱啊 k 圆r 瓤；奄硪堑毫簟嚣边釉坑缸：电援i 巷露艰边一技 札：电璜互墓嚣臻黛甜镌：壤对赡灌誓咆瞰 曩7 疰入键号法潮量电軎电藏篝饭电路强 则系统单相金属性接地故障时的电容电流为： 驴，葩= 豢 式中为系统角频率；u 为系统相电压。 此时的脱谐度为： ( 1 1 ) ，：譬生100：百(roucqt)-(ua,l)：l一(堕)2；1一(每)2 ( 1 2 ) ! 。m u | ：l 、? 、f 1 式中厂为系统频率( 5 0 h z ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由式( 1 2 ) 可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度。 这种方法的调节精度取决于变频信号源的精度，这种变频信号源实际做起来是 有一定的难度的。 7 最大位移电压法 假设三相电源电压对称，大小为u 母，以a 相电压为参考相量，则由图1 的电 网正常运行状态下零序等值电路得中性点位移电压u o 的表达式 踟：生吻：一旦 ( 1 ) v 一 d 1 v i , t i t e e k c = 等兰黜为各相对地电容电流的不对称度； u w = 一k c u q d为中性点未接入消弧线圈时的电网不对称电压； v = t i c - i i = 塑w ( 豢c a 篆c b 掣为电网脱黼 知+ 、 一 。 d = 立l e = i 币c a 蒜c b 为电网的阻尼率； 州+ + o ) 。 。1 3 c = c a + c b + c c 为三相对地总电容。 弘m 嚣 爨t电嬲蓬容臻行欹套下零序蓐健奄臻 华北电力大学 ：程硕十专业学位论文 霜2奄鼹教瘴捷蛮下零摩荐值电鼙 当v - - o 时，中性点位移电压最大。因此，根据中性点位移电压的大小调 节消弧线圈的电感值，当中性点位移电压最大时，单相接地故障点的残流为最小。 这种调节原理很简单，但不能判断电网的补偿状态，而且当电网的参数发生变 化后，零序电压也随之改变，需多次调节消弧线圈的电感值，比较零序电压测量值， 才能确定调节方向。而且在最佳补偿点附近区域，零序电压的幅值主要由电网的阻 尼率决定，调节脱谐度对零序电压幅值的影响很小，自动调节装置有时甚至无法寻 踪到最佳补偿点，从而达不到完全补偿电容电流的目的。所以，单纯采用零序电压 幅值来调节消弧线圈的方案是不完善的。 8 阻抗三角形法 这种调谐原理适用于消弧线圈串联电阻的接地方式。常应用在带有载开关调匝 式消弧线圈的自动跟踪补偿装置中，无法连续调节电感量，只能将装爱调整到离谐 振点最近的分接头处，调整精度受到影响。 根据图3 所示的阻抗三角形关系，可由公式( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 求得脱谐度。 c o s 2 口： ! 塑 s i n 毋一1( 2 ) 易i ( x i 一扎2 ) x c ；旦+ x l 2 t g 口 v = ( x 一x l 2 ) x l 2 ( 3 ) ( 4 ) 华北电力大学+ i ：程硕士专业学位论文 溺3 戳敞兰燕影 电压极值法和阻抗三角形法为预调谐法，即电网正常运行状态时进行调 谐，而发生单相接地故障后不再调节。预调谐中为限制电网正常运行时中性点位移 电压低予1 5 相电压，需在零序回路中串联或并联电阻，该电阻在发生接地故障后 将被快速切除。 9 相位调谐法 为提高电网正常运行时自动调谐的准确性，在电网中一相对地附加一个小电容 a c ，以形成人为中性点位移电压u 0 。此时中性点位移电压和接有a c 的a 相电压 u a 之间存在如下关系： 瓷2 芸南2 南银1 高 ( 5 ) 式中足。= 石再i 再a c 乏i 五万= 页i a c 面 为接入附加电容后电网的不对称度。 当电网发生单相经过渡电阻r g 接地时( 例如a 相) ，中性点位移电压u o 和 故障相电压u a 的关系为： 畿=赤=南z!gg-1-w- 詈 万2 而i 2 丽i 式中硪= 一瓦i 石为故障状态下电网的附加阻尼率； d = 乓粤为故障状态下电网的总阻尼率。 j w 一 华北电力大学工程硕十专业学位论文 由此可见，不论电网正常运行还是故障运行，中性点位移电压和相电压的相位 差角均反映了电网的脱谐状态，由此控制消弧线圈电感值的调节，可实现电网的自 动调谐。 但是，这种对一相附加电容的相位法仍然存在问题，它只能应用在电网完全对 称，或三相不对称，但有两相电容值基本相同，a c 且加在三相中电容值最大的一 相上的情况。因此全面考虑后发现，相位原则是不能用到实际系统中去的，若用于 实际电网中，在所谓的全补偿处，有时是严重偏离全补偿点的，会给系统造成相当 大的危险。 1 0 中性点位移电压曲线法 根据系统正常运行时等值电路( 图1 ) 可知： 肠：u o l 一u 0 2 1 0 t i m 其中u o l 、u 0 2 、i o t 、1 0 2 分别为消弧线圈电感值改变前后的中性点电压和消弧线 圈上零序电流。 在远离谐振点处，1 ， d ，有 u o ：u m m ：u , , , mx 3 w c 调整电感值从l l 到l 2 ，得到计算三相对地电容的公式为： 3 w c ：茎! ! ! 丝c ! ! 丝2 其中k = 阱 这种调谐方法要求消弧线圈调节迅速，目前采用在连续可调的直流励磁消弧线 圈上。如果计及电阻率： 3 w c - ： 1 w l 了- 1 1w 。- ( l + a l ) ( k c o s f a i 一- 1 ) + 1 ， k 2s i n 口2 妒+ ( k c o s p 1 ) 2 儿 妒为消弧线圈改变前后中性点电压的相角差。这种调谐方法常运用在投切电容 器组消弧线圈的自动调谐装置中。 与上述3 种调谐方法相比，中性点位移电压曲线法，在电网正常运行状态下仅 检测电容电流，而消弧线圈工作在远离谐振点处，发生单相接地故障后瞬时调节消 弧线圈至完全补偿状态。可见，中性点位移电压曲线法无需串、并联电阻，且能实 2 6 华北电力大学工程硕十专业学位论文 时检测电网电容电流的具体数值，从而定量地调节消弧线圈的脱谐度。 现在国内外消弧线圈的自动调谐一般都采用了这种传统方法，但这种调谐法要 求在测量电容电流过程中调节消弧线圈，使得消弧线圈动作频繁，寿命降低，响应 时间( 从系统电容电流发生变化起，至消弧线圈跟踪调节到合适位置所需时间) 势 必也不可能做到很短。再者，由于人为地改变系统的运行状态，给系统的安全稳定 运行带来潜在威胁。因雨这种调谐方法在实际应用中效果不佳。 1 1 实时测量法 在中性点位移电压曲线法的基础上，改进而成实时测量法。该算法首先需要用 特殊的方法测量出系统不对称电压，然后每隔一定时间测量一次电网的线电压、中 性点位移电压和消弧线圈中的电流等参数，用式x c = ( u u n u o ) i o 计算电网 的对地电抗。这样，便可得电网的实时接地电容电流。这一改进方法的优点是可以 减少对消弧线圈的操作次数，所得电容电流值也比较准确，跟踪补偿可直接到位。 1 2 变频信号法 当中性点电压较小时，特别是在电缆电网中，不对称度很小的情况下，要测量 参数，不仅费时、费力，而且测量结果难以准确。外加变频信号法只需在电压互感 器的低压端注入变频电流信号，找出系统谐振频率即可，不需对消弧线圈电感进行 探性调整，不需对消弧线圈的任何参数进行测量，而且把测量回路从高压侧移到低 压侧，更加安全方便。 图4 注入信号等值回路中消弧线圈感抗与三相电容并联。通过改变注入信号的 频率，使电感和电容发生并联谐振，找到系统谐振频率f o ，则； 1 ，。2 丽 系统单相接地金属性接地故障时的电容电流为： 尼_ 3 w c u ：尝 w ol 式中系统角频率，w = 2 n f = 3 1 4 r a d l s ， 舭谐触v = 警c 小芋= 卜譬 r j 冒4注入信号法测量电容旭菠等值圈 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由式( 8 ) 可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度。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( 8 ) 中取l l 为系统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，无需通信配合。 1 系统谐振频率为一； ( r w l ) 时，电路导纳为： 2 x ) l c d ，1 y ( j w ) = g = 竽，整个电路相当于一个纯电阻，u 、i 同相位。 l 因为电压信号u 包括高于被测电压几倍的噪声信号，必须滤掉噪声信号。 采用高阶带阻滤波器，其输入输出频率特性如图5 。对于5 0h z ，u 0 = 0 。 系统零序阻抗折算到电压互感器二次侧一般小于1 0 t ) ，采用信号注入法测量电 容电流，向系统注入的信号功率一般小于2 0w ，不影响系统正常运行。系统发生 接地故障时，注入信号电流源相对系统零序回路处于开路状态，不影响消弧线圈的 熄弧效果。 喀，d 1 , 0 o 8 、 厂一 l 一 整s 潞渡蚤颡辜特性 h ： 1 3 全状态调谐 当发生单相接地故障时，虽然电网对地电压不对称，然而，电网的线电压还是 对称的。按电业部门的规定，电网可以继续运行1 2h ，在这段时间内，电网对地 电容电流还会发生变化，比如，有些支路退出或投入运行。消弧线圈的电感电流在 这种情况下，若不能自动跟踪电网对地电容电流的变化，则接地点的电流将会增加， 达不到自动跟踪补偿的目的。为充分发挥消弧线圈的补偿作用，在电网发生单相接 2 s 华北电力大学丁程硕十专业学位论文 地故障时，也必须实行自动跟踪调谐，就是说，采用全状态调谐。 当电网发生单相接地故障时，接地点是不可预知的，电容电流、残余电流不能 直接测量。图6 中性点谐振接地的电网中，当线路3 的a 相发生永久性接地故障时， 流过非故障线路，线路1 和线路2 的零序电流互感器的电流分别为，3 1 0 1 = j 3 u o c o c o l 、3 1 0 2 = j 3 u o ( o c 0 2 ，方向为母线流向线路。流过故障支路零序电流互感 器的电流是所有非故障支路零序电流、消弧线圈电感电流和电阻电流之和，其电流 无功分量3 1 0 3 = - j 3 u o c oi v ( c 0 1 + c 0 2 ) + ( v 一1 ) c 0 3 。当过补偿v 0 时，残余零序电流3 1 0 3 方向可正可负，v c 0 3 ( c o l + c 0 2 + c 0 3 ) 时，由母线流向线路，而c 0 3 ( c 0 1 + c 0 2 + c 0 3 ) v x c ，例如d = o 3 时，如此调谐的系统已存在7 。7 的脱谐度，且为欠补偿。而d = o 2 时，则实际系统 脱谐度为3 7 ( 欠补偿) 。在系统调整消弧线圈分接位置时应给予考虑。 消弧线圈投入时的过电压计算分析：我们以具体工程的参数对消弧线圈的投 入的暂态使用e m t p 进行了对比计算分析。计算的初始参数是：系统电容电流 3 1 0 = 7 1 1 8 a ，中性点不对称电压u o = o 9 l k v ，x c = 7 5 7 。2 4 q ，消弧线圈参数 为：x l = 2 5 + j 7 5 7 2 4 在正常运行下各相电压分别为：6 8 9k v 、4 9 4 6 k v 、4 9 4 6 k v ， u h c = 5 1 8k v 。当此消弧线圈于峰值时投入，其暂态过电压各相对地最大值分别为： 7 1 0 2k v ，5 7 3 3k v 、5 3 7 9k v ，u h c = 1 7 。4 8k v 。在没有阻尼电阻时投入消弧线圈 的暂态过电压三相分别达到8 8 1 4k v 、5 7 6k v 、7 3 9k v ，u h c = 3 6k v 。两者相比， 后者出现虚幻接地现象。可见阻尼电阻具有显著的抑制过电压的作用。 阻尼在系统单相接地过程中的作用；我们使用e h p 对上述类似电路，在消弧线 圈处于欠补偿，过补偿和调谐状态下作了计算分析，获得了确定控制系统所需要的 有关参数数据。消弧线圈处于全部补偿状态，x l = x c = 5 4 1 2 0 ，阻尼电阻为1 3 5 0 ， 当系统于a 相电压峰值时发生单相故障，故障点残流稳态值为2 4 a ，在控制系统的 作用下，于故障后9 0 m s 把阻尼电阻切除掉( 用开关短路) 。故障点残留逐渐衰减到 2 1 a 的稳态值。为了充分发挥消弧线圈的消弧效应，在单相故障的初期及时把阻尼 4 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 电阻短路是很重要的。 由于技术的进步，当今实现阻尼电阻智能化的技术已经解决。当系统瞬时性故 障清除或系统重合闸后清除故障 后，由于系统处于调谐状态，故障点电压逐渐缓慢升压，而中性点电压及各相 电压呈现拍频变化，当阻尼电阻适时投入后( 其并联开关打开后) ，则系统受到强 烈阻尼而各相电压逐渐平稳恢复到正常相电压水平。 目前鞍山地区电网中的6 6 k v 系统，依据有关运行规程规定，已经在中性点经 消弧线圈接地的系统中装设消谐阻尼装置，同时通过采用新的p t 消谐技术来解决 系统消谐的谐振问题。系统增设消谐阻尼装置能解决该类系统消弧线圈安全平稳的 调整问题，使消弧线圈能在最优的状态下运行，可以提高系统安全运行水平。但是 并不能完全解决系统的稳定性问题，要解决系统稳定性问题，一定要提高设备水平， 采用新技术、新产品。2 0 0 4 年后鞍山局积极与国内生产消弧线圈的主流企业河 北旭辉电气股份有限公司进行技术合作，开发出一套目前国内最先进的z g m l - k l 型 可控硅调感式自动跟踪消弧补偿及选线系统。 3 3 可控硅调感式消弧线圈的特点 调匝式消弧线圈稳定可靠，但级数少、起调点高、调节深度小，且只能工作在 预调方式；调容式级数较多，可以工作在预调、随调状态，但仍是有级调节；二次 调感式可以实现无级调节，但容易产生大量谐波，尽管采取了滤波措施，接地电流 中谐波含量还是较大，且存在控制器故障或失电后无法手动调节等问题，可靠性较 低。 由于各种调节方式都有其优缺点，如何把这几种调节方式的优点充分利用，缺 点摈弃，一直是消弧线圈技术领域的发展趋势。我公司研制的新一代可控硅调感式 消弧线圈，综合了调匝式、调感式优点，具有随调、无级连续、低起调、谐波小等 特点： 1 、可以工作在随调和预调两种方式： 2 、调节范围宽，调节深度可达5 倍以上； 3 、无级调节，接地残流无功分量可接近零； 4 、低压调节，安全性好，可靠性高； 5 、采用在线实时测量算法，可快速、准确、直观、完整地计算并显示电网的 有关参数，根据设定值自动或手动调整消弧线圈分接头，使其随时运行在 最佳工作状态，该项技术属国内首创； 6 、采用扰动法( 残流增量法) 、基波幅值法实现选线功能，适用范围广。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 4 可控硅调感式自动跟踪消弧补偿及选线装置结构及工作原理 z g m l k l 型可控硅调感式自动跟踪消弧补偿及选线成套装置由z 型接线接地变 压器( 当系统中有中性点时也可不用) ，消弧线圈，调感式消弧线圈调节柜，z g m l k 自动跟踪消弧补偿及接地选线装置、z g m l - t z 跳闸箱( 可选) 组成。见图l ： 6 - - 1 0 p i r母线 弋_ 线路1 r l j 线髀o ，、 穹i 弓 接 w 工工 j = | h j 汀1 影 弓气己变 c t 4 0 呈u u 压 。j 器 吣i ， 1 隔离开关 碾 去 i沾i 萎薷 酱耋 线 一路 l7 q 蔓 一 鬟器 跳 调 自蔷銎 +节 闸 日塞圈 柜 口ti 一 一 缆 工由一 一 f1 。 ：i 图1 华北电力大学- 丁程硕士专业学位论文 3 4 1 接地变压器 接地变压器的作用是在系统为型接线或y 型接线，无中性点或中性点无法引 出时，引出中性点用于连接消弧线圈。 接地变压器采用z 型接线( 或称曲折型接线) ，其连接组标号为z ny n l l 或z n y n l 。与普通变压器的区别是，它每一相的线圈分别绕在两个磁柱上，这样连接的 目的是使零序磁通可沿三相磁柱流通，所以z 型接地变压器的零序阻抗很小( 小于 1 0 欧姆) ，而普通变压器要大得多。因此规程规定，用普通变压器带消弧线圈时， 消弧线圈容量不得超过变压器容量的2 0 ，而z 型变压器则可带9 0 1 0 0 容 量的消弧线圈。z ny n l l 的向量图见图2 。 c 图2 接地变压器向量图 当系统不平衡电压较小时( 如全电缆网络) ，接地变压器的三相绕组则应有3 0 v 左右的不平衡电压以满足控制器的测量需要。 接地变压器除了用于接入消弧线圈外，也可作为站用变带二次负载。此时，接 地变的容量应为消弧线圈容量与二次负载容量之和。 3 4 2 调节柜 消弧线圈配套的调节柜中主要是大电流快速可控硅及其触发电路。可控硅选择 3 6 倍额定电压裕量的耐压等级。电