（电力系统及其自动化专业论文）分界负荷开关控制器低功耗研究与设计.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着国民经济的迅速发展，用户对安全供电的可靠性要求越来越高。在经过 新一轮城网改造后，主干线路的故障率大大减少，用户端故障率明显上升，而且 由于单一用户的故障和保护配合不当将波及到整条馈线。在主干网与用户分支处 安装用户分界开关可以较好的解决上述问题。安装用户分界开关存在电源提起困 难、装置维护工作量大等难题，因此研究装置的低功耗，可以使用一次性电池长 期供电具有重要意义和丰富效益。本文从研究装置的保护功能着手，特别是对小 电流接地故障保护进行深入研究，在理论上提出保护判据的可行性，并通过软件 仿真得以验证。最后通过软、硬件的低功耗设计，得出结论：用两组高性能、大 容量的电池给装置供电，能达到使用十年装置免维护 关键词：分界用户开关，低功耗，小电流接地系统，m s p 4 3 0 单片机 a b s t r a c t r e l i a b i l i t yd e m a n do fc o n s u m e rt op o w e rs u p p l yi sm o r ei m p o r t a n tw i t ht h e p r o m p td e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t h ef a u l tr a t eo ft h em a i nl i n e si sd o w n ， b u tt h a to ft h eb r a n c hl i n e si sr i s i n go b v i o u s l ya f t e rt h en e w l yr e b u i l dt o w a r dc i t y p o w e rs y s t e m t oi n s t a l lt h ed e m a r c a t i o nl o a ds w i t c hb e t w e e nt h e mw i l lb eab e t t e r s o l u t i o nt ot h ea b o v e m e n t i o np r o b l e m i ti sad i f f i c u l tp r o b l e mt og e tp o w e rs o u r c e a n dn e e dt ob em a i n t a i n e d s t u d yt h el o w - p o w e rc o n s u m p t i o nd e v i c ew h i c hu s e sas e t o fb a t t e r ya sp o w e rs o u r c e ，t h e r e f o r e ，h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o na n db e n e f i t f i r s t ， p r o t e c t i o n f u n c t i o ni s r e s e a r c h e d ，e s p e c i a l l y t ot h e i n d i r e c t l yg r o u n d e d f a u l t p r o t e c t i o n t h e nf e a s i b i l i t yo fp r o t e c t i o ns c h e m ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d a tl a s t ，i t c o m e st oc o n c l u s i o n t h r o u g h s o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n o fl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ：u s i n gt w os e t so fh i g hp e r f o r m a n c e ，b i gc a p a c i t yb a t t e r ya sp o w e r s o u r c e ，i ti sa b l et or e a c ht h eu s a g ei n10y e a r sw i t h o u tb e i n gm a i n t e n a n c e z h a n gg u a n g q i n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f q i nl i j u n k e y w o r d s ：d e m a r c a t i o nl o a ds w i t c h ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，i n d i r e c t l yg r o u n d e d p o w e rs y s t e m ，m i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分界负荷开关控制器低功耗研究 与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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。 学位论文作者签名聿盘 日期：却箩主 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：聿主溶 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论弟一早三百。下匕 随着国民经济的迅速发展和科学技术的进步，用户对供电可靠性和供电质量的 要求越来越高，配电网作为电力系统直接面对用户的输配电系统，提高配网自动化 水平是保证各用户供电可靠性和提高供电质量的重要手段。在经过新一轮城市电网 改造后，城市主干网线的事故率得到明显改善，用户端的故障率明显上升【5 j 。以北 京市朝阳供电公司为例，对2 0 0 6 年上半年配电网故障进行分析，其中用户故障造成 线路停电，7 月份发生1 7 件、占3 2 ，同期比率增加1 8 ：8 月发生1 l 件、占2 7 ，同期 比率增加1 2 。并且，有的用户发生故障或不能及时报告，或备用的第一路电源故障 时不知晓，使查找故障时间过长，无法满足现代社会要求不问断供电的需求。而且 由于单一用户的故障和保护的配合不当而波及到整条馈线，致使事故范围扩大，引 起事故责任纠纷。因此，作为供电部门，为保障供电的可靠性、提高对用户的供电 质量，应针对电网运行中的薄弱环节采取有效的治理措施，千方百计减少事故停电， 缩小停电范围。 在配电网中，主要有主干网和用户两部分组成。城市电网改造投资力度的加 大，城市电网电缆化已经达至u 7 5 以上，主干网发生故障的概率大大下降。配电网中 的故障大多数集中在主干网与用户分支线两部分的分界点，即用户分界点。因此， 研究出新型免维护电缆配电网分界用户开关，缩小故障停电范围、缩短用户停电时 间，提高用户的供电可靠性，提高我国配网自动化发展水平，保证城市电网的安全 运行显得尤为重要。 而对于架空线路，由于露天架设，其安全运行直接受周围环境和气候条件的影 响，存在事故率高、事故查找困难、安全可靠性差、控制装置受电源影响大等问题。 同样研制新型免维护、低功耗、大容量电池供电的用户分界开关对供电部门解决 以上难题，提高配网自动化水平有重要意义【l 】。 1 2 国内外配电网及用户分界开关研究现状 在一些西方国家，配电网自动化受到了广泛的重视。国外的配电自动化系统已 经形成了集变电所自动化、馈线自动化、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的 配电网管理系统。较典型的有日本模式和欧美模式：日本模式是针对架空线路发展 起来，电网运行以中性点不接地系统为主，故障处理是一大特色；欧美模式是针对 地缆线路发展起来，以中性点接地方式为主，提倡设备可靠性原则。 华北电力大学硕十学位论文 日本是配电自动化发展比较快的国家。到1 9 8 6 年，全国9 个电力公司的4 1 6 1 0 条线路已有3 5 9 8 3 条( 约8 6 5 ) 实现了故障后按时限自动顺序供电。日本从5 0 年代 开始在配电线上采用自动隔离故障区，并按时限顺序向非故障区恢复送电：6 0 、7 0 年代研究开发了各种就地控制方式的配电线开关及远方监视装置：7 0 年代后半期开 始使用利用计算机构成的自动控制系统；其后由于电子技术、计算机技术及信息传 送技术的发展，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用上得 到很大的发展【38 1 。 在国外一般把分界开关称为责任分界点自动配电开关，并且也有用于配电网 中。他们的自动配电开关起步较早，特别是日本各电力公司，适合于架空和电缆 线路的责任分界点自动配电开关就得到了广泛应用。这对提高配电网主干回路供 电可靠性起到了至关重要作用。近年来，随着电子产品绿色环保意思的增强，电 气电子产品的低功耗设计也开始陆续出现。 在我国配电自动化技术起步较晚，特别是对责任分界点自动配电开关的研究 和使用没有得到足够的重视。0 3 年9 月北京电力公司与四方华能公司就架空线路 分界负荷开关f f k ( 俗称看门狗) 达成了联合开发协议，并制定颁布了f f k 技术条 件。0 5 年国内2 3 家配电自动化公司相继推出国内第一代架空线路分界负荷开 关，在架空线路进行小范围试用，取得了一些运行经验和教训，但是在城市电缆 网中、以及低功耗设计这俩方面在我国的研究还是空白。因此，研制既适合架空 线路，同时又适合城市电缆网中的低功耗用户分界开关，填补此项研究在我国的 空白，显得极为重要和具有重大意义。 1 3 用户分界负荷开关低功耗研究的前景与展望 我国配网的特点是农网地广人稀，用户点分散，主要用架空线路输电。而这 些架空线路往往是多分支线路，安全可靠性差，遇到刮风下雨等恶劣的天气，接 地和短路故障频发，严重影响了电网的安全可靠供电。城网用户密集，重要部门 多，多采用地缆供电，要求有极高的供电可靠性。随着国家对配电网进一步地加 大投入，改造的不断深化和配电网自动化在一些城市的实施，主干网线的事故率 得到明显改善，线路故障率大幅度下降，由于用户界内事故造成的线路故障凸显 出来，用户故障在全部故障中的比例明显增加。因此采用融合最新技术的用户分 界开关一方面大幅减少由于用户线路故障造成其它线路的连带故障，同时大大缩 短了故障线路的停电时间，对提高配电网自动化发展水平有重要意义。 由于我国配网开关设备量大面多，因此采用新型免维护用户分界开关在提高 供电可靠性的同时，也为研究机构带来极为可观的经济效益，进而实现高投入高 回报。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本论文主要工作 如上所述，采用低功耗分界负荷开关对减少由于用户故障造成对主干网的连带事 故具有重要意义。本论文主要完成以下工作： 1 ) 、从装置的保护功能着手，重点对分界负荷开关采用的单相接地保护进行深入研 究，提出装置单相接地保护原理，并通过软件仿真得以实现。同时指出相间短路故 障保护方法。 2 ) 、在研究保护装置功能的基础上，重点对装置低功耗进行研究与设计。低功耗研 究既包括硬件的选取，也包括装置低功耗软件设计。低功耗设计的目的是使装置用 一次性电池作为电源长期供电而免维护的特点。 3 ) 、对装置的整体设计进行了效益评估，得出结论：低功耗分界负荷开关可以用电 池供电，达到十年免维护。最后对整套装置其它配备的元器件作了简单分析比较 华北电力大学硕士学位论文 第二章分界负荷开关控制器保护方案研究 2 1 小电流接地系统概述 在我国6 3 5k v 电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电 流接地方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流 往往很小，但系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规 程规定一般为不超过2 h 。近年来随着电力传输容量增大、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，且电缆线路的使用量逐步增加，在这种情况 下发生单相接地故障时，接地电流越来越大，造成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，逐步发展成为短 路事故，显著降低了电力系统的运行可靠性。为防止系统事故扩大，在接地运行的 这段时间里必须设法排除故障或者将故障隔离，这就提出了在配网自动化系统中单 相接地故障选线的课题【l 。同时在自动化开展过程中，由于没有有效的接地检测和 保护措施，在很大程度上制约了配网自动化系统的实施效果和发展。 变电站用的小电流接地选线装置自2 0 世纪8 0 年代以来，众多大专院校、研 究院、生产厂家都致力于这一产品的开发与生产，提出了不少新思路与新方法，提 出了多种选线原理，并研制基于这些选线原理的多种产品，已经历了几次技术更新 换代，其选线的准确性也在不断提高。但是目前尽管有设备厂家宣称1 0 0 选线正 确率，但工程实际中均存在误判率较高的问题，且硬件的可靠性较低，从现场运行 反馈的信息来看，用户对这种产品颇有微词，许多用户有一种不用麻烦，用了也麻 烦的感觉，故现场好多情况都是选检设备闲置退出而采用手动拉闸试验的原始方法 查找接地，自动选线技术在9 0 年代末期陷入低谷，据称很多地区选线装置退出率 达到9 0 以上。用户基本上处于一种抵触状态，一方面为急需要解决选线问题着急， 一方面为没有可信赖的装置而发愁。 而配电线路上，能够对单相接地故障进行分段保护的开关装置几乎处在空白 阶段( 不少厂家正在着手做这方面的工作，并已有产品通过试验) ，由于对接地故 障准确判断并实施继电保护的设备的缺失，很长时间以来没有得到很好的解决，在 很大程度上也制约了配网自动化技术的使用和开展。 因此，为了在负荷开关控制器中选择理想的小电流接地保护方案，就必须从 分析小电流接地的故障特征着手，结合现有的小电流接地保护方法及各种电力器件 发展最新成果，研究并提出最优的小电流接地保护方案，从而进一步促进配网自动 化的发展，提高供电的质量与可靠性。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 小电流接地系统主要特点 我国6 3 5 k v 电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接 地系统方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故 障电流往往很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间， 规程规定一般为卜2 h ，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法 排除接地点【1 9 】。 该接地方式的主要特点： 1 ) 、电流信号很小 小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大 小和线路类型( 电缆或架空线) 有关，数值甚小。对于i o k v 架空线路来说，每3 0 公 里线路大约产生i 安培的零序电流，电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱 的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原 理的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。经中性点接入消弧线圈补偿后， 其数值更小，且消弧线圈的补偿状态( 过补偿、欠补偿、完全补偿) 不同，接地基波 电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采 用5 次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5 次谐波电流比零序电流又要小 2 0 ，- - - 5 0 倍。 2 ) 、干扰大、信噪比小 小电流系统中的干扰主要包括两个方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统 单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大：二是由于负荷电流不平衡造成的零序 电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序 电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。 3 ) 、随机因素的影响不确定 我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长 度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变：此外，母线电压水平的高 低，负荷电流的大小总在不断地变化：故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成 了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。 4 ) 、电容电流波形不稳定 小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流 波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。 2 3 小电流接地系统三种接地方式介绍 小电流接地系统目前主要有中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地、中性 5 华北电力大学硕+ 学位论文 点经电阻接地三种方式。 2 3 1中性点不接地方式 2 3 1 1 原理综述 中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加 设备，投资省，适用于农村1 0 k v 架空线路长的辐射形或树状形的供电网络。该接 地方式在运行中，若发生单相接地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电 流，其值很小，不形成短路回路。但是长时间的接地运行，极易形成两相接地短路； 弧光接地还会引起全系统过电压，这种过电压能量大，持续时间长，同时在持续过 程中，电网的单相接地还可能发展为两点接地短路，使事故进一步扩大。中性点不 接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动消弧， 非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，可带故障连续供电卜2 h ，从而获 得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。 2 3 1 2 故障特征分析 中性点不接地方式接地故障特征如图2 1 、图2 2 所示： e cf c 图2 - 1a 相接地示意图 a 相接地后，各项对地电压为i ua d = 0 o8 一d = 坯雹a e 叫0 c d = ! 兆爿p 订5 o o 故障点d 的零序电压为： 图2 - 2a 相接地向量图 公式( 2 - 1 ) d d 。= ( 矽一。+ d b - d + 矽c 一。) = 一言一 公式( 2 2 ) 非故障相流向故障点的电容电流为： i s - - - ub d joc ic=u c d j 国c 6 公式( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 故障相流过的零序电流为： i o = i b + i c = j 3 c o c e a 公式( 2 4 ) 由于b 相和c 相对地电压已升高；倍，因此流过他们对地电容电流也相应地大； 倍，而a 相在短路点流过的电流在数值上等于a 相正常情况下电容电流的三倍。 当网络中有发电机和多条线路存在时，电路如图2 3 所示 图2 - 3 两路出线系统单相接地时电容电流分布图 f 以 - _ 上 “。，王l 辱一一衅2 忱 小l 丰。 f a ) 等绶网络 n 珏 u 0 0 二 ，。， 日l 一_ 一 一 j k o f b ) f j 星围 图2 - 4 不接地电网单相接地时零序等效网络和向量图 此时零序电流i d 为： l o = ( 厶，+ i c l ) + ( 厶，+ i c l i ) + ( 晰+ i c l )公式( 2 5 ) 有效值i o = 3 u 口, c o ( c o l + c o n + c ot ) = 3 u q , c o c o z 公式( 2 6 ) 在以上两式中： 厶，、i c ，、i b i i ，i c u 、i a f 、i c l 、分别为为回路i 、i i 、发电机端的 非故障相电容电流； c o l 、c o a 、co 分别为非故障线路i 、i i 、发电机端的对地电容之和： c o z 为全系统每相对地电容的总和。 7 华北电力大学硕十学位论文 其中非故障线路i 的零序电流为 3i i = ib i + ic i 其有效值 3 io i = 3 u o c oc o l 发电机f 端零序电流 3io f = 西+ i c ： 其有效值3 i o ：= 3 u 伊( o c o f 公式( 2 - 7 ) 公式( 2 - 8 ) 公式( 2 - 9 ) 公式( 2 - 1 0 ) 电容性无功功率方向均为由母线流向线路。在故障相 3 1o h = i a + i b + i c u 公式( 2 1 1 ) 有效值3 i o u - - - 3 u 伊c o ( c0 z c o n )公式( 2 1 2 ) 其电容性无功功率方向由线路流向母线，恰好与非故障线路相反 中性点不接地系统单相接地时的零序等效网络与向量图如图2 - 4 所示，由图可 以得出如下结论【4 0 】： a 、在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。 b 、在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性 无功功率的实际方向为母线流向线路。 c 、在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值 一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。 2 3 1 3 中性点不接地系统特点 中性点不接地方式对于低压配电网具有运行维护简单、经济，单相接地时允许 带故障运行两个小时，供电连续性好等优点。目前，国内3 5 k v 以下电网还有采用 该运行方式。在该运行方式下，接地电流为线路及设备的电容电流。但是，由于该 方式对电网电容电流及负荷水平有严格的限制，超过一定数值后将引起电弧接地过 电压，故该方式己经不再适应配电网的发展。 中性点不接地方式的主要缺陷有： a 、对电容电流有严格的要求，根据电力规程，对3 5 k v 及以下系统，规定当3 1 0 k v 电网电容电流小于3 0 a ，2 0 k v 以上电网电容电流小于1 0 a 时，可采用中性点不接地 运行方式。 b 、中性点不接地电网发生单相接地时，中性点电位偏移，过电压水平高，持续的 时间长。而目前在我国随着经济发展，城镇配电网中大量采用电流和各类封闭组合 电器，甚至进口设备，这些设备绝缘水平一般较低，且一旦被击穿很难修复，因而 不宜带单相接地故障持续运行。 c 、单相接地时，避雷器长时间在工频过电压下运行，易发生损坏，甚至爆炸。目 前采用提高氧化锌( z n 0 ) 避雷器运行电压的方法，可以避免爆炸事故的发生，但这 并不经济，因而这种接线方式不利于无间隙氧化锌避雷器的推广应用。 s 华北电力大学硕士学位论文 d 、从保证人身安全的角度来说，不宜采用中性点不接地系统来保证供电的连续性。 2 3 2 中性点经消弧线圈接地 采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线 圈。由于导线对地电容的存在，中性点不接地系统中单相接地时，接地点接地相电 流属于容性电流。而且随着网络的延伸，电流也愈益增大，以致完全有可能使接地 点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。 2 3 2 1 原理综述 在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补 偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时， 按规程规定电网可带单相接地故障运行1 2 小时。对于中压电网，因接地电流得到 补偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电 可靠得到提高。随着工农业、城市建设的迅速发展，大容量负荷中心的增多及城网 建设电缆化，不但每个站的出线增多了，而且架空线路逐步为电缆所代替，单相接 地电容电流相应增大，因弧光不能自动熄灭而产生相间短路或因间歇性弧光引起的 过电压事故也增多。为提高供电可靠性，按有关规程规定，以架空线路为主的i o k v 系统电容电流超过3 0 a 以上者，必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。 2 3 2 2 故障特征分析 中性点经消弧线圈接地后电路图和向量图如下图所示： l ：j =三 f 。 + yv 1 ji l = = 护= 山 f 一- , r 士 a 垂幂? ： 一l= 0 cb 图2 - 5 中性点经消弧线圈接地时，单相接地电流分布图 9 华北电力大学硕士学位论文 一一一 伪 - - - - - k 4 + - j ，；氢 毒一一 l 妞 小r 圭i ( a ) 等效网络 珏 ji u j o i i lo ， j f o lo ( b ) 阳缓凋 图2 - 6 消弧线圈接地电网等效网络图与向量图 由图可得： i d = i l - i - i c z 公式( 2 1 3 ) 其中i c z ：全系统的对地电容电流 ，：消弧线圈电流 d ：流过故障点的总电流 根据对电容电流补偿的程度不同，消弧线圈可以有完全补偿、欠补偿和过补偿三种 方式，由于完全补偿和欠补偿方式存在使网络发生串联谐振，导致电源中性点对地 电压升高的可能，所以在实际应用中，一般多采用过补偿方式。 当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而电 容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路。 2 3 2 3 中性点经消弧线圈接地方式特点分析 当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧 瞬间熄灭，以消除弧光间隙接地过电压，中性点经消弧线圈接地，在大多数情况下 能够迅速地消除单相的瞬间接地电弧，而不破坏电网的正常运行。接地电弧一般不 重燃，从而把单相电弧接地过电压限制到不超过2 5 u 叩( 帅为系统相电压) 。很明显， 在很多单相瞬时接地故障的情况下，采用消弧线圈可以看作是提高供电可靠性的有 力措施，目前随着电网规模和负载越来越大，运行方式经常变化，消弧线圈也应当 经常作相应的调整，以补偿相应的电容电流。因而出现了以实现消弧线圈调整自动 化为目的的消弧线圈自动调谐装置，这种装置扩大了消弧线圈在大电网、多运行方 式下的适应能力。 中性点经消弧线圈接地方式的主要缺陷有： a 、采用中性点经消弧线圈接地方式，不仅减小了线路的故障电流，而且故障 线路的零序电流方向也发生了变化，给接地保护的正确选线提出了更高的要求。 b 、中性点经消弧线圈接地方式易发生谐振，且消弧线圈的补偿容量不易随电 1 0 华北电力大学硕十学位论文 容电流的增加而增加。 c 、消弧线圈的阻抗较大，既不能释放线路上的残余电荷，也不能降低过电压 的稳态分量，因而对其它形式的操作过电压不起作用。 2 3 3 中性点经小电阻接地 随着国民经济的发展，某些城市配电网已经改变了过去以架空线为主的局面， 而以电缆网构建配网为主，这使得原来以中性点非有效接地方式有些不适应，主要 表现在j ： f t 、采用中性点经消弧线圈接地运行方式，在切合电缆线路时，电容电流变化 较大，需及时调整消弧线圈的调谐度。传统的消弧线圈不仅操作麻烦，而且要求有 熟练的运行维护技术才能将消弧线圈调整到合适的工作状态 b 、随着配电网的发展，电缆线路增多，容量增大，电容电流较大，这使得消 弧线圈的补偿容量增大，使投资增加。 c 、电缆线路造成的单相故障的概率较架空线路小的多。电缆单相接地，其绝 缘一般是永久性故障，不能自恢复，因此，不宜带接地故障继续运行，以免扩大事 故。 d 、随着配电网电容电流的增大，某些系统单相接地故障引起的过电压呈上升 的趋势，由于中性点非有效接地方式下允许带故障运行一段时间，这就加速了设备 绝缘的损坏，降低了设备的寿命。 e 、中性点采用非有效接地方式，难于实现快速查找故障点 f 、以电缆为主的系统中需要安装的消弧线圈的容量越来越大，有些情况下使 用一台消弧线圈不能满足补偿要求，甚至需要在一条母线上加装两套或多套补偿装 置，其并联运行也存在诸多问题 基于以上情况，近年来，我国有不少地区配电网中性点采用经小电阻接地的运 行方式。电路图及其向量图如图2 - 7 所示： 华北电力大学硕士学仲论文 4 - -= j f 一 - 争 一 i ； j i r 2 = = 山 一寺 a 垂幂? ：一l = j ， cb 图2 7 中性点经电阻接地时，单相接地电流分布图 z 叮 ：上 茹黟 。哐il + ， ：吉； 畸一争_ o 眈 小l 阜； fa ) 等效嗍络 妯) 向凝绷 ， 图2 - 8 中性点经电阻接地时等效网络图及其向量图 由图可知，当电网发生单相接地故障时，由于增加一个与电容电流成9 0 。的有 功电流，流过故障点的接地电流就等于电容电流与电阻电流之向量和 2 4 用户分界开关单相接地故障保护动作原理研究 接地故障发生在分界负荷开关负荷侧时，电路如图2 - 9 所示、接地故障发生在 电源侧时，电路原理如图2 - 1 0 所示： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 f f k ，峁jj ) z c 互、 |i u h 敞i ；锄j i | v 夕， 66 1 小l c 2 i o z = l o l + 1 0 2 4 - 1 0 3u ：2 i i 夕飞 ，? 、二 102 j 一一1 0 1 一一一，一“j i 一。 jc 1 ( e b 一， 7 e - c 吱 1 0 3 膨 。 z o 一一一一。 专 ，0 3 图2 - 9 用户分界开关界内发生单相接地故障 f f k 分外外天 z c t 、 h 、 | y n 乡故雏点| y n 个 66 y j ：j 。= j 。+ j 舵+ j 0 3 c 2 前 i ier 、 j 、 专， | | ；! ，n ，! 、- ，、一歹02 一一一一一一，。 | i l l 7 工u1 c 1f 勘 () i 础 e c 吱盾 z o ， 图2 一l o 用户分界开关界外发生单相接地故障 图中：c 1 为电源侧线路中包含的架空线和电缆的相对地电容值总和 c 2 为负荷侧线路中包含的架空线与电缆的相对地电容值总和 z o ：电源中性点接地阻抗 华北电力大学硕士学位论文 根据上节对单相接地故障分析可得： 10 1 = 3 国u0 c110 2 = 3c ou0c210 3 = u0 z0 式中：矾为零序电压，国为频率 以下按三种中性点接地方式分别阐述分界开关对单相接地故障的判定原理 3 3 】： 1 ) 、中性点不接地方式 可将图中所示z 0 看作无穷大，则1 0 3j0 。又因为c 1 c 2 ，则l o l 1 0 2 。 界内故障时零序电流互感器z c t 检出的零序电流i o z = i o l + 1 0 2 ，界外故障时z c t 检出的零序电流为10z = ，oz ，此电流幅值较小。因此，界内故障和界外故障分 别检出的零序电流差值较大，通过适当的定值设定，分界开关可准确地判断出界内 接地故障。 2 ) 、中性点经小电阻接地 如图所示中z 0 为低值接地电阻，由上节分析可知，一般情况下，金属性接地 故障电流在3 0 0 - 5 0 0 a ，分界开关界内发生单相接地故障，z c t 检出的零序电流，o z 约 有3 0 0 5 0 0 a ，而在界外发生单相接地故障时，z c t 检出的零序电流仅为用户侧的电 容电流，约为零点几安培。因此对中性点经小电阻接地系统，用户分界开关较中性 点不接地系统更容易区分和判断用户界内和界外接地故障。不同的是分界开关零序 保护动作时间与变电站的零序保护动作做时序上的配合。一般变电站零序保护延时 为0 2 - 0 5 s ，分界开关只要能在0 2 s 内完成故障检测和保护动作，即能实现自动 切除界内接地故障，而变电站保护不动作。 3 ) 、中性点经消弧线圈接地方式 如图所示z o 为补偿电感，发生界内单相接地故障时，z c t 检出的零序电流在数 值上为io = i0 1 + 10 2 一10 3 ，而发生界外故障，z c t 检出的零序电流为1 0 2 ，虽 然i o z 随补偿度的不同而不同，但实际应用中普遍采用过补偿不低于线路电容的 1 0 ，因此，j 吃仍大大于用户分界开关界外发生单相接地故障时检出的零序电流 10 2 。 因此，只要定值整定正确，i o z 就能使分界负荷开关准确动作。 2 5 小电流接地故障仿真分析 2 5 1 仿真模型 根据电路理论，电力输电线路的参数严格来讲是均匀分布的，即使是极小的一 段，都有相应大小的电阻、电抗、电纳、电导。由于配电网中存在着各种非线性电 力电子元件，电力负荷的频繁切换等诸多因素使三相参数不可能平衡，因此采用集 中参数模型就存在着较大的误差。要建立输电线路准确的数学模型，利用微分方程 1 4 华北电力大学硕十学位论文 或差分方程求解是很困难的。通常根据各自的应用要求，对等值电路进行不同程度 的简化。常用的等值电路有短线路的阻抗型，中长线路的n 型和t 型等值电路。 本文选用了p s c a d 元件库中的分布参数建立仿真模型，仿真图如图所示 图2 一1 1 用户分界开关单相接地故障仿真模型图 架空线路参数设置如下： 线路电阻 o 1 7q o n 线路电感 7 6 e 一3h k i n 线路电容 6 1 e 一8f k i n 负载：电j 玉等级i o k v ，频率5 0 h z ，三相有功功率l x l 0 6 w ，三相感性无功 功率0 6 1 0 6 v a r 输电线路长度如图2 一1 1 所示。 仿真参数设置：仿真开始时间1 s ，故障时间0 5 s 2 5 2 仿真结果显示 仿真结果通过测量母线电压、三条用户支线零序电流1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 的值来显示。 1 ) 、仿真1 ：中性点不接地时发生接地故障 a 、单相接地故障发生在用户侧， b 、单相接地故障发生在干线侧， 故障点如图2 - 1 1 中点所示 故障点如图2 - 1 1 中点所示 12 0 1 0 0 0 8 0 0 卸 0 4 0 0 2 0 00 0 m a i n ：g r a p h s 华北电力大学硕十学位论文 r t 1 1 r r 。1 + 06 01 14 018 022 0 0 们3 0 00 1 2 0 00 1 1 0 00 1 0 0 0 d 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 加5 0 0 0 0 4 0 m 1 v e i n ：o r a o h s 广二f 二二t _ t = 二广二广r r 0 5 010 015 02 0 02 5 0 0 0 2 s 0 0 n 2 0 0 0 们5 0 0 埘0 0 0 嗍 0 0 0 0 0 _ d 2 悄强岂她支一物 = 一1 0 3 0 删5 0 0 们4 0 0 州3 0 。0 0 1 2 0 0 们1 0 0 0 1 0 0 0 瑚 广t _ 1 二工_ - = i 卜二二= 于二t 1 1广工+ - 二二；气；= = = 2 平2 = 二_ 彳= 二1 二- 彳叫 0 4 00 8 0 12 016 0 2 0 舶1 0 0 1 2 014 0 1j b 018 02 图2 1 2 仿真1 - a 零序电压，零序电流1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 波形图 12 0 10 0 0 即 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 m a i n ：g r a p h s_ 1 0 埘3 0 00 1 2 0 0 0 1 1 0 0 用0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 0 0 d 0 6 0 0 0 0 5 0 0 d 0 4 0 州 r t 1 o f 。 1 r t 17 r o ；t o t o r r - 1 06 01 14 01 22 00 1d 015 02 2 5 0 1 6 0 ， 一 1 一 一 一。 咖臼岫 m a i n ：g r e c h s 耵2 0 0 1 8 0 0 ，0 1 6 0 00 1 4 0 “0 , 0 1 2 0 00 1 0 0 0 8 0 0 6 0 华北电力大学硕十学位论文 0 0 1 5 0 0 0 1 4 0 0 们3 0 、0 8 1 2 0 0 们1 0 0 们0 0 00 0 9 0 耵3 m a i ng r a p h s 广_ t 下t _ 叫_ r = 早- - - 1，产= 笛z f = 二f = = = ；f = 土上掣叶。掣= ；二= 二= = 2 = = i o4 00 1 如16 02 j d 00 即1 12 01 加16 01 2 0 0 j!j。，。j一 图2 - 1 3 仿真1 - b 零序电压，零序电流1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 波形图 2 ) 、仿真2 ：中性点经消弧线圈接地 消弧线圈过补偿1 0 ，经计算补偿电感为1 2 1 6 4 h a 、单相接地故障发生在用户侧，故障点如图2 - 1 l 中点所示 b 、单相接地故障发生在干线侧，故障点如图2 一l1 中所示 0 1 0 咖 0 0 00 4 0 00 2 0 0 加0 m a h ：e r e q o l h s o 石1 面而f 了i 面五忑j o00 00 5 01 1 5 020 02 5 03 加 00 0 2 5 o 彻 0 d 们5 0 皿 1 0 0 0 0 0 5 0 删的0 1 0 2 一物：g r e p h s - d 1 - j h ：皂a p h ? 一 。 - l r 00 0 1 2 0 0 0 1 0 0 吣 0 0 0 4 0 咖2 0 0 0 卜 r - r 1 r t 1 _ 1 r _ r r _ r 1 _ r _ 1 一”叫 0 加0 5 01 15 020 02 5 03 0 0 5 01 15 02 25 03 加 一。! i ：。j j 图2 - 1 4 仿真2 - a 零序电压，零序电流1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 波形图 1 7 一 4 ， e 重一j | c 善i q 邑h 华北电力大学硕十：学位论文 0 1 0 0 0 伪0 0 0 6 0 00 4 0 0 0 2 0 0 0 1 1 鲍! ，旦曼魄一一 一m a i n ：o r 即h s 0 0 00 5 01 15 020 02 5 030 0 0 d 0 1 2 00 0 1 0 0 0 口0 8 0 0 0 0 6 0 d 0 0 4 0 0 0 0 2 0 j d 0 0 0 0 05 01j d 01 5 02 25 0 3 _ 0 0 0 d 们4 0 加1 2 0 0 0 1 0 0 d 0 0 艄 0 o 0 0 4 0 伽 0 脚0 0 肿0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 嘣 0 0 0 0 d 0 0 4 0 d 0 0 2 0 加 - 1 0 3 哟畸生! 勉!j 卜 。石1 面而f 了i 孟磊而 图2 - 1 5 仿真2 - b 零序电压，零序电流1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 波形图 3 ) 、仿真3 ：中性点经1 0q 电阻接地 a 、单相接地故障发生在用户侧，距负荷开关1 k m 处，如电路图点所示 b 、单相接地故障发生在干线侧，如图故障点所示 12 0 10 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 u o m 嘲：o r a 峨一 0 0 5 01 15 02 2 5 03 0 0 1 4 0 0 们2 0 o 用 0 脚 “0 00 0 4 0 0 呦 0 0 叽0 h f l 1 ：g r a d h s 一 一一r _ - r 1 。t 1 t _ 。一。 一j 0 0 5 010 015 02 加2 5 03 1 8 一 量一hc ，重一_ j ( 鼍一h 鼍一h 华北电力大学硕士学位论文 0 0 4 0 0 0 0 3 5 0 0 哪 0 d 2 5 0 0 0 2 0 0 00 1 5 0 00 1 0 0 0 5 0 0 0 0 m _ n ：c - , r e p m of 百犷了犷气r 痂 0 们6 0 0 们4 0 0 们2 0 0 们0 0