谐振接地电网调谐方式的性能分析与实验测试本科毕业设计.docx
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谐振接地电网调谐方式的性能分析与实验测试本科毕业设计
谐振接地电网调谐方式的性能分析与实验测试本科毕业设计
电子科技大学
毕业设计（论文）
论文题目：
谐振接地电网调谐方式的性能分析与实验测试
学习中心（或办学单位）：
职称：
学号:
专业：
电力系统及其自动化
2011年11月12日
摘要
电力网中性点经消弧线圈接地是中性点的主要接地方式之一，消弧线圈装置可以将电容电流补偿到残流很小，使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电。
这种接地方式被称为谐振接地，采用这种接地方式的电网又被称作补偿电网。
本论文主要阐述了各种谐振接地电网调谐的方式，分析总结目前在国内外消弧线圈接地系统中常采用的几种自动调谐原理,说明了各自的优点和适用范围,对目前在国内外自动跟踪补偿消弧装置中常采用的几种自动调谐原理做了系统的归纳和比较,说明了各自的优点和适用范围,针对其仍然存在的问题,给出了在满足正常状态和故障状态下均实现补偿的全状态补偿原理和实现方式,使消弧线圈的熄弧作用得到充分的发挥。
并通过相关实验测试，来说明调谐方式对消弧线圈运行的影响。
关键词消弧线圈谐振接地自动调谐
Abstract
Powernetworkneutralpointarcsuppressioncoilgroundingtheneutralpointisoneofthemaingrounding,arcblowoutcoildevicecancompensatecapacitorcurrenttomini-residualcurrenttomakeinstantaneousgroundingfaultdiminishedautomaticallywithoutimpactonpowersupply.Thisgroundingiscalledresonantgrounding,andthiskindofgroundingnetiscalledcompensationnetwork.
Thispaperexpatiatesoneveryregulationtechnologyofresonancegroundingnet,
analyzesandconcludesseveralautomaticallytuningprinciplesadoptedbyautomaticarc
suppressionequipmentlocallyandabroad.Moreover,theadvantagesandapplicationareasofprinciplesofautomatictuningispresented.Inordertoovercometheexistingproblems,thepaperproposestheall-statecompensationprincipleswhichtrackthecapacitorcurrentinnormalandfaultstates.Sotheall-statetuningprinciplescanmakegooduseofthefunctionofPetersencoiltosuppressthegroundingarc.Testedbyexperimentstoillustratethemethodofarcsuppressioncoiltuningtheoperationalimpact.
KEYWORDArcsuppressioncoil,Resonantgrounding,Principleofautomatictuning
第一章绪言.........................................................................................................................................1
第一节选题背景与意义...............................................................................................................1
第二节本选题研究动态…...........................................................................................................1
第三节本文主要研究内容……...................................................................................................2
第二章消弧线圈调谐方式...................................................................................................................3
第一节谐振接地系统分析….......................................................................................................3
2.1.1最大位移电压法消弧线圈接地优点…........................................................................3
2.1.2消弧线圈接地缺点……...............................................................................................4
第二节自动调谐原理…...............................................................................................................4
2.2.1最大位移电压法……...................................................................................................4
2.2.2阻抗三角形法…….....................................................................................................5
2.2.3相位调谐法……...........................................................................................................6
2.2.4中性点位移曲线法……...............................................................................................7
2.2.5实时测量法……...........................................................................................................7
2.2.6全状态调谐……...........................................................................................................8
第三节脱谐度、和谐度和阻尼率分析……...............................................................................9
第三章调谐方式对消弧线圈运行的影响及实验测试…….............................................................12
第一节并列运行消弧线圈工作原理…….................................................................................12
3.1.1预调式与随调式并联运行的情况…..........................................................................13
3.1.2预调式与预调式并联运行的情况…….....................................................................13
3.1.3随调式与随调式并联运行的情况…….....................................................................13
第二节天津滨海新区海门变电站实验测试数据…….............................................................12
结束语...................................................................................................................................................15
谢辞.......................................................................................................................................................16
参考文献...............................................................................................................................................17
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试
第一章绪言
第一节选题背景与意义
在我国的电力系统接线方式中，中性点接地方式分为两种，一种是直接接地，发生单相接地故障时，短路电流很大，也称为大电流接地系统，用于电压等级在110kV及以上的系统中，主要考虑绝缘性能；还有一种是不直接接地，发生单相接地故障时，短路电流很小，也称为小电流接地系统，主要用于电压等级在66kV及以下的系统中，不直接接地还分为不接地、经小电阻接地，经消弧线圈接地，电力网中性点经消弧线圈接地是中性点的主要接地方式之一，这种接地方式被称为谐振接地，采用这种接地方式的电网又被称作补偿电网。
采用中性点经消弧线圈接地方式，在发生单相接地故障时，消弧线圈的电感电流有效地补偿电网的对地电容电流，减小故障点残流，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，熄灭电弧。
配电网发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80%左右，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1～2h。
但是，随着配电网的迅速发展，电网中电缆线路的比例上升，电缆与架空线混合线路越来越多，系统馈出线也增多，系统单相接地故障电容电流增大，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路并予以切除。
配电网发生单相接地时，一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号，而不必跳闸;但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。
现在我国电网规模不断扩大,运行方式经常变化,导致电容电流变化范围越来越大，而且波动频繁，老式的人工调谐消弧线圈已不再适用。
因此，消弧线圈必须实现自动化，即采用消弧线圈自动跟踪调谐装置,跟随电容电流的变化，消弧线圈能够自动、快速的调整电感值，使电网的脱谐度处于规定范围之内，最终可靠熄弧。
第二节本选题研究动态
纵观消弧线圈的调谐方法，目前在我国仍以手动调谐居多。
近年来国内外相继推出了几种新型自动跟踪补偿消弧成套装置[1～4],如可控硅调节电感式消弧装置、调容式消弧装置[5]、以及最近由哈佛莱高压技术分部（HaefelyTrenchHighVoltageTechnology）研制的自动消弧线圈加注入电流构成的宽频接地故障电路
1
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试补偿装置等,均采用了多种自动调谐原理，都以电网中性点位移电压U0作为调谐系统的启动信号[6]。
自动跟踪补偿装置与人工调整消弧线圈相比，具有显著优越性。
首先是可以避免人工调谐消弧线圈的诸多麻烦，而且不会使电网的部分或是全部在调谐过程中暂时失去补偿；其次，由于自动补偿装置能够保证调谐的精度，不仅可以提高消弧线圈的动作成功率，同时能够限制电网的电弧接地、谐振过电压等，这些均有利于电网安全运行。
自动跟踪补偿装置一般由驱动式消弧线圈和自动测控系统配套组成，自动完成跟踪测量和跟踪补偿。
当补偿电网的运行方式发生改变时，该装置便自动跟踪测量电网的电容电流，并将消弧线圈调谐到合理的补偿状态，使接地电弧瞬间熄灭。
就调谐方式而言，可将自动跟踪装置分为两种，在接地故障发生前，调整消弧线圈到靠近谐振点运行的，称为“预调式”，在此条件下为使中性点的位移电压不大于15%额定相电压，需要串联（或并联）一定数值的限压电阻；另一种称为“随调式”[7][8]，即在正常情况下消弧线圈远离谐振点运行，中性点位移电压较低，而在接地故障发生后，迅速调整到位，故不用加限压装置。
前者可以利用机械调节或电气调节完成，后者必须利用电气调节完成。
我国和法国分别于80年代开展了这方面的研究工作。
目前我国已投入使用的有带串联限电压电阻的多种自动消弧线圈，还有调容式、直流助磁式、磁阀式和调感式的自动消弧线圈以及不同组合式的补偿装置；法国则有插棒式和电流注入式的自动消弧线圈等。
第三节本文主要的研究内容
本文分析总结了目前在国内外消弧线圈接地系统中常采用的几种自动调谐原理,说明了各自的优点和适用范围,指出存在的问题,给出全状态补偿原理和实现方式，使消弧线圈在正常状态和故障状态下均实现可靠熄弧。
并通过相关实验测试，来说明调谐方式对消弧线圈运行的影响。
2
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试
第二章消弧线圈的调谐方式
消弧线圈的调谐方式分为“预调式”和“随调式”两种。
预调式在系统正常时测量系统的电容电流,，并将消弧线圈调节到对应位置；单相接地故障时，消弧线圈零延时进行补偿，可利用机械调节或电气调节完成。
该方式需要并联或串联一个阻尼电阻以防止系统正常运行时可能发生的串联谐振。
当系统发生单相接地故障时，需要将阻尼电阻短接以避免输出阻性电流并保护电阻本身，故障解除后需要再接入阻尼电阻。
随调式在系统正常运行时测量系统的电容电流，当发生单相接地故障后，调节消弧线圈至对应的位置；当接地故障解除时，又立即将其调节到远离补偿工作点。
由于在系统正常运行时消弧线圈处于远离谐振点运行，因此可以避免串联谐振的发生,不需要设置阻尼电阻。
第一节谐振接地系统分析
一、消弧线圈接地优点
1.经消弧线圈接地后，能使故障点的电流减小，降低了恢复电压速度，减小了弧光接地过电压，有利于电弧熄灭，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高了可靠性。
2.由于中性点经消弧线圈接地减小了接地点的电流，也就减轻了设备的损坏程度，抑制了电弧的扩散范围。
电网单相接地后仍能继续运行一段时间（规程允许2小时），使运行人员有相对充裕的时间对故障线路进行检查与维修。
3.中性点经消弧线圈接地可以根治PT引起的铁磁谐振，不再需要其它消谐措施。
消弧线圈电感Lx与电压互感器励磁电感Lp相比，要小得多，差几个数量级。
在零序回路中，Lx与Lp是并联的。
所以Lp几乎被Lx短接，Lp因饱和引起的三相不平衡，也不会产生过电压。
4.经消弧线圈接地，减小了接地电流，从而改善了配电网电磁兼容环境。
输电线路电磁场对通信与信号系统的干扰问题是相当重要的，每一条交流线路的周围空间都建立了交变电磁场，而交变电磁场又在邻近的导体回路中感应出电压，当这种回路是位于高压输电线路附近的通信线路或信号系统时，感应出来的电压就可能造成严重的干扰，甚至危及工作人员的安全或引起信号装置的误操作。
消弧线圈接地方式，因消弧线圈的接入，改变了系统参数，使综合零序阻抗变得很大，从而不可能引起音频的干扰。
即使架空线路断线，落到低压线或电话
3
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试线上也不会造成人身伤害。
发生单相接地故障时，接地电流的分布和故障点无关，而取决于消弧线圈的安装地点及其相对位置，可以设法调节接地电流的分布，使电磁感应得以相互抵消。
5.经消弧线圈接地对人身安全影响较小。
当发生接地故障时，稳态接地电流小，故障点的接触电压和跨步电压低，不会影响人身安全。
二、消弧线圈接地缺点
1.调整频繁，操作繁琐
采用中性点经消弧线圈接地，在改变运行方式切合线路时，电容电流变化大，需要及时调整消弧线圈档位，调整次数多，而且操作需离线进行，操作麻烦。
2.脱谐度测量困难
传统电容电流的测量采用单相金属接地法或中性点外加电容法，测量时需要改变一次设备，而且具有一定的冒险性，要花费很大的人力和物力，测量困难大，所以配电系统一般很少测量脱谐度，平时估算运行。
3.调谐不当易产生谐振过电压
采用中性点经消弧线圈接地方式，其工频过电压、弧光接地过电压、各种谐振过电压的幅值都很高，持续时间长，对设备绝缘和间隙氧化锌避雷器的安全运行具有严重的威胁。
4.部分引进的电气设备不适合在消弧线圈接地系统中运行
近年来引进的不少国外电气设备，有些是只适用于中性点有效接地配电网，其绝缘耐受的电压比我国的相应电压等级低，这些设备在我国非有效接地配电网中运行是不安全的，易发生绝缘事故。
5.继电保护动作困难
采用中性点经消弧线圈接地方式，零序电抗与正序电抗的比值大（大于4～5）。
单相接地电流往往比正常接地电流少很多，零序滤波器的不平衡电流相差不多，因而很难用普通的方向继电器来判断故障线路,这样给继电保护带来一定困难[7]。
第二节自动调谐原理
一、最大位移电压法
假设三相电源电压对称,大小为UΦ,以A相电压为参考相量，如图2-1的电网正常运行状态下零序等值电路得中性点位移电压U0的表达式：
4
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试?
?
U0?
?
?
KcUun?
-?
-jd?
-jd?
?
?
Ca＋?
2Cb?
?
CcUun?
-KcU?
为中性式中Kc?
为各相对地电容的不对称度；Ca?
Cb?
Cc
点未接入消弧线圈时电网不对称电压；?
?
Ic-ILI为电网脱谐度；d=R为电网IcIC
的阻尼率；3C?
Ca?
Cb?
Cc为三相对地总电容。
当?
=0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。
图2-1电网正常运行状态下零序等值电路
二、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,只能将装置调整到离谐振点最近的分接头处,调整精度受到影响。
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,
5
电子科技大学毕业论文（设计）谐振接地电网调谐方式的性能与实验测试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于15%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。
三、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?
C,以形成人为中性点位移电压U0。
此时中性点位移电压和接有?
C的A相电压UA之间存在如下关系:
?
?
k'0c＝?
'?
-k-jd0cUAU0
式中k'0c?
?
C为接入附加电容后电网的不对称度。
Ca?
Cb?
Cc?
?
C
?
?
当电网发生单相经过渡电阻Rg接地时（例如A相），中性点位移电压U0和故障相
电压UA的关系为:
?
U0
UA?
?
＝-d?
d?
j?
式中d?
＝1/（Rg?
3?
C）为故障状态下电网的附加阻尼率，d?
（g＋gg）/3?
C为故障电网的总阻尼率。
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，?
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。
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四、中性点位移曲线法
根据系统正常运行时等值电路，可知：
Xc?
U02-U01I02-I01
其中U02、U01、I02、I01分别为为消弧线圈电感值改变前后的中性点位移电压和消弧线圈上零序电流。
在远离谐振点处，?
>>d，有U0?
Unm
?
?
Unm?
3?
C，调整电感值从L1到3?
C-1/?
L
L2，得计算三相对地电容的公式为：
3?
C?
U01K?
1/?
L1-1/?
L2，K?
，这种调谐U02K-1
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。
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
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