中性点非有效接地系统单相接地故障选线新方法研究

摘要

我国配电网广泛采用中性点非有效接地系统，其频繁发生的单相接地故障后的选线问题多年来一直备受关注。为了解决该问题至今已提出许多种选线方法，根据这些方法制作出的选线设备较好的解决了我国电力系统配电网在系统污染不太严重，接地电阻较小情况下的接地选线问题。但对于系统污染较严重的油田、煤矿等电网或当接地电阻较大时，现有的选线方法及设备的选线准确性还有待提高。 与发生单相接地后立即跳闸的中性点有效接地系统相比，发生单相接地后不必立即跳闸的中性点非有效接地系统在供电可靠性方面有着明显优势。而且随着对电能质量关注程度的日益增加，这一优势愈加明显。但如果当中性点非有效接地系统发生单相永久性接地后无法进行自动准确选线的话，那么它在提高供电可靠性方面的优势将无法得到充分体现。因此，为了提高供电可靠性，改善电能质量，充分发挥中性点非有效接地系统的运行优势，寻找一种在恶劣情况下仍能实现准确选线的故障选线方法是很有意义的。 本文针对中性点非有效接地系统单相接地后故障电流太小而难易检测这一特点，首次提出了基于可控短路概念的故障选线方案，即当中性点非有效接地系统发生单相接地时，通过使系统中性点瞬时短路，等效的将原有的中性点非有效接地系统在很短的时间内变成有效接地系统，从而产生大的短路电流流过接地线路；同时，我们还可以控制上述短路时间的长短，这样就会产生一个强度足够大同时又不至于大到影响系统正常运行的短路脉冲用于故障线路的判定。其典型实施方案是在变电站主变中性点与地之间串入一可控硅，通过控制可控硅的导通方式来实现上述过程。由于短路脉冲产生方式的灵活性以及在信号检测方面采用了相邻周波相减的非线性滤波方法，使得可控短路选线方案克服了原有诸多选线方案因信号强度太弱或特征不够鲜明造成的信号难易提取的弊端。严谨的理论分析、仿真和模拟实验都验证了可控短路选线方案有着极高的选线准确性，很有可能从根本上解决中性点非有效接地系统的单相接地选线问题。 针对可控短路选线典型实施方案现场实施上的困难，提出了其改进方案，即在接地故障状态下通过利用可控硅对母线PT二次开口角实施可控短路，等效的对PT一次中性点实施有效接地，从而产生短路脉冲流经故障线路用于故障线路的判定。由于周期性产生的短路脉冲的有效值很小，所以PT容量对短路脉冲的限制作用大大削弱，从而使得改进后的可控短路选线方案在简化了现场实施过程、降低了实施造价的同时，获得了与改进前的可控短路选线方案相似的选线准确性。在改进可控短路选线方案的基础上，提出了基于单个可控硅的PT开口角瞬时短接消谐方案，理论和仿真验证了该消谐方法的有效性，从而使得PT开口角可控短路选线方案有望真正成为解决中性点非有效接地系统单相接地选线和铁磁谐振问题的理想方法。根据系统识别原理，首次提出了基于增益阻抗理论的故障选线方案。理论分析、仿真和模拟实验均验证了该方法的有效性。该选线方法理论新颖，物理概念明确，现场实施简单，为解决中性点非有效接地系统单相接地选线问题提供了值得借鉴的思路。 模拟实验是检验理论有效性的重要实践手段。由可控短路器、短路脉冲检测器和简化配电网模型组成的通用模拟实验平台的建立，为验证本文所提出的三种全新故障选线方案的有效性打下了坚实的基础。而根据本文提出的可控短路选线方案原理制作出的选线装置样机在电力系统中的挂网运行，也为可控短路选线方案技术转化成生产力并最终服务于我国电力事业迈出了重要的一步。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1中性点非有效接地系统单相接地故障后的运行特点

1.2实现国内配电网单相接地故障准确选线的必要性

1.3国内配电网单相接地故障选线方法综述

1.4电力电子元器件在电力系统中的广泛应用

1.5本文主要工作内容及章节安排

第二章 可控短路故障选线方案

2.1方案内容及优点

2.2硬件构成及工作原理

2.2.1可控硅控流作用分析

2.2.2可控短路器

2.2.3短路脉冲检测器

2.3理论短路脉冲表达式的寻求及其特点

2.4短路脉冲的仿真分析

2.5故障线路判定依据的确立

2.6影响选线准确性的因素

2.7降压变压器选定

2.8利用可控暂态信号解决高阻接地情况下故障选线问题的探讨

2.9模拟实验结果

2.10小结

第三章 基于可控短路故障选线方案的改进

3.1改进方案内容

3.2理论短路脉冲表达式的寻求及其特点

3.3短路脉冲的仿真分析

3.4故障线路判定依据的确立

3.5影响选线准确性的因素

3.5.1影响故障与非故障线路间Icriterion差异的因素

3.5.2PT容量对短路脉冲强度的影响

3.6改进前后两种选线方案选线效果对比

3.7模拟实验结果

3.8PT二次开口角短路对铁磁谐振的抑制

3.8.1铁磁谐振的基本原理

3.8.2阻尼谐振原理

3.8.3PT二次开口角短路对铁磁谐振的抑制

3.9小结

第四章 基于增益阻抗的故障选线方案

4.1增益阻抗概念的提出

4.2基于增益阻抗故障选线判据的建立

4.2.1正序增益阻抗故障选线判据

4.2.2零序增益阻抗故障选线判据

4.2.3正、零序增益阻抗故障选线判据实用性之比较

4.3仿真分析

4.3.1仿真程序

4.3.2仿真结果

4.4模拟实验结果

4.5小结

第五章 模拟实验平台的建立

5.1模拟实验平台的构成

5.2可控短路器的制作

5.2.1硬件制作

5.2.2软件编程

5.3短路脉冲检测器的制作

5.3.1硬件构成

5.3.2软件编程

5.4简化等效电路的搭建及其各组成元器件参数

5.5ZK-1型自适应控流型故障选线装置样机制作

5.6小结

第六章 结论

6.1本文主要研究成果

6.2有待于进一步开展的工作

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文与成果