基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新方法

中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报

ProceedingsoftheCSEEVol.20No.1Jan.2000

-8013(2000)01-0029-05󰀁󰀁文章编号:0258

基于注入变频信号法的经消弧线圈

接地系统控制与保护新方法

曾祥君1,尹项根1,于永源2,陈德树1

(1.华中理工大学电力系,湖北省武汉市430073;󰀁2.长沙电力学院电力系,湖北省长沙市410077)

NEWMETHODSFORCONTROLANDPROTECTIONRELAY

INACOMPENSATEDMEDIUMVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKBASED

ONINJECTINGVARIOUSFREQUENCYCURRENT

ZENGXiang-jun1,YINXiang-gen1,YUYong-yuan2,ChenDe-shu1(1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;

2.ChangshaInstituteofElectricPower,Changsha410077,China)

ABSTRACT:Traditionalmethodsforprotectionrelayandcon-trolincompensatednetworkaredifficulttomeettherequire-mentofdistributionsystemautomation.Newmethodsbasedon

injectingcurrentarepresentedinthispaper.Petersencoilau-tomationtuningsystemisimplemented,whichisbasedonmea-suringthesystemresonancefrequency.Highimpedancefaultdetectionisimplementedbymeasuringthezerosequencevoltagecausedbyinjectingcurrent.Andthefaultfeederisdetectedbymeasuringthezerosequencepowerfactorcausedbyinjectingcurrent.Thisprincipleisnotaffectedbysystemoperation.Ithashighprecisionandhighreliability.Theprototypesforpro-tectionrelayandcontrolisdeveloped,whichhavepassedthesimulationtest.WhilePetersencoilautomationtuningsystemhasbeentestedonthenetworkformanyyears.

KEYWORDS:powerdistributioncontrol;protectiverelaying;faultdiagnosis;inductorcompensateddistributionlines摘要:提出基于注入信号法的控制与保护新方法:采用注入零序恒流信号,测量系统谐振频率,计算电容电流,进行消弧线圈自动调谐;采用测量零序信号电压,计算接地电阻,进行高阻接地故障辨识;采用测量各出线零序信号功角,计算线路阻尼率,进行故障选线。该方法不受系统运行的影响,易实现就地保护控制,精度高、抗干扰能力强。样机已通过动模实验,其中消弧线圈自动调整系统已形成产品,在现场运行多年,效果良好。

关键词:注入信号法;消弧线圈;配电网自动化;继电保护中图分类号:TM727󰀁TM771󰀁󰀁󰀁文献标识码:A1󰀁前言

我国配电网一般采用中性点非有效接地方式。按规程规定,当电容电流大于一定值时,采用经消弧

线圈接地。这种接地方式对消弧线圈的运行要求严格,如补偿过多或过少,使得接地残流过大,则不易熄灭电弧;而刚好完全补偿,则易产生谐振过电压。由于消弧线圈的补偿,接地残流过小,接地故障辩识、故障选线困难。为了满足目前配电网自动化改造的要求,经消弧线圈接地系统的保护与控制日益受到国内外专家的关注,且已经提出了一系列新的原理和方法[1]:

(1)消弧线圈自动调整

一般采用位移电压曲线法计算电容电流[2,3],根据电容电流的大小自动调谐。这种调谐方法要求在测量过程中,人为地改变系统的运行状态,这给系统安全运行带来潜在的威胁。为了防止测量过程中产生过电压,一般需在消弧线圈上串联一个小电阻。

(2)高阻接地在线测量

配电网易发生高阻接地故障(如配电线路掉在雪地上或碰到附近树枝上等)。高阻接地时,接地残流很小,中性点位移电压变化不大,检测困难。文[4,5]提出采用测量位移电压的变化、计算系统对地电阻的方法检测接地故障,其检测精度能达10k󰀁。30󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第20卷

但因位移电压受系统运行影响大,测量往往难以实现。

对于经消弧线圈接地的发电机,定子高阻接地保护难以实现,部分采用外加非工频电源(直流、12.5Hz、20Hz、25Hz、100Hz等)测量零序信号电流的方法进行高阻接地故障诊断,但因其受消弧线圈电感及定子绕组对地电容等的影响,检测精度难以大幅度提高,不能满足大型机组高灵敏定子接地保护的要求。

(3)接地故障选线

目前,国内外采用的新型故障选线方法有:零序五次谐波电流选线法、零序暂态电流选线法及注入信号跟踪比较各出线零序信号电流幅值选线法

[6,7]

的。此时中性点位移电压较低,采用向消弧线圈电压互感器注入恒流信号,通过改变信号的频率,直到找出系统的谐振频率f0,此时电网的脱谐度

󰀁=1-(f0/f)2

式中󰀁f为系统频率(一般为50Hz)。

消弧线圈自动调整系统根据脱谐度󰀁的测量值,调节消弧线圈分接头,以达到最佳补偿。已知消弧线圈每档的动作电流,则系统电容电流

Ic=Il/(1-󰀁)

(2)

式中󰀁Il为系统中所有消弧线圈额定电流之和。

采用注入信号法测量电容电流,不影响系统正常运行,且不受系统运行的影响。对于具有多个消弧线圈的配电网,只需选定一个消弧线圈,注入信号并测量,就可完成整个配电网脱谐度、电容电流的测量,无需通讯配合。该技术已获国家专利。2.2󰀁高阻接地故障辨识

高阻接地故障时,中性点位移电压变化较小,其值较低。采用向零序电压互感器注入谐振频率恒流信号,使系统信号电容电流与消弧线圈信号电感电流互相抵消,从而使系统测量电抗为零,则系统对地总电阻

R=U0/I0

(3)

式中󰀁U0为测量信号产生的零序电压;I0为信号恒流源折算到一次侧的电流。通过测量系统对地电阻的变化,可以检测高阻接地故障。

采用注入谐振频率信号的发电机定子接地保护,使得消弧线圈电感及定子对地电容的影响互相抵消,其测量精度只受发电机组自身对地泄漏电阻R0的影响(主要包括消弧线圈自身电阻、消弧线圈串联电阻、发电机定子绕组及变压器绕组等对地的泄漏电阻)。故障时定子对地总电阻

R0Rf

R=R+R

0f式中󰀁Rf为故障接地电阻,则

I0R0RfR0+Rf

(1)

。

前两种方法受系统运行方式及故障状态影响较

大,现场运行可靠性不高;第三种方法采用外加信号,在原理上有所改善。但所有这些方法都需集中比较各条出线的零序测量电流大小或相位,使得仪器接线复杂,难以与馈线保护结合为一体并在开关柜上就地安装。

随着国内外配电网自动化改造的深入,将对消弧线圈接地系统的保护与控制提出更高的要求。本文采用注入变频信号的新方法,测量系统电容电流、进行消弧线圈自动调整、高阻接地故障辨识及故障选线。其不受系统运行的影响,控制与保护精度高,抗干扰能力强。

2󰀁注入变频信号测量原理

如图1所示,从消弧线圈电压互感器或故障相电压互感器发送可变频率恒流信号,测量注入信号产生的零序电压及在各回出线上产生的零序电流。

信号注入及测量回路

选线n󰀁󰀁

TAn

(4)

消弧线圈

TV选线1

U0=I0R=

TA1

(5)

由此看出:故障接地电阻越小,零序信号电压下降越多。当接地电阻与发电机组对地泄漏电阻相当时,零序信号电压降低一半。因此,测量零序信号电压的降低,至少可以检测与泄漏电阻相当的电阻接地故障。一般发电机组对地泄漏电阻值在几十千欧到几百千欧范围内,采用注入谐振频率信号法至少可以检测几十千欧的高阻接地故障。其能够用来检图1󰀁注入信号原理图

Fig.1󰀁Theschemeforinjectingcurrent

2.1󰀁电容电流的测量

对经消弧线圈接地系统电容电流的测量及消弧线圈的自动跟踪调整是在系统正常运行情况下进行󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁曾祥君等:󰀁基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新方法31

测定子绝缘的损坏、定子局部放电,而且不受系统运行的影响,即能实现发电机定子的高灵敏度保护。2.3󰀁系统阻尼率的测量及故障选线

经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时,测量信号注入的方法由位移电压的高低决定:当接地电阻较高、位移电压小于故障相电压时,采用向消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号;当接地电阻较低、位移电压大于故障相电压时,采用向故障相电压互感器注入频率为70Hz的恒流信号[8]。注入信号产生的零序电压U0与各出线上产生的零序电流I0n之间的相量关系如图2。

IcnI0n故障后

g2=3󰀁cd2

则接地故障电阻

111Rf=g=g-g=3󰀁c(d-d)(9)

f2121

故障选线精度受线路自身对地泄漏电阻的影响。估计架空线路对地电容:0.005󰀁F/km,取d1=3%、d2=17%,线路长度为75km时,选线估计精度为20k󰀁;50km时,估计精度可达30k󰀁。由此可见,采用注入信号法故障选线具有较高的选线精度。

(8)

3󰀁实验与现场测试

实验电路如图3所示,模拟配电网零序回路,测量信号从消弧线圈电压互感器低压侧注入。

󰀁IRnUo图2󰀁注入信号在出线上产生的电压电流向量图Fig.2󰀁Vectordiagramofvoltageandcurrentproducedbyinjectingcurrent图3󰀁试验测量回路

Fig.3󰀁Simulationdiagramfortesting

计算出线n相对于测量频率信号的阻尼率dnU0gIRng===ctg󰀁(6)3󰀁cn3U0󰀁cnIcn即各出线的阻尼率为注入信号在出线上产生的零序dn=电流与产生的零序电压相位差的余切。正常架空线路的阻尼率约为3%~5%,线路受潮时可增至10%,电缆线路约为2%~4%,绝缘老化时可达10%。线路发生高阻接地故障时,线路对地电阻会明显下降,阻尼率明显上升。可以通过比较各线路的阻尼率大小,进行故障选线。考虑7%左右的测量误差,一般认为线路阻尼率大于17%时为故障。当接地电阻不太大时,注入信号电流大部分流向故障线路,而非故障线路流入的信号电流减小,可能导致非故障线路信号功角󰀁的测量误差增大,甚至出现故障选线误判断。为了提高故障选线精度,采用如下措施:增大注入信号电流;采用高精度零序电流互感器;比相回路采用开环运算放大器构成,以提高相位测量精度。为防止误选线,当线路零序信号电流小于测量回路的能准确测量相位的电流时,认为该线路无接地故障,不再测量阻尼率。分析采用阻尼率故障选线原理的精度,设故障线路故障前g1=3󰀁cd1(7)3.1󰀁系统对地电容电流测量

采用电阻、电容模拟输电线路零序回路,取消弧线圈电感L=3.936H,改变电容档位,使系统谐振,计算系统电容值,试验结果如表1。

表1󰀁系统对地电容测量实验结果Tab.1󰀁Testresultforcapacitor

谐振频率/Hz61.0056.1751.6848.1143.19

测量脱谐度/%-48.80-26.20-6.8319.1025.40

实际电容值/󰀁F1.702.002.302.803.50

测量电容值/󰀁F1.732.042.412.783.45

󰀁󰀁由表1看出,谐振频率随电容电流变化,电容电流变大时,谐振频率下降,系统由过补偿向欠补偿过渡。

3.2󰀁系统阻尼测量

用图3模拟35kV配电网,取阻尼率d=3%:模拟一条架空线路长20km,C1=0.28󰀁F,R1=380k󰀁;模拟其它线路长150km,等效为C2=2.1󰀁F,R2=50k󰀁;消弧线圈电感L=3.936H。采用2A恒流源,注入信号频率52Hz,折算到1次侧为9.9mA,调节R1,模拟高阻接地故障,测量结果如表2。由表2可以看出,线路1高阻接地故障时,注入信号产生的零序电压U0降低,系统信号电流总功32󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第20卷

表2󰀁接地阻尼测量

Tab.2󰀁Testresultforearthingresistance

R1/k󰀁3801002052

U0/V3803171384618

R实/k󰀁44.233.314.34.61.9

R测/k󰀁38.432.014.04.61.8

󰀁/(󰀁)88.087.584.774.355.4

d实0.0300.0390.0900.2750.670

d测0.0350.0430.0930.2810.690

󰀁1/(󰀁)88.083.761.226.210.7

d1实0.030.100.542.195.47

d1测0.040.110.552.035.28

󰀁2/(󰀁)88.088.088.088.088.0

注:R实为系统实际总电阻,R测为系统测量总电阻。第一行为系统正常运行测量值。

角󰀁减小、故障线路1阻尼率d1上升、功角󰀁1减小;非故障等值回路功角󰀁2不变;当接地电阻小于20k󰀁时,零序信号电压降低近三分之二,故障线路阻尼率大于50%。3.3󰀁现场测试

采用注入信号法原理研制成功消弧线圈自动调整系统及故障选线装置。于1997年1月6日使用样机测量湖南汨罗110kV变电站35kV侧电容电流。测量时,首先在7条35kV线路全部投运的情况下,测量全系统电容电流,然后依次拉开线路,进行测量,结果如表3。

表3󰀁电容电流现场测量

Tab.3󰀁Testresultforcapacitivecurrentonnetwork

消弧线圈档位电流/A󰀁25.0󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

19.313.613.613.613.6

谐振频率/Hz55.65559.35055.04554.24545.25041.863

电容电流/A测量值

20.2013.7011.2011.6016.6019.40

估算值19.9513.2111.9312.1217.0119.95

投入线路/km

164.6101.089.090.8136.9164.6

4󰀁结论

本文从注入信号法原理入手,提出:寻找系统谐振频率,测量系统电容电流,进行消弧线圈自动调整;采用测量零序信号电压,计算系统接地电阻,进行高阻接地辨识;测量各出线零序信号功角,计算线路阻尼率,进行故障选线。具体实现如下:

(1)系统正常运行时,由消弧线圈电压互感器注入信号,测量系统谐振频率,计算电容电流。测量过程中,无需调节消弧线圈,无需变换一次系统参数,无需求解方程。测量方法简单、直接,已成功地应用于消弧线圈自动调整系统。

(2)高阻接地故障时,中性点位移电压变化小。采用向零序电压互感器注入谐振频率信号、测量零序信号电压、计算接地电阻,辨识高阻接地故障,可实现高灵敏度发电机定子接地保护,且不受系统运行的影响。

(3)故障选线时,比较位移电压与故障相电压的大小,如位移电压较低,则从消弧线圈电压互感器注入谐振频率恒流信号,反之,则从故障相电压互感器注入,监视各出线零序信号功角、阻尼率,进行故障选线。其具有选线精度高,抗高阻接地能力强,且易与馈线保护结合为一体,置于开关柜上,实现就地保护与控制。

作者已研制成功消弧线圈自动调整及故障选线装置,其中消弧线圈自动调整系统已于96年6月通过电力部组织的鉴定(已获国家专利),现有产品在全国各地变电站运行多年。故障选线部分已通过动模试验,有待进一步完善,以适应现场运行。

表3中电容电流估算值为线路与变电站设备电容电流之和,取变电站电容电流2.5A,线路电容电流按0.106A/km计算

[9]

。从表中可以看出电容电流测

量误差达0.5A,分析其原因:

1)电容电流估算值存在误差。

2)消弧线圈磁化曲线的非线性及电感值的年久变化。

3)测量装置的误差。

使用样机于1996年12月10日在南阳油田变电站进行接地故障试验测试。接地试验时,装置均能发出接地信号。接地残流中的高频谐波含量较大,滤除高频分量后,电容电流的接地试验测量与样机测量基本一致。

故障选线部分已通过动模试验,有待进行现场测试。参考文献:

[1]󰀁GriffelD,etal.AnewdealforsafetyandqualityonMVnet-works[J].IEEETransonPowerDelivery,1997,12(4):1428~

1433.

[2]󰀁李景录等.ZXB系列自动跟踪补偿线圈装[J].中国电力,1998,

31(8):42~45.

(下转第36页continuedonpage36)36󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁国󰀁电󰀁机󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第20卷

转子回路的磁共能分量

1󰀁1󰀁1F1ax󰀁mF1ax󰀁m=cos󰀁ex263k󰀁󰀁0

则,x向一相通电时的静拉力

W󰀁f21=

(8)

󰀁

󰀁W󰀁󰀁(W󰀁fxf12+Wf21)F1===

󰀁x󰀁x2󰀁x󰀁(cosNI󰀁m󰀁1NI󰀁m󰀁12󰀁t)2󰀁=-sinx

3k󰀁󰀁0󰀁xt3k󰀁󰀁0t

(9)

x向和y向不同通电状态时的力能指标可以同样的方法求得,不再赘述。

图8󰀁单步响应微位移实测曲线

Fig.8󰀁Testedcurveofdisplacement

responseofsingleministep

5󰀁结论

(1)本文通过理论分析和实验研究说明作者提出的HB型共用永磁体二自由度平面直线电动机的可行性。

(2)研制的样机在具有力觉功能的机器人微驱动末端操作器装置中进行了实际评价,在运动范围,动作精度和力能指标等方向均收到良好效果。(3)该结构电机在减小体积和减轻重量方面较之传统结构平面二自由度直线驱动装置具有明显优势。

4󰀁实验研究

笔者结合863计划智能机器人主题的子项目󰀁󰀁󰀁机器人微驱动末端操作器,研制了实际样机,样机外形尺寸118󰀁118󰀁32mm。x向和y向运动范围为10mm,最小动作精度为0.48󰀁m。

图7为实际样机静态力能指标实测曲线。图8为4096细分数时单步响应微位移实测曲线。

3

参考文献:

[1]󰀁程树康,等.微驱动永磁双坐标直线步进电动机[C].磁性材料

在微特电机中应用技术论文集.1990.[2]󰀁哈尔滨工业大学,成都电机厂.步进电动机[M].北京:科学出

版社.1979.

收稿日期:1999-02-12;󰀁改回日期:1999-07-05。作者简介:

崔淑梅,女,博士后,副教授;宋立伟,男,博士研究生;

程树康,男,工学博士,教授、博士生导师。

图7󰀁实际样机静态力能指标实测曲线

Fig.7󰀁Testedcurveofstaticforceofpracticalprototypemotor

(上接第32页continuedfrompage32)

[3]󰀁袁进伶,张涛.6~10kV电力系统电容电流自动跟踪补偿及接

地选线装置原理及应用[J].中国电力,1998,31(1):67~68.[4]󰀁SeppoHanninen,etal.Amethodfordetectionandlocationof

highresistanceearthfaults[C].1998InternationalConferenceonEnergyManagementandPowerDelivery.Singapore,March1998,495~500.

[5]󰀁BMichaelAucion,RobertHJones.Highimpedancefaultdetec-tionimplementationissues[J].IEEETransonPowerDelivery,1996,11(1):139~145.

[6]󰀁桑在中等.用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护

[J].电力系统自动化.1996,20(2):11~12.

[7]󰀁曾祥君,于永源等.配电网谐振状态与单相接地状态的辨识

[J].电力系统自动化,1998,22(8):41~43.(责任编辑󰀁丁玉瑜)

[8]󰀁曾祥君.消弧线圈自动调整系统及故障选线的研究[D].武汉

水利电力大学:武汉,1996,6:10~60.

[9]󰀁符达.消弧线圈的调谐[M].水利电力出版社,1960,129:30~42.收稿日期:1999-02-02;󰀁改回日期:1999-05-21。

作者简介:曾祥君(1972-),男,博士生,讲师,从事电力系统规划、微机保护与控制等方面的研究开发工作;

尹项根(1956-),男,教授,博导,电力系主任,从事电力系统继电保护与安全稳定控制等领域的教学、研究工作;于永源(1940-),男,教授,从事电力系统规划、运行与控制等领域的教学研究工作;

陈德树(1930-),男,教授,博导,从事电力系统继电保护与安全稳定控制等领域的教学、研究工作。

(责任编辑󰀁喻银凤)