接地补偿范文（精选4篇）
接地补偿 第1篇
电力系统中性点的接地方式是一个综合性的技术问题,它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰(电磁环境)及接地装置等问题有密切的关系[1]。配电网中性点接地方式的选择还必须与整个系统发展的现状和发展规划进行技术经济比较,必须全面考虑其技术经济指标。随着电力工业的迅速发展和对供电质量要求的提高,选择一种有效的中性点接地方式是十分重要的。
过去我国沿用苏联方式,配电网主要采用中性点不接地方式,其特点是供电可靠性高。近年来随着城市用电规模的扩大,特别是城区电缆供电线路的增多,中性点不接地系统发生单相接地以后,接地电流明显增大,由于不能及时灭弧,许多系统开始大量采用消弧线圈或中性点经小电阻接地方式。中性点经消弧线圈接地的电力系统,称为谐振接地系统。因为消弧线圈是一种补偿装置,故通常又称之为补偿系统。经消弧线圈接地后,能有效灭弧,但容易产生过电压及产生谐波污染,特别是在厂矿企业供电网中,有可能导致电缆爆破。经小电阻接地后,系统可靠性降低,但可有效防止事故进一步扩大。因此在新的形势下,研究有效的接地方式对提高供电质量、保证供电可靠性是很有必要的。
研究中性点接地方式的方法大体上可以分为三种:第一种就是在试验室或者现场做各种试验,这种方法能给人直观的理解,但是它不能体现那些未做试验的情况;第二种是用数学模型和解析技术进行分析计算,这种方法虽然能够研究各种情况,但局限于简单的特别是单相变压器模型;第三种方法是用数字计算机来模拟变压器模型,它能研究各种情况下的几乎所有模型,而且有助于预测复杂的非线性行为[2]。
本文将采用第三种方法即数字仿真的方法研究中性点谐振接地方式,利用MATLAB对欠补偿、过补偿、全补偿和不补偿做初步的研究。
1 MATLAB仿真模型的建立
MATLAB提供了图形化的电力系统仿真工具箱SimPower Systems,该工具箱中包括了典型的电力系统装置,如变压器、传输线、发电机和电力电子等。通过对电力系统的电路图绘制,MATLAB能自动生成数学模型,可以节省建立电力系统数学模型的时间。
使用MATLAB软件进行电力系统数字仿真,具有三个突出的优势。第一,电力系统仿真工具箱功能强大,工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型,并且提供了可以自己编程的方式创建合适的元件模型。第二,强大的MATLAB平台。MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。随着信号处理技术的成熟,各种信号处理方法在电力方面的应用尤为重要。MATLAB提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱,为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全的分析手段。第三,友好的界面。友好的界面充分体现了软件使用的难易程度。从电力系统仿真到数值计算、图形处理,再到信号分析,MATLAB提供给技术人员和科研人员的不仅是各类问题的解决方案,更重要的是这些技术的使用变得尤为轻松简单[3],因此,使用MATLAB作为仿真工具。
1.1 输电线路模型和实现
架空输电线路的参数R、L、C是沿输电线路均匀分布的,一般不能当作集中参数元件处理,有些参数还是频率的函数。研究短路和潮流时只需要工频正序、零序参数,它们可以从手册中查到或者用简单的公式推出[4]。
MATLAB中的Sim Power Systems(电力系统工具箱)提供了输电线路的两种数学模型,分别是集中参数型和基于Bergeron's traveling wave method(贝杰龙的行波法)的分布参数模型。两种数学模型需要的序阻抗参数定义按公式(1)计算:
式(1)中,Z0和Z+分别为线路的零序阻抗和正序阻抗,Zs和Zm分别为线路的自阻抗和互阻抗。
图一和图二是工具箱中的两种数学模型对输电线路的仿真实现。虽然架空线路一般不能当作集中参数元件处理,但是当线路长度不超过300km时,可不考虑线路的分布参数特性,而只用将线路参数简单的集中起来的电路表示[5],所以在本文中用图二来模拟三相架空线路。
本文中,还用到图三所示的支路模型来模拟三相电缆线路。
1.2 接地点的建模和实现
对接地点的建模,MATLAB工具箱提供了专门的实现途径,接地点的位置通过接地模块与传输线的直接连接实现。接地发生时刻通过Breaker模块内部参数Switching times(转换时间)来整定,如图四所示(注:图中的R模拟接地电阻)。
1.3 系统集成后的模型
小电流接地系统是电力传输网的中间环节,根据电网络分割理论和等效代换理论,可将小电流接地系统从整个网络中分立出来。为突出主要因素,将小电流接地系统的入端简化为无穷大容量的三相电压源。如母线中性点有消弧线圈接地的系统,可将消弧线圈简化为电感和电阻,电感的数值可根据系统的接地电容电流和消弧线圈的补偿度计算得到(在下面的仿真实例中采用过补偿10%)。图五是对整个小电流接地系统在MATLAB仿真平台下的实现。
2 仿真实例
本文利用MATLAB仿真工具箱对某10k V配电网进行仿真。仿真该配电网发生单相接地故障时,在中性点采用谐振接地方式时,各种补偿情况下系统的各相电压电流以及中性点电压的变化情况。
该电网中的变压器采用Three-phase Transformer(Two Windings)模型,变比取38.5k V/10.5k V,为wye-wye连接方式。母线带4条出线,这4条出线均是架空线路和电缆线路的混合线路。架空线路用型线路模拟,电缆用集中电容表示,线路参数如表一和表二所示。假定系统在0~0.04秒时系统三相对称运行,在0.04秒时传输线发生单相接地(假定是A相故障,过渡电阻取为1欧姆)[6]。
对图五所示的模型进行仿真,仿真该10k V电网在中性点采用经消弧线圈接地方式时各种补偿情况(过补偿、欠补偿、全补偿)下,发生单相接地故障后的中性点电压以及故障线路和非故障线路的零序电流的变化情况,并且对不补偿(即中性点不接地)的情况也进行了仿真分析,以便于比较。
图六、图七、图八和图九分别为当消弧线圈在过补偿、欠补偿、全补偿和不补偿运行方式下,接地瞬间的电压相角φ=0、φ=π/4和φ=π/2时线路l2发生单相接地故障前后中性点电压以及故障线路和非故障线路的零序电流的变化情况,从上至下依次为中性点电压、故障线路2的零序电流、非故障线路1的零序电流、非故障线路3的零序电流、非故障线路4的零序电流。
由理论分析可知,补偿电网的单相接地故障电流包括三部分,其中的一部分为整个系统的有功电流,一部分为系统总的对地电容电流,一部分为消弧线圈的电感电流。故障线路的零序电流是由残流和故障线路本身的电容电流与阻性泄漏电流构成。对于非故障线路的零序电流,则只包含本线路的电容性电流和阻性泄漏电流。
从图六到图九可看出,故障线路零序电流与非故障线路零序电流在故障后的半个周波内反相,因此可以据此来判断出故障线路。例如图六(a)中,0.02s时发生故障,零序电压在0.02s之后的半个周波内为负值,故障线路2的零序电流超前零序电压90度,而非故障线路1、3、4的零序电流滞后零序电压90度。故障发生一段时间以后,故障线路和非故障线路的零序电流变为同相。
3 结束语
随着电网的发展,加之接地继电保护选择性难题的攻克,中压电网中性点采用谐振接地(经消弧线圈接地)的优越性已逐渐显示出来。谐振接地方式不仅限制单相接地故障电流破坏作用的效果卓著,同时又能根据电网供电的需要,在保证连续供电的条件下,限制电网带接地故障持续运行的时间,防止了事故扩大的可能性,这必将使谐振接地方式成为中压电网中性点接地方式的发展方向。
利用MATLAB仿真平台,对接地系统进行数字仿真研究,克服了理论分析上的抽象性,有助于电力系统分析应用人员形象直观地理解系统的运行特性。本文仅针对中压电网采用谐振接地方式时,各种补偿情况进行了仿真比较。但在实际的电力系统中,中性点接地方式多种多样,远不限于谐振接地方式,因此,还可利用MATLAB仿真平台做许多工作。比如对其他接地方式的定量分析,对谐振接地方式也可做进一步研究,特别是研究各种消弧线圈的特性及运行方式对系统的影响。
摘要：本文介绍了MATLAB建立电力系统模型的方法,并利用其仿真平台,仿真某10kV电网在中性点采用经消弧线圈接地方式时各种补偿情况(过补偿、欠补偿、全补偿)下,发生单相接地故障后的中性点电压以及故障线路和非故障线路的零序电流的变化情况,指出了利用MATLAB仿真平台有助于电力系统分析应用人员形象直观地理解系统的运行特性,还可用于研究各种消弧线圈的特性及运行方式对系统的影响。
关键词：补偿电网,谐振接地,消弧线圈,仿真
参考文献
[1]要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]Bernard C.Lesieutre,Jama A.Mohamed,AleksandarM.Stanknvic.Analysis of ferroresonance in three-phase trans-formers.IEEE 2000:1013-1018.
[3]吴天明,谢小竹,彭彬.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004.
[4]程祥,李朝晖.变电站小电流接地数值仿真研究[J].水电能源科学,2001,19(2):48-50.
[5]陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社,1995.
接地故障中和器全补偿技术及应用 第2篇
电力系统的中性点是指发电机或变压器的中性点,从电力系统运行的可靠性、安全性、经济性和人身安全等方面考虑,中性点常采用直接接地、经低电阻接地、不接地和经消弧线圈接地4种运行方式。传统的接地保护方式不能最大程度地对接地电流和故障定位提供较为完美的解决方案,而且除了在技术上存在难题,各国故有的用户习惯和电网接线方式也给传统接地方式的改变带来一定的难题[1]。接地故障全中和器(ground faultneutralizer,GFN)接地技术的出现,在原有接地系统的基础上不需要较大的改动,就能与当前的配电系统兼容运行,并最大程度地保护配电系统的设备,提升供电可靠性和安全性[2,3,4,5]。
本文在分析配电系统常用接地方式特点的基础上,重点介绍了瑞典GFN接地故障全补偿技术的基本原理、功能特点以及应用实例等,可丰富配电系统接地方式,并提高系统供电可靠性和安全性。
1 典型的接地方式及存在的问题
目前世界上配电系统普遍使用的接地方式有大电流接地和小电流接地2类,总结下来主要有以下4种具体的接地方式。
1.1 直接接地
很多国家目前仍在使用变压器中性点直接接地的方式,对于低阻性单相接地故障的发生会导致非常大的接地故障电流,这种情况下线路自身的电阻性和电容性泄露电流甚至都可以忽略不计。直接接地方式高压配电网络的接地故障见图1。图中:R0为相线对地泄漏电阻;C0为相线对地分布电容;IN为中性点接地电流;If为故障点接地电流;E为地电位;UEL1、UEL2、UEL3分别为A、B、C三相电压。
1.2 经电阻接地
对于低阻性接地故障来说,电阻接地方式配电网相比直接接地方式配电网,可在一定程度上有效减小接地故障电流。电阻接地方式配电网的故障电流见图2。
一般来说,接地电阻的设计主要是允许标准过流继电器来定位低阻性故障,而对于高阻型接地故障,则需要不同的保护解决方案。与不接地和消弧线圈接地相比,电阻接地下的故障电流也不容小觑。
在欧洲很多国家,一种特殊设计的高阻型中性点接地电阻应用在以消弧线圈接地方式下的电网系统中来检测接地故障,无论低阻性还是高阻型接地故障都是通过辨别故障电流的有功分量部分(active current)来达到检测的目的,也就是运用了极化测量方法[6]。
1.3 不接地
在不接地的电网系统中,故障电流决定于整个电网对地的泄漏电流。电网系统中电容性和电阻性泄漏电流可以等效为中性点电流,根据基尔霍夫电流定律,那么故障电流就等于反向180°的泄漏电流。中性点不接地方式系统的接地故障见图3。图中:IR0、IC0分别为非故障相对地的电阻性和电容性泄漏电流;IR、IC为两相对地电阻性和电容性泄漏电流之和。
通过传统的极化测量可以很容易地鉴别到故障馈线,但是中性点不接地系统定义电流方向并非指向地面,所以电流方向的偏移有可能导致电网的各个部分保持在高电位水平。
1.4 经谐振接地(消弧线圈接地)
为了消除接地故障的容性电流,1917年Petersen发明了消弧线圈(arc suppression coil,ASC),通过消弧线圈产生反向180°、大小与容性电流相等的电感电流来抵消容性电流。谐振接地方式配电网的接地故障见图4。
但事实上,除了容性电流,故障电流中还有一种有功残流存在。由于有功残流的矢量角与故障容性电流和消弧线圈的感性电流成90°,所以消弧线圈无法对有功残流产生任何影响。
有功残流的产生源于电网系统的损耗及消弧线圈本身的损耗,一般来说是消弧线圈电流的5% 左右。在德国,官方计算有功残流约为消弧线圈电流的10%,即使这10% 的残流仍具有破坏性,可以引起绝缘击穿或者火灾[7]。
为了防止人身伤亡和设备损坏事故,1999年国际供电会 议03工作组(CIRED WC03) 在“配电系统故障管理”总结报告中指出,根据欧洲标准(Pr EN50179)的规定,所有接地系统的设计,都必须使地电位的升高低于150V;在此情况下,接触电压不需要特别校验,否则,需用明确的测量来证实接触电压低于75V;而对跨步电压虽无明确规定,若能满足上述要求,则后者一般是不成问题的。由此可见只有限制单相接地故障电流,才是唯一正确的出路[8]。
2 GFN 全补偿接地方式
GFN接地系统被认为是消弧线圈性能的合理扩展,完善了谐振接地思想。通过融合电子技术,无论是容性电流还是有功残流都得到了完全的补偿,弥补了消弧线圈功能上的缺点。GFN接地全补偿系统下残流为零,见图5。
有功残流的消除在原理上与消弧线圈补偿容性电流的方式类似,通过RCC(残流补偿器)[9]电子器件产生的与有功残流大小相等、方向相反的电阻电流来消除有功电流,可以理解为故障点电位为地电势或者故障点的电阻为无限大。
RCC集成设备可以在60ms内快速响应以消除故障,这样快速的中性点故障补偿技术在很多方面都有非常积极的影响,例如:1可以瞬间阻止电缆电弧的重燃,防止短路的发生;2可以消除大量一次设备上额外的过电流应力;3可以保证人身财产安全等。
GFN接地系统同样具备故障点精确定位的功能。由于故障电流 在如此短 的时间内 消除, 传统的故障 定位方法 已然不适 用, 运用充电 暂态信号 定位法和其 他辅助设备可以不受外界干扰地做到定向准确检测。
3 GFN 接地方式与典型接地方式比较
GFN接地方式与几种典型接地方式在故障电流和瞬间保护响应时间上的比较结果见表1。
3.1 GFN 全补偿系统
GFN全补偿系统结构图见图6。
在了解GFN技术前,有必要了解什么是谐振接地,它是利用消弧线圈(可调的电抗器或者感应线圈)来连接系统中性点和大地,其中把感性线圈调到和电容器产生谐振的频率,故而得名谐振接地。
故障发生 时, 超前的容 性电流ICO可能流向 故障点,而消弧线圈产生的感性电流IL就可以将超前的容性电流中和抵消,剩下来的只是一部分残余电阻电流IR流向故障 点( 见图7)。图中, 故障电流IE=IL+3ICO+IR≈IR,其中IR是由于故障路径的电阻主要包含线圈、变压器、线路、电晕损耗、绝缘子漏损等产生的。
GFN经由NM(中性点管理系统)计算残流大小,精确地经由RCC逆变器注入中性点电流△I,注入电流与电阻残流IR呈相反的180°相角来达到消除的目的。当发生接地故障,GFN系统快速响应,将故障点电压降至地电位,故障电流接近零,由此满足苛刻的环境要求来达到保证人身安全和防火的目的。而且,在当下的电力电子技术的支持下,GFN可以在60ms内响应补偿。GFN系统也可以在接地故障点定位方面起到关键作用,它利用计算机辅助自调节零序电流测试方法来检测高阻抗接地故障。
3.2 快速消除故障残流
在接地故障发生瞬间,消弧线圈和RCC逆变器可以保证在60ms内快速响应,补偿系统中容性无功电流和有功分量残流,同时故障点的电压被降至接近零。60ms内的快速响应意味着故障电流在对系统设备造成损坏和对人产生伤害之前完成补偿动作。GFN快速解除故障的波形见图8。
由图6 ~图8可知,GFN全补偿系统特点可以总结为快速响应、选线准确、安全可靠、灵敏定位4大特点。
3.3 GFN 应用实例
GFN系统的应用除上述优点外,在目前运行的案例中,GFN还可以大幅度地提升SAIDI指数(系统年平均停电时间),减少停电给人们带来的损失,尤其是大型工厂和厂矿企业,瞬间的停电可能带来灾难性的损失。
GFN技术从1992年开始在瑞典、德国首先得到应用,由于相关配电系统电力法律法规对接地残流的苛刻限制,一旦出现人员伤亡事故,对供电责任部分和负责人会带来巨大的惩罚。GFN接地保护技术应用至今,全世界约有200多套设备应用于瑞典、德国、澳大利亚、新西兰、马来西亚等10多个国家的配电系统中。
最近比较典型的案例是2012年9月马来西亚砂拉越州诗巫市项目的成功使用,不仅在故障消除上提供了有力的解决方案,而且系统故障维修无需停电或者跳闸,在一定程度上将延长电站设备的寿命,而且高阻抗故障发生时,系统设备不会遭受故障电流侵扰。马来西亚某电站应用GFN消除的故障事件见图9。图中,HTFR指在传统接地方式下的故障数量或者用户用电时的中断次数,而GFN在检测和补偿瞬时故障时不会造成用户的断电,除非RCC系统本身失效。
系统永久故障数量下降明显(降低60% ~ 80%),瞬时故障的增多说明GFN可以将瞬时故障在发展为永久故障之前做到消除,这也是为什么使用GFN系统后瞬时故障增多的原因。
4 GFN 功能扩展
除此之外,GFN系统可以提供局部放电在线监测和控制功能,系统可以预先控制检测到正在进行的局部放电,同时也可以在线得出局部放电起晕电压(inception voltage)和灭弧电压(extinction voltage),并自动调节移动虚拟中性点位置,控制在灭弧电压的范围,确保不会起火[10]。GFN系统的局部放电检测和控制功能见图10。
5 结语
G F N全补偿技术在减少特殊瞬时故障方面可以说非常成功。尤其在发生故障时可以快速响应,持续补偿的功能不仅为维修技术人员定位故障点争取了富裕的时间,同时还可以持续供电,不影响用户使用。在故障定位方面,运用暂态信号定位的方法准确完成故障定位。同时,G F N技术在局部放电检测和控制方面可以防范接地故障的发生。
所以,GFN技术的应用在提升供电质量、供电安全性和可靠性、保证人民生命财产安全等方面具有显著作用。
摘要：目前世界上普遍应用的配电系统消弧线圈接地方式在一定程度上保证了系统的供电可靠性,但仍然存在接地残流较大和高阻型故障检测难等问题。GFN(接地故障全中和器)具有消除接地电流、准确定位故障点,以及提升供电稳定性和可靠性的作用。介绍了瑞典GFN接地故障全补偿技术的基本原理、功能特点、应用实例和功能扩展等。实用情况表明GFN接地故障全补偿技术可以较为成功地减少特殊瞬时故障。
关键词：接地故障,中性点,消弧线圈,接地故障中和器,配电系统
参考文献
[1]崔韬.配电线路高阻接地故障检测的研究[D].北京:清华大学,2007.
[2]刘健,沈兵兵,赵江河,等.现代配电自动化系统[M].中国水利水电出版社,2013.
[3]董振亚.城市配电网中性点接地方式的发展和改进[J].中国电力,1998,31(8):38-41.
[4]蔡泽祥,周全.配网接线方式对供电可靠性影响分析[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(4):85-88,106.
[5]李景禄,周羽生.关于配电网中性点接地方式的探讨[J].电力自动化设备,2004,24(8):85-86,94.
[6]Dennis H Goldstein,Russell A Chipman.Polarization:Measurement,Analysis,and Remote Sensing[C].1997.
[7]要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[8]IEEE Green Book.IEEE Recommended Practice for Grounding Industrial and Commercial Power Systems[M].IEEE Std 142TM-2007(Revision of IEEE Std 142-1991).
[9]Janssen M,Kraemer S,Schmidt R,et al.Residual Current Compensation(RCC)for Resonant Grounded Transmission Systems Using High Performance Voltage Source Inverter[C].IEEE PES,2003.
接地补偿 第3篇
中压配电网在接入消弧线圈 (谐振接地) 后即成为补偿电网。谐振接地和中性点不接地同属于小电流接地系统。但二者在发生单相接地后, 所具有的电气特征量具有较大的差异。不接地系统中非故障线路的零序电流由母线流向线路, 而故障线路零序电流由线路流向母线;而对于谐振接地系统, 由于消弧线圈运行在过补偿状态, 使得故障线路、非故障线路零序电流的方向均为由母线流向线路, 这就导致诸如群体比幅法、群体比相法等一些选线方法失效。此外, 现有的选线方法无法适应复杂多变的单相接地类型, 如瞬时性接地、高阻接地、低阻接地、间歇性电弧接地等, 导致误选、漏选、拒选等情况时有发生, 选线正确率低, 效果不佳[1,2,3,4,5]。因此有必要对补偿电网接地故障识别展开研究, 以提高选线的正确率, 使其达到实用化水平。
1 补偿电网单相接地故障的识别
补偿电网的单相接地可分为瞬时性接地、永久性接地和间歇性电弧接地。永久性接地又有低阻接地、高阻接地等两种情况。
1.1 瞬时性接地及其识别
瞬时性接地是指大风引起的碰线、线路通过线下树木对地放电或异物落在导线上引起的短路等, 由于有消弧线圈对系统电容电流进行补偿, 接地点的残流很小, 所产生的电弧可瞬间自行熄灭, 故障点的绝缘基本能恢复到正常水平。此种情况可以根据持续的时间短判断为瞬时性接地, 无需进行选线[6]。
1.2 间歇性电弧接地及其识别
文献[7]将间歇性电弧接地故障相电压波形和永久金属性单相接地故障相电压波形对比, 发现二者的波形相差非常明显, 并研制了相应的电路将此两种接地故障区分出来。而在补偿电网, 由于消弧线圈对电容电流的补偿作用, 既可使单相接地电流减小, 又可使恢复电压上升速度变慢, 保证了电弧的熄灭和避免发生重燃。故补偿电网的间歇性电弧接地或者瞬间自行熄灭, 成为瞬时性接地, 或者成为永久性接地, 其故障识别和选线可归为其他两类。
1.3 永久性接地故障及其识别
永久性接地故障可根据接地点过渡电阻Rd的大小分为低阻 (金属性) 接地、高阻接地。单相接地故障原理接线如图1所示。Rd在1 000Ω以下时认为是低阻接地, 此时中性点出现较大的零序电压 (一般中性点电压U0>15%Uφ) , 消弧线圈动作, 输出补偿电流;Rd在1~100 kΩ时认为是高阻接地, 高阻接地时中性点U0<15%Uφ, 此时消弧线圈不动作, 但是对于选线装置来说必须采取必要的措施, 防止系统长期工作在故障状态, 而导致系统绝缘薄弱点击穿, 发展成相间短路而造成事故扩大, 所以必须选出故障线路并加以跳闸。
高阻接地导致各馈线零序电流很小, 且受零序互感器和检测装置误差的影响, 必然使故障线路与非故障线路的故障特征差别减小, 故障线路检出困难。高阻接地已经成为小电流接地选线的难点, 需要找到一种有别于以往建立在电气特征量基础之上的稳态和暂态算法的新方法。为此提出应用小世界网络理论, 建立补偿电网高阻接地和低阻接地的网络模型和特征参数库, 以此对接地故障进行有效的区分。
小世界网络是一种介于规则网络与随机网络之间的网络模型。Watts等人1998年提出小世界网络理论后, 为了定量描述小世界特性, 引入了以下特征参数[8]。
1) 平均距离L:在一个网络中节点i与节点j的距离dij被定义为连接这两个节点间的最短路径所包含的边的数目。对所有节点对的平均距离求平均值就可以得到该网络的平均距离为
2) 聚类系数C:假设节点v有kv个近邻节点, 则kv个近邻节点间至多存在k v (kv-1) /2条边, 假设kv个近邻节点之间只存在tv条边, 则
整个网络的聚类系数定义为
3) 网络平均度数K:在网络中, 节点的度数是指连接这个节点的边数。对所有节点的度数求平均值, 即得到网络的平均度数K。对于一个边数为E、节点数为n的网络的平均度数可表示为
国外和国内的一些研究成果已证实电力网具有小世界网络特征, 小世界网络模型已经应用在电网的连锁故障分析、电力系统安全性评估以及大面积停电的事故分析[9,10,11,12], 而补偿电网 (配电网) 属于电力网的一个重要组成部分, 承担着分配电能的任务, 其规模也随着我国城市的发展而不断扩大。为了验证和区分补偿电网的低阻接地和高阻接地故障, 在实验室搭建具有6条出线的低压模拟补偿电网 (380 V) , 中性点通过消弧线圈和阻尼电阻接地。如图2所示。
用常规的小世界网络建模方法构建补偿电网正常时的网络结构如图3 (a) 所示, 电路中的对地电容C、电压源 (变压器T) 、母线M和消弧线圈 (电阻XH/R) 定义为节点, 而连接各个部件之间的导线被定义为边。故该网络共有节点数n=9, 边数E=28, 经过计算, 得到平均分布度k=6.222 2, 聚类系数C=0.913 2, 平均路径长度L=1.611 1。而对于一个具有相同节点数和边数的随机网络, 其聚类系数和平均路径长度分别为Crand≈0.691 3, Lrand≈1.201 7。对比两组数据, 可得C>Crand, L≈Lrand, 因此补偿电网零序回路符合小世界网络的“大聚类系数、小平均路径长度”的特性, 可应用小世界网络理论进行分析。
当发生低阻 (金属性) 接地时, 对应图2中的接触器KM1闭合, C1被短接, 此时的网络结构如图3 (b) 所示, 与图3 (a) 代表的正常情况相比, 节点数和边数都发生减少, 节点数n=8, 边数E=22, 平均分布度数k=5.5。而如果是高阻接地, 则过渡电阻Rd不能忽略, 由此带来节点数增加, 其网络结构如图4所示, 可知n=10, 边数l=37, 平均分布度数k=7.4。由此可见, 接地故障类型的不同会导致系统的网络结构发生变化, 其特征参数亦会随之发生改变, 故可根据以上构建的小世界模型及特征参数来进行故障识别和接地选线判断。
2 基于小世界网络模型的接地选线装置研制
由以上分析可知, 利用小世界网络理论选线, 需要读入母联开关以及各出线开关状态, 以便根据实际的电网结构建立相应的小世界模型。选线装置选用德州仪器公司生产的DSP (TMS320F28335) 作为控制的核心。硬件框图如图5所示。图中的跳闸信号输出主要是为了切除故障线路所用。零序电压的采集由母线PT开口三角处引入, 零序电流的采集由中性点所接CT处引入, 零序电压和电流采集的目的是为了判断是否有接地故障发生, 启动选线装置建立故障前后的网络模型和特征参数, 这是识别接地故障类型和选出故障线路的基础。
硬件研制完成后, 编制软件并进行了调试。图6为选线装置的主程序框图。
3 实验验证
接地选线装置研制成功后, 在实验室搭建的如图2所示的低压模拟电网中进行了验证。分别将KM1接在线路1~6, 在各条出线模拟接地故障。先是模拟金属性接地故障, 然后在KM1下口接入一只阻值为1 000Ω的电阻, 以模拟高阻接地。表1为实验结果, 可见无论是低阻接地还是高阻接地, 选线装置均能正确判断出故障类型和故障线路, 正确率达到100%。
4 结论
在补偿电网应用小世界网络理论, 可以正确判断低阻接地故障和高阻接地故障。所研制的选线装置, 通过读入母联开关和各出线开关状态, 建立不同线路在不同故障状态下的小世界网络模型和特征参数库, 以此作为比较判断的基础, 从而能够正确识别故障类型, 选出接地线路, 选线的正确率大大提高。在实验室搭建的模拟电网中对选线装置进行了试验, 结果证明选线装置对故障类型和接地线路的识别正确率达到100%, 在进一步完善之后可进入到工程应用。
参考文献
[1]郭清滔, 吴田.小电流接地系统故障选线方法综述[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (2) :147-152.GUO Qing-tao, WU Tian.Survey of the methods to select fault line in neutral point ineffectively grounded power system[J].Power System Protection and Control, 2010, 38 (2) :147-152.
[2]罗建, 何建军, 王官洁.消弧线圈接地系统的单相接地选线研究[J].电力系统保护与控制, 2009, 37 (4) :1-4.LUO Jian, HE Jian-jun, WANG Guan-jie.Research on fault line selection in network grounded with arc extinguishing coil[J].Power System Protection and Control, 2009, 37 (4) :1-4.
[3]陶利国, 许云峰.采用数字技术的小电流接地选线和故障定位装置[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (7) :86-90.TAO Li-guo, XU Yun-feng.Grounding fault identification device based on the digital technology[J].Power System Protection and Control, 2010, 38 (7) :86-90.
[4]马珂, 张保会.中性点非直接接地系统故障选线原理的发展与展望[J].继电器, 2003, 31 (5) :65-70.MA Ke, ZhANG Bao-hui.Development and prospect of the single-phase grounding fault detection in unearthed or compensated neutral networks[J].Relay, 2003, 31 (5) :65-70.
[5]徐丙垠, 薛永端, 李天友.小电流接地故障选线技术综述[J].电力设备, 2005, 6 (4) :1-7.XU Bing-yin, XUE Yong-duan, LI Tian-you.Review of line selection of grounding fault in non-effectively grounding network techniques[J].Electrical Equipment, 2005, 6 (4) :1-7.
[6]徐梅, 杨文荣, 吴淑梅, 等.基于零序电流比值变化的小电流接地选线方法[J].电力系统保护与控制, 2009, 37 (14) :68-92.XU Mei, YANG Wen-rong, WU Shu-mei, et al.A method of single-phase grounded feeder detection in indirectly earthed power system based on judging the change of zero-sequence current ratios[J].Power System Protection and Control, 2009, 37 (14) :68-92.
[7]刘渝根, 谢彦斌.山区35kV电网单相接地故障类型判断方法[J].高压电器, 2009, 45 (4) :103-107.LIU Yu-gen, XIE Yan-bin.Judgment method on single-phase-to-ground fault type of35kV grids in mountainous area[J].High Voltage Apparatus, 2009, 45 (4) :103-107.
[8]Watts D J, Strogatz S H.Collective dynamics of small-world network[J].Nature, 1998, 393 (4) :440-442.
[9]孟仲伟, 鲁宗相, 宋靖雁.中美电网的小世界拓扑模型比较分析[J].电力系统自动化, 2004, 28 (15) :21-24.MENG Zhong-wei, LU Zong-xiang, SONG Jing-yan.Comparison analysis of the small-world topological model of Chinese and American power grids[J].Automation of Electric Power Systems, 2004, 28 (15) :21-24.
[10]丁明, 韩平平.加权拓扑模型下的小世界电网脆弱性评估[J].中国电机工程学报, 2008, 28 (10) :20-25.DING Ming, HAN Ping-ping.Vulnerability assessment to small-world power grid based on weighted topological model[J].Proceedings of the CSEE, 2008, 28 (10) :20-25.
[11]曹一家, 陈晓刚, 孙可.基于复杂网络理论的大型电力系统脆弱线路辨识[J].电力自动化设备, 2006, 26 (12) :l-5.CAO Yi-jia, CHEN Xiao-gang, SUN Ke.Identification of vulnerable lines in power grid based on complex network theory[J].Electric Power Automation Equipment, 2006, 26 (12) :l-5.
接地补偿 第4篇
1 中性点不接地系统的特点
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。中性点不接地系统具有如下特点: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了3倍。单相金属性接地, 流过故障点的短路电流仅为全部线路接地电容电流之和, 其值也不大, 发出接地信号, 值班人员在2小时内选择和排除即可。
2 电容电流超标的危害
采用中性点不接地系统进行出线设计时, 会遇到很多问题需要慎重对待并有效解决的。而且随着电缆出线越来越多, 配电网络中单相接地过程中产生的电容电流也会越来越大, 若电流超过了10A, 就会产生一系列的危害, 具体危害大概可以分为以下几点:
2.1 在间歇弧光接地的过程中, 极有可能出现高出相电压数倍的
弧光经过电压, 这就会在一些绝缘较为薄弱的地方出现放电击穿的现象, 使设备在瞬间遭受破坏, 继而带来一系列不利影响。
2.2 在此情况下, 配电网中铁磁谐振的过电压现象是较为常见
的, 因而经常有电压互感器被烧毁的事件出现, 熔断器也会经常遭到破坏而熔断, 这对于配电网运行的安全性与可靠性来讲是极为不利的。
2.3 当电容电流大于10A后, 若再有工作人员因操作失误而触电时, 就会因过大的电流而造成严重的烧伤, 甚至会带来生命危险。
2.4 采用单相接地的出线方式, 电弧是不会自灭的, 这样就对周
边的绝缘物造成一定的破坏影响, 而使得绝缘物发展成相间短路, 进而影响到设备的正常运行。且如果有小动物不慎闯入设备系统范围内, 也会间接的引发触电事故而死亡, 这不仅破坏了自然的生态环境, 同时也会造成停电等事故。
2.5 当配电网在接地线时, 若电容电流过大, 在采用高空架线连
接电网的时候, 就会出现更大的树线矛盾, 特别是在雷雨季节高发期, 因为短路而出现跳闸事故的发生率更高。
3 传统消弧线存在的问题
一般来讲, 若采用3~66KV系统进行单相接地时, 故障的电容电流大于10A, 就必须要采取消弧线圈的接地方式, 然后再对电网当前的脱谐度进行计算, 所得值与预先设定的值进行对比, 再决定是否需要对消弧线圈的分接头进行调节。而在以往的使用中, 所采用的消弧线圈必须要在断电之后方能进行档位调节, 这样的调节方式在实际的应用中是存在很多不足之处与安全隐患的。
3.1 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。
3.2 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, 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。
3.3 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。
3.4 消弧线圈抑制过电压的效果与脱谐度大小相关。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, 传统消弧线圈很难做到。
3.5 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。
3.6 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。
3.7 随着信息技术的不断发展, 为了进一步提高电网的应用技术,
实现自动化系统控制, 就需要大力推行相关的自动化技术的应用, 实现远程遥控和无人值班系统, 这样的情况下, 传统的消弧线圈的不能满足需求的。
4 自动跟踪消弧线圈补偿技术
由上述分析可以看出, 为了适应现代化变电所运行系统的需要, 以及进一步提高系统安全可靠性的需要, 都必须要对变电所的设计进行改进, 采用自动跟踪消弧线圈补偿技术以及与之相匹配的单相接地微机选线技术。
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型接线中性点无法引出时, 引出中性点用于加接消弧线圈。
4.2 有载调节消弧线圈
(1) 消弧线圈的调流方式。一般分为3种, 即调铁芯气隙方式, 调铁芯励磁方式和调匝式消弧线圈。
(2) 消弧线圈的补偿方式。一般分为过补、欠补、最小残流3种方式可供选择。
4.3 限压阻尼电阻箱
在自动跟踪消弧线圈中, 因调节精度高, 残流较小, 接近谐振点运行。为防止产生谐振过电压及适应各种运行方式, 在消弧线圈接地回路应串接阻尼电阻箱。运行中即使处于全补状态, 因电阻的阻尼作用, 也能避免产生谐振, 且中性点电压不会超过l 5%相电压, 满足规程要求, 使消弧线圈可以运行于过补、全补或欠补任一种方式。阻尼电阻可选用片状电阻, 根据容量选用不同的阻值。当系统发生单相接地时, 中性点流过很大的电流, 这时必须将阻尼电阻采用电压、电流双重保护短接。
4.4 调谐和选线装置
自动调谐和选线装簧是关键, 所有的计算和控制由它来实现。控制器实时测量出系统对地的电容电流, 计算出电网当前的脱谐度￡, 偏差超出预定范围时, 通过控制电路接口驱动有载开关调整消弧线圈分接头, 直至脱谐度和残流在预定范围内为止。系统发生单相接地时, 将系统PT二次开口三角处的零序电压及各同路零序电流采集下来进行分析处理, 通过视在功率、零序阻抗变化、谐波变化、五次谐波等选线算法来进行选线。
4.5 隔离开关、电压互感器
隔离开关安装消弧线圈前, 用于投切消弧线圈, 由于消弧线圈内的电压互感器不满足测量精度, 需另设中性点电压互感器测量中性点电压。
结束语