配电网故障隔离装置设计.pdf

第 4 2卷 第 1 0期 2 0 1 6年 1 0月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t omat i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 0 Oc t ． 2 O l 6 文 章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 5 6 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 3 荆栋 ， 张秀华， 孙红亮． 配电网故障隔离装置设计E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 5 6 6 O ． 配电网故障隔离装置设计 荆栋 ， 张秀华 ， 孙 红 亮 1 ． 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博2 5 5 0 4 9 ； 2 ． 山东工业职业学院 电气工程系，山东 淄博2 5 6 4 1 4 摘要 针对 传统 漏 电保 护装 置在 配 电网故障情 况 下可能存 在拒动 或延 时动作 的缺 点 ， 设计 了一种 配 电 网 故 障 隔离装置 。该装 置采 用 电感 和 可调 电容 并联 的方 式设 计 阻抗 器 ， 故 障情 况 下利 用 阻抗 器 附加 绕组 产 生 的耦合 电压驱动控制 系统， 迅速准确投切可调 电容 ， 实现对隔 离参数的在线调节。仿真及试验研 究结果表 明， 在配电网单相故障情况下， 该隔离装置可准确提供高阻抗 ， 有效隔离故障点， 保证配 电网安全可靠运行。 关键词 配电网；单相接地故障；隔离装置 ；阻抗器 中图分类 号 TD 6 1 1 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 0 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 1 0 0 6 ． 0 0 9 ． h t ml De s i g n o f f a u l t i s o l a t i o n d e v i c e o f d i s t r i bu t i o n n e t wo r k J I NG Do n g ， ZHANG Xi u h u a ， S UN Ho n g l i a n g 1 ． S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d Ve h i c l e E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Z i b o 2 5 5 0 4 9 ，C h i n a 2． De pa r t me nt o f El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Sh a n do ng Voc a t i on a l Co l l e ge of I n du s t r y，Zi bo 25 6 4 1 4，Ch i na Abs t r a c t I n v i e w of s h or t a ge s o f r e f u s e a c t i o n o r de l a y o f t r a di t i o na l l e a ka ge p r o t e c t i on de v i c e u nd e r f a u l t of po we r d i s t r i bu t i o n n e t wor k， a f a ul t i s o l a t i on de vi c e o f di s t r i b ut i on ne t wo r k wa s de s i gn e d． I n d u c t a n c e a n d a d j u s t a b l e c a p a c i t o r i n p a r a l l e l a r e u s e d t o d e s i g n i mp e d e r o f t h e d e v i c e ，a n d c o u p l i n g v o l t a g e g e n e r a t e d b y a d d i t i o n a l wi n d i n g o f t h e i mp e d e r t o d r i v e c o n t r o 1 s y s t e m t o s wi t c h a d j u s t a b l e c a p a c i t a n c e r a p i d l y ，S O a s t o r e a l i z e o n l i n e a d j u s t me n t o f i s o l a t i o n p a r a me t e r s a c c u r a t e l y i n f a u l t c o n d i t i o n ． Th e s i m u l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h ow t h a t t h e i s ol a t i o n d e v i c e c a n o f f e r hi gh i m p e d a n c e ， i s o l a t e f a u l t po i n t e f f e c t i v e l y，a n d gu a r a n t e e s a f e a nd r e l i a bl e o pe r a t i o n of t he di s t r i bu t i o n n e t wor k whe n s i ng l e p ha s e f a u l t oc c u r s i n p owe r d i s t r i bu t i o n ne t wo r k． Ke y wo r d s po we r d i s t r i bu t i o n ne t wo r k；s i ng l e ～ pha s e g r ou nd f a ul t；i s o l a t i o n d e v i c e；i mpe d e r 收稿 日期 2 0 1 6 - O 4 一 O 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 5 3 0 ； 责任编辑 张强。 基金项 目 国家 自然科 学基金资助项 目 5 1 2 7 5 2 8 0 ； 山东省高等学校科技计划项 目 J 1 4 L B 5 8 。 作者简介 荆栋 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东淄博人 ， 讲师 ， 博 士， 主要研究方向为机电系统建模与仿真 、 振动控制与数字信 号处 理等， E ma i l j i n g r e n z h i l 6 3 ． C 0 l l l 。 [5 ] [6 ] [ 7] 道 内 瓦斯爆 炸 火焰 传 播特 征 [ J ] ． 煤 矿 安 全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 8 7 - 1 0 ． 仇锐来． 点 火能 量对 瓦斯爆 炸传 播 的数值模 拟研 究 I- J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 1 5 8 ． 聂百胜 ， 何学秋 ， 张金锋 ， 等． 泡沫 陶瓷对 瓦斯爆 炸火 焰传 播的影响[ J ] ． 北京 理工大学 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 7 5 73 5 76 ． 王从银 ， 何学秋． 瓦斯爆 炸火焰厚 度 的实 验研 究[ J ] ． 爆破 器材 ， 2 0 0 1 ， 3 0 2 2 8 3 2 ． [8 ] [9 ] E l O ] [ 1 1 ] 林柏泉 ， 叶青 ， 翟成 ， 等． 瓦斯爆 炸在 分岔管 道 中的传 播规律及分析[ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 8 ， 3 3 2 1 3 6 1 3 9 ． 王成 ， 回岩 ， 胡斌 斌 ， 等． 障碍物形状对 瓦斯爆 炸火焰 传播 过 程 的 影 响 [ J ] ． 北 京 理 工 大 学 学 报 ， 2 0 1 5 ， 3 5 7 6 6 1 - 6 6 5 ． 李 鑫， 景国勋 ， 许 胜铭 ， 等． 不 同角度管 道瓦斯爆 炸火 焰传播规律试验研究[ J 3 ． 中州煤炭 ， 2 0 1 4 4 4 9 5 0 ． 李鑫． 管道 拐弯角度变化情况下瓦斯爆 炸火 焰传播规 律研究E D ] ． 焦作 河南理工大学 ， 2 0 1 4 ． 2 0 1 6年 第 1 0期 荆栋 等 配 电 网故 障 隔 离装 置设 计 5 7 0 引 言 配电网故障情况下一般利用保护器快速动作切 断电源 ， 实现故障隔离[ 1 ] 。由于传统漏电保护器在 配电网故障情况下可 能存在拒动或延 时动作 的缺 点 ， 参考文献[ 3 ] 从减小漏 电流的层面 ， 提 出一种剩 余电流保护理论 。研究发现 ， 只要保护器隔离 电路 参数设计恰 当， 便可实现良好的故障隔离 ] 。但是 在实际工程环境中， 故障点的不确定性使得保护器 很可能偏离谐振点工作 ， 从而造成漏 电流比较大 ， 超 出安全 电流的范围[ 7 ] 。针对上述研究 的不足 ， 本文 设计了一种配电网故 障隔离装置 ， 在配 电网故 障情 况下 ， 利用该隔离装置的耦合电压驱动控制系统 ， 迅 速准确投 切 隔离参 数 ， 从 而实现 对故 障 点 的有效 隔离 。 1 隔离 装置 结构 配电网故障隔离装置基本结构如图 1所示 ， 阻 抗器电感线圈设计 满足基本耦合要求 ， 当配 电网发 生单相接地故障时， 隔离装置各相电感线 圈的正序 电流 、 负序电流在阻抗器线圈两端不产生电压降， 只 有零序电流产生电压降。通过在阻抗器上附加绕组 可获取零序电流的耦合电压 ， 在配电网故障情况下 ， 该电磁耦合电压可作为控制系统 的电源 ， 通过对隔 离装置端电压与电源 电压 的比较 ， 由控制系统合理 投切谐振参数 ， 实现对故障点 的安全隔离 。 电容器 卜 ● l 控制系 统l ● I 耦合电源l ● 电 源} 阻抗器 } _ 图 1 配 电网故 障隔离 装置结构 2 故 障 隔离 原理 2 ． 1正 常运 行 分析 在配 电 网 正 常 运 行 过 程 中 ， 流 过 隔 离 装 置 的 三相电流矢量和为零 ， 铁芯内合成磁势为零 ， 隔离装 置两端电压降为零 ， 三相 电源全部加在负载上 ； 耦合 电压为零 ， 控制 系统无 电源不动作 ， 因此 ， 隔离 装置的串人不影响电网正常运行 。 2 ． 2故 障 分析 单相故障情况下 ， 配电网出线 串联隔离装置， 其 作用 等效 为中性点经谐振接地 系统[ 1 1 - 1 2 ] 。取 N 为 配电网的线制 ， 电感 L、 电容 c为隔离装置的谐振参 数 ， 分析配 电网串联隔离装置后单相故障的特点 。 2 ． 2 ． 1 故障电流 通 过对不 同线制低压配 电网运行稳态分析可 知， 单相故障电流 I 的表达式为 I R一 1一 № LCI L 1 式 中 c c ， 为角频 率 ； I 为 隔离 装置 电感 电流 。 当 L、 C满足关系式 N LC 1时 ， 单相故 障电 流 I 为 0 ， 隔离效果最佳。 通 过 对 不 同线 制 低 压 配 电 网 运 行 暂 态 分 析 可 知 ， 单相暂态故障电流 i 的表达式为 iR ㈤一 K e x p 一 1 [ N L c ． ／ 4 NR CL． ／ 4 NR CL、 sl n一 一_ ■一 2 N RC 6 N R C。 ／ 4 N R CL 4 NR C L、 ， ∞ ■ 一 4 N 2 L R 2 C 2N R C 4 -N √ L 2 一 ／ 4 N R Z C - - L _ ／ 4 N R 2 C -- L ．s i n t s i n t ] 一 十 一 1 0 L2 NRC 0 L 2 NRC j 2 式 中 K 为常系数 ； R为阻抗器直流电阻； t 为时间。 由式 2 可知， 不 同线制下单相故障电流均为衰 减振荡函数 。随着时间增长， 故障电流 i 最终趋 于 0 。一般经过 5倍 的时间常数之后 ， 故障电流衰 减振荡结束 ， 因此 ， 只要谐振参数 L、 C选择恰 当， 便 可 以有效降低故障电流 。 2 ． 2 ． 2 负载运行 通过对低压供电系统故障情况下负载运行进行 分析 r 1 引， 可 得 【 ， u v v w Uw u一 0 3 式中 u v ， 【 ， v w， 【 ， w 为三相负载线电压。 式 3 表 明， 故障情况下三相负载线电压平衡。 由上述分析可见 ， 配电网串人隔离装置 ， 只要谐 振参数 L、 C设计恰 当， 便 可实现 良好 的故 障隔离 ， 且故 障情况下负载运行不受影响 ， 如此便可以保证 重要负荷的短时可靠运行 。 3隔离装 置仿 真研 究 3 ． 1 仿 真 电路及 参数 仿真利用 P S P I C E软件实现 ， 隔离装置仿真电 路 如 图 2所 示 ， 阻 抗 器 电感 为 1 0 ． 1 H， 直 流 电阻 为 5 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 2 Q， 电容投切量在 0 40 ． 9 4 F之间取值 ， 测试电阻 取 1 k Q， 负载三相平衡 ， Z A Z B Z c 一1 0 0 H。 图 2 隔离装 置仿 真电路 3 ． 2 仿 真结果 分析 断开开 关 S ， 在配 电 网正 常 运行 情况 下 ， 通 过对 隔离装置两端电压 降及耦合 电压 的仿真， 测试 隔离 装置在配电网正常运行情况下 的作用 ， 仿真结果如 图 3所 示 。 时间／ ms a 两端电压波形 b 耦 合 电压 波 形 图 3 配电网正常运行情况下隔离装置运行仿真结果 由图 3可知 ， 配 电网正常运 行情 况下 ， 隔离装 置 人端电压 V1 L 与出端 电压 V2 L 波形重合 ， 隔 离装置两端的电压降为 0 ， 串人隔离装置对配 电网 的正常运行无影响。耦合 电压 V 8 不足 1 n V， 该 电压不能为控制系统提供有效 电源， 控制 系统失电 不 工作 。 闭合开关 S ， 选择可调电容至合适参数 ， 在配电 网单 相故 障情况 下 ， 通 过对 隔离 装 置两 端 电压 降及 耦合电压的仿真 ， 测试隔离装置在配电网单相故障 情况下的作用， 仿真结果如图 4所示 。 由图 4可知 ， 配电网单相故障情况下 ， 隔离装置 的耦合电压为 1 0 V， 此耦合电压可作为控制系统的 电源， 合理投切可调电容值 ， 可提供高阻抗降低漏电 压。仿真结果表 明， 隔离装置两端电压可 由 2 2 0 V 降至 5 V左右 ， 能够有效隔离故障点。 之 时间／ ms a 两端电压波形 b 耦 合 电 压波 形 图 4 配电网故障情况下隔离装置运行仿真结果 4 试 验 结果分 析 4 ． 1 试验 设计 按 照仿真参数设计阻抗器 ， 可调电容选取普通 工业用电容器 ， 耐压值为交流 6 3 0 V， 在 0 40 ． 9 4 F 之间取值 ， 试验设计主要针对耦合 电源的获取和可 调 电容 的投切 控制 。 1 耦合 电源获取 。在 阻抗器上附加线 圈， 故 障情况下附加线圈会感应出交流 电压 ， 即零序 电压 ， 该交流电压经过整流稳压后可作为控制 系统 的电 源 ， 设计 电路如 图 5 所 示 。 I T ， 图 5耦 合 电源 电路 2 可调电容投切控制 。可调电容投切量获取 电路如图 6 所示 ， 针对任一相的电源 电压与隔离装 置端电压 ， 获取两者电压差值 ， 依据此电压差值投切 可调 电容量 ， 直 至漏 电流在安全 范 围之 内 ， 可调 电容 投切结束 ， 其控制电路如图 7 所示。 ＼ 嘲 2 0 1 6年 第 1 O期 荆栋 等 配 电 网故 障 隔 离装 置设 计 5 9 图 6可调 电容投切量获取 电路 4 ． 2试 验 结果 分析 图 2中 ， 电 源 电 压 UA一 2 4 7 V， UB 一 2 4 4 V， U 一2 4 7 V， 负载 为 1 0 k W 电动机 。开关 S闭合 ， 投切可调电容值 ， 测试 配电网单相故 障情况下隔离 装置的运行情况 ， 测试结果见表 1 。 由表 1可知 ， 配电网单相故障情况下 ， 合理投切 可调电容值 ， 使隔离装置在谐振点附近工作 ， 漏 电流 可以控制在安全范围内。 由于配电网接地故障的随机性导致接地电阻可 在几 欧姆 至 上千 欧 姆 范 围 内 变 化 ， 接 下来 测 试 不 同 接 地 电阻情 况下 隔 离装 置 的作用 。在 4 ． 2测试 条 件 下 ， 取测 试 电阻 R为 1 ， 4 ， 5 0 0 Q， 测 试 隔离装 置 运行 情 况 ， 漏 电流随 测试 电阻 变化结 果见 表 2 。 S TCl 2 C 5 A0 8 S 2 a 可调电容投切控制电路 表 1 隔离装置运行结 果 b 可调 电容输出控制电路 图 7 可调 电容投切控制 电路 表 2 漏电流随测试电阻的变化结果 由表 2可知 ，当接地 电阻在几 欧姆至上千欧姆 范围内变化时 ， 合理投切可调电容值 ， 漏电流均能控 制在安全范围之内， 此测试结果说 明， 该隔离装置在 配电网发生 任 意点 单 相故 障时 均能 够有 效 隔 离 故障点。 5结语 测试结果表 明， 在配 电网任意点发生单相故障 情况下 ， 设计 的故障隔离装置能够准确提供高阻抗 ， 有效隔离故 障点 。 该装置不必外加控制电源 ， 操作 第 4 2卷 第 1 O期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd Mi n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ．1 0 Oc t ．2 O1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 6 0 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ i ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 4 王敏． K均值改进 留一校验法在煤炭近红外光谱异常样本剔除中的应用研究I- J - I ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 6 O ～ 6 4 ． K 均值改进留一校验法在煤炭近红外光谱 异常样本剔除中的应用研究 王 敏 山西潞 安环 保能 源开发 股份公 司 王庄煤 矿 ，山西 长 治0 4 6 0 3 1 摘 要 针 对现 有 留一校验 法存在 剔 除异 常样 本 耗 时 长 、 误 判 的缺 陷 ， 提 出一种 K 均值 改进 留一 校验 法 ， 并将 其 用 于煤 质分析 中异 常样本 的检 测与 剔除 。该 方法 首先 利 用 K 均值聚 类 法对 样本 进行 聚 类 ， 得 到 可疑 样本； 然后将可疑样本作为验证集， 通过 留一校验法进行二次判别， 剔除异常样本。实验 结果表明， K 均值 改进 留一校验 法 能快速 、 准确 剔除异 常样本 ， 提 高 了模 型 的预 测精 度 。 关键 词 煤 质 ；近 红外光谱 分析 ； 异 常样 品 ； K 均值 聚类 ；留一校验 法 中图分类号 TD 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 0 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 1 0 0 4 ． 0 0 8 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 6 2 9 ； 修回日期 2 0 1 6 - 0 8 2 6 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 江苏省 自然科学基金资助项 目 B K2 0 1 4 0 2 1 5 。 作者简介 王敏 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山西长治人 ， 工程师 ， 现主要从事煤矿机 电技术及管理等工作 ， E ma i l w m1 5 1 2 0 0 4 l 6 3 ． c o rn。 简便 ， 且针对不 同线制配电网， 其 隔离效果不受故障 点随机性的影响， 运行安全可靠 ， 可在低压配电网中 广泛 应用 。 参考文献 [1 ] [ 2] [ 3] [4] [5] [6 ] 陈世 忠． 剩余电流动作保 护器 I- M] ． 北 京 中国电力出 版社 ， 2 0 0 3 ． 李润先． 中压电网系统接地实用技 术[ M] ． 北京 中国 电力 出版 ， 2 0 0 2． 张秀华 ， 傅周 兴． 一 种新型低 压三相剩余 电流 动作保 护器 的研究f J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 8 ， 3 3 7 8 3 7 8 4 0 ． 张秀华 ， 傅周兴 ． 一 种新型低压 漏 电保 护装置 的研究 [ J ] ． 低压电器 ， 2 0 0 8 5 1 2 1 5 ． 蒋军， 董锋斌， 皇金峰． 一种新型低压单相剩余电流报 警器E J ] ． 低压 电器 ， 2 0 0 7 7 4 8 5 1 ． GRI FFEL D，HARM AND Y ，LEI TLOFF V ，e t a 1 ． A n e w d e a l f o r s a f e t y a n d q u a l i t y o n M V n e t wo r k [ J ] ．I E E E T r a n s s c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y ，1 9 9 7 ， 1 2 4 1 42 8 1 4 33 ． [7 ] [ 8] [ 9] t l O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 1, 1 3 ] 张秀华． 低压剩余 电流动作保护器的设 计分析 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 O 5 2 7 2 9 ． 牟龙华 ， 孟庆海． 供配 电安全 技术[ M] ． 北 京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 3 ． LI AN Hon gb o，YANG Yi ha n，ZHU Xu ka i ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n t he c o mpe n s a t i o n mod e an d ne w p r i n c i p a l a u x i l i a r y a r c 。 s u p p r e s s i o n c o i l i n t h e r e s o n a n t g r o u n d e d s y s t e m l, c ] ／ ／I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o we r S y s t e m Te c h n o l o g y，S i n g a p o r e ， 2 0 0 47 2 3 7 28 ． ZH ANG Xi uh ua，H AN Xi a o do ng ． St ud y o n a n e w l o w - v o l t a g e r e s i d u a l c u r r e n t p r o t e c t i v e s y s t e m [ J ] ． Ad v a n c e d M a t e r i a l s Re s e a r c h ，2 0 1 3 6 9 7 8 2 2 8 2 5 ． 要焕年， 曹梅月． 电力 系统谐 振接地 I- M] ． 北京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 4 ． 张秀华． 一种低压 电网绝缘检测方法 的研 究[ J ] ． 电器 与能效管理技术 ， 2 0 1 4 1 3 1 1 - 1 3 ． 张秀华． 一种低压剩余 电流隔离设计新方法 I- J ] ． 电器 与能效管理技术 ， 2 0 1 5 7 2 5 2 8 ．