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山东大学 硕士学位论文 兴隆庄煤矿电网单相接地故障选线研究 姓名刘韬 申请学位级别硕士 专业电气工程 指导教师王新超 20111116 山东大学硕士学位论文 摘要 煤矿电网的供电可靠与否关系到煤矿工人的生命以及煤矿的设备财产安全等，因此为 使煤矿电网的供电可靠性有效提高，一直以来我国的煤矿电网多采用小电流接地方式进行 供电。其主要优点是当煤矿电网发生单相接地故障后，线电压仍然是三相对称的，对煤 矿电网的持续供电不会有太大影响，特别地，当电网对地电容电流较小时，单相接地故障 的故障点电弧是可以可自行熄灭，因此系统允许在带故障的情况下继续运行I - 2 小时。近 年来，随着煤矿电网装机容量的日益扩大，以及大量电缆线路的使用，使煤矿电网的对地 电容电流也大幅增加，再此情况下，一旦有单相接地故障发生，单相接地故障点的电弧是 ● 很难自行熄灭的，因此增设消弧线圈的方式被广泛采用。但随着消弧线圈的投入，零序电 流的分布也发生了变化，使得接地故障选线问题一直没有很好的解决方案。为此，本文将 ．。．’ √．．．。．． ． ．1 围绕煤矿电网的接地选线问题进行研究。 。i ’ ’ ， ’’ ， 本文首先分析了煤矿电网正常运行及故障时的特征，在此基础介绍了两点法测量电容 ●‘ ● ●7．t● ，‘ 电流，’设计了一种基于高短路阻抗消弧线圈的消弧选线一体化系统。通过对S C R 导通角的 C 快速调节，实现快速消弧，并根据S C R 导通角突变时，各线路零序电流变化的不同选出故 障线路。利用电磁暂态软件P S C A D 进行仿真，验证了其有效性。在此基础上用D S P T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 对该系统的软硬件设计进行了详细的介绍，并给出部分硬件电路图以及软 件流程图。文章最后还介绍了一些装置的抗干扰措施，提高了保护装置的可靠性。 关键词煤矿电网；谐振接地；高短路阻抗消弧线圈；软硬件设计；一体化装置 山东大学硕士学位论文 A b s t r a c t N o n - e f f e c t i v e l yg r o u n d m gs y s t e mi sw i d e l yu s e di nc o a lm i n ep o w e rn e t w o r k , w h i c hi sa l s o c a l l e ds m a l lc u r r e n tg r o u n d i n gs y s t e m ．W h e ns i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gf a u l to c c u r r e d ，t h el i n e v o l t a g e sa r es t i l ls y m m e t r i c a la n dt h ec a p a c i t a n c ec u r r e n ti ss m a l l ，S Ot h ea r cc o u l de x t i n g u i s h a u t o m a t i c a l l y ．T h e r e f o r e ，t h es y s t e mc o u l dc o n t i n u er u n n i n g1 - 2 h ．I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e i n c r e a s eo fs y s t e mc a p a c i t y ’a n dt h eg r o w t ho ft h et r a n s m i s s i o nl i n e ，t h ec a p a c i t a n c ec u r r e n t i n c r e a s e s ．E s p e c i a l l yt h el a r g eu s eo fc a b l e ，t h ec a p a c i t a n c ec u r r e n ti n c r e a s e sr a p i d l ya n dt h ea r c c o u l d n ’te x t i n g u i s ha u t o m a t i c a l l y ，S Ot h ea r c - s u p p r e s s i o nc o i li sw i d e l yu s e d ．H o w e v e r , t h e d i s t r i b u t i o no fz e r o - s e q u e n c ec u r r e n ti sc h a n g e db e c a u s eo ft h ec o m p e n s a t i o no fa r c s u p p r e s s i o n c o i l ，t h u s ，t h ef a u l tl i n es e l e c t i o nh a s n ’tb e e nw e l ls o l v e d ．T h e r e f o r e ，t h ea r c - s u p p r e s s i o na n d f a u l tl i n es e l e c t i o na r e s t u d i e di nt h i sp a p e r ． T h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o r m a lo p e r a t i o na n df a u l ti nc o a lm i n ep o w e rn e t w o r ka r ea n a l y z e d f i r s t l y , t h e nt h et w o - p o i n tm e t h o di s i n t r o d u c e dt om e a s u r ec a p a c i t i v ec u r r e n t ，a tl a s t , t h e ’ i n t e g r a t e ds y s t e m so fa r c - s u p p r e s s i o na n df a u l t l i n es e l e c t i o nb a s e do nh i g hs h o r t c i r c u i t i m p e d a n c ea r c - s u p p r e s s i o nc o i la r ed e s i g n e d ．T h ea r c s u p p r e s s i o ni s r e a l i z e db ya d j u s t i n gt h e S C R ’Sc o n d u c t i o na n g l eq u i c k l ya n dt h ef a u l tl i n ei ss e l e c t e db yt h ed i f f e r e n c eo fz e r o - s e q u e n c e c u r r e n tc h a n g ei I le a c hl i n ew h e nt h eS C R ’Sc o n d u c t i o na n g l em u t a t i o n ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t s u s i n gP S C A Ds h o w t h a tt h ei n t e g r a t e ds y s t e m sa r ee f f e c t i v e ．T h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n o ft h e i n t e g r a t e ds y g e m sa r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d ．S o m eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ef l o wc h a r a l ea l s og i v e n ．A tl a s ts o m em e 觥e sw e r ep r o p o s e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o n e q u i p m e n t s ． K e y w o r d s c o a lm i n ep o w e rn e t w o r k ；h i 曲s h o r t c i r c u i ti m p e d a n c ea l e - s u p p r e s s i o nc o i l ； r e s o n a n c eg r o u n d i n g ；h a r d w a r ea n ds o R w a l ed e s i g n ；i n t e g r a t e dd e v i c e ． 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 II n t r o d u c t i o n 1 ．1 问题的提出 R a i s eq u e s t i o n s 煤矿电网的供电可靠与否关系到煤矿工人的生命以及煤矿的设备财产安全等，因此为 使煤矿电网的供电可靠性有效提高，一直以来我国的煤矿电网多采用小电流接地方式进行 供电。其主要优点是当煤矿电网发生单相接地故障后，线电压仍然是三相对称的，对煤 矿电网的持续供电不会有太大影响，特别地，当电网对地电容电流较小时，单相接地故障 的故障点电弧是可以自行熄灭，因此系统允许在带故障的情况下继续运行1 - - , 2 小时[ 1 J 。煤 矿作为一个较特殊的行业，其负荷主要在井下，并且全部采用电缆进行供电，因此，煤矿 电网的接地电容电流很大。以兴隆庄煤矿为例，该矿6 k V 电网的电容电流最高可达1 1 8 A ， 如此大的电容电流，当有单相接地故障发生时，接地电弧的能量很大，且不容易自熄，极 易诱发相间短路故障和电缆的放炮，甚至可能引起煤尘、瓦斯等爆炸，还会因弧光接地过 电压损坏电气设备和电缆等。因此， 煤矿安全规程中第四百五十七条规定“矿井高 压电网，‘必须采取措施限制单相接地电容电流不超过2 0 A ”[ 2 1 。此外，煤矿井下环境恶劣j 空间狭窄，单相接地故障频繁发生，约占总故障的8 0 ％以上，但发生故障后不但会对矿井 的生产造成很大的经济损失，而且会危害设备和矿工的生命安全，所以煤矿电网中性点一 般会加装消弧线圈以限制电容电流。。．’．一’i ‘。．．．．- - 一．．．。．’ 煤矿电网的中性点加装消弧线圈后，若此时电网发生单相接地故障，消弧线圈中会产 生一个感性电流，该电流与电网对地电容产生的容性电流相位是相反的，因此可以补偿接 地点的故障电流使其减小。为改善补偿效果，需要调节电网对地电容与消弧线圈电感的并 联谐振状态【2 】。同时，为避免电网对地电容和消弧线圈发生串联谐振，一般会调整消弧线 圈使其处于过补偿的状态。过去对消弧线圈的调节同时是在停电状态下手动采用人工调 节，显然这不能满足变电站自动化的需要。并且这种补偿方式精度较低，很容易出现中性 点过电压现象【3 】。因此，自动调谐式消弧线圈的研发成为煤矿电网安全运行的一个重要课 题。 ‘ 在煤矿电网中，单相接地故障是最常见的故障形式，大约占到电网故障的8 0 ％左右【1 】。 当发生单相接地故障时，煤矿电网的非故障相电压会升高，最高可达额定相电压的√r 倍， 若长时间带故障运行会使系统绝缘变差，造成电缆绝缘击穿、起火的事故，因此必须尽快 查出故障线路并加以切除。传统使用的故障线路排查方式是用人工拉闸断电的方式，也就 是由变电所值班人员将各条出线依次拉开，直至接地现象消失为止。采用该方法进行故障 线路的排查不仅繁琐，更会严重影响到其他非故障线路的可靠供电以及电网的安全性【1 ．4 】。 针对这一问题，近年来涌现出了多种小电流接地选线装置，而这些装置的产生对于提高煤 矿电网可靠性和煤矿电网变电站自动化水平具有重要意义。 山东大学硕士学位论文 1 ．2 国内外研究现状 R e s e a r c ha b r o a d 近些年来，伴随着科学技术的发展，尤其是电力电子技术和微机控制技术的迅速发展， 许多自动消弧和选线的装置相继涌现，这些装置的出现对于提高煤矿电网供电安全可靠 性、减小设备损坏和保护煤矿运行人员的人身安全等方面都具有重要意义。然而由于煤矿 电网有其特殊的复杂性，这些装置在一定程度上还不能满足复杂多变的现场需要【1 】。在实 际运行中，电网的不对称电压有高有低，故障形式更具有多样性，如间歇性接地，高阻接 地，断线不接地等等，给消弧线圈短接装置及其控制系统的判断带来很大困难，以致出现 烧毁阻尼电阻或短接装置的事故。 ， 1 ．2 ．1 自动消弧的研究 。 ． ● 消弧线圈补偿系统大体可分为固定式补偿系统和自动跟踪补偿系统。7 0 年代以前，由。。 于受电力电子技术发展和应用的限制，在接地电容电流较大而必须采用消弧线圈补偿时大 多采用固定或人工调节式补偿方式，’为了避免电容电流变化而出现串联谐振过电压，一般 将消弧线圈整定在过补偿状态。固定式补偿系统由于其补偿效果差，不能适应电容电流变√ 化较频繁的电网等因素，近年来已很少采用。自动跟踪补偿系统的工作方式是系统自动跟．． 踪电网电容电流的变化，随时调节消弧线圈的电感量使补偿的效果达到最佳。调节的方式．‘． 有调匝式、调气隙式、偏磁式、闸流式等几种。 - ’ ． ‘． 调匝式是采用有载调节开关或可控硅改变工作绕组的匝数i 从而改变电感电流达到补■’ 偿的目的。这种调节方式在早期应用较多，它的缺点是不能实现连续调节，只能分档调节；． 调节抽头只能在低压下进行，接地时不能调节，补偿效果较差【3 4 】。’，．’ 调气隙式补偿系统是通过改变消弧线圈磁路的气隙来改变磁阻，从而改变电感电流 达到补偿的目的。它的优点是调节的线性较好，调节范围较宽。缺点一是工作噪音大，可 靠性差。由于消弧线圈的结构有运动部件，当高压施加上后，振动噪音很大；且串接的防 谐振电阻在补偿电流较大时，其容量也要较大，可靠性差。二是调节精度差，响应慢。由 于气隙的微小变化都会造成电感的较大变化，而气隙的变化是通过电动机来实现的，调节 精度远远不够，还容易发生铁芯被磁场吸住，烧坏电机故障【2 1 】。 偏磁式是利用附加直流电源励磁来改变铁心的磁导率实现电感量的调节。它的优点是 可实现连续无级调节，响应快、精度高；可以在电网正常运行时较少量地投入补偿，使脱 谐度较大，能有效地防止电网串联谐振过电压。但这种补偿方式可能由于电网电缆的大幅 度减少而发生串联谐振，而这种情况在煤矿生产中因采区的变化会经常发生；另外，这种 方式需要附加的直流电源，会产生较大的谐波电流【1 0 】。 4 山东大学硕士学位论文 1 ．2 ．2 三相五柱式消弧线圈结构原理 图1 ．1 三相五柱式消弧线圈结构原理图 R l ，一电阻器；L 1 三相五柱式消弧线圈；L 2 、L 3 电抗器； S C R I 、S C R 2 、S C R 3 、S C R 4 可控硅 图1 ．1 所示为三相五柱式消弧线圈的结构原理图。其有五个铁芯柱，但整体体积很小， 这源于在结构上将传统的接地变压器和消弧线圈有机地结合成一个整体。中间三个铁芯柱 绕分别绕有高压、．低压线圈，．边柱与中间柱之间共有四个气隙，且没有绕线圈。三相五柱 的高压绕组接成Y 形，低压绕组接成开口三角形，通过可控硅可控制小型电抗器L 2 的接通。 当电网正常工作时，．三相电压对称，消弧线圈中性点没有电流入地j 当有单相接地故j 一 障发生后，加在三相五柱式消弧线圈上的电压可被分解成正序分量以及零序分量，此时便‘ 。 有零序电压产生。正序分量电压产生的电流大小相等，相位互差1 2 0 0 ，因此矢量和为零， 其产生的正序磁通以中间三个柱互为通道流通而不经过边柱。由于中间三个柱没有气隙，一。 所以磁阻很小，正序电流很小，其值相当于变压器的空载电流。而零序电流流入三相高压．，． 绕组时大小相等，方向相同，。产生的磁通通过气隙，与两个边柱构成通道。但因磁路磁阻 较大，所以产生的零序电流也较大。但消弧线圈的零序电感电流可通过调整磁路气隙的大 小来改变。此外，通过改变S C R 导通角接通电感器L 2 、L 3 可条件副边电感电流值，进而改 变原边电流值，从而实现对电容电流的自动跟踪补偿【2 2 ’2 3 】。 1 ．2 ．3 自动选线的研究 近年来故障选线的研究在国内外发展十分迅速，出现了很多选线方法，选线理论正趋 近于成熟。但是由于实际情况的复杂性和各选线方法自身的局限性，很多选线理论并没有 在实际工程中采用，自动选线理论仍需进一步发展。 1 ．稳态选线法 ‘ 1 五次谐波分量法谐波分量法主要基于故障电流中存在着以5 次谐波为主的信 号；消弧线圈的作用是相对基波而言的，对谐波来讲，相当于开路【3 ，6 】。因此可忽略消弧线 圈对5 次谐波的补偿。再利用5 次谐波电流的群体比幅比相法，找出故障线路，但存在着 灵敏度低，受接地过渡电阻等因素影响，动作不是很稳定【9 】。 5 山东大学硕士学位论文。 2 群体比幅比相法先进行故障线路零序电流幅值比较，排队后去掉了幅值小的， 电流。然后对电流幅值较大的进行相位比较，选出电流方向与别的线路不同的，即为故障 线路[ 1 ，4 】。但是由于噪声、干扰等影响，所采集到的零序电流无论幅值还是相角均有可能不 满足上述关系，不可避免出现误判、漏判，同时还受到过渡电阻、C T 不平衡等影响[ 2 8 1 。 3 零序有功分量法该方法是基于有功电流只流过故障与非故障线路无关。只要 以零序电压作为参考向量，将有功电流取出，就可以选择出故障线路。因为消弧线圈本身 有功成分较大，所以该方法较适用于中性点采用消弧线圈接地或消弧线圈并 串 电阻接． ● 地方式【1 ，1 0 】。 2 ．暂态选线方法 ’ 1 暂态能量法该方法定义了线路和消弧线圈的零序能量函数，利用能量的观点 来解释故障后的全部过程，并认为故障线路的能量函数在定义的参考方向上总是小于零 ‘． 的，而非故障线路的能量总是大于零，根据能量函数的上述特征可以构成选线方法。．‘ ‘ ． 2 首半波法首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设 ．‘ 而提出的，其认为故障线路的零序暂态电流最大值是远远大于非故障线路的零序暂态电流 值的，并且其首半波方向相反【1 4 】。由于首半波法是基于接地故障发生在相电压最大值瞬间 ’ 而假设的，实际工程中受系统电压等因素影响较大【无8 】。 3 小波分析法小波理论近年来在工程领域中的应用研究比较活跃，接地保护和 ．‘ 故障测距等方面均有应用。它是利用对信号的不同频率成分采用逐步缩小采样步长的方’． 法，最后聚焦到所感兴趣的信号细节；从而提出故障特征。对接地保护而言，就是利用小． 波变换，把信号按不同的频带进行逐步的分解，变成一个不同尺度和位置的小波之和，这 样就可以看出故障线路的零序电流的暂态分量副值包络线高于非故障线路，相位也与非故 障相线路不同，从而选择出故障线路。因为小波具有很强的抗干扰性，所以能够准确地捕 捉到故障的特征信号。这也是一种较新的理论和方法【4 0 】。；、 一． 3 ．夕} 、加影响法 ．‘ ．． ．． S 注入法该方法认为注入的特殊频率的信号只流经故障线路，因而通过检测含有该 频率信号的线路即可得到故障线路【2 2 】。但该方法需增加额外的设备，且抗干扰能力也比较 j ’ 左o 。 ●● ‘ 4 ．其它方法 ’．。 。 1 负序电流法该方法认为故障线路负序基波电流分量的有效值远大于所有非故，． 障线路的，且其相位相反。但负序信号获取困难且易受负荷变化的影响【4 8 l 。 2 综合选线法对现存几种选线方法取长补短进行综合选线，是目前选线的一个 热点，比如模糊选线，粗糙集选线等。 ‘ ‘． 1 ．2 ．4 消弧选线综合系统 长期以来，消弧和选线问题的研究都是独立进行的，并在各自领域取得了一定成果， 但由于消弧线圈的补偿作用会使得故障零序减小，给选线带来困难，使得这些装置在运行 上存在一定问题。为了解决这一问题，近年来出现了一些具有消弧选线综合功能的微机保 6 山东大学硕士学位论文 护装置。目前消弧选线综合装置的种类较少，基本上都是采用中性点不接地方式，通过短 接特定线路进行消弧消谐和选线的综合装置。 1 ．3 论文研究内容 T h em a i nc o n t e n t so ft h ea r t i c l e 综合以上分析，针对目前消弧、选线研究中存在的问题，本文研究了一种基于高短路 阻抗消弧线圈的消弧选线综合系统。主要研究内容安排如下 1 对煤矿电网正常运行及发生单相接地故障时的故障特性进行理论分析。 2 对基于高阻抗消弧线圈的消弧选线综合系统进行设计，并通过仿真验证其有效 性。 3 完成该系统的软硬件设计，并对系统的抗干扰性进行设计。 山东大学硕士学位论文 第二章煤矿电网运行及故障特性分析 I IA n a l y s i ss i n g l ep h a s e - - t o - e a r t hf a u l tf o rN o n - - e f f e c t i v e l y g r o u n d e ds y s t e ma n d e s t a b l i s h m e n to fm e m b e r s h i pf u n c t i o n 为保证煤矿电网能供电的连续性和可靠性，发生单相接地故障后要及时消弧，并识别 出故障线路，并处理故障，．为此应该对谐振接地系统正常运行及发生单相接地故障时的 特征量要有清晰的认识，并在此基础上形成有效的选线判据。本章详细地分析了谐振接 地系统正常运行的电气特性，然后对发生单相接地故障时故障电流的稳态量及暂态量特征 进行分析，从而为消弧、选线提供理论依据。 2 ．1 正常运行情况下的电网分析 D i s t r i b u t i o nn e u t r a lg r o u n d i n g 煤矿电网正常运行时，电源三相电压及线电压应该是对称的。但受线路三相对地电容 不平衡的影响，存在一定的不平衡度声，因此电网的中心点总是存在着一定的不平衡电压 ’t ‘． ‘． ●● 乩，通过推倒可以得到’．．． ‘． ；乩一等一氇焉烧氅瑞掰一， ‘’ -‘一一1 。’ll。‘ 一般在煤矿电网正常运行的情况下，可以认为三相对地电导g 爿 g B g c g o ，因此， 上式可以化简为 虻一带l 磊磊1 u 。一户去u 。 2 五 舯一吉 ，分二； ／孚为靴自量；‰为相呱 户 一旦言器为电网≯对称因子。 当电网为中性点不接地时，由于阻尼率很小，哦 l 5 ％～2 ％，所以其对不对称电压 的影响通常可以忽略不计，’此时电网的不对称电压可以写为 』‘．乩一p U 。 2 ．3 奠 山东大学硕士学位论文 而当消弧线圈投入运行后，谐振接地系统在正常运行情况下，消弧线圈电感和电网对 地电容之间构成电压谐振回路，电网不对称电压瓯要远小于中性点位移电压玩，玩计算 I玩2 毒乩_ 一知j c o 石 C A a 蕊2 C B ￡z C c 乩 ， 2 - 4 化简可得 玩 尚 2 ．5 式中y 乇- s L ／s O ，即％∑ 五。经过补偿后的故障接地电流仍然是容性的。当 ，i 系统中某个元件被切除时，也有可能会出现完全补偿的情况，因此一般也不予采用。 ．3 ．过补偿v L o 且电容电流暂态自由振荡频率一般较高，所以可以不考虑等值回路中 的吃，三。这样，暂态电容电流屯的分析可看成是‰，R ，厶，C 组成的串联等效电路． 的分析。 这时根据图2 ．4 可写出下面的微分方程式 ．毫i c 年厶等 z 1f i c d t ‰s i n 耐 伊 2 1 6 当R 2 √厶／C 时。，。回路电流的暂态过程具有周期性的振荡及衰减特性；一般架空线 路波阻抗为2 5 0 ～3 5 0 f l ，满足R o 2 √厶／C ，所以其电容电流具有周期性的振荡及衰减 ， 特性，其振荡频率在3 0 0 “ 1 5 0 0 H z 范围内，而电缆线路电容较大，因此，暂态过程的振荡 频率会高一些，一般在1 5 0 0 - 、一, 3 0 0 0 H z ，持续的时间会很短；当岛≥2 √厶／C 时，回路电 流具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。 山东大学硕士学位论文 因为暂态电容电流f c 是由暂态自由振荡分量f c 呖和稳态工频分量如血两部分组成的， 利用f 0 时f c 叻 岛呖 o 这一初始条件以及k ‰葩的关系，经过L a p l a c e 变换等运算 可得 ‘ f c f c D o s ／c 咽 一 』 ． ‰睁m 沁⋯c o s ∞s 以o c o s 帅 ] ．‘2 删 当系统的运行方式不发生改变的时候，乇为一常数，也不发生变化。当乇较小时， 系统自由振荡衰减是比较快的；反之，则衰减相对较慢。从公式 2 ．1 7 中可以看到，系 统自由振荡分量f c 呖中含有s i l l 9 和c o s 两个因子，所以，从理论上来讲，不论发生接地 故障故障相角的大小为多少，系统均会产生自由振荡分量。当故障相角伊 万／2 时，其值 v ．’ ’ ’ 最大，最大值为 ． j ‘ ， 一n - ，‘ o jI f c 姗0 k 生P 虿 ’’ ⋯ 2 ．1 8 ． i ．．。 ．‘‘．． 叩 ．’．⋯．一． ’ ’ ．‘，’ ’‘． 由上面的式子也可以得到，最大幅值j c 。咖蛾与自由振荡频率国f 和工频频率彩之比是 ，0 成正比关系的。 ．’| ．- ． ．‘j ．． 当伊 o 时，其有最小幅值 ． 。。．． - 。 o ’．．。 。一， ‘．‘． ， 。’． 互 ‘’ j。。一 i i ’．‘ 屯口∞口m 砸 』矗P 2 七 2 1 9 由公式 2 - 1 9 可以看出，当暂态自由振荡分量最小时，暂态电容电流的自由振荡分 量与工频电容电流的幅值的相等的。因此，在缈 0 时发生单相接地故障后是没有暂态电 容电流产生的。 通过实验测试表明，中压电网的自振频率一般在3 0 0 - 一3 0 0 0 H z 之间变化。且与线路长 度成反比，一般情况下自由振荡持续时间与工频周期是近似的。 -， 2 ．3 。2 暂态电感电流分析[ A n a l y s i so fT r a n s i e n tI n d u c t o rC u r r e n t 由非线性电路的基本理论可知，只要能求出故障暂态过程中消弧线圈的铁心磁通的 表达式，就能方便的求解消弧线圈中的暂态电感电流。 考虑图2 ．4 等值回路中的厂，和L ，将得到下面的方程 ‰s i I l 纠 9 吨 缈警。 2 - 2 0 山东大学硕士学位论文 由于消弧线圈在补偿电流范围内，将保持线性关系的磁化曲线，所以可得 屯 形①L ／三。加之已有对地电容相等的假设条件，故故障瞬间消弧线圈中的电流为零， 、 也就是①L 0 。利用这一初始条件，就可以得出磁通吼的表达式 虑到y L ‰ ％，则代入公式 2 2 1 后将得到磁通 ，‘ ．‘‘ 小s 咿屯c 刊 考虑到f L 屯。如 i L 。奠，‘L 瓮，并将其代入式 2 - 2 ≠ 警能得到暂态电感电流√7 ．，；．j Ij j t ’ t [ c 。s 妒告一c 。s 甜9 ] ’ t 2 - 三3 j 1 ．。’． 坠上面的分析可以得到，，学弧线圈的磁通①L 以及电肇电流f L 均是由暂态的直流分墨，。． 和稳夺的交流分量这两部分组成组成。在故障暂态过程中两孝的幅值均受接地故障瞬间．，’．1 ．． 电源粤压的相角妒影响。当妒2 0 时，①L 和屯将有最大值，分别为 ‘．．。』 一 I ．‘．．‘9 二 ‰卜蛊石卜。≯j2-2．4．_j． o I _ 0 t 卜告石卜’ 陋矿。 通过理论分析以及实验测试表明，矗的暂态过程受接地故障瞬间的电压相角的大小、 铁- 心- H - 的饱和程度影响很大。如果接地电压相角伊 0 ，这时屯有很大的直流分量，但一般会 在一个工频周波内衰减完毕；因此时间常数比较小；如果接地电压相角9 州2 ，这时t 的 暂态直流分量将会比较小i 但衰减完毕的时间会增加，甚至有的可持续3 5 个工频周波， 所以这时时间常数会增大一7 j 。．’ 山东大学硕士学位论文 2 ．3 ．3 暂态接地电流分析 A n a l y s i so f T r a n s i e n tG r o u n d i n gC u r r e n t 流过接地点的暂态电容电流毛和暂态电感电流t 相叠加就将得到暂态接地电流，所以 暂态接地电流的特性将由毛和屯共同决定。通过上面的分析知道，r c 与气的幅值差别不是 很大，但两者的频率却又有着悬殊的差距，所以是不可能互相补偿的。因此，应用于工频 状态下的残流、失谐度等概念，此时均不适用。关于暂态接地电流f d 的数学表达式，可由 公式 2 - 1 9 和公式 2 2 5 导出，其值为 屯 如 i L 厶 n I - I L k C O S C O t t p k 挚删咧- c o s t p c o s 0 9 f t ∥．- s 妒告 犯。j 6 ’ 式中，第一项为接地电流的稳态分量，而剩下的项则为接地电流的暂态分量。’’ 综合上述分析，当发生单相接地故障后，在故障点将流过衰减较慢的暂态电感电流和 衰减很快的暂态电容电流。且暂态电容电流主要决定了暂态接地电流的幅值和频率。 ，j ．．一 ．j ’ j 。． ．，． 。．． 。． 。 j ’．一，’’．’， ～ ．⋯ ●， ‘ ’●． ’ ． ’ 2 ．4 本章小结 ’．_ ．‘．．． ‘‘z ．‘‘ ‘7 ． ’ 本章对煤矿电网正常运行及发生单行接地故障时的特征进行了分析讨论，得到了正常 运行时中性点电压的变化规律以及发生单相接地故障时中性点电压，故障线路和非故障线 路零序电流的变化规律。 1 7 j 山东大学硕士学位论文 ‘ ’● 第三章基于高短路阻抗消弧线圈的消弧选线原理 ●_ I I IM A T L A B b a s e ds i m u l a t i o no fs m a l lc u r r e n tg r o u n d i n g s y s t e m - 本章将详细介绍基于高短路阻抗消弧线圈的消弧选线原理。同时为了讨论方便，将首 先介绍电容电流的测量原理，其次是单相接地故障辨识原理，最后将介绍基于高短路阻抗 消弧线圈的消弧和选线原理。 ． 3 ．1 电容电流测量原理 P r i n c i p l eo fc a p a c i t i v ec u r r e n tm e a s u r e m e n t 为了实时跟踪煤矿电网电容电流，并能实现快速补偿，就必须在电网正常运行时测量” ‘J 出电网的对地电容电流。目前有很多电容电流的测量方法，比如外加电容法、相量法、变j ．。’ 频法以及谐振法等，但本文将采用较为简单实用的两点法，其原理如下 ． ● 当煤矿电网正常运行时，通过调节S C R 导通角将使得消弧线圈的电感值发生改变，从．．‘ 。● 而使得中性点位移电压和零序电流发生变化，这样将得到下面两组方程 ‰ ‘丘一U j‰ 厶K 一％ ．I V V●～‘ 将煤矿电网不对称电压‰消去可以得到 3 - 1 ． 3 - 2 ． 匕 瓦1 格’ 3 - 3 L K ％一U ’。 因此可以得到电网对地电容电流毛 ◆ ；I ‘ ． 乇2 u ％2 箍％2 等半．‘ 陋钔． 反上式可以看到电容电流七’可由两组不同中性点位移电二和相应的电纳值求得。 一 3 ．2 消弧原理 A r c ．s u p p r e s s i o np r i n c i p l e -． ● ‘ ● 消弧线圈的消弧方式有两种一种是预调式控制方式，即电网正常运行时调节消线圈j 至谐振点，通过限压电阻增大阻尼率，防止谐振过电压，当电网发生单接地故障时，切除 限压电阻进行消弧【3 6 】。采用这种控制方式的消弧线圈有调气隙式消弧线圈、自动调匝式消 弧线圈和三相五柱式消弧线圈等。另一种是随调式控制方式，即电网正常运行时消弧线圈√． 远离谐点，电网发生单相接地故障时迅速调节消弧线圈电感进行消弧。采用这种控制方式 的消弧线圈有直流偏磁式消弧线圈、部分调容式消弧线圈和高短路阻抗消弧线圈。由于预 1 8 山东大学硕士学位论文 调式的消弧线圈抑制中性点过压的能力较差，因此本文采用随调式消弧线圈，其中高短路 阻抗消弧线圈由于电感连续可调，在全电压范围内都具有良好的伏安特性，所以本文研究 的消弧选线一体化装置选用高短路阻抗消弧线圈。 A X z s c Z 玉 ． 图3 ．1 高短路阻抗消弧线圈原理及等效电路 j ．F i 9 3 ．．P r i n c i p l es c h e m ea n de q u i v a l e n tc i r c u i to fh i g hs h o r t - c i r c u i ti m p e d a n c e ． _ a r c s u p p r e s s i o nc o i l ‘． ．一． 高短路阻抗消弧线圈是一种高短路阻抗变压器式可控电抗器。其短路阻抗很大，可以 达到1 0 0 ％或更大，一次绕组作为工作绕组直接接入主回路， 次绕组有两组，一组是控’ 制绕组，，由两个反相并联的晶闸管 S C R 组成，通过调节晶闸管的导通角度来改变二次。- 绕组中的短路电流，从而实现感抗的连续可调；另一组是滤波绕组，由于可控硅是非线性。 元件，i 在控制调节的时候会产生谐波，因此滤波绕组用来滤除接地补偿时晶闸管产生的谐’ 波电流，从而使得线路一次绕组的总谐波电流控制在一定的范围【3 6 】。高短路阻抗消弧线圈。。 原理及等效电路如图3 ．1 所示。‘ ．’ ． I ．．．j 从等效电路中可以得出，‘当控制S C R 从关断到导通之间变化的时候，S C R 的等效阻抗 ． 局S C R 的变化是从无穷大到零的，因此消弧线圈的等效阻抗Z 的变化范围是从无穷大到额定 阻抗Z 虻之间，从而使得输出电流的变化范围为0 到额定电流之间。 丘 警 』Z s c L Z z R 3 - 5 ‘ Z ’ 。 当‰从0 ◆∞变化时，将得到电流的最大值和最小值 ，7 ．t I n i n 了鼍一 0 乩． 3 6 t 一 Z s 生一 L c 0 高短路阻抗消弧线圈相比于其他消弧线圈，有四个独特的优点 1 因采用S C R 控制，所以其