高压单相论文（共6篇）
高压单相论文 篇1
0前言
高压供电大多数采用60k V小电流接地系统, 因矿井老旧杂设备较多, 维修都很困难, 也很容易发生单相接地故障, 本文浅谈一下小电流接地系统单相接地故障的判断和处理。
1 单相接地的危害
1) 在小电流接地电网中, 正常情况下所有三相对地电压都等于相电压, 即三相电压U觶A=U觶B=U觶C, 三相电压是对称的, 三相电压的向量图为一个对称图形。当电网中有一相接地时, 接地相对地电压将发生变化, 如A相发生金属性接地时, A相电压与大地等电位, A相对地电压 (U觶A=0) 降至零, B相 (U觶B) 和C相 (U觶C) 的对地电压变成为该相与A相之间电压, 即U觶B=U觶BA, U觶C=U觶CA。此时线电压U觶AB, U觶BC, U觶CA并不发生变化。所以B相和C相的对地电压都升高, 系统中性点N的对地电压不再为零, 而变成接地相故障前的电压, 但符号相反, 即U觶N=—U觶AO。由于非故障相对地电压的升高 (完全接地时升至线电压即姨3倍) , 系统中的用电设备、绝缘薄弱点可能击穿, 造成短路故障。在系统中有很多这样的现象, 由于系统有单相接地故障, 造成非故障相电压升高, 电机等设备绝缘击穿, 设备损坏。
2) 故障点产生电弧。由于故障点产生电弧, 也产生了高温, 这样会烧损设备, 并可能发展成相间短路故障。
3) 故障点产生间歇性电弧时, 在一定条件下产生串联谐振过电压, 其值可达到相电压的2.5~3倍, 对系统危害很大。
2 单相接地故障特征
1) 中央信号:单相接地后, 中央信号予告信号显示 (警铃响) , 并某段某电压系统的方灯亮。
2) 电压互感器有声音:单相接地后, 尤其用三台单相电压互感器接成绝缘监视装置的声响很大, 随着时间的增长, 互感器本身有温度, 超过允许时间互感器容易烧损。
3) 绝缘监察电压表指示:系统发生单相接地后, 敢障相电压降低 (不完全接地) 或降至零 (完全接地) , 另两相电压升高, 高于相电压 (不完全接地) 或等于线电压 (完全接地) 。稳定性接地时电压表指针无摆动。若电压表不停摆动, 则为间歇性接地 (或称接地不实) 。
4) 发生弧光接地时, 产生过电压, 非故障相电压很高, 电压互感器高压保险丝可能熔断, 甚至可能烧坏电压互感器。
3 真假接地的判断
1) 电压互感器一相高压保险丝熔断, 如钢铁所值班员汇报6 k V接地方灯亮, 电压表指示不正常, 三相线电压不平衡。经有关人员查找, A相对地电压几乎为零, B, C相对地电压为相电压, U觶AB, U觶AC电压低于线电压U觶Rc等于线电压。根据分析如果在A相接地, U觶A近似等于零, U觶B, U觶C应增倍, 而线电压不变, 即U觶AB=U觶BC=U觶CA, 而实际U觶B, U觶C根本没增大倍, U觶AB, U觶AC北电压较低, 说明A相熔丝断了, 停电后检查A相熔丝确实断了, 换上好熔丝, 电压就正常了。
2) 对母线空载充电时, 接地方灯亮、警铃响。如太信变电所五·一、十·一停电检修后, 对母线空载充电, 接地信号显示铃响, 经检查母线及连接设备无异常。这种现象是开关合闸向母线充电时由于三相开关刀闸合闸不同期, 造成三相对地电容不平衡, 使中性点位移, 三相电压不对称, 促使绝缘监视装置动作发出信号, 但只要把信号装置都恢复正常就可以了 (只是合闸瞬间引起的) 。
3) 在空载向母线送电时, 可能激发铁磁谐振过电压, 出现接地信号动作, 该公司有几个变电所就是这样, 每当五·一、十·一大型检修后送电, 空投母线时, 接地信号就显示, 这样经检查没有什么问题, 只要配出一两条线路, 破坏谐振条件, 消除谐振, 一切就恢复正常了。
4 单相接地故障的处理
1) 首先辩明是真接地还是假接地, 即看三相对地电压和三相相间电压, 并判明故障的性质和相别。
2) 系统能分段运行的分段运行, 这样能缩小事故范围, 但必须在调度统一指挥下运行, 并考虑好各段负荷的分配情况, 一定要合理。
3) 检查本所内设备的情况, 目的是缩小停电范围, 检查设备上有无落物、小动物及外力破坏现象, 检查所有引线是否有断线、接地, 检查电熔器熔丝是否熔断、搭铁皮上, 检查各类设备是否有异声、异味, 检查互感器、避雷器是否有击穿、损坏等等。
4) 用瞬间停电办法查故障线路时, 应注意绝缘监视电压表, 当停某一个线路时, 接地电压表恢复正常, 即证明这段线路有故障。一般用瞬间停电办法, 查找接地故障的顺序是先拉Ⅲ类负荷, 如电容器盘、一般照明盘或一些不太重要负荷盘, 找不着再拉Ⅱ类负荷盘, 如地面工厂盘、动力盘, 最后拉I类负荷盘, 如井下、主扇等盘。在瞬间停电时一定要注意有联络电源的开关, 如某一线路与另一线路有联络开关, 联络开关一定在开位, 井下双电源的联络开关是否在开位, 所以一定要弄清楚, 才能得出正确结论。
5 查找接地故障时注意事项
1) 检查本所设备时应穿绝缘靴, 接触设备外壳构架及操作时应戴绝缘手套;
2) 当接地运行时, 应严密监视设备运行状况, 防止其发热严重而烧损, 注意监视, 注意电压变化;
3) 系统带接地故障运行一般不能超过2h (时间长电压互感器容易烧损) ;
4) 用瞬间停电法找线路故障时, 查出故障线路后对于一般不重要用户的线路, 可停电并通知查线路, 对于重要用户的线路, 可以转移负荷或通知用户做好停电准备后, 再切除该线路进行检修处理;
5) 如在大风、雷雨天气系统频繁瞬时接地, 可将不重要易出现故障的线路停电, 若观察不再出现瞬间接地, 待风雨停后再试送电。
6 结束语
通过上述对高压供电系统单相接地故障分析、特征判断、处理以及查找接地故障时注意事项, 能对该集团公司高压供电运行维护及检修人员的技术业务水平有所提高, 能对高压供电系统安全运行起到一定的作用。
高压单相论文 篇2
关键词：高压单相配电变压器,配电网,低压配电
在我国的低压配电网当中, 一直以来就是采用的三相四线制配电技术, 但随着我国电力工业改革的不断深化, 原来的低压配电方式在现代人们用电要求不断提升的过程中, 已经越来越体现出了自身的不足。低压配电方式在使用当中容易造成对供电线路的损耗, 而高压单相配电变压器则可以有效的减少对线路的损耗, 得到了广泛的认可与应用。
1 高压单相配电变压器的优势
1.1 提高电压的合格率
只有当电压达到使用以后, 才能确保居民家中的各种电器及工厂中的各种加工设备能够正常运行。与低压配电方式当中35%的电压降相比, 高压配电方式可以将电压降有效控制在7%之内, 避免用户端电压过低, 从而提高电压合格率。
1.2 提高供电的可靠率
低压配电方式的低压线路比较低, 容易导致窃电、乱接乱拉电线等情况的发生, 而高压单相配电变压器不存在低压线路, 就不会发生窃电、乱接乱拉电线的现象。高压单相配电变压器配电方式的高压线路大部分是使用了绝缘或半绝缘的导线, 绝缘或半绝缘的导线可以全绝缘封闭变压器, 变压器全绝缘封闭后就可以减小故障的发生。控制电路故障的发生, 对提高供电的可靠率有很大的帮助。由于低压线路比较低, 在线路沿途经济经济会出现私接乱拉及窃电现象, 但是高压单相配电变压器方式当中没有低压线路, 所以一般不会出现类似的情况。高压单相配电变压器配电方式的线路一般都是使用的绝缘或是半绝缘导线, 可以将整个变压器进行绝缘封闭, 从而有效减少故障的产生, 提高供电可靠性。
1.3 减少线路损耗
低压配电容易造成对线路的损耗, 而高压配电则可以有效控制沿途的线损, 从而提高供电压质量, 减少整个线路的改造成本。据统计, 高压单相配电变压器配电可以将低压线损控制在1.5%左右, 即使是在10k V地区, 也可以将综合线损率控制在3.25%以内。
1.4 其他优点分析
在供电过程当中, 如果能够有效消除谐波, 就可以对窃电现象加以控制, 从而对各供电设备进行有效的保护, 延长其使用寿命, 高压单相配电变压器就能够达到消除谐波的作用。另外, 高压单相配电变压器还可以通过对空载电流的控制来改善用电环境, 消除或减少噪音。
2 高压单相配电变压器在配电网中的应用
2.1 高压单相配电变压器
单相配电变压器可以使线损明显地减少。高压单相配电变压器在配电网中的应用主要是指在单相式变压器组成的三相变压器或挂杆单相的变压器的承载下, 以6k V或l0k V高压直接输送到用户的家中, 高压单相配电变压器配电方式将线损最大限度地减少。
2.2 高压单相配电变压器配电方式
2.2.1 在变压器的高、低压两侧各接一个绕组, 为了形成2个低压绕组, 应将低压侧绕组的中央抽头, 同时进行接地的操作, 应保证低、高侧电压的比为0.22k V/10k V, 这就是我们说的单相三线制。
2.2.2 在变压器的高、低压两侧各接一个绕组, 在低压侧绕组的一端接火线, 另一端接地线, 同时保证低、高侧电压的比为0.22k V/10k V。这就是我们常说的单相二线制。
2.3 高压单相配电变压器配电技术
2.3.1 该配电技术时在单相变压器的支撑下进行挂杆, 最后以一个低压的线路 (220V) 进行配电后再输送给用户, 在配电输送的过程中, 要将进户线尽量缩短, 最好将接户线的长度控制在23m之内。
2.3.2 高压单相配电变压器配能够与用户的最大使用电功率进行匹配, 最终匹配成一个小容量的密布点。
2.3.3 开闭站或配电房可以以10k V的线路直接输送给用户。
2.3.4 可以集中在用户居民楼固定位置安置电力计量表, 电表箱则是以一户一表的形式进行安装。
3 高压单相配电变压器在配电网中的应用实例
某市居民区, 共有1334户居民, 25幢住宅。该居民区原有6台315KVA变压器, 变压器的负载平均为200k W。随着居民用电量的增长, 造成很大的低压线损。故将其进行整改。整改方案为:将原有的6台315KVA变压器进行拆除, 同时把原有低压线路拆除2.02cm。将单相变压器的6个分路接在不同的相线, 并控制三相负荷的平衡。原有的杆塔、接户线保留不动, 拆除一相高压线。用14台30KVA和42台50KVA的单相变压器代替原有的6台315KVA变压器, 原有的变压器总容量为1890KVA, 改装后变压器的总容量变为2520KVA。理论上24户居民可以共用1台50KVA单相变压器, 这样每户居民的用电功率就可以有3KVA。但在设计时考虑到居民同时用电, 最后用户的电功率设定在2.3~2.5KVA。
4 高压单相配电变压器在配电网应用中应注意的问题
4.1 配电系统中负荷电流的控制
高压单相配电变压器的容量较小, 不仅可以有效减少因发热而出现的故障, 当其出现负荷电流时, 工作人员也方便进行及时的调整, 具体操作按用电客户的实际用电功率来进行。相对来说, 单相变压器当中更容易出现负荷电流的情况, 一旦出现, 一般都是使用三相变压器进行解决, 而三相变压器在10k V的测线路上使用时, 更容易使电流达到平衡。
4.2 注意电压器容量与用户电器的适应性
在对高压单相配电变压器的容量进行选择与确定时, 一般应尽量使其与用户家中最器的最大功率匹配, 这样做的好处是不仅可以满足用户的实际需求, 还能有效减少线路当中的电能损耗。一般情况下, 对于普遍客户来说采用三相供电系统进行供电就足够了。
4.3 提升配电系统的安全性
我国的配电系统一直采用三相四线制的配电方式, 在这种配电方式当中, 容易发生零线的断线, 而零线的断线后最直接的影响就是火线电压急剧上升, 对用户的正常照明需求及各电器安全性都会造成严重的影响。在高压单相配电变压器配电方式当中, 由于其采用的是单相配电系统, 其中的零线一般情况下不会轻易的发生断线, 所以可以对用户的照明及各种电器的安全性提供有效保障。
结束语
采用高压单相配电变压器配电, 可以克服传统的低压配电方式的线路损耗等特点, 提高供电的可靠率。高压单相配电变压器还可以在很大程度上减少线路的损耗, 应该在我国的居民小区、城市配电网中推广使用。
参考文献
[1]高中鸣.浅谈单相变压器在公用配电网中的应用[J].中国高新技术企业, 2010 (10) .
[2]郭钰, 杭乃善.南宁城市配电网可靠性分析[J].科技创新导报, 2010 (31) .
高压单相论文 篇3
当小电流接地系统发生单相接地故障、TV (电压互感器) 高压熔断器一相熔断时, 均会发出接地信号。两种情况下, 母线绝缘监察表的指示都发生变化, 多数变电站未装设接地选线装置, 需要人工选线判断, 若不注意区分, 往往会造成误判断。正确区分两种不同性质故障的方法是将各相对地电压、线电压进行比较:
(1) 单相接地故障: (1) 非金属性接地时:一相相电压低, 但不为零, 另两相相电压升高为线电压值, 三相线电压值不变, 开口三角电压小于100 V; (2) 金属性接地时:一相相电压为零, 另两相相电压上升为线电压, 三相线电压不变, 开口三角电压等于100 V。
(2) 电压互感器高压熔断器一相熔断:另两相对地电压不变化也不升高, 熔断相对地电压降低, 但一般不会为零。与熔断相相关的两个线电压会降低, 与熔断相不相关的线电压不变。
高压单相论文 篇4
统计数据表明,超高压线路故障80% 是单相瞬时性故障[1,2,3]。现有的定时限重合闸能够一定程度上确保系统暂态稳定性和供电可靠性,同时也存在盲目重合造成二次冲击的危险。重合前进行故障性质判别的自适应重合闸是解决这一问题的有效方法。
在超高压线路上装设的并联电抗器因能够吸收无功功率,稳定系统运行电压,抑制潜供电流得到广泛应用。并联电抗器的引入,一方面因其补偿作用导致耦合电压过小,限制了基于断开相端电压幅值相位特征的传统电压判据的应用[4],另一方面加速了电弧的熄灭,导致基于电弧特性的故障识别方法难以实现[5],给自适应重合闸故障识别带来一定的困难。文献[6]提出一种利用求解模型和故障模型的异同进行故障判别的方法,其有效性直接受系统网络结构的影响,缺乏必要的普适性。文献[7-9]提出基于拍频特性的拍频判据,通过提取自振分量的幅值频率等信息确定判别依据,但其准确性易受系统频率估计误差的影响。
本文从拍频振荡局部波形特性的角度切入,将多重分形去趋势法( MFDFA) 引入自适应重合闸的故障识别中。MFDFA能够精细地刻画分形信号的局部结构,表达信号的局部尺度行为。本文提出一种基于MFDFA的单相自适应重合闸拍频判据,判据采用断开相端电压作为特征量,提取两种故障类型下端电压的多重分形特征,并给出判据的实现方法,据此实现故障性质的自适应识别。
2 多重分形趋势波形分析法
随着多重分形理论的发展[10,11,12,13],Kantelhardt等人于2002 年提出了基于去趋势波动分析( DFA) 方法的多重分形去趋势波形分析法( MFDFA) ,作为DFA的广义定义,MFDFA对非平稳序列的多重分形特性分析更具优越性,MFDFA的具体步骤如下。
( 1) 对于不满足随机游走特性的时间序列{ x( i) ,0 < i < N} ,构造序列对均值的累积离差Y( i) :
式中,为时间序列均值。
( 2) 将新序列Y( i) 以固定尺度k划分为互不重叠的Nk段子序列:
若该序列不能完全分解,则对其进行逆向分解得到2Nk段子序列以确保信息的完整性。
( 3) 采用最小二乘法对各子序列进行m( m = 1,2,3,…) 阶多项式拟合,拟合阶数m反映了去趋势效果,m越大,去趋势效果越好。求取子序列与其局部趋势项yi,fit的均方差:
式中,i = 1,2,…,Nk。
式中,i = Nk+ 1,Nk+ 2,…,2Nk。
( 4) 定义序列x( i) 的q阶波动函数为:
( 5) Fq( k) 是数据长度k和分形阶数q的函数,与尺度k存在稳定的幂律关系,即:
解出分形参数为:
若H( q) 与q无关,则表明序列具有严格的统一自相似性,若H( q) 为q的函数,则说明序列具有多重分形特性。当q = 2 时,H( q) 为Hurst指数,此时MFDFA将退化为DFA。
3 拍频振荡的多重分形特性分析
3. 1 拍频振荡
拍频振荡是装设并联电抗器的超高压线路发生瞬时性故障特有的,恢复电压阶段电气量因含自振分量而出现的局部振荡现象[14]。在恢复电压阶段,拍频电压u( t) 和拍频电流i( t) 可表示为:
式中,u1( t) 、i1( t) 表示瞬时性故障时拍频电压和电流量; u2( t) 、i2( t) 表示永久性故障时拍频电压和电流量,且自振分量的衰减系数远大于工频分量的衰减系数。
拍频振荡起振与否,将直接影响判据的实用性。对于拍频电压来说,当自振分量频率f接近工频时,拍频现象不明显,而作为本文主要研究对象,330 ~500k V超高压输电线路中,并联电抗器补偿度一般为0. 6 ~ 0. 8,根据
可计算出自振分量的频率一般低于45Hz,现场数据也证明自振分量的频率在30 ~ 45Hz[1,3,15],与工频分量的频差较大,具备产生显著拍频的频差要求。对于拍频电流来说,只有同时满足两端电源相角差为180°和两端系统等效阻抗相同( 故障点位于线路中点) ,或者线路参数与初始储能满足某一特定关系时,其幅值为零[16,17,18]。综上,即使存在几种情况同时出现的特殊工况,但概率极小,所以不应否定将拍频振荡作为自适应重合闸判据的应用价值,这为本文奠定了基础。
图1 和图2 分别为并联电抗器补偿度为0. 7 的500k V输电线路瞬时性故障和永久性故障时断开相端电压的仿真波形。
可以明显看出,双端带并联电抗器的500k V输电线路发生瞬时性故障时能够产生显著的拍频振荡现象。
3. 2 拍频振荡的分形参数
采用MFDFA对不同类型故障下断开相端电压信号进行分析。超高压线路中,二次电弧能够在0. 2s内快速熄灭[19],取断路器断开后400ms内的数据,采样频率为2k Hz。考虑现场录波时噪声的影响,采用人工染噪方式加入信噪比为25d B的高斯噪声,利用MFDFA对非平稳信号的分析能力,直接对含噪信号进行分析,分析结果如图3 所示。
由图3 可见,拍频振荡在高阶尺度下呈现出明显的多重分形特征,且该分形特性在高尺度下得到放大。永久性故障下端电压波形不具有多重分形特性,H( q) 与阶数q无关。两种故障类型下的分形参数曲线在零点附近相交,在负高阶下二者的分形特征差异尤为明显。
3. 3 故障条件对分形参数的影响
从工程实用的角度出发,对判据的普适性进行研究,采用不同故障条件下端电压数据进行多重分形参数分析,讨论故障位置、过渡电阻等因素对分形参数曲线的影响,仿真结果如图4 和图5 所示,其中p为故障点与电压互感器间距离占线路全长的比例。可以看出,永久性故障下故障点位置和过渡电阻Rg发生改变时,多重分形参数曲线H( q) 保持趋于常数的特性。换言之,不同运行状态下线路发生永久性故障时,利用多重分形参数曲线能够准确描述恢复阶段电压量的波形特性。
同样地,不同的故障条件下,瞬时性故障端电压的分形参数曲线依然保持反正切分布的特性。限于篇幅,此处不再给出永久性故障下的分形参数曲线。
3. 4 噪声对分形参数的影响
噪声污染是电力系统信号处理中无法避免的问题。在瞬时性和永久性故障下的断开相端电压中分别加入信噪比为15d B、25d B、35d B和45d B的噪声,得出含噪信号的多重分形参数曲线( 如图6 所示) ,并求出与不含噪声信号时分形参数曲线的均方误差,结果如表1 所示。
由表1 可以清晰地看出,加入不同信噪比的噪声对分形参数曲线的影响十分微小。从图6 也可得知,端电压数据中加入不同信噪比的噪声时,求出的分形参数曲线几乎完全重合。
以上分析证明了MFDFA算法对噪声的强免疫力,凸显了算法对非平稳信号优秀的分析性能。值得一提的是,由式( 3) 和式( 4) 可知,直流分量作为趋势项在运算过程中被剔除,故多重分形参数曲线对直流分量同样具有良好的免疫力。
4 单相自适应重合闸拍频新判据
定义多重分形参数曲线界值比 δ 为:
本文利用界值比来描述瞬时性故障和永久性故障下断开相端电压的多重分形特性差异。经分析推断,永久性故障下界值比 δ 趋于定值1,考虑到噪声的影响,在界值比整定值上加上10% 的裕度。故障判别流程如图7 所示。
5 仿真及实测数据验证
5. 1 仿真模型
本文选取双端带电抗器的500k V超高压输电线路对判据进行仿真验证,两端电源相角差取30°,系统补偿度为0. 7,其线路参数如表2 所示,线路模型如图8 所示。
5. 2 EMPT仿真结果分析
基于EMPT对上述线路进行建模仿真,采用M侧采集的端电压作为故障数据,同样采取人工染噪方式加入信噪比为20d B的噪声,对含噪故障信号的分析工作在Matlab平台下完成。分别在不同的故障条件下验证判据的可靠性和有效性,部分仿真结果如表3 所示。
限于篇幅,表中只给出部分仿真数据。瞬时性故障下界值比的数值较大,而永久性故障下界值比在1 附近,验证了关于拍频振荡的多重分形特性分析的正确性。仿真结果统计图如图9 所示。
仿真结果表明,瞬时性故障下界值比 δ 远超于判定域范围,随着故障位置变化和过渡电阻Rg的增大,界值比 δ 有所下降,此时自振分量的强度变小,削弱了恢复电压阶段端电压波形的局部振荡,导致多重分形特性参数降低,尽管如此,瞬时性故障下界值比 δ 大于永久性故障下界值比 δ 的2. 5 倍,能够保证判据的可靠性。换言之,即使在拍频振荡衰减过程的后期,判据依然有效,表明判据具有很高的灵敏度。
5. 3 实测数据分析
图10 为川电东送系统调试时500k V万龙线C相瞬时人工接地实验中万县侧C相故障波形[20]。人工接地故障后,万龙线两侧主保护动作,故障发生后43ms,万县侧C相跳开,约10ms后龙泉侧C相跳开。龙泉侧的C相开关约在故障后894ms时重合成功,万县侧的C相开关约在故障后954ms时重合成功。
取43 ~ 443ms的实测数据进行分析,求得界值比 δ = 4. 8257,判别结果为瞬时性故障,与实际结果相符合。该方法大幅缩短了重合闸时间,有效地提高了供电系统的抗干扰能力和暂态稳定性。
6 结论
高压单相论文 篇5
超高压输电线路是整个大型电力系统的重要构成部分,由于分布在户外,受到自然条件的影响最为显著。根据运行经验,在110 k V以上大接地电流系统的高压架空线路上,超过70%的故障为单相接地短路,而其中80%以上又为瞬时性故障。为保证系统稳定和供电的连续性,超高压输电线路广泛采用单相自适应重合闸技术。但同时也给电力系统带来一些不利的影响:若重合于永久性故障时对系统造成的冲击甚至比正常情况下短路时对系统的冲击更大,而且还会使电气设备的工作条件恶化。如果能对故障为永久性或瞬时性故障进行预先判断,若为瞬时性故障则重合,可减少对系统的冲击,对电力系统具有重大的意义,目前已有很多科研人员做了很多的研究工作[1,2,3,4,5,6,7],单相自适应重合闸理论也逐渐完善并得到应用。
在超、特高压长距离输电线路中,由于无功补偿和调节电压的需要,一般应装设并联电抗器[8,9,10]。由于存在并联电抗器,瞬时性故障时断开相恢复电压中存在由于储能元件初始储能引起的自由分量,该自由分量幅值接近或高于其稳态基波分量的幅值,频率低于且接近于工频,因此断开相的恢复电压呈拍频性质;而永久性故障时故障点始终存在,线路上各储能元件所储存的能量快速衰减,断开相电压中没有低频振荡分量而仅含有基波量[4]。依据此问题的研究主要有以下几种方法:文献[3]提出了识别故障性质的电压拍频判据,该判据判断结果无交叉模糊区,判断时间约为半个拍频周期;文献[4]提出通过检测断开相端电压自由分量实现的故障性质判据,该判据灵敏度高,判断速度快,但是受自由分量频率估算误差的影响。本文提出一种基于PRONY辩识算法的新判据,本判据原理清晰,判断时间小于半个拍频周期。理论分析与仿真表明本判据同样可适用于特高压线路。
1 Prony信号分析法[11]
Prony分析是近年来得到深入研究和广泛应用的信号处理方法。该方法用指数函数的线性组合来模拟等间隔采样数据的方法,采用最小二乘意义上的拟合,可以帮助消除测量过程中噪声对拟合结果的影响。适宜于含有噪声环境的测量,特别是能够从时域响应中分析出信号的阻尼因子,是一种非线性的多维滤波方法,具有较高的精度。最早于1975年由Prony提出假设按等时间间隔Δt进行采样的N个数据,可由p个指数函数的线性组合模拟,即:
式中:n=0,1,…,N-1;y(n)为第n个采样点;Z=[z 1,z 2,…,z p]为Prony极点,为相应留数,Ai为幅值,fi为振荡频率,θi为相位,σi为衰减因子,Δt为采样时间间隔。
Prony辩识算法的计算步骤如下:
1)利用采样数据点构造矩阵Y,并求解方程组(2):
式中:C=[1,c 1,c 2,…,cp]。当N>2 p时,C为方程组的最小二乘解。
2)求解多项式:
该多项式的根就是Prony的p个极点。
3)进一步利用最小二乘法求解方程组(4),求得留数B。
4)由式(3)和式(4),代入式(5):
则式(1)中模拟输入信号的幅值、振荡频率、相位、衰减因子可以求得。本文的判据只需利用各分量的频率与振幅,在利用Prony进行故障信号分析时,极点数的确定十分重要,本文仿真结果表明,极点数p取为4效果良好,相关文献介绍采用奇异值分解(SVD)法来确定极点数是一个很不错选择。根据判据对数据精度的需要,数据采样时间一般取为20~50 ms即可;采样频率取为5 k Hz;而利用傅里叶变换较精确地分离基波与自由分量需要较长数据窗。
2 判别故障性质的基本原理
2.1 瞬时性故障
在有并联电抗器的超高压线路上,当潜供电弧熄灭后,各储能元件所储存的电磁能量将以自由振荡的方式衰减。计算和实测表明,自由振荡的频率与并联补偿度有关,一般在30~45 Hz左右,恢复电压的瞬时值可以用式(6)表示:
式中:Us和Ut为工频分量和自由分量的幅值;fs和ft为工频分量和自由分量的频率;ϕ1和ϕ2为工频分量和自由分量的初相角;θ为自由分量的衰减系数。图1给出了本文仿真系统中线路中点发生单相瞬时性故障时断开相电压波形图。
利用Prony对上述故障信号进行分析的结果如表1所示。容易得出拟合的结果与理论分析基本一致。恢复电压信号主要是由一个工频的稳态分量和一个频率低于工频的自由分量组成,且自由分量幅值通常大于工频稳态分量,且自由分量是带一定衰减系数,而工频分量是幅值恒定的,因此拟合结果中其衰减系数非常小。
断开相恢复电压幅值包络线的最大、最小值分别为Umax=Us+Ut,Umin=|Ut-Us|;瞬时性故障断开相线路端电压的工频分量为[3]:
式中:Uy为电容耦合电压;Ux L为电磁耦合电压。
设线路单位长度互感为ZM,C相断开后,A、B相电流为IA、IB,断开相上单位长度互感电压为Ux,则线路互感电压Ux L为
式中:I0为两相运行时的零序电流;L为线路全长;Z0、Z1为单位长度线路的零序、正序阻抗。
两相运行时的零序电流I0可以用式(9)求得:
式中:IC为故障前C相电流;Z0Σ和Z1Σ为断开端口的零序和正序综合阻抗。
IC由电流互感器可测得,Z0Σ和Z1Σ通过各序网络可求得,Z0、Z1、L已知,即Ux L可通过式(8)、(9)求得。
由文献[3,6]可知:瞬时性故障时,|Ut|接近或大于|Us|,即故障相电压信号中含有两个幅值大于|0.5*Ux L|的分量,且两分量的频率小于等于kk*fs(kk取1.2,fs取50 Hz)。
2.2 永久性故障
当线路发生单相永久性接地时故障点始终存在,线路的对地电容可靠放电,导致Uy=0,所以线路断开相两端的电压由接地点位置、健全相负荷电流、接地电阻Rf和线路参数决定。断开相电压瞬时值可以表示为[6]:
对于永久性故障,|Us|与|0.5*UxL|的大小是不确定的,当故障发生在近保护安装处时|Us|<|0.5*Ux L|;当发生远离保护安装处的高阻接地且为重负荷时,|Us|>|0.5*UxL|。
2.3 整定原则
设断开相电压信号为U(t),经Prony分解为四个频率相异的分量s(i),其中i=1,2,3,4。由以上分析可知,瞬时性故障时,断开相的工频分量电压和自由分量电压必然大于|0.5*UxL|,即必然有两个幅值大于|0.5*UxL|的电压信号分量:Num(s(i))=2;而永久性故障时,各分量中大于|0.5*UxL|的至多为一个:Num(s(i))≤1。具体流程如图2所示。
3 仿真系统参数及仿真结果
3.1 仿真系统参数
为了验证上述分析的正确性,本文采用了Matlab建立一系统进行仿真。实验系统为重庆市万县至龙泉500 k V输电系统[1],如图3所示。对恢复电压信号进行Prony法拟合,并采用本文提出判据进行整定。设定仿真时间为0~0.6 s,采样频率为5 k Hz。
系统和线路参数如下:
m侧系统Xm1=49.34Ω,Xm0=41.34Ω;n侧系统Xn1=46.03Ω,Xn 0=103.36Ω;线路参数r1=0.0195Ω/km,r0=0.1675Ω/km,l1=0.9134 m H/km,l0=2.7190 m H/km,c1=14.00 n F/km,c0=8.34 n F/km;电抗器参数XL=1680.56Ω,XN=434Ω。
3.2 仿真结果及分析
用Matlab分别对故障发生在线路首端30%,70%和当发生永久性故障时通过不同的过渡电阻(金属性、100Ω、500Ω)接地等故障情况进行大量的仿真实验。由表2可知,瞬时性故障时存在两个符合条件的频率分量且其幅值大于永久性故障时的值,故障性质判别准确度高,并且不会受过渡电阻和短路位置的影响。仿真实验和理论分析基本一致。
4 结束语
本文提出一种基于PRONY法的超高压线路单相自适应重合闸故障识别方法。其主要优点为:(1)与现有算法相比,此算法仅需要小于半个拍频周期的信号就可以辨别出故障类型;(2)该判据原理清晰;(3)算法不受接地电阻、负荷电流、接地位置等因素的影响;(4)算法简单且具有很高的精确度。(5)能分析按指数项规律衰减的信号,可以直接得出各个模态的振幅、频率、相位和衰减因子,在电力系统信号分析有着广泛的应用前景。
摘要：针对带并联电抗器的超高压输电线路,瞬时性故障时断开相恢复电压中存在由于储能元件初始储能引起的自由分量,该自由分量幅值接近或高于其稳态基波分量的幅值,频率低于且接近于工频,分析了单相瞬时性故障恢复电压的拍频振荡特点,提出了基于PRONY法对恢复电压信号进行快速辩识,通过得到的各分量的振幅、频率等信息能判别瞬时性故障与永久性故障,从而实现线路单相自适合重合闸。大量仿真结果表明该方法的有效性和准确性。
关键词：超高压输电线路,并联电抗器,单相自适应重合闸,普罗尼法,恢复电压,瞬时性故障
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高压单相论文 篇6
超高压线路广泛采用单相自动重合闸技术, 如果重合于永久性故障, 将使电力系统再次受到短路电流冲击, 对于特高压线路, 短路电流冲击的负面影响更大。因此, 不少学者致力于自适应单相自动重合闸的研究。但是, 一般分析仅限于判别电弧的熄灭[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11], 在 EHV 输电线运行中常接有并联电抗器, 为了在单相重合闸过程中灭弧, 接有中性点电抗器。中性点电抗器使断开相处于低电压状态, 限制潜供电流, 有利于灭弧, 但电弧熄灭不能保证线路绝缘已经恢复, 因此不能避免重合时因为故障点绝缘水平低, 电压上升后再次故障。文献[12]提出在中性点电抗器与地之间装设接地开关, 在重合闸之前合上此开关, 短接部分电抗。根据断开相电压值可以有效地判别线路故障的性质和选择重合闸时刻, 防止重合于故障线路, 从而提高单相重合闸的成功率。但是没有完成拍频电压幅值的估算问题, 对于如何避免过电压问题在理论上还不完善, 对于两侧中性点电抗器开关的配合问题也没有解决。
为了判断该方法是否会造成断开相过电压, 文献[12]用 Matlab 的单回线分布参数模型进行仿真。在仿真结果中有过电压的现象发生。Matlab 的仿真算法可以采用不同的常微分方程组数值算法, 而不同的算法得到的结果不同, 仿真结果也不相同。本文对以上问题进行进一步的研究。
1瞬时性故障时断开相的恢复电压
1. 1研究线路的模型
长距离输电的500 kV 超高压输电线用并联电抗器补偿电容电流, 为了利于故障点灭弧, 提高单相重合闸的成功率, 必须限制潜供电流和恢复电压。其主要手段是使用中性点电抗器。如图1所示, 线路两侧接有并联电抗器 Xp 和中性点电抗器 Xn。中性点电抗器开关 S 可以短接部分中性点电抗器线圈。以福建-华东联网线路为研究和仿真模型。M 侧电源电压为Em=355∠0° kV, 正序阻抗和负序阻抗 Zm1=j 26.5 Ω, 零序阻抗 Zm0=j 38.14 Ω;N 侧电源电压为En=286.5∠-20° kV, 正序阻抗和负序阻抗 Zn1=j 17.9 Ω, 零序阻抗 Zn0=j 25.4 Ω;线路长360 km, 6个换位段。实测参数:正序阻抗 Z1=9.24+j 103.5 Ω, 零序阻抗 Z0=96.0+j 304.2 Ω;正序电纳 Y1=0.15/100 S, 零序电纳 Y0=0.954 4÷1 000 S。Xp 按1/2线路正序电纳的75% 补偿度计算, 为1 780 Ω, Xn=475 Ω。
按照线路的实测参数计算 ATP - EMTP 仿真用的无损耗线加电阻模型参数:正序电阻0.025 2 Ω/km, 正序波阻抗262.8 Ω, 正序波速292 329.9 km/s;零序电阻0.262 3 Ω/km, 零序波阻抗564.6 Ω, 零序波速213 394.4 km/s;故障点距离 M 侧160 km。
1.2瞬时性故障的拍频电压
在瞬时性故障电弧熄灭后的非全相运行状态下, 由并联电抗器、中性点电抗器和线路分布电容形成了复杂的电感、电容网络。断开相电压由基波电源产生的强制分量 u1 和电感、电容储存的能量产生自然频率分量 u2相互作用产生拍频。设:u1=U1msin (ω1t) , u2=U2me-α t sin (ω2t) 。断开相电压:
u=u1+u2=U1msin (ω1t) +U2me-α tsin (ω2t) (1)
为了简化公式推导, 令 U3m=U2me-α t, 对式 (1) 有
u=U1msin (ω1t) +U3msin (ω2t) +U3mcos (ω2t) sin (ω1t) cos (ω1t) -U3mcos (ω2t) sin (ω1t) cos (ω1t) =sin (ω1t) (SIN (ω1T) SIN (ω2T) +COS (ω1T) COS (ω2T) ) -U3mcos (ω1t) =sin (ω1t) COS (ω1-ω2) T-U3mcos (ω1t) sin (ω1-ω2) t (2)
令 a=U1m+U3mcos (ω1-ω2) t, b=U3msin (ω1-ω2) t, ω0=ω1-ω2, 代入式 (2) , 整理后可得:
u=U (t) sin (ω1t+θ (t) ) (3)
由式 (4) 可见, 拍频电压起拍时幅值为最小值, 如果为零, 则有 U1m=-U2m, 拍频电压的角频率为 ω0/2, 幅值的最大值为 U1m-U3m, 幅值的最小值为 U1m+U3m。根据拍频电压的波形, 可以计算出强制分量 u1 的幅值、自然频率分量 u2 的幅值和频率。可见自然频率分量 u2 幅值的最大值与强制分量 u1 的幅值基本相等。拍频电压的最大值约为强制分量 u1 幅值的2倍, 为了使拍频电压的最大值不超过额定值, 在短接部分中性点电抗器的线圈后, 强制分量 u1 应小于额定值的50%。由于自然频率分量的幅值衰减, 因此随着时间增加, 拍频电压的峰值衰减, 谷值上升。
1.3 强制分量的精确计算
用1、2、3表示A、B、C三相, 并联电抗器和中性点电抗器的电流与线路电压的关系为[12]
Ipi=JXIJ-1Ui=JYIJUi
在JXIJ的元素中:对角线上元素 xij=Xp+Xn;非对角线上元素 xij=Xn。
强制分量精确计算采用文献[12,13]的计算方法, 对 M 侧:
对 N 侧也有相似的公式, 另外有故障点的边界条件, 令接地电阻为1012Ω, 可以解出断路器线路侧和故障点的电流和电压。
计算单相瞬时性接地故障后的非全相运行状态下, 断开相故障点的电压强制分量 Ur (kV) 。两侧的接地开关 S 合上时将短接中性点电抗器的百分比r 分别设为100%、90%、80%、70%、60%和50%, 计算结果如表1所示。
从表1中的断开相故障点相电压的强制分量 (有效值) 看, 两侧的接地开关S合上时短接中性点电抗器80%, 其数值约为50% 的线路额定相电压, 拍频电压的最大值接近额定值但是不超过额定值。若完全短接中性点电抗器, 断开相的拍频电压将远大于额定值。
2仿真结果
2.1 开关 S 可以短接100%中性点电抗器
接地开关 S 合上时将100%短接中性点电抗器。B 相故障发生时刻为0.05 s, 两侧 B 相断路器在0.1 s时断开, B 相故障结束时刻为0.12 s。
图2是 B 相瞬时性故障中性点电抗器开关 S 不使用, 即目前利用中性点电抗器限制故障点的恢复电压的情况。可见中性点电抗器可将断开相电压限制在很低的水平, 有利于绝缘恢复。在故障点熄弧后, 断开相产生的低频振荡可判断故障点已经熄弧, 但是无法判断绝缘的水平, 不能保证重合成功。
图3是 B 相瞬时性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 在0.2 s合上。当中性点电抗器退出运行后, 断开相B的电压振荡上升, 最大幅值高于额定电压值, 产生过电压现象, 这是不希望见到的。
如果在图3的 B 相瞬时性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 仅有一个在0.2 s合上, 只短接一侧中性点电抗器线圈, 断开相B的电压振荡上升, 最大幅值大约为280 kV, 波形如图4所示。
2.2开关 S 可以短接80% 中性点电抗器
为了避免过电压现象, 按照表1计算结果, 采用开关 S 短接80% 两侧中性点电抗器线圈方法。
图5是 B 相瞬时性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 在0.2 s 合上, 短接80% 两侧中性点电抗器线圈。B 相电压振荡上升, 最大幅值略高于故障前的电压值, 并不会过电压。为了进一步证明该方法的可行性, 分别仿真了开关S在0.201 s、0.202 s、0.203 s、0.204 s、0.205 s等时间合上, 相当于开关 S 在不同的电角度合上的情况, 电压波形基本相同, 电压最大幅值均略高于故障前的电压值, 这证明了该方法的可行性。若两侧中性点电抗器开关 S 的动作时间差小于30 ms, 则可得到同样的电压波形。
图6是 B 相瞬时性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 分别在0.2 s 和0.4 s 合上, 分别短接80% 两侧中性点电抗器线圈。当一侧中性点电抗器开关 S 在0.2 s合上后, 中性点电抗器数值减少, 故障相电压上升为约50% 的额定值, 另一侧开关 S在0.4 s合上, 此时拍频电压的幅值约在最低点附近, B 相电压最大值约为额定值。图7中, 另一侧中性点电抗器开关 S 在0.3 s 合上后, 由于 B 相电压的幅值不是从最低点开始上升, 上升的力度要小些, B 相电压的幅值最大值低于额定值。
图8是 B 相永久性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 在0.2 s 合上。因故障存在, 故障相电压仍很低, 无低频震荡现象, 与瞬时性故障情况完全不同。
图9是 B 相瞬时性故障, 两侧中性点电抗器开关 S 在0.5 s 合上。可见在故障消失后, 开关 S 合上前, 中性点电抗器开关 S 的电压幅值低于100 kV, 电压水平并不高, 开关 S 合上后, 通过 S 的电流也不大, 因此对开关 S 的要求不高。
2.3 利用阻尼电阻控制电压
接地开关与接地点之间串接阻尼电阻, 抑制自然频率分量, 可以防止过电压。在图3所示B 相瞬时性故障的条件下, 两侧接地开关与接地点之间串接100 Ω阻尼电阻, 得到图10的电压波形。可见100 Ω阻尼电阻抑制自然频率分量的作用是明显的。
3结论
采用在中性点电抗器与地之间装设接地开关, 在重合闸之前合上此开关, 短接部分电抗;根据断开相电压值可以有效判别线路绝缘水平和选择重合闸时刻, 防止重合于故障线路, 从而提高单相重合闸的成功率。电磁暂态仿真软件 ATP - EMTP 采用行波过程进行线路的电磁暂态仿真, 得到的结果是唯一的, 也更加精确。对于该实际算例, ATP - EMTP 暂态仿真结果说明:在单相重合前合上中性点电抗器开关 S, 短接80% 两侧中性点电抗器线圈是合适的。为了使故障相的电压可以达到接近额定值, 两侧中性点电抗器开关 S 的动作时间差应小于30 ms;或者后合的中性点电抗器开关 S 在电压振荡幅值最低时刻附近合上 (图6) , 否则将出现图7的现象。在接地开关与地之间串接阻尼电阻抑制自然频率分量, 也可以控制拍频过电压。
利用故障相电压振荡幅值判断故障相的绝缘水平, 如果故障相的电压可以达到接近额定值, 则单相重合一定能成功, 从而防止重合于故障线路。由于对开关 S 的要求不高, 因此该方法实现的成本不高。对于一侧或者两侧采用中性点电抗器提高单相重合闸成功率的超高压线路, 采用该方法可以避免重合于永久性故障, 这对于超高压电网的稳定、安全运行是非常有利的。对于因故障进行单相检修的同样线路, 用该方法还可以用于检验线路的绝缘水平, 避免零升压的麻烦或强送失败对设备的损伤。
摘要：对带并联电抗器和中性点电抗器的超高压输电线, 为了避免重合于永久性故障, 在单相重合闸之前合上中性点电抗器与地之间装设的接地开关S, 根据断开相电压值可以有效地判别线路故障的性质和绝缘水平, 防止重合于故障线路。通过设定被短接电抗的百分比或者经过阻尼电阻短接部分电抗可以控制断开相振荡电压水平, 防止断开相过电压。ATP-EMTP暂态仿真结果表明:如果是瞬时性故障, 只要两侧中性点电抗器开关S的动作时间差小于30ms, 或者后合一侧的中性点电抗器开关S在电压振荡幅值最低时刻附近合上, 断开相电压值可以振荡到额定电压的水平, 单相重合闸可以成功;反之, 若断开相电压值保持在很低的水平, 则必然是永久性故障。