摘 要

电力系统变压器的中性点接地方式有多种，依据接地电流大小分为大、小电流接地两种接地系统，其中小电流接地系统在电力系统发生单相接地故障时，产生的接地电流较小。本文研究的是小电流接地系统中的经消弧线圈接地的方式，这种方式因为其在发生单相接地故障后的两个小时内，电力系统可以实现带故障运行，从而在我国3-66KV配电网中得到广泛运用。本文探究的主题是怎样实现电容电流的补偿、限制中性点过电压以及如何实现发生单相故障后判别不同的电容电流大小选择合适的消弧线圈档位，并通过PSCAD进行建模进行仿真分析。

调匝式消弧线圈的整体系统由电容电流监测装置、消弧线圈、阻尼电阻箱、调匝控制器组成。在设计系统的过程中需要实现系统故障前电容电流大小的测量，计算不同电容电流在相应补偿度下对应的补偿电感大小，计算消弧线圈容量以及满足脱谐度大小条件下的阻尼电阻大小。

在通过PSCAD对消弧线圈接地系统建模的基础上，选择合理的控制方案，使得故障后的控制效果达到预期目标。采集PSCAD仿真结果的数据进行验算，确定本文设计的调匝式消弧线圈及其控制系统的可行性。

关键词：调匝式消弧线圈；自动调匝；中性点；电容电流

Abstract

The neutral point grounding mode of power system transformer has many kinds, which are mainly divided into large current grounding and small current grounding. The small current grounding can be divided into neutral point which is not grounded or grounding by arc suppression coils, thus producing a small grounding current when a single-phase grounding fault occurs in the power system, so it is called the low current grounding system. In this paper, the neutral point in the small current grounding system is studied by patterns of the grounding of the arc suppression coils, which can realize operation with the fault within two hours after the single phase grounding fault of the power system, thus being widely used in the distribution network of 3-66KV in China. The subject of this paper is how to realize the compensation of capacitance current, limit the overvoltage of Neutral point and how to realize different capacitance current size after single-phase fault. And select the appropriate arc suppression coil gear, and through the PSCAD Modeling for simulation analysis.

The whole system of the multi-tap arc-suppression coil consists of a capacitance current monitoring device, an arc suppression coil, a damping resistor box and a tuning controller. In the process of designing the system, it is necessary to measure the capacitance current before system fault, calculate the corresponding compensation inductance size of different capacitance current under the corresponding compensation degree, calculate the capacity of the arc suppression coil and the damping resistance size under the condition that the detuning degree is satisfied.

On the basis of modeling the grounding system of PSCAD arc suppression coil, a reasonable control scheme is selected to make the control effect reach the desired goal. The data of the simulation results of PSCAD are collected, and the feasibility of the multi-tap arc-suppression coil and its control system designed in this paper is determined.

Key Words: multi-tap arc-suppression coil; automatic turn; neutral point; capacitance current.

目录

第1章 绪论 5

1.1研究背景与意义 5

1.2调匝式消弧线圈研究现状综述 5

1.2.1国外研究现状 5

1.2.2国内研究现状 6

1.3本文研究内容及章节安排 8

第2章 调匝式消弧线圈相关原理 9

2.1小电流接地系统电容电流补偿原理 9

2.1.1中性点不接地 9

2.1.2中性点经消弧线圈接地 11

2.2消弧线圈自动调谐原理 12

2.3本章小结 14

第3章 调匝式消弧线圈成套装置的设计 15

3.1接地变压器 15

3.2消弧线圈 16

3.3阻尼电阻箱 17

3.4自动补偿控制器 18

3.5本章小结 18

第4章 PSCAD建模与控制方法研究 19

4.1调匝式消弧线圈接地系统的主要组成部分及结构 19

4.2调匝式消弧线圈的建模 20

4.2.1消弧线圈工作原理及其建模 20

4.2.2自动补偿控制器理论分析 21

4.2.3自动补偿控制器建模 21

4.3 10KV配电网的建模 23

4.3.1 10KV配电系统的工作原理及其建模 23

4.3.2 Z型接地变压器的工作原理及其简化建模 24

4.3.3单相接地故障的原理及其建模 25

4.4 系统对地电容电流测量 26

4.5本章小结 27

第5章 单相接地故障仿真及结果分析 28

5.1仿真流程概述 28

5.2仿真结果分析 28

5.2.1仿真波形图及数据分析 30

5.2.2仿真结果分析 32

5.3 本章小结 33

第6章 总结与展望 34

6.1 研究总结 34

6.2 研究展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

电力系统的运行及故障保护与我国民生息息相关，选择什么样的电网中性点接地方式，涉及到电力系统方方面面的问题，比如供电可靠性、故障后供电的稳定性、经济性、人身安全等问题。因此对于中性点接地方式的研究与优化意义重大。

电力行业标准中规定的各种电压等级下配电网需要使用消弧线圈的情况^[1]如表1.1所示：

表1.1

在配电网中投入消弧线圈的作用是：在电力系统的故障中，单相接地的故障类型最为常见，其发生比例占总故障的80%左右，当电力系统发生单相接地故障时，通过将消弧线圈投入接地，可将故障处电流由未补偿状态下的数十安降至10A以下，使电力系统可以在一定时间内带故障运行。中性点采用消弧线圈的接地方式，可以防止线路单相接地故障电弧的重燃，由此提高配电网的稳定性与可靠性。

在调匝式消弧线圈发展的过程中，如何减小系统正常运行时的中性点过电压、系统不对称度，以及如何提高系统发生单相接地故障后的补偿速度、补偿电流大小的准确程度等问题成为研究调匝式消弧线圈的主要问题。

1.2调匝式消弧线圈研究现状综述

1.2.1国外研究现状

对于不同的国家，中压配电网中性点接地所选择的方式有所不同，但是由于经消弧线圈接地方式减少了电力系统单相接地故障带来的损失与危害，提高了供电可靠性等优点，越来越多的国家和地区选择了经消弧线圈接地的方式。

上世纪五十年代初，德国优先研制出了以最大中性点位移为基础的可连续调节的消弧线圈，此后，前苏联和日本也在对调匝式消弧线圈进行研究探索，在这个领域贡献了大量的研究资料。

在现代，欧洲部分发达国家多采用小电流接地方式，比如英国66kV的系统选择经电阻接地的方式，35kV及以下的系统的架空线电网和电缆电网分别采用消弧线圈接地和电阻接地的方式；丹麦、意大利等国家采用中性点不接地方式。

美国的配电网多采用中性点大电流接地的方式。

法国上世纪60年代城市配电网开始采用20kV的标准统一，采用中性点高阻接地的方式^[2]；上世纪90年代开始将配电网的中性点接地方式改为经消弧线圈接地的方式，成效明显。

下文将对目前国外对此的部分研究进行叙述：

（1）对消弧线圈接地系统远程跨国输送风险^[3]的考量，从中性点电压位移和接地故障的瞬态电压等方面综合考虑其引起的故障风险，评估其承受过电压的能力。

（2）为了在中性谐振接地电源系统中发展具有快速、连续调节和有限谐波输出的消弧线圈(ASC)，提出了一种基于控制负载变压器的消弧线圈^[4]。电压源PW逆变器作为变压器的二次负载，通过控制逆变器输出电流，可以任意调节ASC的电抗。采用改进的注入变频信号法，对配电网线对地电容进行了准确检测。在800kVA/10kV样机上进行了三相动态仿真实验，实验结果验证了电弧抑制装置具有电容检测精度高、补偿范围广的特点，有更快的响应速度。

（3）为了克服现有单线路故障选线在中性点接地系统中通过消弧线圈的局限性和不足，提出了一种新的检测算法^[5]。在对故障分量准则，小波准则，有功功率准则和频谱分析准则进行相应分析后，引入模糊理论并应用于故障线路检测，智能地将所有准则集成到单相上。

1.2.2国内研究现状

在我国，调匝式消弧线圈的研究起步比较晚。在调匝式消弧线圈投入使用的前期，我国多采用手动调节的方式，通过手动测算故障时的电容电流大小，再选择合适的档位进行补偿。这类传统消弧线圈多工作在过补偿状态，虽然其具有分接开关，但是其操作繁琐，容易引起停电事故，而且过补偿的工作状态能够提供的补偿电流大小也不足。

随着技术的发展和国民经济对配电网稳定性的要求日渐提高，我国调匝式消弧线圈也得到充分的发展，出现了多种自动调谐的调匝式消弧线圈，此类消弧线圈在调谐方式上分为预调式和随调式两种^[6]。其中预调式是指先测出电力系统电容电流，在电力系统正常运行时，直接将消弧线圈调节至谐振点附近，用接电阻的方式限制中性点过电压，当电力系统发生单相接地故障时，消弧线圈迅速进行补偿，缺点是在电力系统正常运行时有较高的中性点电压和电网不对称度；随调式是指在电力系统正常运行时将调匝式消弧线圈调节远离谐振点，故障后经过测算电容电流进行补偿，这类调节方式中性点不会过电压，对电网不对称度无影响，缺点是调节有延迟。

在目前国内对此的研究方向中，主要分为对故障电容电流测量方法、自动调谐控制、阻尼电阻的选取及消弧线圈的故障处理及运维分析。

1. 测量故障电容电流

在对此方向的研究中，基于传统的两点法和三点法，提出了多种方法。如通过曲线拟合的谐振法^[7]测量故障电容电流，在电容值附近将曲线拟合成二次函数关系曲线，通过测量附近三个档位的，来计算出二次函数的各项系数，通过求极值点的方法间接求出电容电流；或是通过经过验算的理论公式^[8]，通过已知的线路参数的计算求得电容电流；考虑到消弧线圈带阻尼电阻运行^[9]的情况，分析了阻尼电阻对电力系统中性点电压位移的影响，通过计算阻尼电阻投入前后中性点电压位移，得到精确的对地电容电流计算公式；考虑到电力系统中多条出线的影响^[10]，分析接地时零序电流和电容电流的关系，进而推导多条线路中某线路单相接地故障时电容电流的计算公式。

1. 自动调谐控制

基于曲线拟合的谐振法对电容电流的测量方法，推出消弧线圈多机并联的控制方法^[11]，投入试验并得到验证；对预调式和随调式两种调谐方法的优缺点进行分析比较，提供了不同情况下的选择原则。

1. 阻尼电阻的选取

考虑阻尼电阻对中性点电压的影响^[12]，考虑脱谐度和阻尼率对阻尼电阻的限制，通过公式（1.1）计算阻尼电阻的范围，在不同的系统不平衡度下选取合适的阻尼电阻值来限制中性点过电压。

（1.1）

1. 消弧线圈的故障处理及运维分析

通过在实际工程运行中分析消弧线圈调档失败的现象^[13]，确定了电机飞盘零件跌落、指示轴连接线脱落等主要原因，进一步给出了维护检修的建议；考虑两台及以上消弧装置并联运行^[14]的情况，调匝式消弧线圈调档时电抗相对变化量较小，当用其作为主机时，无法准确测量故障电容电流的变化，因此可使用相控式消弧线圈，增加测量准确度，且对多台消弧装置并联运行时的操作要求提出了规划建议。

在中低压配电网中，采用中性点经消弧线圈接地的方式在技术上保障了系统的平稳运行^[15]，中性点经消弧线圈接地是中压配电网的研究方向。

1.3本文研究内容及章节安排

本文研究的基本内容是调匝式消弧线圈的控制，并通过PSCAD进行建模仿真，验证所设计的调匝式消弧线圈的可行性。所设计的控制方案要求实现中性点位移电压在系统正常运行时不超过相电压的15%；在发生单相接地故障后在允许的调节时间内，实现对故障电容电流的补偿，使得接地电容电流降至10A以下。

第一章起到绪论的作用，主要阐述了研究的背景及意义，以及调匝式消弧线圈在国内外研究的历史及现状，并给出了本文的研究内容。

第二章描述了中性点接地系统补偿的工作原理、调匝式消弧线圈自动调谐的工作原理，为本文对其的研究作铺垫。

第三章是对调匝式消弧线圈整体系统的设计，本章分为四部分，阐述接地变压器的作用原理和设计；测量在10kV配电网下，系统电容电流大小，并计算消弧线圈电感参数大小；设计合适的控制方案，实现故障后调匝式消弧线圈的快速准确选择，将故障电流补偿至合适的范围。

第四章是对第三章设计的调匝式消弧线圈的建模，建模过程中为了使建模效果更加直观，对电力系统部分结构进行了等效替代处理。

第五章是对仿真结果的分析，通过采集实验数据及仿真波形，观察仿真波形是否满足预期目标，通过计算实验数据确定中性点过电压、补偿度等指标是否满足规定。

第六章是对本文内容的总结，说明本文设计的调匝式消弧线圈的有效性，并指出了其他的研究方向和一些不足，继而提出了本研究的展望。

第2章 调匝式消弧线圈相关原理

2.1小电流接地系统电容电流补偿原理

中性点经消弧线圈接地属于小电流接地系统，特点是当电力系统单相接地故障后，由于消弧线圈补偿了对地电容电流，故障处接地电流比较小，因此系统不需要跳闸，可以在2小时内带故障运行^[16]，使电力系统运行更加可靠，在中低压配电网中被广泛投入运用^[17]。

2.1.1中性点不接地

在我国大部分中低压配电网中，中性点不接地的运行方式广为投入使用。其优点鲜明：当系统发生单相接地时，三相系统依旧保持平衡，因此，在一定时间内可以继续带故障运行。中性点不接地方式的原理图如图2-1所示，其中L1、L2代表电力系统的两条线路，其中L2的C相发生单相接地故障，各线路的对地电容产生电容电流流过接地点。

图2.1 中性点不接地单相故障原理图

电容电流的大小受电压等级、线路长度、线路参数影响，线路电容电流计算公式如下^[18]：

10kV电缆线路电容电流：

（2.1）

10kV架空线路电容电流：

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