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《大连理工大学》 2012年
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短路故障的相控开断及在光控真空模块中的应用研究

黄智慧  
【摘要】:随着智能电网技术的深入发展,人们越来越关注高压智能开关的发展。真空开关作为新一代环保型开关,向高压、特高压领域发展还要解决一些关键技术。在电压极限方面,真空开关的击穿电压相对于间隙长度并非呈线性增长,使用多断口真空开关技术可充分利用真空短间隙的优点,提高整体的工作电压水平,光控真空开关模块为此提供了实现方案。通过光控真空开关模块的串并联,可以构建更高电压等级的智能光控真空断路器。在智能控制方面,高压开关的相位控制是其智能操作的核心技术。目前国际上对于正常负载的相位控制已有深入的研究和成熟的应用,但是短路故障的相控开断算法仍处于研究阶段。 本文基于光控真空开关模块的智能控制,研究目标是实现对智能光控真空断路器的相位控制。主要研究内容包括:相位控制算法,侧重于短路故障的相控开断算法;断路器分合闸动作时间的自适应闭环控制;光控真空开关模块和智能光控真空断路器的相位控制系统等。 短路故障的相控开断算法的关键是电流过零点的预测,首先要考虑的是电力系统短路故障电流所含的衰减直流分量,因其使电流过零点呈现出非周期性。因此,如何在极短的时间内辨识短路电流的参数,预测出可用的过零点,是短路故障相控开断的关键。本文从短路电流的数学模型出发,研究新的短路故障相控开断算法。首先,采用短路电流的泰勒展开方程,针对由级数展开所引起的截断误差,推导出时间常数的补偿公式;使用递推最小二乘法辨识电流参数;建立短路电流的全响应模型;使用基于F分布的FO假设检验检测电流参数的有效性以判断是否发生故障;根据概率分布的原理,推导出故障判据,并分析了判据的可靠性;搭建了三相系统短路故障模型,研究了多相短路故障的特点和选相开断策略。最后,使用FO假设检验检测来判断故障类型,使用短路电流的周期分量分辨两相短路接地和两相短路不接地故障;论述多相短路故障相控开断的时序,提出算法的流程。 根据PSCAD仿真的故障电流数据和故障录波数据对提出的算法进行了仿真,结果表明本文提出的算法能在故障发生后3ms内检测出大部分故障,并在20ms内估计出故障电流参数,判断出故障类型,采取相应的开断策略,其过零点预测精度达到±0.25ms。相比于随机开断,平均节省燃弧时间4ms,平均电弧能量节省率大于20%。 真空开关相位控制的另一个关键问题是开关的动作时间精准度。光控真空开关模块使用了永磁操动机构,其动作时间受外部环境和自身老化等因素的影响,可能会发生-定的变化。本文根据永磁机构的动作原理,将其控制过程分为励磁和运动两个阶段,分别实施动作时间精准度控制:在励磁阶段对线圈电流使用PI闭环控制,使励磁电流跟随设定的电流值;在运动阶段使用单神经元PSD (Proportion, Sum, Differential,比例,和,微分)自适应控制,使触头轨迹跟随设定的动作曲线。试验结果表明,真空开关模块的动作时间分散性可被控制在±0.25ms内。 基于本研究的相位控制算法,本文设计了光控真空开关模块的控制器,主要包括控制器的软硬件结构,永磁机构的驱动和保护电路,传感器信号的采集电路,电源管理等。设计了基于数字信号处理器的智能光控真空断路器整机控制器,主要包括控制器的软硬件结构,系统电压电流信号的采集电路等。使用带遗忘因子的递推最小二乘法估计电网电压值,并使用PID控制器跟踪实时的电网频率。设计了模块与整机之间的光纤收发驱动电路及光纤通信协议。使用了屏蔽、隔离、接地、看门狗等措施提高各控制器的抗干扰能力。 作为应用研究,完成了光控真空开关模块的样机研制及测试。结果表明模块的机械参数、电参数和绝缘特性都达到了设计要求,设计制作的控制器通过了电磁兼容试验。与合作单位共同搭建了智能光控真空断路器样机,并在试验站进行了部分型式试验,其中两模块并联成功开断了40.5kV/40kA的短路电流,三模块串联成功开断了126kV/40kA的短路电流。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM564.2

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