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补偿接地电网的暂态量选线保护研究

王清亮  
【摘要】: 国内外中压配电网的中性点广泛采用经消弧线圈接地的补偿运行方式,我国在煤矿井下等含有爆炸性气体物质的生产企业中,其高压供电网也常采用补偿运行方式。此种运行方式在发生单相接地故障时,由于故障电流微弱,电弧不稳定等原因,形成了故障选线保护装置面临着消弧与选线正确性之间的技术矛盾,因此,对补偿接地电网的故障选线问题进行研究是进一步提高供配电安全性,尤其对丰富和加强“爆炸性气体环境电气安全理论”的基础研究,具有重要的理论价值和现实意义。 与利用故障稳态信息相比,采用单相接地故障产生的暂态量信息去解决选线保护难题,具有可靠性大、灵敏性高的优点。目前的研究多侧重于采用相关数学分析工具对暂态量信息的提取和利用,而缺乏从故障机理和暂态特性的本质上进行系统研究,使得暂态量选线方法还存在故障模型不精确以及暂态特性受故障发生条件影响较大的缺陷,从而导致选线效果不够理想。 针对现有暂态量选线方法存在基础性研究缺失的问题,论文建立了单相接地故障电磁暂态模型,利用高阶电路动态方程研究故障信号的暂态特性及故障本质。通过对故障模网图和暂态等值电路的研究,从根本上揭示了补偿接地电网发生单相接地的故障机理和具有普遍意义的暂态特性规律,建立了故障时刻、接地点过渡电阻以及线路长度等故障条件与故障零模电流之间的函数关系,解决了接地故障模型不精确,对故障量理解运用片面性的难题。 针对单相接地故障边界条件的复杂性和不确定性以及故障条件间的强耦合关系,论文定义了三个普适特征量:频带能比因子、阻抗因子和能谱熵。利用暂态普适特征量对故障信息进行数据挖掘,定量度量故障暂态的不确定性和复杂度;分析了故障暂态信号频谱分布的特性规律,定义能谱熵测度及饱和熵来统计信号能量的复杂程度;提出基于多尺度能谱熵测度的故障模式分类方法,将单相接地故障的模式分为强故障、小角故障和弱故障三类。 针对暂态量选线保护方法受故障条件影响较大的问题,提出了基于故障模式识别的自适应选线保护方法。给出了主频带定义,利用故障后暂态零模电流的能量分布自动确定线路的主频带,减少了暂态容性电流频率分布不确定性对选线的影响。分别提出了多频带波形相关性的强故障选线方法、基于衰减直流分量能量的小角故障选线方法和基于能谱熵原理的弱故障选线方法。依据故障模式自动选择不同判据的研究思路,充分利用了故障暂态信号中的各种低频、工频和高频信息,可实现无死区的故障选线保护。 针对绝大多数单相接地故障伴随有电弧,而电弧具有高度非线性时变特性和建模困难的问题,分析了电弧的故障机理以及在时域、频域的外在特性,借助非线性电路理论中的器件造型方法建立了电弧故障的黑箱模型;采用福特斯库相模变换技术,研究了配电网中各次谐波的性质;通过对补偿接地电网间歇性电弧、谐波源及消弧线圈不同补偿度的分析与仿真,验证了基于故障模式识别的暂态量选线保护方法可以适用于补偿接地电网的各种故障情况,具有良好的可靠性能。 分别利用电磁暂态仿真软件EMTP的仿真数据、1:1的10kV高压物理模拟系统的试验数据以及现场故障录波数据三种方式验证了论文所提方法的正确性和可靠性。


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