超高压输电线路自适应单相重合闸的判据研究.doc

西安科技大学 硕士学位论文超高压输电线路自适应单相重合闸的判据研究 姓名：白维祖 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：商立群 20080415论文题目： 超高压输电线路自适应单相重合闸的判据研究专 业： 电力系统及其自动化硕士生： 白维祖 （签名）重盈至逝一指导教师： 商立群 （签名） 摘 要 超高压输电线路的故障大部分是瞬时性故障，采用自动重合闸技术能够极大地提高供电的可靠性和系统的稳定性。但是重合于永久性故障对系统的稳定性和电气设备带来的危害将比正常状态下的短路更为严重，虽然可以选择重合闸时间，改善重合于永久性故障对系统稳定性的影响，但重合于永久性故障对设备的冲击是不可避免的。为了消除重合于永久性故障对电力系统的危害，应该判断故障的类型，实现自适应重合闸。本文围绕自适应重合闸，对故障产生前后故障相的电压信号进行分析，以寻找永久性故障和瞬时性故障的判据。主要工作如下： ）广泛阅读自适应单相自动重合闸的相关著作和论文，了解自适应单相自动重合闸的国内外研究现状，系统地进行研究分析，找到问题的关键。 ）分析超高压输电线路上发生单相瞬时性故障或永久性故障时电气量的变化过程，同时结合国内外的研究成果，对电弧的燃烧特性、一次电弧、二次电弧、电弧熄弧时刻、故障相的恢复电压等几个不同的故障后暂态及稳态的变化阶段做进一步的研究与分析。 ）对现有自适应重合闸判据进行分析研究，发现存在的问题。针对无并联电抗器补偿的输电线路总结出单相自适应重合闸的综合判据；针对超高压带并联电抗器输电线路提出单相白适应重合闸故障的电压判别方法。 ）利用对所得的结论进行分析验证。通过仿真，验证判别方法是否有效可靠地实现超高压输电线路上的单相自适应重合闸。 ）介绍重合闸装置硬件与软件的设计思想和要求，以及各个硬件电路和各功能模块程序的流程图。 ）对本论文进行了总结，提出该研究方向需要更进一步做的研究工作。关键词：超高压输电线路；单相白适应重合闸；瞬时故障；永久故障 仿真研究类型：应用研究 ： ： ： （） ： （）兰！塑！步 ， ， ， ， ： ） ， 。 、 ， ， ， ， ， ， ） ， ） ， ） ?铮洌酰悖澹洌幔? ） ， ： ： 妻料技夫霉 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：铴墓现日期：矿·厶· 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待鳃密后适用本声明。 学位论文作者躲白鄱涉指导教师躲商彳 协莎年暗 绪论 绪论选题背景 随着社会经济的高速发展，对电力系统的可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高。电力系统作为国民经济的支柱产业，其安全稳定运行是关系国计民生的大事。在电力系统的各组成元件中，输电线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件，受各种各样自然条件的影响，其故障发生率是各个电力设备中最高的。因此，保障线路的正常运行是电力系统的重要任务之一。输电线路故障可分为瞬时性故障和永久性故障两种，永久性故障是指由于线路倒塔、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在线路跳开后，故障点的绝缘不能恢复，这时即使开关再次合上，由于故障依然存在，线路还要再次跳开；瞬时性故障绝大部分是由雷电引起的绝缘子表面闪络，也有大风引起的碰线，通过鸟类及树枝等物落在导线上引起的短路等，这类故障在线路跳开后，电弧可自行熄灭，故障点的绝缘基本恢复到正常水平，此时合上开关，能够恢复正常供电。此外，随着环境污染日益加重，污闪大量发生，在一些特定时期，有可能成为线路故障的主要原因。污闪发生后，线路跳闸，但线路跳闸后，故障的绝缘可能恢复，也可能恢复不了，据文献统计，在次污闪中，有次重合不成功，次重合成功，即污闪可能是永久性故障，也可能是瞬时性故障。 在的架空线路上，由于相间距离大，线路故障绝大部分为单相接地故障。年全国继电保护与安全自动装置运行情况统计表吲】：年，在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。年，在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。年，在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的 。在全国线路发生的故障中，单相接地故障为次，占线路故障的。 输电线路的故障多具有单相瞬时性特点，对单相故障采取单跳单合既符合线路故障的实际情况又适合我国国情。发生单相故障时只切除故障相并进行重合是确保电力系统安全稳定运行的重要措施，但盲目重合于永久性故障时，一方面电力系统会再次遭受短路电流的冲击，且可能造成重合后电力系统摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳 西安科技大学硕士学位论文定性：另一方面继电保护再次使断路器跳开，断路器在短时间内连续次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件，缩短了断路器的使用寿命，有时甚至会造成断路器的爆炸事故。因此，为了最大限度地消除重合于永久性故障的危害，必须在重合之前判断线路故障的性质。 自动重合闸技术作为保证系统安全供电和稳定运行的重要措施之一，已在架空线路上获得了广泛应用。但是，自动重合闸不能判别永久故障的盲目重合性也给电力系统带来了不利影响。长期以来，为了避免自动重合闸重合于永久故障，国内外学者做了大量的研究工作，提出了基于瞬时与永久故障判定的自适应自动重合闸。自适应自动重合闸的基础就是在重合闸动作前对瞬时性故障或永久性故障进行判定，从而避免系统重合于永久故障或者严重永久故障。自适应自动重合闸的研究现状和发展 输电线路自适应自动重合闸的核心内容是永久性故障的判别，该研究方向是由中国学者葛耀中教授于世纪年代提出的【刮，其目的是保证永久性故障时不再重合于故障线路。在此之后国内外电力科研工作者对此进行了大量的研究，主要有以下几种方法： （）基于瞬时性故障恢复电压的方法。利用输电线路上的工频恢复电压进行瞬时性与永久性故障判别是国内外最早的研究方法【，根据单相跳闸后线路上是否存在电容耦合电压来区分瞬时性和永久性故障。文献，给出了永久性故障判别的修正电压判据，但需要对端信号配合。文献在故障性质的判别方法上引入了人工智能，但需要用学习样本进行大量的训练，因此应用起来相对复杂。（）基于瞬时性故障电弧特性的方法。由于故障电弧是一个十分复杂的物理化学过程，加上不同类型的电弧特性存在差异，因此基于瞬时性故障电弧特性的故障识别方法难以实用化。（）基于高频通道信号衰减率的方法。该方法受线路长度和天气等因素的影响，并且对于不采用高频通信的线路该方法无法使用。综上所述，目前输电线路故障判别方法存在的主要问题是：永久性故障的识别判据基于电压量，受二次回路不可靠的影响；恢复电压和电弧电压的幅值低；将存在电弧的故障等价为瞬时性故障，存在推理因素；并联电抗器的存在给永久性故障判别带来了不便；为兼顾重合闸的快速性和成功率，自适应重合闸应计及二次电弧熄灭的时刻。 自适应自动重合闸的主要任务是对故障性质的可靠识别，即对瞬时性故障或永久性故障进行预先判断，以确定重合闸是否动作。当判断故障为瞬时性时，表明可以重合，否则，不予重合。这样就避免了传统自动重合闸在重合时的盲目性。课题研究的意义 对于电力系统而言，保证供电质量的同时也要尽量缩短停电时间，因此就要注意两 绪论个方面：一是要避免供电系统故障的发生，二是要在故障发生后，尽快消除故障。电力系统故障中的大部分是输电线路故障，保障线路的正常运行是电力系统的重要任务之一。采用自动重合闸在提高瞬时性故障时供电的连续性、系统运行的稳定性，以及纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸方面起到了很大作用。但是，自动重合闸不能判别永久故障的盲目重合性也给电力系统带来了不利影响，主要表现在：重合于永久故障，将会对电力系统造成再次冲击，有可能使电力系统失去稳定性；使断路器工作条件变得恶劣；汽轮发电机送出端重合，有可能对发电机轴系造成严重损伤。 为了从根本上消除永久性故障时重合的危害，必须在重合闸前判断线路故障是永久性的还是瞬时性的，使重合闸装置能够根据具体的线路发生不同故障时的情况来决定重合闸动作，在瞬时性故障时重合闸动作，在永久性故障时重合闸闭锁，即实现自适应重合闸。自适应重合闸不仅是提高电网稳定性的一个重要措施，也是降低电网过电压的一个重要手段，因此，这一课题的研究对电力系统的安全运行，对国民经济的发展都具有非常重要的意义。课题研究的内容 ）广泛阅读自适应单相自动重合闸的相关著作和论文，了解自适应单相自动重合闸的国内外研究现状，系统地进行研究分析，找到问题的关键。 ）分析超高压输电线路上发生单相瞬时性故障或永久性故障时电气量的变化过程，同时结合国内外的研究成果，对电弧的燃烧特性、一次电弧、二次电弧、电弧熄弧时刻、故障相的恢复电压等几个不同的故障后暂态及稳态的变化阶段做进一步的研究与分析。 ）对现有自适应重合闸判据进行分析研究，发现存在的问题。针对无并联电抗器补偿的输电线路总结出单相自适应重合闸的综合判据；针对超高压带并联电抗器输电线路提出单相自适应重合闸故障的电压判别方法。 ）利用对所得的结论进行分析验证。通过仿真，验证判别方法是否有效可靠地实现超高压输电线路上的单相自适应重合闸。 ）介绍重合闸装置硬件与软件的设计思想和要求，以及各个硬件电路和各功能模块程序的流程图。 ）对本论文进行了总结，提出该研究方向需要更进一步做的研究工作。本章小结 本章介绍了课题的选题背景，以及自适应重合闸的研究现状和发展情况。最后介绍了本课题的研究内容。 西安科技大学硕士学位论文 自动重合闸与自适应重合闸简介自动重合闸 自动重合闸是指当断路器跳闸之后，能够自动地将断路器重新合闸的装置。自动重合闸作为保证电力系统安全供电的有效措施之一，能够有效的减少不必要的停电事故，在输、配电线路中，尤其是高压、超高压输送电线路中，已经得到极其广泛的应用。 由于输电线路上的故障大多数是瞬时性的，因此在线路被断开以后再进行一次重合闸，就有可能大大提高供电的可靠性。重新合上断路器的工作可由运行人员手动操作进行，但手动操作时，停电时间过长，用户电动机多数已经停转，因此重合闸的效果就不显著。为此，在电力系统中广泛采用了自动重合闸装置（缩写为， ）来代替运行人员的手动合闸，即当断路器跳闸之后，它能够自动地将断路器重新合闸。根据运行资料的统计，重合闸的成功率（重合闸成功的次数总的重合次数）一般在之间。 一般说来，在输电线路上，采用自动重合闸的作用主要可归纳如下【习： （）在线路上发生瞬时性故障时，迅速恢复供电，从而可提高供电的可靠性； （）对于有双侧电源的高压输电线路，可以提高电力系统并列运行的稳定性； （）可以纠正对由于断路器本身由于机构不良，或继电保护误动作而引起的误跳闸； （）在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，可以暂缓架设双回线路以节约投资。 根据生产的需要和运行经验，对输电线路的自动重合闸装置，提出了如下基本要求： （）动作迅速。在满足故障点去游离所需的时间和断路器消弧室和断路器的传动机构准备好再次动作所必须的时间的条件下，自动重合闸装置的动作时间应尽可能短。 （）不允许任意多次重合。自动重合闸动作次数应符合预先的规定。如一次重合闸就只应重合一次。 （）动作后应能自动复归。当自动重合闸成功动作一次后，应能自动复归，准备好再次动作。 （）手动合闸时不应重合。当运行人员操作或遥控操作使断路器断开时，自动重合闸装置不应重合。 （）手动合闸于故障线路不重合。当手动合闸于故障线路时，继电保护动作使断路器跳闸后，自动装置不应重合。 （）能与继电保护动作配合。 自动重合闸的类型一般有三种，分别为单相自动重合闸、三相自动重合闸和综合重 自动重合闸与自适应重合闸简介合闸。所谓单相重合闸，即当线路上发生单相接地故障时，保护动作只断开故障相的断路器，然后进行单相重合。如果故障是暂时性的，则合闸后，便可以恢复三相供电；如果故障是永久性的，而系统又不允许长时间非全相运行，则重合后，保护动作，使三相断路器跳闸，不再进行重合。所谓三相自动重合闸是指，不论送电线路上发生单相接地短路还是相问短路，继电保护动作后均使断路器三相断开，然后重合闸再将三相投入。三相自动重合闸装置比较简单，但在超高压系统中往往不能满足系统动态稳定的要求。在双侧电源的联络线上，如果要求同期重合闸，则三相自动重合闸恢复供电的时间较长，更不能满足要求。而快速非同期重合闸对发电机的冲击大；重合闸太快也影响重合闸的成功率，因此未能获得广泛的应用。所谓综合重合闸就是，在线路上设计自动重合闸时，综合考虑两种重合闸方式，将单相重合闸和三相重合闸综合在一起，当发生单相接地故障时，采用单相重合闸工作方式；当发生相间短路时，采用三相重合闸方式工作。综合重合闸的电路相当复杂，这样使误动作的机率很高，使其应用也受到了一定的限制。高压线路自动重合闸具体的分类见图。 图高压线路自动重合闸的分类单相重合闸 根据运行情况表明，在以上的超高压线路故障中，以上为单相接地故障。在单相接地故障时仅跳开故障相，而未发生故障的两相仍然继续运行，采用单相自动重合闸方式。如果线路发生的是瞬时性故障，则单相重合成功，即恢复三相正常运行。如 西安科?即笱妒垦宦畚墓怯谰眯怨收希嘀睾险怀晒馐保韪菹低车木咛迩榭觯绮辉市沓诜侨嘣诵校蛴谐啵辉俳兄睾稀缧枰敕侨嘣诵校蛴俅吻谐啵辉俳兄睾稀壳耙话愣际遣捎们耙恢址绞健敌械嘧远睾险欣谔岣呦低车亩榷辉诘嗟缭垂绲南呗飞喜捎玫嘧远睾险梢圆患涠隙杂没?电。因此在这些线路上单相自动重合闸获得广泛的应用。 单相自动重合闸时间整定的越短，对系统稳定越有利。在维持一定的稳定储备情况下，重合时间越快，所能传送的功率越大。在我国，当重合闸时间整定在范围 内时，属于快速重合；或更长，为慢速重合闸。计算表明，对单回线路而言，单相快速重合可将线路的输送能力提高，对双回线或更多回路的超高压线路而言，单相快速重合的意义有所下降，视具体情况而定。采用单相重合闸后，从系统发生故障，线路保护装置发生反应到完成重合闸操作的时间分布过程如表一所示。 表单相自动重合闸时间及过程时序 时间间隔（） 过程说明 系统发生单相接地故障 继电保护装置动作终了，使断路器的分闸线圈带电 ， 线路两端断路器实现分闸，主触头断开，熄弧，系统短路被切除，但分闸电阻尚 未解除工作状态 断路器分闸电阻断开，系统与故障线路完全隔离，潜供电弧进入自熄时期 潜供电弧自熄瞬间 潜供电弧弧道去游离时间终了 系统两端的断路器接到合闸信号，合闸线圈带电 断路器合闸，触头间发生击穿，合闸电阻投入 断路器主触头闭合，合闸电阻被短接退出，系统重新带电，恢复供电合计 整个单相重合闸时间 采用单相重合闸时，要求保护只跳开故障相，然后重合闸只自动重合单相。因此，与三相重合闸相比，它有如下两个显著的优点： （）能在绝大多数的故障情况下保证对用户的连续供电，从而提高供电的可靠性。当由单侧电源单回线路向重要负荷供电时，对保证不问断地供电更有显著的优越性。 （）在双侧电源的联络线上采用单相重合闸，就可以在故障时大大加强两个系统之间的联系，从而提高系统并列运行的动态稳定。对于联系较弱的系统，当三相切除并继续以三相重合闸而很难恢复同步时，采用单相重合闸就能避免两系统的解列。 然而在采用自动重合闸以后，当重合于永久性故障上时，它将带来一些不利的影 自动重合闸与自适应重合闸简介响，如： （）使电力系统又一次受到短路电流的冲击，可能引起电力系统振荡； （）使断路器的工作条件变得更加严重，因为它要在很短的时间内，连续切断两次短路电流。这种情况对于油断路器必须加以考虑，因为在第一次跳闸时，由于电弧的作用，己使油的绝缘强度降低，在重合后第二次跳闸时，是在绝缘已经降低的不利条件下进行的，因此，油断路器在采用了重合闸以后，其切断容量也要有不同程度的降低（一般约降低到左右），其实际能切断的短路容量应比正常的额定切断容量有所降低。自适应重合闸 为了克服自动重合闸的缺点，希望自动重合闸可以在重合之前，分辨出瞬时性故障和永久性故障，且只有当发生瞬时性故障时，自动重合闸才动作。自适应.