《《基于ICA的配电网铁磁谐振检测方法的研究》-公开DOC·毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《基于ICA的配电网铁磁谐振检测方法的研究》-公开DOC·毕业论文（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章绪论 1.1研究的背景及意义当系统出现某些扰动时，因电压互感器中电感元件的铁芯产生磁饱和现象，电感参数随着电流的变化而变化使系统发生谐振，电源中性点出现了位移电压，从而产生了谐振过电压。系统中的某一振荡频率与强加给系统的振荡频率正好相等时，致使谐振电压幅值迅速变大。因为电感参数有三种特征，故将谐振分为三类。第一类为线性谐振，顾名思义，电感为线性的，即电感参数是常数，电感线圈中不含非线性电感的铁芯，当电源频率与系统的自振频率相等时，就会发生线性谐振。第二类为参数谐振，参数谐振是指当参数匹配时，发生周期性变化的电感（受外力作用），和系统中的电容回路，不断输送能量到谐振系统，以致产生的谐振。第
2、三类为铁磁谐振，铁磁谐振又叫非线性谐振，电感是随着电流的变化而变化的，例如电压互感器中含有铁芯的电感，因为铁芯而呈现非线性，当系统发生故障或者大的扰动和操作时，电磁式电压互感器的含有铁芯的非线性电感会由于流过的电流迅速升高而慢慢饱和，当电压互感器中非线性电感正好与线路对地电容相匹配时，就会在电压互感器中的电感和线路对地电容的两端激发起很高的电压，这就是铁磁谐振过电压。铁磁谐振过电压属于暂时过电压，是电力系统中由电磁式电压互感器引起的一种内部过电压。一般情况下，铁磁谐振过电压的产生是由于电力系统中出现较大的扰动（例如中性点绝缘系统非同期合闸、或接地故障消失之后），致使系统的对地电容与监测发、变电
3、站母线对地电压的电压互感器的激磁阻抗值达到匹配条件，构成了铁磁谐振回路。这种过电压可以在过渡过程结束后的较长时间内稳定存在，从而使系统中部分电器元件工作在过电压情况下，引起设备过热甚至烧毁，严重地影响供电安全。谐振过电压对系统中设备危害的严重性，取决于其幅值的大小和持续时间的长短。由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频或高频谐振过电压。其中，分频和高频谐振的危害及较大，可能是熔丝熔断、电压互感器因过热而烧毁，绝缘破坏或避雷器爆炸等等。电力系统中各种电压等级的电网中都有可能发生铁磁谐振，尤其是在110kV及以下的中低压配电网中，因谐振过电压造成的事故较多，对电力系统的安全运行构成严
4、重威胁，已成为一个普遍关注的问题。随着经济的高速发展，人们对于电能质量的要求越来越高，同时对于威胁人身安全、威胁电网正常运行的各种线路和设备故障越来越受到人们的广泛关注。尤其在发生多次铁磁谐振重大事故之后，例如浙江三辰电器在送互感器刀闸瞬间，烧毁互感器，并使生产产生混乱；1990年有一电压互感器因为铁磁谐振故障导致高压熔断器熔断，致使加氢车间停产并引起II段避雷器爆炸；并且统计表明广西电网1996年1998年仅玉林局1035kV配电网中中性点不接地系统发生铁磁谐振67次。这些事例都表明配电网中性点接地系统中，对于电压互感器引起的铁磁谐振的检测与控制是极其重要的。在电力系统中包括许多发电机、消弧
5、线圈、变压器等含有非线性电感的原件，当系统中因操作或故障而产生大的扰动时，这些元件中的非线性电感和线路中的电容元件，可能形成各种不同的振荡回路。特别是在配电网中，发生分频或高频谐振时，经常会出现幅值高，持续时间长的谐振过电压和过电流，从而烧坏电力系统中很多重要的电气设备。在电力系统中，我们经常会用到发电厂、变电所母线的对地电压，所以对于发电厂、变电所母线的对地电压的检测是很有必要的。但是在中性点不接地系统中，检测发电机或变电所母线上的对地电压通常利用接在母线上的的电磁式电压互感器来检测。但是在母线上接有电磁式电压互感器的中性点不接地系统中，经常会因为系统发生故障或者操作中进行大的动作，导致电磁
6、式电压互感器的非线性电感产生饱和，其饱和励磁阻抗值与各个线路的对地电容相容构成谐振回路，造成非线性谐振回路。通过大量的试验，可以了解到基频谐振和高频谐振导致的谐振过电压的幅值一般不会超过相电压的三倍，过电流相对低，一般不会对设备造成损坏。但是分频谐振过电压的频率很低，过电流经常达到额定电流的百倍以上，在这种情况下，经常会烧坏电压互感器，甚至造成爆炸。因此，在中低压配电网系统中，对于电磁式电压互感器引起的铁磁谐振应给予足够的重视，以保证电力系统的正常运行1。在电力系统中PT的感抗XL和导线对地电容的容抗Xcn两者的比Xcn/XL决定着系统中发生铁磁谐振的不同频率。谐振类型分为以下3种：（1）基频
7、谐振 又称为工频谐振。当Xcn/XL=1时，发生的谐振频率与电力系统正常运行的频率相同，即频率是50Hz，故称之为基频谐振。它表现出来的特征是：a、过电流会导致烧毁电压互感器和电压互感器的熔丝断裂；b、三相电压的线电压表现正常，相电压为其中的1相会变低，另外2相变高；c、过电压倍数不超过相电压的3倍，并伴有虚假接地现象。（2）分频谐振 分频谐振的条件是当Xcn/XL的比值较小时会发生，分频为1/3次谐波谐振的频率其值大约17Hz。分频为1/2次谐波谐振的频率其值大约是25Hz。为什么它的谐振频率会比较低？因为C和L在谐振发生时，它的谐振能量交换所需的时间会很长，所以发生的谐振频率会很低是工频谐
8、振的分数倍，故称为分频谐振。其表现特征是：a、过电压倍数比工频谐振的倍数低，其相电压值一般不超过正常时2.5倍；b、其指示数值在三相电压表中表现为线电压值正常，相电压三相同时升高，电压表的指针并且有一定规律性的摇摆。（3）高频谐振 当Xcn/XL的比值较高时，此时高频谐振在电网中将产生，这时线路对地电容较小，这是由于铁磁振荡发生时交换能量的速度较分频和工频快，铁磁谐振的发生频率是工频的3、5、7倍等，故称高频谐振。它的表现是：a、铁磁谐振的过电流较小；b、线电压基本维持不变，三相电压的相电压同时升高，幅值可达相电压的三倍；c、过电压倍数较高2。国内外很多专家都对中性点不接地系统的铁磁谐振现象做
9、了大量仿真和研究，希望找到铁磁谐振故障检测的准确方法，以期防止铁磁谐振的发生或较少谐振的持续时间。但是由于在实际系统中铁磁谐振的模拟试验比较复杂，很难实现，只能在计算机上进行仿真研究，所以铁磁谐振的检测一直没能很好的解决。1.2国内外研究现状对于中性点不接地系统来说，为了更好的了解铁磁谐振，对铁磁谐振做出准确的检测和相应的控制，国内外很多学者对引发铁磁谐振的电压互感器做了大量的试验和理论研究，得到了很多检测和控制方法，但是由于各种原因的混淆，所以没有找到一个非常合理的检测方法。在理论分析方面，早期的铁磁谐振理论分析方法主要有图解法、相平面法。60年代后期，对谐振电路使用各种非线性系统的分析法。
10、这些方法都存在很大的局限性，因为这些方法只是对于简单的RLC串联非线性谐振电路和谐振的非线性二阶电路进行理论分析，并不能对于复杂的电力系统三相电路进行分析，直到80年代后期，国外学者将非线性动态理论和混沌理论引入到铁磁谐振的研究中，并在计算机进行实验仿真，才使对于铁磁谐振的分析更全面。在试验研究方面，很多学者对铁磁谐振发生的条件做了大量研究，研究中他们发现，发生什么类型的谐振是与系统参数和电压互感器的对地励磁电抗的比值是相关的，当发生铁磁谐振时，随着容抗和电抗比值的增大，将依次发生分频、基频、高频谐振。为了更好的研究铁磁谐振，Peterson H.A通过做了大量的模拟实验，通过实验研究和分析，
11、在四十年代初绘制了谐振区域图。通过Peterson H.A的谐振区域图我们可以发现，分频谐振最容易发生，因为分频谐振要求的电压等级低，高频谐振需要的电压等级较高。当系统每一相容抗和电压互感器电抗比值属于0.010.07之间时，分频谐振最容易发生；当每一相容抗和电压互感器电抗比值属于0.070.55之间时，基波谐振最容易发生；当每一相容抗和电压互感器电抗比值属于0.552.8之间时，高次谐波谐振最易发生；当系统每一相容抗和电压互感器电抗比值0.006或大于2.8时，系统一般不发生铁磁谐振。当然Peterson H.A的实验也并不是很全面的，由于当时条件限制，该实验只是在低压下进行的，并没有在高压
12、条件下进行试验，并且也不能反映随电压变化，基频谐振和分频谐振互变的现象。1.3本课题所做的工作为了加深研究铁磁谐振的特征和寻求抑制铁磁谐振的措施，铁磁谐振的数字仿真在研究过程中发挥了重要的作用。本文利用MATLAB/Simulink对电网的10kV中性点不接地系统进行仿真，建立了适合于铁磁谐振研究的系统仿真模型，并在此仿真模型上进行铁磁谐振的相关研究。铁磁谐振是中性点不接地系统中一种常见的现象，经常发生在中性点不接地配电网中。为定量分析谐振发生是产生的过电压和过电流对系统中电力设备的损害，本文分析了单相以及三相铁磁谐振的振荡过程，并探讨了电力系统铁磁谐振产生的机理。为抑制铁磁谐振现象的发生提供
13、了研究平台。随着电力系统的发展和非线性器件在电力系统中的大量应用，铁磁谐振给电网和用电设备造成危害问题变得十分突出，但是电力系统中铁磁谐振过电压的信号检测的问题研究相对较少。对铁磁谐振过电压的信号检测的研究应给予重视，对于谐振过电压信号的检测主要是检测谐振过电压的幅值和判断铁磁谐振的类型两个方面。准确地检测铁磁谐振过电压信号，进而做好消谐的预防措施，为电力系统安全运行提供良好的保证。本文主要工作如下：1、研究电力系统中铁磁谐振过电压的产生机理和特点。2、寻找适当的配电网建立数学模型进行仿真计算，采用数字仿真的方法在系统参数可能变化的范围内探讨了三相PT的谐振发生规律。分别探讨了电压互感器三相励
14、磁特性以及线路参数对铁磁谐振的影响。3、通过仿真得到中性点过电压波形，并对其加入冲击噪声、白噪声以及正弦电压干扰信号来模拟实际系统中传感器采样到得零序电压信号。应用独立分量分析技术将零序过电压信号从采样信号中提取出来；然后利用添加汉宁窗的插值傅里叶方法对解混后的谐振过电压信号进行分析，得到其幅值、频率和相位，从而判断出系统发生铁磁谐振的谐振类型。结合MATLAB/Simulink搭建中性点不接地系统的仿真模型，验证算法的有效性。第2章 配电网铁磁谐振的研究机理第2章配电网铁磁谐振的研究机理在我国电力系统配电网中，在打雷下雨等恶劣的天气里，电压互感器保险丝发生熔断和电力设备绝缘发生破坏等常见的电
15、网事故多是由于铁磁谐振引起的。在电网中性点直接接地系统中，这种系统一般是不会发生铁磁谐振过电压的，因为中性点电压不会发生变化。但是当断路器断开和闭合时，在这种剧烈的冲击下，会导致电压互感器的两端电压瞬间升高，造成铁磁谐振回路的产生是由于电压互感器的非线性电感与断路器均压电容组成了串联电路。在中性点不接地系统中，为了监视发电机的端电压和变压器母线上的电压，因此电磁式电压互感器（Y0接线）时常被接在发电机和变压器母线上，所以电压互感器的非线性电感与线路的对地电容形成回路，为铁磁谐振的发生创造了前提条件，由于不接地系统中的电压互感器的一次侧是星形接线，一次侧绕组成为系统对地的唯一通路。系统在正常运行
16、时，中性点电压是不会出现过大偏移的，若线路中出现大的扰动时，常见的有接地短路故障发生后故障消失或者是断路器操作过程中非同期合闸，这时的PT中的非线性电感会发生三相电感不同饱和程度的现象而产生电压偏移，这就是铁磁谐振产生的机理。在电力系统实际现场中，由于单相短路故障是时常发生的，所以中性点不接地系统容易发生铁磁谐振过电压。在我国中性点不接地的配电网中，由铁磁谐振引起的系统过电压和电压互感器中的过电流，经常破坏设备的绝缘，烧坏电气设备，甚至造成避雷器爆炸等，影响了电力系统的正常运行。2.1铁磁谐振产生机理分析铁磁谐振过电压是最常见的、最难以预防的电力系统过电压事故之一。铁磁谐振按谐振电路类型可以分为串联谐振和并联谐振，其中串联谐振是最常见的。本章以串联谐振为例，分析铁磁谐振的发生机理和谐振的特点3。本章节是基于基波谐振的分析，阐述了铁磁谐振的基本原理。如图2-1所示为最典型的非线性振荡电路。在实际线路中，中性
