10kV配电网可控电弧接地装置的研究与设计

本文是电力论文，本文研究工作如下：（1）本文研究的10kV配电网可控电弧接地装置接入10kV馈线与地之间，实现对电弧接地放电次数和放电周期的精确控制，能模拟长间隙的电弧放电现象，发生真实的单相接地，是一种单相接地故障处理性能测试的合适方法。（2）STM32处理器通过光纤传输信号，采用五组高压发生器引燃长间隙电弧。通过光电管采集到放电球隙上燃弧的信号送到主控芯片中实现弧光反馈，检测单相电弧接地现象的发生，实施停止高压发生器的动作，达到球隙燃弧时间的精确控制。（3）设计的灭弧电路，主要由灭弧控制电路模块、灭弧电磁铁和磁吹线圈组成。利用磁吹灭弧的原理，采用主控芯片STM32F407VET6作为MCU，经过光纤传送信号，使磁吹线圈通电，灭弧电磁铁产生磁场作用力，熄灭长间隙电弧。本文研究的可控电弧接地装置达到对10kV配电网单相接地的引弧和灭弧的精确控制，可真实地模拟10kV配电网单相电弧接地，用来测试配电网单相接地故障选线装置的可靠性。配电网可控电弧接地装置通过在实际现场的应用，可真实地模拟10kV配电网单相电弧接地，对配电网中安装的单相接地故障选线装置的可靠性进行测试和验证，可以提前发现存在的问题和缺陷并有针对性地进行改进，推进配电网单相接地故障选线装置的实用化进程，有效缩短单相接地故障查找时间，降低引发相间短路故障的风险，提高配电网的供电可靠性，也可以为设备制造厂家和科研院所提供设备测试环境，提升其设备制造水平，具有显著的经济和社会效益，因此应用前景比较广阔。

1绪论

长期以来，人们开发出了许多种选线方法及装置，但在实际应用中的效果并不好，只能作为辅助参考，单相接地故障选线装置会出现误判和漏选，选线装置的准确率较低[9]。这是由于小电流接地系统稳态电流小，很有可能接近零序电流互感器的下限容许值，造成测量上的误差，以至于做出错误的选线结论。其次由于系统的不平衡产生的电流可能与故障时刻产生的零序电流相当，也能使选线设备误动作。对于经过消弧线圈接地的系统，经过消弧线圈的补偿作用使其基波成分和五次谐波减小，不能满足选线原理的需要，这些原因导致了选线装置出现误判，给选线带来了困难，因此造成电力系统可靠性降低，运行维护困难，供电电能质量低。而若不能及时处理单相接地故障，就有可能引发两相短路接地故障[10]。为此，研究单相接地故障选线处理性能测试装置是非常有必要的。目前验证单相接地故障选线处理的可靠性是需要依靠长期等待单相接地故障的发生才行，这样的情况下会使得单相接地故障选线装置的缺陷难以早期发现和解决，所以迫切需要改善和提高小电流接地系统单相接地故障选线装置的可靠性，以提高供电可靠性和变电站的自动化运行水平。为了验证配电网单相接地故障选线装置的可靠性，能够针对性地进行完善单相接地故障选线装置的缺陷，因此研究单相接地故障处理性能测试装置的意义非常重大。

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2配电网单相接地故障原理分析

2.1单相接地的概况

单相电弧接地故障在单相接地故障中的危害比较大，电弧接地中的电弧时变特性较强，是一个高度非线性的阻抗，不仅含有电阻分量，也同样具备等效的电感和电容性分量。该电弧在实际中存在的形态与电弧电流的大小、形成电弧的长度以及周围环境皆有不同程度的关联，会随之产生变化[26]。因此，在对电弧进行数学建模的过程中是非常具有难度的，即使通过理论的分析也不是一件容易的事情，电弧的模型与实际的电弧是有差异的。在小电流接地系统运行中经常发生的过电压与内部的操作和雷电的影响有关，绝缘子表面因电网的瞬时或长期的过电压会造成闪络现象，此时在导线对地的绝缘性薄弱的地方会发生空气间隙被击穿的现象，进而发生单相电弧接地故障[27]。由于故障电流小，因此发生电弧接地时故障点电流经过一次过零或者经过几个周期后，电弧接地现象就会自动消失，该现象被称作瞬时性故障，对电网不会有很大的危害性。但有时一些电弧会在故障消失后又发生重燃现象，此类现象被称作间隙性故障，这一过程会造成持续性伤害。若电弧在故障电流过零时消失，之后发生重燃现象，这种产生的电弧现象被称作稳定性电弧。

2.2单相接地故障的稳态分析

正常运行时三相电源的线电压是平衡的。由于是中性点不接地系统，其中心点电位是可以漂移的。表示等效的三相电源电动势，C4、C5、C6是线路1的各相对地分布电容，C7、C8、C9是线路2的各相对地分布电容，C1、C2、C3是母线及背后电源每相对地等效电容。A相接地故障时，此时A相对地电压为零，所以B、C两相与A相之间还是线电压，还是平衡的。可是B、C两相对地电压升高至相电压的1.7倍，产生过电压现象，对绝缘水平的要求高。在小电流接地系统中，发生单相接地故障时，非故障线路的零序电流等于该线路三相对地电容电流的向量和，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流等于全系统非故障线路对地电容电流的向量之和，方向由线路流向母线。当中性点不接地系统中发生单相接地时，如果接地电流比较大，就会在接地点燃起电弧，如果电弧是间断性的，会引起电弧过电压，非故障相的对地电压升高数倍，破坏绝缘。为了解决这个问题，在中性点接入一个消弧线圈，当出现单相接地故障的时候，接地点会有一个电感分量的电流和原系统中的电容电流相抵消，这样就可以减小流经故障点的电流。

3可控电弧接地装置总体结构...............................................................................................12
3.1可控电弧接地故障装置总体框架..........................................................................12
3.2电弧接地装置主控电路结构...................................................................................12
3.3引弧电路......................................................................................................................13
4可控电弧接地装置的硬件设计..........................................................................................20
4.1电弧接地装置的主控电路设计...............................................................................20
4.2引弧电路设计.............................................................................................................28
4.3灭弧电路设计.............................................................................................................32
4.4本章小结......................................................................................................................33
5可控电弧接地装置的软件设计..........................................................................................34
5.1软件开发工具介绍....................................................................................................34
5.2嵌入式系统软件设计.........................................................34

6配电网电弧接地装置的应用测试

6.1电弧接地现场测试的基本原理

图6.1中的引弧电路和灭弧电路处于高压环境下，对电路的控制造成很大的干扰，利用光纤传送给定的信号控制引弧和灭弧，不仅避免了电磁干扰，而且对各控制模块起到隔离的作用。电压互感器和电流互感器采集10kV配电网线路上的电压和电流信号。引弧电路可以通过控制高压发生器的通断来控制高压放电次数和周期，高压发生器不能一直连续拉弧，否则会影响对单相接地测试实验的结果，要做到放电周期可控，稳定性高。弧光检测部分是测试10kV放电球隙间是否引燃电弧，一旦检测到球隙间的电弧的光照强度后，表示10kV配电网发生了单相接地，这时控制器判断电弧接地时间是否达到要求，满足判断条件后，主控电路对灭弧电路发送指令，控制磁吹灭弧电路实施灭弧。为了给配电网单相接地故障处理选线测试提供技术手段，促进配电网单相接地故障选线系统的实用化进程，为提高配电网单相接地故障选线的准确度提供更好的平台。本章介绍了10kV真型配电网单相接地模拟测试平台的系统结构，描述了可控电弧接地装置所设计的电路模块，用示波器测得引弧电路中的高压发生器产生电弧通断的波形，搭建了测试磁吹线圈的电路模型，测试了磁吹线圈的工作特性。

6.2真型配电网单相接地故障模拟测试平台

为了10kV配电网单相接地装置的实现，本文利用实验室的模拟测试平台，在实验室模拟配电网单相电弧接地故障。选用的电缆为120mm2聚乙烯绝缘10kV电力电缆，每根电缆都具有2km的长度。由于实验场地的限制，采用电缆集中参数模拟装置代替实际中使用的电力电缆。采用10kV母线并联对地等效电容柜模拟线路对地电容，采用电缆集中参数模拟装置用来模拟实际的电缆。如图6.2所示。从图6.6的引弧电路模块可以看到，五组独立的高压发生器驱动电路通过各自对应的高压发生器产生高压电弧，在引弧电极产生电弧。五组高压发生器驱动电路的电源开关由光纤接口接收的控制信号驱动。经过实验验证，引弧电路模块具有可靠性高，危险性低，结构紧凑，控制响应准确等特点。图6.11是灭弧控制器输出回路的工作特性，图6.11中下面的信号a（CD间电压）为磁吹线圈的电压特性，上面的信号b（DE间电压）为磁吹线圈的电流特性。灭弧控制器输出回路的工作电压24V，控制器发出命令的有效时间是1s，磁吹线圈的工作电流达到8A。磁吹线圈通电时，励磁涌流瞬时引起电压升高，磁吹线圈断电时，磁吹线圈放电时间是310.5ms。通过在实验室的10kV真型配电网单相接地模拟测试平台开展单相接地测试实验，证明了10kV配电网可控电弧接地装置作为配电网单相接地故障处理性能测试手段的可行性，真型配电网单相接地模拟测试平台能够现场产生单相接地（电阻器分别为250Ω和500Ω），实现对各种原理的配电网单相接地故障处理装置性能的测试。

7结论与展望

在我国的配电网中性点非有效接地的工作方式下，缺乏单相接地故障性能的测试装置。（4）在KeiluVision的开发环境下对硬件电路各个模块功能进行软件程序的设计。主要包括信号采样程序设计、频率捕捉程序设计、通信模块程序设计、人机交互模块程序设计。（5）利用实验室的10kV真型配电网单相接地故障模拟测试平台，实现单相电弧接地的现象的重复性和可行性强。适用于中性点非有效接地的10kV配电网单相接地故障选线性能测试，能更好地改善单相接地故障选线的可靠性能。由于在单相接地故障性能测试领域的学习和研究的时间较短且个人能力水平有限，本文设计的适用于单相接地故障性能测试的可控电弧接地装置仍有很多不足。基于本文所做的研究工作，对将来的工作提出展望。（1）现有的10kV配电网可控电弧接地装置模拟的单相接地故障时的接地电流最大不超过8A，希望能在单相接地电流较大（大于12A）的情况下，10kV配电网可控电弧接地装置成功实现单相电弧接地故障现象。（2）本文的10kV配电网可控电弧接地装置是在实验室搭建的真型配电网单相接地故障模拟测试平台上运行的，希望在现有的单相接地测试技术方法上进行改进，能在实际的现场测试运行。