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串联谐振型限流器故障快速识别方法 0 短路故障快速识别 在传统的限流电驱器的基础上，串联源限制流器，以产生与电驱器相位共振的电动汽车。短路时，电动汽车迅速离开，对应于输入电驱器，达到流量限制的目的。短路故障识别是限流器快速触发策略的关键环节,电容器快速旁路动作速度决定了限流器的投入速度。关于故障识别方法国内外有许多研究成果。传统保护算法由于计算电流基波分量,滤波时间窗口过长,不满足限流器快速性的要求。电流行波穿越串联电抗器的能力非常弱,不适用于限流器故障检测。文献[9-10]介绍了串补工程上采用的短路电流瞬时值和电流微分率方法。电流幅值和变化率能直接快速体现故障信息,但电流幅值受合闸角和距离的影响,而电流变化率容易受到高频噪声的干扰。文献研究了超导限流器快速触发方法。该方法采用神经网络辨识短路电流方法,由可编程硬件电路(field programmable gate array,FPGA)实现。文献研究了短路电流快速识别电路。该电路原理基于移相器相位滞后,故障信号产生突变电平机理。传统的故障判断都是集中在PC机完成,文献[11-12]介绍的方法利用底层硬件实现信号处理,减少了信号检测和传输环节,加快了检测速度。 串联谐振型限流器本体信号(如短路电流、电容器和电抗器端口电压等)易于测量,具有很好的响应特征。因此有必要研究以限流器本体信号作为保护判据的理论依据。本文提出一种短路故障快速识别方法,该方法利用谐振元件正常时电压差为0,短路故障时谐振元件电压差会突变的原理。仿真结果表明该方法受故障距离和合闸角影响较小,能快速检测短路故障,有效降低限流器动作电流和电压应力。 1 振幅电压差的识别方法 1.1 短路附加状态叠加法 限流器电气暂态变化量中,金属氧化物变阻器(metal oxide varistors,MOV)的能耗信号达到阈值所需时间最长,短路故障最直接的判据就是短路电流,谐振电压差也是较快的突变量信号。下面将分析谐振电压差故障突变信号的特性。 稳态时由于限流元件工频谐振,限流电抗电压与谐振电容电压幅值相等、方向相反,因此两者标量之差为0。设故障发生时刻为t0,故障持续时间tfault。MOV动作时刻为t1。设稳态时系统电流为i(28)Imsin(uf077t(10)uf061-uf06a)。在[t0,t1]区间内,按照短路附加状态叠加法,故障电流为 式中:uf06ai为故障阻抗角;uf077为系统频率;0uf077为系统谐振频率;uf062p为阻尼衰减系数;uf071为谐振电流阻抗角;uf06ad为短路初始时刻相位角;Im1为限流器插入系统后的短路稳态电流;Im2为衰减振荡电流。从式(1)可以知道,由于限流器含有电容支路,造成短路电流中有衰减的余弦分量,则电流变化率和谐振电压差分别为 式中:L为限流电抗;C为谐振电容。从式(2)(3)得出,电流变化率突变量取决于uf077Im1,谐振电压差突变量取决于Im2。图1为短路时刻谐振元件电压曲线。图中故障时刻在200 ms,电抗电压可以认为等同于电流变化率。电流变化率和谐振电压差在短路电流初始时刻均有明显跳变,谐振电压差由于初始时刻为0,跳变幅值更加剧烈。 1.2 保护判据特性仿真分析 以华东电网500 k V限流器工程为背景,原短路电流最大为51 k A,接入限流器后,限流电抗为8uf057,短路电流控制为47 k A以下。谐振电容为398uf06dF,谐振电抗为25.5 m H,电抗器额定电压为16 k V,MOV保护电压值为52 k V。仿真软件为PSCAD4.0.2。系统运行条件基于2010年华东电网夏季高峰方式。 保护判据阈值为:电流瞬时值8 k A,电流变化率2 A/uf06ds,谐振电压差为15 k V。考虑信号采样、传递和判决计算时间开销,设延时时间为2 ms。故障点设置为5%、35%、55%、75%线路内故障,合闸角从0uf0b0到180uf0b0,故障类型为三相接地、两相短接、两相接地、单相接地。对保护判据响应时间特性做了大量仿真计算,三相接地时间特性曲线如图2所示。 从线路出口处三相接地故障得知,谐振电压差响应时间在2.2 ms,电流变化率为2.8 ms。在合闸角160uf0b0,电流变化率跳变为4 ms,谐振电压差在170uf0b0有跳变,跳变为3 ms。仿真结果表明:在不同的故障位置和不同合闸角下,谐振电压差判据动作时间总是最快。同时,随着合闸角的不同,电流瞬时值和电流变化率判据的时间特性曲线都有上翘部分,这说明在特定的合闸角下,该判据动作时间要相对更长些,甚至可能出现死区现象。而基于谐振电压差的判据时间特性随合闸角的变化走势平稳。 2 保护计划 2.1 谐振电压分析 当线路断路器开断和重合闸时,谐振电压差信号会突变,发出误动作信号,如图3所示。断路器断