智能开关控制的中低压电气设备过渡过程分析与控制

摘要

为了实现智能电网所要达到的柔性自动控制目标，本文首先对电动机、变压器、电抗器、电容器等电气设备在投切电源后的极短暂过渡过程进行详细分析，在此基础上以抑制过电压、过电流为目的，研究如何采用智能开关对该过渡过程进行控制，最后，进一步研究了如何将此受控过渡过程用于一种新的电力通讯技术（工频通讯）中。本文的工作及主要研究成果包括以下几个方面:
　　(1)提出以真空断路器与晶闸管阀组并联构成、采用嵌入式微机控制的中压智能开关新的技术方案，在其正常运行时真空断路器闭合而晶闸管阀开路，负载的投切则主要由晶闸管阀完成，既可以抑制过电压、过电流，又具有结构紧凑、损耗小的优点。研究内容主要包括:晶闸管阀组一次设计、高电位触发电子板设计、高频送能系统设计以及控制保护系统设计。
　　(2)建立了中压智能开关投切电气设备过渡过程的数学模型，以切除电容器组为例，研究了从真空断路器的触点开始动作、产生电弧电压到电流由真空断路器向晶闸管阀转移的暂态过程，获得了成功实现电流转移的条件。主要研究内容包括:对真空断路器动、静触点分离所产生电弧电压与触头间距、电流之间关系的分段线性化描述;构建电流转移过程各个阶段的物理模型和数学模型;推导出切除电容器组暂态过程相关电流和晶闸管阀端电压解析解;最后得到实现电流转移这一关键环节所需要的晶闸管阀组最佳触发时刻和晶闸管阀组设计参数。
　　(3)在感应电机及带感性、容性负载的变压器断电后重新投入电源的过渡过程分析控制方面，提出智能开关控制参数的解析分析方法。通过对交替出现的对称-不对称过渡过程的求解，得到残压的表达式，获得了智能开关的触发角序列与感应电机参数的函数关系，实现了一个工频周期内完成三相绕组的快速投入并有效地抑制冲击电流。
　　(4)将智能开关技术应用到电力通信领域，为双向工频通讯系统研制了新的微机控制器，提出了相关软、硬件设计方案，在工频通讯信号的产生、提取及解调环节解决了多个关键技术难题，使其成功用于电动机的远程监控。研究内容主要包括:通过MCU控制智能开关在变压器副边产生电流畸变信号并通过电磁感应穿越变压器，采用差分方程滤波技术从大功率强干扰的电压、电流波形中提取由智能开关产生的畸变信号，利用互相关以及小波变换编码解调畸变信号所包含的信息，为电动机的运行控制和故障报警提供必要信息，并通过智能开关实施控制。

目录

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摘要

Contents

第1章 绪论

1．1 中低压电气设备暂态过程分析与控制的意义

1．1．1 中低压电气设备暂态过程分析与控制所需解决的基本问题

1．1．2 真空断路器开断不同负载过电压问题

1．1．3 真空断路器投入不同负载冲击电流问题

1．1．4 利用暂态信号实现工频通信的技术问题

1．2 中低压电气设备暂态过程分析与控制发展概况

1．2．1 电容器负载投切控制技术概述

1．2．2 感应电机负载控制技术综述

1．2．3 快速切换控制技术介绍

1．2．4 将暂态信号用于工频通信的相关技术概况

1．2．5 本课题组的前期研究成果

1．3 本文问题的提出、研究内容以及主要贡献

1．3．1 问题的提出

1．3．2 本文的研究内容及主要成果

第2章 智能开关构成及元件特性

2．1 引言

2．2 智能开关构成原理

2．2．1 原理介绍

2．2．2 智能开关动作过程

2．3 智能开关元件特性

2．3．1 真空断路器电弧的基本原理以及现状

2．3．2 真空电弧分段线性化数学模型构建

2．3．3 中压晶闸管阀体设计

2．3．4 高电位触发电子板(TE)分布介绍

2．3．5 智能开关控制保护系统介绍

2．3．6 为双合一TE板提供能量的高频馈送系统

2．4 小结

第3章 智能开关分断电容器组建模分析

3．1 引言

3．2 中压智能开关元件特性实例分析

3．2．1 真空断路器电弧电压的影响因素

3．2．2 在晶闸管阀未导通情况下的电弧电压

3．2．3 电弧电压与电流、时间函数关系及结论

3．2．4 晶闸管阀组触发导通条件

3．3 中压智能开关物理模型及数学模型

3．3．1 物理模型及动作过程

3．3．2 数学模型

3．4 智能开关分断中小容量电容器组暂态分析

3．4．1电弧存在期间内暂态过程求解

3．4．2 智能开关晶闸管阀体参数设计

3．4．3 智能开关晶闸管阀触发时刻

3．4．4 晶闸管导通后电流分析以及采用智能开关切除电容器组与传统方法的现场录波对比

3．5 智能开关分断大容量电容器组数学模型及暂态分析

3．5．1 电弧存在期间内暂态过程求解

3．5．2 元件参数选择依据

3．5．3 触发时刻确定

3．5．4 开关动作时刻对晶闸管导通后电流的影响

3．5．5 采用智能开关切除电容器组与传统方法的现场录波对比

3．6 小结

第4章 智能开关快速投入感应电机参数设计

4．1 引言

4．2 控制步骤

4．3 初始触发角解析研究

4．4 第三相触发角解析研究

4．5 小结

第5章 智能开关切换不同属性负载控制参数设计

5．1 引言

5．2 智能切换开关工作原理

5．2．1 工作步骤

5．2．2 开断方式

5．3 切换过程中系统残压

5．3．1 切换空载变压器

5．3．2 切换变压器带感应电机负载

5．3．3 切换变压器带电容器负载

5．4 切换参数设计

5．4．1 变压器带感应电机负载初始两相导通电流求解

5．4．2 变压器带电容器负载初始两相导通电流求解

5．4．3 初始两相导通角α0res求解

5．4．4 变压器带感应电机负载第三相导通电流求解

5．4．5 变压器带电容器负载第三相导通电流求解

5．4．6 第三相触发角α1res确定

5．4．7 负载属性识别

5．4．8 仿真与实验验证

5．5 小结

第6章 智能开关控制的工频通信技术

6．1 引言

6．2 以工频通信为手段的分散式抽油机监测系统

6．3 抽油机电流信息在短时域中的连续计算

6．3．1 适用于抽油机负载特性的监测算法

6．3．2 短窗Morlet复小波的基本原理

6．3．3 相关参数的选择

6．3．4 仿真分析

6．4 适应油田电网的工频通信方式

6．4．1 工频通信基本原理

6．4．2 工频通信信号的前导信息调制

6．4．3 前导信息的叠加合成

6．4．4 叠加合成信号的时频分析

6．4．5 同步检测的实现

6．4．6 调制信号的时域确定

6．4．7 数据解调与现场试验

6．5 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 对以后进一步研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介