（电力电子与电力传动专业论文）基于磁通补偿的消弧线圈.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1绪论 概要】本章概述了电力系统谐振接地的发展及其应用，介绍了消弧线圈的发展，论述了本文 的主要工作。 1 1 电力系统谐振接地的发展及其应用 在电力系统发展初期，由于容量较小，人们对过电流的一系列危害作用估计不足， 同时对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高，所以，电力设备的中性点最初 都采用直接接地方式运行。但是，随着电力系统的扩大，单相接地故障增多，线路断 路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，于是，便将直接接地方式改为不接地方式运行。 而后，由于电力传输容量增大，距离延长，电压等级的升高，使得发生单相接地故障 时，接地电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，间歇电弧产生的过电压又使事 故扩大。为解决系统中出现的这些问题，世界上许多国家采用了中性点谐振接地的方 式。 当时两个工业比较发达的国家分别采取了不同的途径。德国为了避免对通信线路 的干扰和保障铁路信号的正确动作，采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除 瞬间接地故障；美国采用了中性点直接接地和经低电阻、低阻抗等接地方式，并配合 快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路。这两种代表性的解决办法，对后来世 界上许多国家如的电力系统中性点接地方式的发展产生了很大的影响。 中性点谐振接地，即中性点经消弧线圈接地。虽然工作时消弧线圈的调谐电感只 在一个不大的范围内变动，但系统的零序阻抗却接近无限大。由于这种情况对熄灭接 地电弧更为有利，故中性点经消弧线圈接地的电力系统最初曾有“共振接地”之称。 不过，运行中的消弧线圈和现代的自动跟踪补偿装置并不都是恰好在谐振点运行，一 般它们多采用略微偏离谐振点的过补偿运行方式。因“谐振接地”这一术语比较符合 中性点经消弧线圈接地系统的实际情况，所以中性点经消弧线圈接地的电力系统通常 称为谐振接地系统。 当今世界各国的大型发电机应用较多的中性点接地方式，为谐振接地和经高电阻 接地两种。对于大型的水轮发电机来说，从安全接地电流方面考虑，高电阻接地方式 的应用会受到限制，而谐振接地方式由于单相接地继电保护问题已经解决，当需要时 同样可以自动瞬间跳开故障的发电机，故其适应范围可实际不受限制。随着微机接地 保护自动切机问题的解决，谐振接地方式依然优于高电阻接地方式。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 消弧线圈的发展 消弧线圈是德国科学家彼得生( w p e t e r s o n ) 于1 9 1 6 年发明的，所以有时称为彼 得生线圈，是用来补偿中性点绝缘系统发生对地故障时产生的容性电流的单相电抗器， 在美国又称为接地故障补偿装置( g r o u n df a u l tn e u t r a l i z e r ) 等。它在三相系统中接在 电力变压器或接地变压器的中性点，其电感时可变的，磁路一般采用带多个气隙的铁 心。世界上第一台消弧线圈安装在德国普来德尔斯海姆( p l e i d e l s h e i m ) 电厂的发电机 中性点，于1 9 1 7 年投入运行。经过近一个世纪的实践检验、理论充实和近些年来高技 术的支持，消弧线圈已在世界范围内得到广泛的应用。 消弧线圈的补偿电流有分级调整和无级调整之分，调整方式又有手动和自动之别， 而自动调整者又有在发生接地故障前预先调整的预调式和出现接地故障后的迅即调整 的随调式两种。因手动方式的消弧线圈存在众多不足，所以现在的消弧线圈均为自动 方式。 随着微机技术的推广应用，谐振按地系统继电保护选择性问题在国内外均己取得 突破性进展，可以准确地对单相接地故障线路进行选线检出，可以发报警信号，也可 在确认发生永久性接地故障的情况下，作用于自动跳闸或延时跳闸。消弧线圈的系统 已实现了从手动到全自动的转变，在无人值班变电站中起到了不可替代的作用。 1 3 课题的目的及主要工作 本文提出一种新型的消弧线圈，利用在基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波 器基础上发展起来的磁通可控电抗器原理，设计成基于磁通补偿的消弧线圈。在双边 励磁变压器的二次侧注入由i g b t 逆交器产生的与一次侧成比例的电流，控制变压器 的磁通，实现变压器一次侧等效阻抗可调的目的。该消弧线圈具有无谐波，低成本， 连续无级调节，调节范围广，响应速度快等优点。 本人的主要工作： 1 ) 对基于磁通补偿的消弧线圈的工作原理进行理论分析，建立模型，推出消弧线 圈的电流调节特性和铁心内磁通的变化情况，证明该消弧线圈的工程实用性及 其相对其他种类消弧线圈的优势； 2 ) 对消弧线圈的整个系统进行设计，包括阻抗可调的实现、控制方案的设计、电 容电流检测、消弧线圈与控制系统、电力系统的连接等： 3 ) 分析了电流跟踪的控制策略，对滞环电流控制和定频的三角波控制进行了理论 分析和参数设计，并进行仿真，寻找最佳控制方案； 4 ) 设计了消弧线圈的硬件系统，包括磁通可控电抗器、控制电源和i g b t 驱动保 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 消弧线圈的发展 消弧线圈是德国科学家彼得生( w p e t e r s o n ) 于1 9 1 6 年发明的，所以有时称为彼 得生线圈，是用来补偿中性点绝缘系统发生对地故障时产生的容性电流的单相电抗器， 在美国又称为接地故障补偿装置( g r o u n df a u l tn e u t r a l i z e r ) 等。它在三相系统中接在 电力变压器或接地变压器的中性点，其电感时可变的，磁路一般采用带多个气隙的铁 心。世界上第一台消弧线圈安装在德国普来德尔斯海姆( p l e i d e l s h e i m ) 电厂的发电机 中性点，于1 9 1 7 年投入运行。经过近一个世纪的实践检验、理论充实和近些年来高技 术的支持，消弧线圈已在世界范围内得到广泛的应用。 消弧线圈的补偿电流有分级调整和无级调整之分，调整方式又有手动和自动之别， 而自动调整者又有在发生接地故障前预先调整的预调式和出现接地故障后的迅即调整 的随调式两种。因手动方式的消弧线圈存在众多不足，所以现在的消弧线圈均为自动 方式。 随着微机技术的推广应用，谐振按地系统继电保护选择性问题在国内外均己取得 突破性进展，可以准确地对单相接地故障线路进行选线检出，可以发报警信号，也可 在确认发生永久性接地故障的情况下，作用于自动跳闸或延时跳闸。消弧线圈的系统 已实现了从手动到全自动的转变，在无人值班变电站中起到了不可替代的作用。 1 3 课题的目的及主要工作 本文提出一种新型的消弧线圈，利用在基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波 器基础上发展起来的磁通可控电抗器原理，设计成基于磁通补偿的消弧线圈。在双边 励磁变压器的二次侧注入由i g b t 逆交器产生的与一次侧成比例的电流，控制变压器 的磁通，实现变压器一次侧等效阻抗可调的目的。该消弧线圈具有无谐波，低成本， 连续无级调节，调节范围广，响应速度快等优点。 本人的主要工作： 1 ) 对基于磁通补偿的消弧线圈的工作原理进行理论分析，建立模型，推出消弧线 圈的电流调节特性和铁心内磁通的变化情况，证明该消弧线圈的工程实用性及 其相对其他种类消弧线圈的优势； 2 ) 对消弧线圈的整个系统进行设计，包括阻抗可调的实现、控制方案的设计、电 容电流检测、消弧线圈与控制系统、电力系统的连接等： 3 ) 分析了电流跟踪的控制策略，对滞环电流控制和定频的三角波控制进行了理论 分析和参数设计，并进行仿真，寻找最佳控制方案； 4 ) 设计了消弧线圈的硬件系统，包括磁通可控电抗器、控制电源和i g b t 驱动保 2 华中科技大学硕士学位论文 护； 5 ) 用m a l a b 6 5 s i m u l i n k 仿真软件对消弧线圈工作特性和电流的跟踪控制进行 仿真，确定各部分参数； 6 ) 根据理论分析的结果，设计实验电路，完成调试，进行了电流跟踪实验，模拟 消弧实验，得出理想的实验结果，为以后的进一步研究打下基础。 3 华中科技大学硕士学位论文 2 消弧线圈的工作原理 概要 本章分析了消弧线圈的工作原理，叙述了各个参数代表的意义，介绍了几种常用的消 弧线圈及其分类。 2 1 中性点不接地系统的接地过电压 从理论上讲，在没有对地电容的情况下，中性点绝缘的供电系统发生单相接地故 障时，由于两个独立系统只有一点相连，并不互相干扰，仍然能够各自稳定工作，接 地点的电流为零。但是，由于对地电容的存在，使得流经故障点的电流不再为零，而 为某个值的容性电流，如图2 1 所示【i 7 】。c 口、g 、g 分别表示a 、b 、c 三相导线的对 地电容。 _ 冷斗 u 乡牛一扣曲t ( a ) 线路结构( b ) 等效电路( c ) 电容电流矢量图 图2 1 中性点绝缘系统的单相接地故障原理图 正常情况下，巩o = o 。当c 相发生接地故障时，根据戴维南定理，可得到如图2 1 b 亡1 所示的零序阻抗等效电路a 故障电流5 篆其中z ( 2 i i 瓦而所以 ，= j o ( c a + g + c ) 岛。若g = c b = g ，则c 相发生短路故障时，各相电流的矢量变 化如图2 1 c 所示，短路电流丘= 3 丘，= 3 厶= 3 丘，与图( b ) 的理论分析一致。 若系统较小，线路不长，则线路的对地电容电流小，流经故障点的电流也小，由 暂时性故障产生的接地电弧在故障过后可以自动熄灭，系统可以很快恢复正常。但是， 随着系统的发展和电压等级的提高，单相故障接地电流跟着增大，例如3 5 k v 线路总长 度为1 0 0 k m 时，电容电流约为i o a ，这时电弧已难以自动熄灭，而这个电流又不至于 大到形成稳定电弧的程度，因此出现电弧时燃时灭的不稳定状态。这种间歇性的电弧 会导致系统中弧光接地过电压。据实测，弧光接地过电压一般不超过额定相电压的3 4 华中科技大学硕士学位论文 2 消弧线圈的工作原理 概要 本章分析了消弧线圈的工作原理，叙述了各个参数代表的意义，介绍了几种常用的消 弧线圈及其分类。 2 1 中性点不接地系统的接地过电压 从理论上讲，在没有对地电容的情况下，中性点绝缘的供电系统发生单相接地故 障时，由于两个独立系统只有一点相连，并不互相干扰，仍然能够各自稳定工作，接 地点的电流为零。但是，由于对地电容的存在，使得流经故障点的电流不再为零，而 为某个值的容性电流，如图2 1 所示【i 7 】。c 口、g 、g 分别表示a 、b 、c 三相导线的对 地电容。 _ 冷斗 u 乡牛一扣曲t ( a ) 线路结构( b ) 等效电路( c ) 电容电流矢量图 图2 1 中性点绝缘系统的单相接地故障原理图 正常情况下，巩o = o 。当c 相发生接地故障时，根据戴维南定理，可得到如图2 1 b 亡1 所示的零序阻抗等效电路a 故障电流5 篆其中z ( 2 i i 瓦而所以 ，= j o ( c a + g + c ) 岛。若g = c b = g ，则c 相发生短路故障时，各相电流的矢量变 化如图2 1 c 所示，短路电流丘= 3 丘，= 3 厶= 3 丘，与图( b ) 的理论分析一致。 若系统较小，线路不长，则线路的对地电容电流小，流经故障点的电流也小，由 暂时性故障产生的接地电弧在故障过后可以自动熄灭，系统可以很快恢复正常。但是， 随着系统的发展和电压等级的提高，单相故障接地电流跟着增大，例如3 5 k v 线路总长 度为1 0 0 k m 时，电容电流约为i o a ，这时电弧已难以自动熄灭，而这个电流又不至于 大到形成稳定电弧的程度，因此出现电弧时燃时灭的不稳定状态。这种间歇性的电弧 会导致系统中弧光接地过电压。据实测，弧光接地过电压一般不超过额定相电压的3 4 华中科技大学硕士学位论文 倍，但是个别可达5 倍，这种过电压持续时间可能较长，若不采取措施，可能危及设 备绝缘，引起相间短路，造成更大的危害。解决弧光过电压的最有效措施是安装消弧 线圈，以补偿电容电流【j 。 实际上，在系统中，每相输电线路还存在着对地的泄漏电阻。这个电阻与线路的 绝缘水平有关，我们希望是无穷大，但是，由于设备制造水平、工作环境造成的污损 等因素的存在，泄漏电流是不可能减少到零的。至于这个电流的特点及规律，要由专 门从事绝缘检测的人员来完成。这里，由于其值不起决定性作用，所以不加考虑，只 是在后续的分析中用r o 表示，其电流用1 0 表示。 2 2 消弧线圈的消弧原理 在外加电压一定的时候，从电感电流和电容电流成反相关系这一特点受到启发，德 国科学家p e t e r s o n 于1 9 1 6 年发明了消弧线圈，接在电力在系统的中性点与地之间，如 图2 2a 所示。设c 相对地短路，根据等效发电机原理，可得如图2 2b 所示的零序等 效电路，考虑泄漏电阻r o 和消弧线圈的有功分量，得如图2 2c 所示的等效电路，图中 c = c o + g + c c ，r 代表泄漏电流和消弧线圈有功电流之和的等效电阻l i ，2 ，3 7 j 。 ( a ) 线路结构( b ) 等效电路1( c ) 等效电路2 图2 2中性点经消弧线圈接地的原理图 懒槲讯肌每谢舰f 2 再1 因此故障电流可以表示为，= 毫( j o c j 去) 。当l 满足c o l = 七时，接地电流将减到 c o lc o c 最小。也就是说，接地的电容电流将被消弧线圈完全抵消，接地电弧可以自然熄灭。 2 3 消弧线圈的脱谐度、合谐度与阻尼率 令电网的接地电容电流七= 以g + g + g ) e c ，消弧线圈的补偿电流1 l = 髓c o l ，考 华中科技大学硕士学位论文 倍，但是个别可达5 倍，这种过电压持续时间可能较长，若不采取措施，可能危及设 备绝缘，引起相间短路，造成更大的危害。解决弧光过电压的最有效措施是安装消弧 线圈，以补偿电容电流【j 。 实际上，在系统中，每相输电线路还存在着对地的泄漏电阻。这个电阻与线路的 绝缘水平有关，我们希望是无穷大，但是，由于设备制造水平、工作环境造成的污损 等因素的存在，泄漏电流是不可能减少到零的。至于这个电流的特点及规律，要由专 门从事绝缘检测的人员来完成。这里，由于其值不起决定性作用，所以不加考虑，只 是在后续的分析中用r o 表示，其电流用1 0 表示。 2 2 消弧线圈的消弧原理 在外加电压一定的时候，从电感电流和电容电流成反相关系这一特点受到启发，德 国科学家p e t e r s o n 于1 9 1 6 年发明了消弧线圈，接在电力在系统的中性点与地之间，如 图2 2a 所示。设c 相对地短路，根据等效发电机原理，可得如图2 2b 所示的零序等 效电路，考虑泄漏电阻r o 和消弧线圈的有功分量，得如图2 2c 所示的等效电路，图中 c = c o + g + c c ，r 代表泄漏电流和消弧线圈有功电流之和的等效电阻l i ，2 ，3 7 j 。 ( a ) 线路结构( b ) 等效电路1( c ) 等效电路2 图2 2中性点经消弧线圈接地的原理图 懒槲讯肌每谢舰f 2 再1 因此故障电流可以表示为，= 毫( j o c j 去) 。当l 满足c o l = 七时，接地电流将减到 c o lc o c 最小。也就是说，接地的电容电流将被消弧线圈完全抵消，接地电弧可以自然熄灭。 2 3 消弧线圈的脱谐度、合谐度与阻尼率 令电网的接地电容电流七= 以g + g + g ) e c ，消弧线圈的补偿电流1 l = 髓c o l ，考 华中科技大学硕士学位论文 倍，但是个别可达5 倍，这种过电压持续时间可能较长，若不采取措施，可能危及设 备绝缘，引起相间短路，造成更大的危害。解决弧光过电压的最有效措施是安装消弧 线圈，以补偿电容电流【j 。 实际上，在系统中，每相输电线路还存在着对地的泄漏电阻。这个电阻与线路的 绝缘水平有关，我们希望是无穷大，但是，由于设备制造水平、工作环境造成的污损 等因素的存在，泄漏电流是不可能减少到零的。至于这个电流的特点及规律，要由专 门从事绝缘检测的人员来完成。这里，由于其值不起决定性作用，所以不加考虑，只 是在后续的分析中用r o 表示，其电流用1 0 表示。 2 2 消弧线圈的消弧原理 在外加电压一定的时候，从电感电流和电容电流成反相关系这一特点受到启发，德 国科学家p e t e r s o n 于1 9 1 6 年发明了消弧线圈，接在电力在系统的中性点与地之间，如 图2 2a 所示。设c 相对地短路，根据等效发电机原理，可得如图2 2b 所示的零序等 效电路，考虑泄漏电阻r o 和消弧线圈的有功分量，得如图2 2c 所示的等效电路，图中 c = c o + g + c c ，r 代表泄漏电流和消弧线圈有功电流之和的等效电阻l i ，2 ，3 7 j 。 ( a ) 线路结构( b ) 等效电路1 ( c ) 等效电路2 图2 2中性点经消弧线圈接地的原理图 懒槲讯肌每谢舰f 2 再1 因此故障电流可以表示为，= 毫( j o c j 去) 。当l 满足c o l = 七时，接地电流将减到 c o lc o c 最小。也就是说，接地的电容电流将被消弧线圈完全抵消，接地电弧可以自然熄灭。 2 3 消弧线圈的脱谐度、合谐度与阻尼率 令电网的接地电容电流七= 以g + g + g ) e c ，消弧线圈的补偿电流1 l = 髓c o l ，考 华中科技大学硕士学位论文 虑泄漏电流和消弧线圈的有功电流，设其总和为厶，则单相接地的残流为呻】 i 5 = i r + j ( i c i 定义消弧线圈的脱谐度1 ，= ( 七一屯) 俺；合谐度k = 1 - - v = i l c ；阻尼率d = i r ，c 。 由电流和阻抗的关系，其脱谐度又可表示为v ：c o c - 1 c o l ，合谐度又可表示为 吼 k 2 i 丢则j s 又可表示为 厶= ( d + j v ) = 七 d + j ( 1 一足) ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 表明了消弧线圈的工作效果由阻尼率和脱谐度的大小而定，残流的相位和 大小也可由此计算 m 3 j 4 1 。 1 ) 脱谐度和合谐度 由定义可知，残流厶的的无功分量c 一l 与补偿电网的电容电流七之比，其符号的正 负和数值的大小表示谐振回路的不同工作状 态和偏离谐振点的程度。所以可以根据v 和世 的大小，把线路分成三个不同的工作状态。 全补偿( 谐振点，v = 0 ，k = 1 ) 。当 电流谐振回路刚好在谐振点工作时， 电容电流与电感电流大小相等，方向 相反，彼此完全抵消，残流达到最小， 厶= e ； f ， 、 ， 、 一z l t 。 v 图2 3 厶与v 之间的关系曲线 欠补偿( v o ，k 1 0 0 ) 内自动调节，调节范围为( z l + 乙) ，z l 。由于变压器两 边绕组的电流均为正弦基波电流，故这种电抗器不会制造谐波，与其他种类的电抗器 相比，具有噪声小、控制精度高、连续无级调节、无谐波等优点。利用这种原理做成 的消弧线圈具有很好的性能。 3 1 2 二次侧的等效电路 从变压器二次侧看进去 吼= i ；z ；+ ( j ，+ e ) 乙 华中科技大学硕士学位论文 取e = 一面。，因为j + 矗与j 。m ；b - 向，t + 与- i ；同方向，所以 d ；：立z ；+ ( 一丘) ( 1 一土) 乙： z ；+ ( 土一1 ) 乙 立( 3 - 7 ) a口 所以二次侧等效阻抗 z l ：z i + ( 土一1 ) 乙( 3 - 8 ) 口 由式( 3 - 8 ) 可得消弧线圈二次侧等效阻抗z 0 和口的关系如图3 1 2 1 所示。 图3 1 2 1z 甜和口的关系图图3 1 2 2u 2 与口的关系图 下面分析u 2 的特点： 把厶= 一甜和t = 乏耘代入式( 3 - 2 ) 得 玩且k 错z 1 ( 3 - 9 l + ( 一口) 乙 、7 取u l 为固定值，则“2 与a 的关系如图2 1 2 所示。 当口= 0 时， 吼= 麦，警 当口= z j ( z l + 乙) 时，0 2 = 0 当口= l 时， 分析二次侧等效电路的目的在于后续工作中进行电流控制时，对控制方式的选择 进行指导，并对控制系统的参数设定与优化提供理论依据。从理论上说，当口 l 时， 变压器内的磁通将反向，一次侧电流将超前电压，表现出容性，但是从图3 1 2 2 可知， 此时“2 将大大超过u t k ，使得系统无法工作。所以口 1 的过补偿工作方式是不可能实 华中科技大学硕士学位论文 现的，一般设计时，取a t 5 0 ，同时因为口 z j ( z l + 乙) 1 的工作方式。考虑现有的工作基础， 采用砜为5 4 0 v 的电路结构：为限制开关回路产生的过电压，i g b t 用到1 2 0 0 v 。如果模 块的电流容量不够，根据i g b t 的工作特性，可用并联模块的办法来解决。实际上，大 电流的i g b t 在其内部已经采用了并联驱动的结构，如欧佩克的f z 系列为三管并联驱 动，f d 系列为双管并联驱动；三菱1 2 0 0 a 的模块为三管并联驱动，8 0 0 a 的为双管并联 驱动。而我们在进行模块并联时，由于线路参数不是完全相同，加上各个i g b t 模块之 间的参数存在微小差异，容易造成电流分布不均，元件开关动作不同步等问题，所以 模块直接并联的方法并不被采用。 低压实验表明，在保证电流跟踪效果的情况下，当砜= 5 4 0 v ，= 1 时，u 的能取 的最大值是3 2 0 v ( 峰值为4 5 2 v ) ，有关矾和乩的关系，将在后续章节中加以讨论。为 留出余地，一般使实验系统工作在u e = 5 4 0 v ，u l = 3 0 0 v 的状态。而对相电压有效值为 5 7 7 3 5 v 的1 0 k v 系统来说，取u = 6 0 0 0 v ，k = 2 0 ，u d = 5 4 0 v ，这时u 2 = 3 0 0 v ，正好满 足要求。 由f 2 = 一a k i l ，得f 2 的有效值为5 5 4 4 a ，峰值f 2 础= 7 8 4 0 a 。考虑开关纹波，可以选 择容量1 2 0 0 v 1 0 0 0 a 上的模块。但是，此种模块产量较少，价格昂贵，供货周期长， 保护困难，所以在考虑经济效益之后，也不予采用。根据实际情况，我们选择消弧线 圈低压侧8 绕组结构，用1 2 0 0 v 2 0 0 a 的i g b t 作为逆变器主要元件。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 4 2 电容电流自动跟踪的实现 从第二章的分析可知，消弧线圈实现电感电流可调的 办法是对殖的控制。为简单起见，排除电流控制方式的x 1 影响，这里直接采用模拟乘法器a d 6 3 3 为电流给定的调) c 2 节芯片。a d 6 3 3 是a d 公司生产的四象限乘法器，通过不丫f 同的线路连接可以实现乘法、除法、开方、调制解调、鉴v ， 相器、压控振荡器和滤波器等多种功能，其引脚如图4 2 1 所示，基本运算功能是： 图4 2 1a d 6 3 3 原理图 + v s w z - v s w ：( 兰! 二兰丛兰二型；z ( 4 - 1 ) 1 0 v 假设蜀= i t ，a t c = y y l o ，局= y t = z = 0 ，代入式( 4 - 1 ) ，得形= 一础f i = f 2 ，正好满 足，= 一。赋的控制要求。a d 6 3 3 的参数如下： s u p p l yv o l t a g e ：8v t o + 1 8v q u i e s c e n ts u p p l yc u r r e n t ：4 - - 9 m a i n t e r n a lp o w e r d i s s i p a t i o n ：5 0 0m w i n p u tr e s i s t a n c e s ：1 0m q i n p u tv o l t a g e s ：+ 1 8v ( f o r s u p p l yv o l t a g e sl e s st h a n + 1 8v ，t h ea b s o l u t em a x i m u m i n p u tv o l t a g ei se q u a l t ot h es u p p l y v o l t a g e ) o p e r a t i n gt e m p e r a t u r er a n g e ：o o ct o + 7 0 。c s t o r a g et e m p e r a t u r er a n g e ：- - 6 5 。ct o + 1 5 0 。c s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ：3 0 - - - 4 0 m a o p e r a t i n gf r e q u e n c y ：1 0h z t o5m h z 图4 2 2 消弧线圈的自动跟踪过程 为实现消弧线圈的自动跟踪功能，必须把检测到的对地电容电流进行处理，折算 成给定的电感电流信号，给消弧线圈进行补偿。其具体方法如图4 2 2 所示。其中，电 容电流检测由频率扫描法得到，并用d s p 根据脱谐度的设定算出所需的谊，折算成直 流电平信号后送给模拟乘法器；消弧线圈的电流跟踪由电流控制电路及其逆变器完成： 华中科技大学硕士学位论文 a d 6 3 3 只起到接口作用。由于y 2 的取值范围是v s ，可能满足不了a k = 如1 0 的要求，本 文采用加一个比例放大器来解决。 4 3 消弧线圈系统的组成 消弧线圈的任务是在电力系统发生单相接地故障时，补偿电网的电容电流，所以 一切工作都要为这个目标服务。除此之外，消弧线圈还必须兼顾在系统正常运行时， 不出现破坏系统稳定的因素( 如谐振等) 。同时，为了使变电站的工作人员能够较好 地观察其运行状态，并对其进行监控，消弧线圈系统还必须把消弧线圈的各个参数及 其运行情况给予显示，并向上一级传输或进行备份。由此可见，消弧线圈系统应该由 数据采集系统、数据的分析与处理环节、输出控制的指令系统、以及执行元件等部分 组成。 数据采集系统：这个部分通过电压和电流互感器实现对中性点电压、消弧线圈 电流信号的检测，把数据传给数字信号处理器d s p ，为消弧线圈的监控提供最 原始的材料； 数据分析与处理环节：这部分主要i ：h d s p 处理器来完成，d s p 根据电压信号的 大d , n 断是否发生单相接地故障；通过电流信号的相位计算系统的对地电容电 流：把处理过的数据传给上位计算机，供显示和监控用； 输出控制的指令系统：d s p 根据上位机的信号控制消弧线圈的投入或者切除； 根据是否发生接地故障控制消弧线圈是否进行电流补偿，是否切除防止谐振的 阻尼电阻：根据所计算的电容电流控制消弧线圈在补偿时的电流大小；在系统 安全运行时，发指令给可控电抗器用扫频法检测电容电流：根据相应的要求， 控制各个执行环节动作的先后顺序： 执行元件：包括可控电抗器和阻尼电阻，可控电抗器是最重要的执行元件，故 障时提供补偿电流，正常时进行电容检测；阻尼电阻在故障时短路，正常时投 入运行，防止系统谐振： 根据以上分析，构造消弧线圈系统，如图4 3 所示。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 a d 6 3 3 只起到接口作用。由于y 2 的取值范围是v s ，可能满足不了a k = 如1 0 的要求，本 文采用加一个比例放大器来解决。 4 3 消弧线圈系统的组成 消弧线圈的任务是在电力系统发生单相接地故障时，补偿电网的电容电流，所以 一切工作都要为这个目标服务。除此之外，消弧线圈还必须兼顾在系统正常运行时， 不出现破坏系统稳定的因素( 如谐振等) 。同时，为了使变电站的工作人员能够较好 地观察其运行状态，并对其进行监控，消弧线圈系统还必须把消弧线圈的各个参数及 其运行情况给予显示，并向上一级传输或进行备份。由此可见，消弧线圈系统应该由 数据采集系统、数据的分析与处理环节、输出控制的指令系统、以及执行元件等部分 组成。 数据采集系统：这个部分通过电压和电流互感器实现对中性点电压、消弧线圈 电流信号的检测，把数据传给数字信号处理器d s p ，为消弧线圈的监控提供最 原始的材料； 数据分析与处理环节：这部分主要i ：h d s p 处理器来完成，d s p 根据电压信号的 大d , n 断是否发生单相接地故障；通过电流信号的相位计算系统的对地电容电 流：把处理过的数据传给上位计算机，供显示和监控用； 输出控制的指令系统：d s p 根据上位机的信号控制消弧线圈的投入或者切除； 根据是否发生接地故障控制消弧线圈是否进行电流补偿，是否切除防止谐振的 阻尼电阻：根据所计算的电容电流控制消弧线圈在补偿时的电流大小；在系统 安全运行时，发指令给可控电抗器用扫频法检测电容电流：根据相应的要求， 控制各个执行环节动作的先后顺序： 执行元件：包括可控电抗器和阻尼电阻，可控电抗器是最重要的执行元件，故 障时提供补偿电流，正常时进行电容检测；阻尼电阻在故障时短路，正常时投 入运行，防止系统谐振： 根据以上分析，构造消弧线圈系统，如图4 3 所示。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 图4 3 消弧线圈系统结构 其中，可控电抗器二次侧按照4 1 节的分析接成8 个绕组，每个绕组接一个逆变器； 工控机完成显示和监控任务。由于在跟踪补偿和电容电流检测两种状态下，电流的控 制方法不同，所以两部分不在一起，而是做成2 块，分别完成任务。在计算出电容电流 值以后，根据工控机所给定的脱谐度，算出消弧线圈补偿时所需的雅，进行补偿控制。 实例如下： 例：求消弧线圈在七= 2 0 a ，v = - - 0 0 5 时的缱。 解： 1 ) 消弧线圈的补偿电流厶= ( 1 - v ) l c = 1 0 5 2 0 = 2 1 ( a ) 2 ) 等效阻抗z l = u a , i = 5 7 7