（电力系统及其自动化专业论文）基于磁通补偿原理的消弧线圈的研究.pdf

广东丁业大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h ef a u l to fs i n g l e - p h a s eg r o u n di s g r a d u a l l yi n c r e a s e d ，t h ee l e c t r i ca r co fg r o u n d i n gc a p a c i t i v ec u r r e n ta tt h ef a u l tp o i n t c a nn o tb ee x t i n g u i s h e d ，o v e r v o l t a g eg e n e r a t e db yi n t e r m i t t e n te l e c t r i ca r ce x p a n d t h ea c c i d e n t s ot h ea c c u r a t ec h o i c e o fn e u t r a lg r o u n d i n gw a y su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sh a v em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，a c c o r d i n gt o d i f f e r e n t s i t u a t i o n s ，w e n e e dt oc h o o s ed i f f e r e n tn e u t r a l g r o u n d i n gw a y sa n d p r o t e c t i v em e a s u r e st oe n s u r et h ep o w e rs y s t e ms a f e t ya n dr e l i a b i l i t y i nr e c e n td e c a d e s ，w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sa n da u t o m a t i o n ， t h es t u d yo fa r c s u p p r e s s i o nc o i la c h i e v e dm a n yn e w p r o g r e s s e s o nt h eb a s i so f c o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z i n gt h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n du n s o l v e dp r o b l e m si n n e u t r a lr e s o n a n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea r c - s u p p r e s s i o n c o i lb a s e do nt h et h e o r yo fm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o n t h i sn e wk i n do fa r c s u p p r e s s i o nc o i lh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wn o i s e ，l o wc o s t ，n oh a r m o n i ca n d h i g hr e s p o n s es p e e de t c a n dt h i sn e wp r o d u c th a sb e e nr u n n i n gi nh e b e i ，y u n n a n p r o v i n c e s t h i st h e s i si si nt h eb a c k g r o u n do fc o o p e r a t i o np r o j e c t s “t h er e s e a r c ho f a r c s u p p r e s s i o nc o i lo fm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o n w i t hg u a n g d o n gz h o n g y u t e c h n o l o g yc o ，l t d b yr e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hf r u i to fa r cs u p p r e s s i o nc o i li nt h e w o r l da n dp o w e re l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e m ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dan e w s t r a t e g yw h i c hb a s e do nm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o na f t e rs u m m a r i z e dt h ec o m m o n t y p eo fa r c s u p p r e s s i o nc o i li nt h em a r k e t ，a n di te x p r e s s e dt h ed e s i g n i n gm e t h o d so f m a i nc i r c u i t ，d e t e c t i o nm e t h o d so fc a p a c i t i v ec u r r e n t d e p e n do nt h et h e o r y ， m a t l a b s i m u l i n km o d ea n de x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so ft h i s n e wa r cs u p p r e s s i o nc o i la n di t sm e r i t sc o m p a r e dt oo t h e rk i n d s k e yw o r d s ：m a g n e t i c f l u x c o m p e n s a t i o n ；a r c s u p p r e s s i o nc o i l ；t r a n s f o r m e r ； p w mi n v e r t e r i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责 指导教师签字： 论文作者签字： 二oo 九年六月四日 5 7 明。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统中性点接地的方式及其应用 在电力系统发展初期，由于系统范围和容量均较小，过电流一般都不大，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，随着科技的发展， 电力系统容量和范围都越来越大，单相接地故障也逐渐增多，线路断路器经常跳 闸，造成频繁的停电事故，于是便将电力系统直接接地方式改为不接地方式运行 1 1 】。而后由于电力传输电压等级升高，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却又不能形成稳定的接地弧光，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 中性点接地的方式【l 2 】。 当电网正常运行时，不同的中性点接地方式及其差异基本上反映不出来，但 是，当电网发生异常情况，尤其是发生单相接地故障时，非故障相的工频电压的 升高和单相接地故障电流的大小将随中性点接地方式的不同而大不相同【3 】。中性 点接地方式直接影响到：( 1 ) 供电可靠性；( 2 ) 线路和设备的绝缘水平；( 3 ) 单相短 路电流对设备的损伤程度；( 4 ) 继电保护及自动装置功能；( 5 ) 对通信和信号系统的 影响等等。随着对各种电压等级的运行指标的要求日益提高，中性点接地方式的 准确选择及其在不同条件下的具体实施就具有越来越重要的实际意义，需要根据 不同的场合来选择不同的中性点接地方式和保护措施，以保证电网的安全可靠运 行【2 l 。 近几十年来，电力系统发展迅速，当今世界上已经有了从低压、中压、高压 到超高压、特高压等多种电压等级的电力系统。在不断深化的理论研究和日益丰 富的运行经验的基础上，人们对中性点的各种不同接地方式有了更好的掌握。现 在，一般将城市配电网中性点接地方式分为中性点有效接地和中性点非有效接地 两大类【2 j 1 ) 中性点有效接地方式 中性点有效接地方式可分为中性点直接接地和中性点经低阻抗接地两种方 式。由于接地阻抗较小，当发生单相接地故障( 金属性接地短路) 时，故障相会流 广东工业大学硕士学位论文 过比较大的故障电流，这就要求线路上的电气设备有比较高的机械强度和热稳定 性。适当增大中性点的接地电阻值，可以使接地故障电流减小，但是同时会抬高 非故障相的对地电压。 2 ) 非有效接地方式 一般来说，在电力系统各种中性点接地方式中，除了有效接地和全接地( 即 非常有效接地) 方式之外，其他的都属于中性点非有效接地的范畴。包括中性点 经消弧线圈接地( 又称调谐接地) 、经高阻抗接地和中性点不接地。在非有效接地 方式中，单相接地时，非故障相上的对地电压一般最高可达线电压的10 5 ，此时 单相接地故障电流较小。 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【4 1 。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。 消弧线圈是德国科学家彼得生( wp e t e r s o n ) 于1 9 1 6 年发明的，所以有时也 称为彼得生线圈。它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上，其电感是可变的，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上，于19 17 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，消弧线圈己在世界范围内得到 广泛的应用 2 , 3 1 。 过去，普遍认为大电流接地方式具备继电保护选择性好、单相接地故障瞬时 跳闸、不易引起异相短路事故的优点，但是由于不论是瞬时故障还是永久性故障， 均会引起线路跳闸，供电可靠性差。而小电流接地方式具有与其互补的优缺点， 如供电可靠性高，接地电流小、人身和设备安全性好，通信干扰小等，但是由于 故障电流小，信号特征不明显，继电保护的选择性差，另外人工调整的消弧线圈 调节比较麻烦”j 。近年来，随着小电流接地系统的继电保护研究取得较大进展， 2 第一章绪论 以及自动跟踪补偿消弧线圈的推广应用，谐振接地系统从技术上已能兼具两种接 地方式的优点，因此情况发生了一些变化，例如法国电力公司对中压电网中性点 接地方式已进行改造，将所辖的中性点经小阻抗接地的城市和农村中压电网分阶 段的全部改为谐振接地方式运行【5 6 】。 谐振接地方式与有效接地方式相比，其主要不同之点是两者的基本运行特性 大致相反。中性点直接接地或经低阻抗接地方式，最初被采用的主要出发点，在 于限制非故障相的工频电压升高，而随着系统的发展和运行经验的增加，逐渐证 明这一观点是不正确的【j 。对于中压系统来说，主要问题是限制单相接地故障电 流造成的危害，因为从过电压和绝缘配合等方面考虑，降低非故障相电压而带来 的经济效益并不明显，而因接地故障电流的增大，却会给系统的安全运行带来很 多麻烦。中压电力系统的中性点经消弧线圈接地后，由于单相接地故障电流甚小 的这一特点，给电力系统的安全运行带来了一系列的优点，提高了供电可靠性， 解决了调度上的许多困难，较好地适应了国民经济发展的需要，显著提高了经济 效益和社会效益【7j 。 到目前为止，如何确定配电网中性点接地方式尚没有统一的标准，普遍的共 识是中性点接地方式的选择是综合性的技术问题，同时也是历史、经济问题，必 须充分考虑地区特点、电网结构、供电可靠性要求、继电保护技术水平、电气设 备的绝缘水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等，综合比较、 全面分析加以选择，使系统具有更优的技术经济指标。 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【8 9 1 。 1 2 谐振接地方式的性能分析 谐振接地方式在我国占据主流，除了历史、经济原因，主要是因为消弧线圈 接地系统有以下突出优点【1 0 】： ( 1 ) 消弧线圈的电感电流补偿了接地时的对地电容电流，使流过故障点的 广东t , j k 大学硕十学位论文 电流变得很小或消失，有利于电弧的熄灭。同时减缓了故障相电压的恢复速度， 抑制电弧重燃，使得瞬时性单相接地故障不必引起线路跳闸，提高了供电可靠性。 ( 2 ) 由于消弧线圈的补偿作用，减小了接地点的电流，也就减轻了设备的 损坏程度，抑制了电弧的扩散范围。同时由于三相线电压仍然保持对称，因此配 电网在单相接地故障发生后仍然能够带故障工作一段时间( 规程规定不超过2 小 时) ，使操作人员有充足的时间排除故障，转移负荷，进一步提高了供电的可靠 性。 ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地可以消除电压互感器t v 引起的铁磁谐振，不再 需要其他消谐措施。因为在零序回路中，消弧线圈电感与电压互感器励磁电感是 并联的而且消弧线圈的电感比电压互感器的励磁电感大好几个数量级，电压互感 器相当于被短接，这使得接地故障消失后线路上的电容电荷不会通过电压互感器 释放，破坏了铁磁谐振的条件，因此不会产生铁磁谐振现象。 ( 4 ) 经消弧线圈接地，极大地减小了接地故障电流，从而创造了较好的配 电网电磁兼容环境，有利于通信线路和其他电子设备的正常运行。 ( 5 ) 经消弧线圈补偿接地对人身安全威胁较小。当发生单相接地故障时， 由于电感电流的补偿作用，稳态时接地故障电流很小，从而故障点的接触电压和 跨步电压很低，不会危及人身安全。 以上是消弧线圈接地系统所具有的优势，然而，如果消弧线圈调节不当，或 者随着电网运行方式的改变而不能及时调整，这些优点不仅不能得到充分的发挥， 还会引入一些新的问题。另一方面，随着我国电力系统的迅猛发展，我国城市配 电网已经改变了过去以架空线为主，而形成了以电缆网络为主，架空线为辅的局 面，电网对地电容电流急剧增长；同时还投入了一些新型设备，使得配电网的运 行方式经常改变。老式的手动调节消弧线圈补偿装置己不能满足电力系统的需求， 主要存在着如下几个问题【l 1 ： ( 1 ) 调整频繁，操作繁琐 电网运行方式的变化，如线路投切、扩容或改建等，均会引起对地电容电流 的改变。此时要达到良好的补偿效果，需要及时的调整消弧线圈电感，使之与电 容电流匹配。然而老式的手动调匝式消弧线圈，需要预先对电网的电容电流进行 计算和测量，然后再调整消弧线圈的抽头，而调整抽头时需停电调整，响应速度 慢，失去了消弧补偿的连续性，跟不上运行方式变化的需要。不仅繁琐、费时， 4 第一章绪论 而且由于每次调谐都需要人工断电操作，因此存在较大的危险，已不能适应配电 网自动化的要求。 ( 2 ) 脱谐度测量困难 传统电容电流的测量采用单相金属接地法或中性点外加电容法，测量时要花 费较大的人力物力，而且有一定的风险，所以一般很少测量配电网脱谐度，老式 消弧线圈大多数没有阻尼电阻，易构成串联谐振回路，不能运行在全补方式即电 压谐振方式，要躲过全补偿，脱谐度总是取得保守一些，通常利用估算值运行， 以致电网实际可能运行在不允许的脱谐度下，造成较大的中性点位移电压，而且 发生单相接地故障时并不能达到最佳的补偿效果，严重时电弧不能自行熄灭，不 能起到消弧线圈的应有作用。 ( 3 ) 调谐不当易引起谐振过电压 采用中性点经消弧线圈接地系统，若脱谐度控制不当，不仅在接地故障时会 导致电弧重燃，引起弧光接地过电压；在欠补偿状态下运行时遇到断线易产生严 重的谐振过电压，这种过电压对网络绝缘的危害比电弧接地过电压还要大。在电 网正常运行时，由于系统不对称电压的存在，也可能与对地电容发生串联谐振， 造成中性点位移电压异常升高，对设备绝缘和间隙氧化锌避雷器的安全运行具有 严重的威胁。 ( 4 ) 继电保护装置选择困难 谐振接地系统的继电保护难题曾经是影响其推广应用的主要原因。由于消弧 线圈的补偿作用，使得故障电流变得很小或消失，故障线路的特征信号不明显， 因而很难用普通的零序电流大小或方向继电器判断故障线路。过去普遍采用手工 “拉线”的方式逐条排除故障线路，这样反而降低了供电的可靠性。 ( 5 ) 对设备绝缘水平的要求提高 由于消弧线圈接地系统允许单相接地故障发生后，系统带故障运行一段时 间，此时非故障相的对地电压升高到相电压的3 倍，电力设备的绝缘水平需按照线 电压设计。近年来引进的一些国外电气设备特别是美国引进的设备，有的只适用 于中性点有效接地的配电网，其耐受绝缘的电压水平比我国相应的电压等级低， 这些设备在我国非有效接地配电网中运行是不安全的，易发生绝缘击穿事故【1 2 1 。 正是由于传统的消弧线圈和谐振接地方式存在着上述缺陷，给消弧线圈接地 系统提出了新的研究课题。 广东t 业大学硕十学位论文 1 3 消弧线圈的发展 l9 16 年，德国科学家p e t e r s o n 根据“外加电压一定时，电感电流和电容电流 成反相关系 这一特点，发明了消弧线圈。电网系统对地电容电流超过一定阈值 后( 一般大于10 a ) ，接地电弧不易熄灭，容易产生接地过电压【7j 。消弧线圈是一 种安装在电力系统中性点上的可调电感线圈，当发生单相接地故障时，通过调节 电抗，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿接地电容电流， 从而使接地处的电流变得很小，甚至接近于零。当电流过零电弧熄灭后，消弧线 圈还可减小故障相电压的恢复速度从而减小电弧重燃的可能性。 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，而自动调整的又分为预调式和随调式两种，其中，预调式是指在发生接地 故障前预先调整，随调式是指在出现接地故障后才调整的。因预调式的消弧线圈 存在众多不足，所以现在随调式的消弧线圈正在迅速发展，并已大量投入运行【l3 1 。 消弧系统不仅能在现阶段能很好地为配电网服务，还需能适应电力系统的长 远发展，同时，消弧线圈还应具有良好的伏安特性和足够快的响应速度，以及无 噪声，无谐波等优良特性，这种消弧线圈将是进一步的发展方向，将具有广阔的 应用前景，并逐步取代其他形式的消弧线圈。目前，消弧线圈系统已实现了从手 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 4 本文所做的工作及安排 本文是以与广东中钰科技有限公司合作科研项目“磁通补偿式消弧线圈的研 究”为背景的，文中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，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。 本文的内容安排为：第一章为绪论，主要介绍了电力系统中性点接地的方式 及消弧线圈的发展；第二章讲述了消弧线圈的基本工作原理及常用消弧线圈的分 类，并比较了其优缺点；第三章主要论述了基于磁通补偿原理的消弧线圈的工作 原理、基本结构以及电容电流的测量方法：第四章给出了可控电抗器的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真，并分析了仿真结果。第五章根据理论分析的结果，设计 了实验电路并进行了现场试验，得出了比较理想的实验结果，并就现场应用的情 6 第一章绪论 况做简单介绍，演示了该消弧线圈接地成套装置所具备的完善的监控、保护与远 程通信功能。最后给出了结论以及对其前景的展望。 7 广东丁业大学硕+ 学位论文 第二章消弧线圈的工作原理 长期以来，我国6 lo k v 中压配电网都是采用中性点不接地或经消弧线圈接 地方式。实践证明，这两种运行方式基本上适合中压配电网的实际情况，运行效 果显著。 2 1 中性点不接地系统的接地过电压 从理论上讲，如果不存在对地电容，那么即使中性点不接地( 认为中性点的 零序阻抗无穷大) 供电系统发生单相接地故障，各相之间也并不会相互干扰，而 是仍然各自稳定工作，接地点没有电流流过。但是，由于实际中输电线路存在对 地电容和泄露电阻，因此构成回路，接地点的电流不再为零，而为某个值的容性 电流，如图2 1 所示。c 口、g 、c f 分别表示a 、b 、c 三相导线的对地电容2 1 。 v lr = = t l 。 i ( a ) 线路结构( b ) 等效电路 图2 1 中性点绝缘系统的单相接地故障原理图 f i g2 1 t h es c h e m a t i cf i g u r eo fs i n g l e - p h a s eg r o u n df a u l ti nt h en e u t r a lp o i n ti n s u l a t e d s y s t e m 当系统正常工作时，中性点电压u d = 0 。当c 相发生接地故障时，根据戴维 宁定理，可得到如图2 1 ( b ) 所示的零序阻抗等效电路。故障电流为： ，： l = _ ，缈( e + g + e ) 岛 ，国( c + c 6 + c ) 假设三相线路完全相同，。即c 口= c b = c 。，且三相的负荷完全对称，那么当c 相发生短路故障时；短路电流厶= 3 t 。= 3 t 。= 3 丘。，与图( b ) 的理论分析一致。 第二章消弧线罔的1 二作原理 若电力系统线路不长、系统较小，则线路的对地电容小，流经故障点的电流 也小，由暂时性的单相金属性接地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，随着电力系统的容量越来越大、线路越来越长， 电压等级也逐渐提高，发生单相故障时的接地电流也随之增大，当接地电流超过 10 a 时，电弧就已难以自行熄灭，但是这个电流又不够大，无法形成稳定的电弧， 此时就会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产生 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 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，会危及设备绝缘，引 起相间短路，造成更大的危害【_ 7 1 。解决弧光过电压的最有效措施就是安装消弧线 圈，以补偿电容电流。 每相输电线路的对地泄漏电阻与线路的绝缘水平有关，理论上我们希望是无 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，泄漏电阻 不可能无穷大，而泄漏电流也不可能减少到零。由于泄漏电流在分析消弧线圈工 作情况时不起主要作用，所以在后面的讨论中我们不予以关注【l3 1 。 中性点不接地的电力系统，除了非故障相的电压可能超出线电压之外，同时 还具有中性点不稳定的特点。当系统的电容电流较小时，单相接地电弧自行熄灭 后，容易导致电压互感器的铁心饱和激发起中性点不稳定过电压。这种过电压在 国内外中性点不接地系统中均曾频繁发生，经常引起电压互感器烧毁与高压熔丝 熔断等事故。所以，不论从现状和发展或从技术经济方面考虑，都不是很适宜的。 实际上，只要将中性点改为谐振接地方式，采用调谐范围很大的自动消弧线圈便 可根除此种过电压，防止间歇电弧接地过电压，同时还可以不受电网发展的影响 1 1 4 1 。 2 2 消弧线圈的消弧原理 消弧线圈接在电力系统的中性点与地之间14 1 ，如图2 2 ( a ) 所示。老：c k h 发生对 地金属性短路故障，根据等效发电机原理，考虑泄漏电阻尺和消弧线圈的有功分 量，可得如图2 - 2 ( b ) 所示的等效电路，图中c = c o g + e ，r 代表泄漏电流和消 弧线圈有功电流之和的等效电阻。前面已经说过，泄漏电流不起主导作用，因此 下面的分析不考虑r 。忽略尺以后的等效电路图如图2 2 ( c ) 所示。 9 广东 二业大学硕十学位论文 d 虱 ( a ) 线路结构( b ) 等效电路l ( c ) 等效电路2 f i 9 2 - 2t h es c h e m a t i cf i g u r eo fn e u t r a lg r o u n d i n gt h r o u g ha r c s u p p r e s s i o nc o i l 发生短路故障后，故障相的电压眈降为零，中性点的电压0 0 = 一吼，非故障 相a 和b 的电压升高到线电压叱和以，虽然此时电网的中性点发生了位移，但是 发电机及用户都对该接地故障无反应，因此允许补偿电网在一段时间内带故障继 续运行。 由等效电路图可知，短路点的故障电流为： j ：坠 其中等效阻抗z ：f ，因此短路点的故障电流可以改写为： r o c + 二。 ，础 ，= o c ( j c o c 一壶) 当电感值满足c o l = 去时，接地电流减小到零。也就是说，当消弧线圈的电 玑 抗值上调节得与接地电容完全相等时，接地电容电流将被消弧线圈的电感电流完 全抵消，接地电弧可以自然熄灭。 根据电力系统规约，为了防止系统谐振，消弧线圈一般工作在过补偿状态， 而且由于系统存在泄漏电流和消弧线圈的有功电流，因此会有残余电流存在，根 据图2 2 ( b ) 所示，可求出系统的残余电流。 电网中的等值全损耗电阻尺由三相对地泄漏电阻r o ( 假设三相对地泄漏电阻 完全相等) 和消弧线圈的损耗电阻r 。组成，r = 3 t o + r l ，若用厶表示残余电流，则 残余电流为： l o 第二章消弧线圈的丁作原理 厶= + j 粥o o o + ，u 础o = 厶+ j ( i c l ) = t ( d + u ) ( 2 1 ) 式中，玩为中性点位移电压，厶为残流中的有功分量，厶= 百u o ；七为电网 的接地电容电流，七= 3 以：0 0 0 ；乞为消弧线圈的补偿电流，t = u o 础，d 表示补 偿电网的阻尼率，d = 厶七，可用百分比表示；d 为消弧线圈的脱谐度， d = ( k t ) 七，也可用百分比表示。 残余电流厶与中性点位移电压玩之间的相角差缈可表示为： 伊：留一1 ： ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可知，残流的大小与相位均e h 阻尼率和脱谐率的大小 而定，即阻尼率和脱谐率直接关系到接地电弧熄灭与否，显著影响消弧线圈的动 作成功率。因此，先对阻尼率和脱谐率这两个重要的概念进行解释”1 。 2 3 消弧线圈的脱谐度与阻尼率 2 3 1 脱谐度 根据定义u = ( 七一l ) 七可知，脱谐度即残流厶中的无功分量( 七一丘) 与补偿电 网的电容电流，r 之比，根据u 的数值的大小及符号的正负，可以表示电流谐振等 值回路的不同的工作状态和偏离谐振的程度【1 ，2 1 。 r r d 又可写为d = 1 一等= 1 一k ，其中k = l ，_ l 称为消弧线圈的合谐度。合谐度为补 i cl c 偿电流与电容电流之比，它的数值大小也可表示电流谐振等值回路的不同的工作 状态和偏离谐振的程度。脱谐度和合谐度均是相对于谐振点而言的，前者表示离 开的程度，后者表示靠近的程度，是同一事物的两个方面。因此，可以根据d 和k 的大小把线路分为三种工作状态【1 ，2 】： 全补偿( 谐振点，d = 0 ，k = 1 ) 。此时电路刚好在谐振点工作，电容电 流与电感电流大小相等，方向相反，彼此完全抵消，厶= 厶，残流厶中仅含有功 分量，其值达到最小。 欠补偿( u 0 ，k 0 ，丘 ， 残流厶 广东t 业大学硕士学位论文 中同时含有有功分量和容性无功电流分量，其值比全补偿状态时大； 过补偿( d 1 ) 。此时电路工作在过补偿状态，d z 1 。所以这个变压器呈现的阻抗是一个可变量，其值与口成线性 关系，只要调节口使得一1 o 时，根据式( 3 12 ) ，变压器一次侧呈现的等效电抗可以大于一次侧自阻 抗。此时二次侧电流与一次侧电流同相位，一、二侧电流产生的主磁通同向相加， 铁心中的磁通密度增大，由此引起以下两个问题：1 铁心饱和，此时x - 。不再为 常数，并且会随着励磁电流的增大而减小，导致实际等效电抗五= _ ，- 4 - ( 1 - i - ( z ) x m 可 能会随着a 的增大反而减小。2 非线性变化，导致精确的控制一次侧等效电抗 难以实现。因此，口 o 的区间电抗值的调节范围是有限制的，且不易精确控制， 考虑到仅较大时可能造成铁心饱和带来的发热、损耗等问题，实际中该区间的应 用价值不大。 ( 2 ) 仅 一1 仅 - i 时，总磁势户= l 五+ l 之= ( 1 + 口) l 与空载时的励磁磁势l 相反，也 就是说，铁心中的主磁通方向、感应电势方向均反相，使得变压器一次侧呈现的 电抗值五 墨，甚至为负值。此时又分为两种情况：在一1 一垃 口 0 ，变压器一次侧端口对电网呈现电感性 质，一次侧电流五滞后于一次侧电压d 。因变压器一次侧等效电抗五 五。， 在 端口电压u 不变时，次侧电流，- 大于变压器的短路电流厶，特别的，当口专一l 一生 r r ， 时，此时端口电抗x - 0 ，一次侧电流塑会急剧增大，这会对变压器的安全 广东丁业大学硕十学位论文 运行带来威胁。而在口 一l 一垃区间，变压器一次侧等效电抗x - 0 ，铁心中的合 成磁势p = ( 1 + a ) n l i l 与变压器空载时的磁势方向相同，这与变压器带阻感性负载 的情况相似。 对于并联变压器，在一次侧电压u - 恒定的情况下，主磁通的大小妒。与仅系数 成对应关系，a = 0 时，对应二次侧绕组开路，此时变压器的励磁电流为空载电流， 主磁通为空载情况下的磁通矽。0 ；随着仅的减小，变压器一次侧等效电抗值减小， 一次侧电流，增大，根据一、二次侧电流关系1 。2 = 彳，二次侧电流的幅值也相应 增大，在及从0 变化到一1 的区间内，主磁通妒埘呈下降趋势，因此，只要保证a = o ， 即变压器空载时铁心磁路不饱和，那么a 从0 变化n - 1 的调节范围内铁心磁路均不 会饱和，x m 可视为常数，此时一次侧等效电抗x 。= 葺，+ ( 1 + a ) x 。与a 成线性关系， 这不仅使得精确的控制电抗值能够实现，而且还避免了由于铁心饱和带来的低次 谐波、损耗、噪声等一系列问题，这点与传统的磁饱和式的可调电抗器相比具有 理论上的明显优势。 根据上述分析，仅从0 变化n - 1 时，电抗值线性的从空载电抗五。+ x m 减小到一 次侧漏电抗x i 。通常变压器的励磁电抗远大于漏电抗，因此这种新颖的电抗调节 原理的有效调节范围宽广，在实际应用中，可以根据不同的需要合理设计变压器 的参数，使得a 在 _ l ，0 】区间内变化时，电抗值始终能够满足要求。 当消弧线圈的二次侧出现低压大电流的时候，若只用一个p w m 逆变器来跟踪 f ，来产生f ，已经不能产生如此大的电流，不能满足要求。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【2 6 3 们。 所以本方案将二次侧设计成个绕组，每个绕组的匝数，几何尺寸完全相同。 第二章基于磁通补偿的消弧线圈 每个相同的p w m 逆变器都跟踪同一个一次侧电流i 。从而产生相同的二次侧口x 电流 i 2o 所以每个二次侧绕组中都注入幅值相同的之= 口专f l ，f ：相位与f 。相反。如此则 n 个低压绕组的合磁势n x ( w x 厶) ，即嘲，与低压侧只有一个绕组的情况等 效。在二次侧采用个绕组情况下，每个逆变器跟踪产生的电流是采用一个绕组 时需跟踪产生的电流的，这样每一个绕组流过的电流就较小。j z n i n3 4 所示。 a 图3 4 多绕组消弧线圈结构图 f i 9 3 - 4t h es t r u c t u r a lf i g u r eo fm u l t i a r c s u p p r e s s i o nc o i lw i n d i n g s 3 3 电容电流的测量 要使消弧线圈发挥应有的作用，前提是要能准确地检测出配网的对地电容电 流，因此，对地电容电流的检测是消弧线圈系统的重要环节之一，电容电流的测 量方法有许多种，总体上可分为直接测量和间接测量两大类。 3 3 1 电容电流的直接测量法 电容电流的直接测量，主要为单相金属接地法。此法在消弧线圈退出运行的 条件下，可直接测出电网的电容电流、有功泄漏电流；在消弧线圈投入运行的条 件下，可直接测出消弧线圈的补偿电流、有功损耗电流以及残余电流的有功和无 功分量，从而得出电容电流。此法存在的问题是：故意制造接地故障，增加系统 风险。测量结果准确但测量复杂，费工、费时、不能在线测量，而且未接地两相 对地电压升高到原来的3 倍，相电压变为线电压，容易使网络中绝缘薄弱点发生 2 7 广东工、比大学硕十学位论文 绝缘击穿、接地或短路等，故障就会演变为危害极大的相间短路，一般旧线路， 特别是旧电缆线路不宜用此方法。所以此法在实际中并不常用【10 1 。 3 3 2 电容电流的间接测量法 电容电流的间接测量法主要包括：中性点外加电容法、外加电压法、调谐法、 变频法和注入信号法等。间接测量法的共同特点是比较简便，基本能满足工程使 用要求，故一般应用较广。下面对这几种测量法做一个简单的介绍。 ( 1 ) 外加电容法 中性点外加电容法比较简便，因此工程上应用较多，其测量接线图及原理图 如图3 4 所示。 外加电容c 接入后，由于电网中存在不对称电压砜，于是c 上有电压u 存在， u ，已知= 等鬻，u = 丢 辚u 中，两式相除可得： 一c a + cb + c c + c u c a + c b + c c2 警或孰呸= 器。式中，q 为电网三相对地等效 电容，q = e + g + q 。这样便可求得被测电网的电容电流七： 七2 器2 南，其中，删卜力电容c 中流过的慌 ( a ) 外加电容法测量接线图 ( b ) 外加电容法测量原理图 图3 - 5 外加电容法的测量接线图及原理图 f i g3 - 5w i r i n ga n ds c h e m a t i cd i a g r a mo fa d d i t i o n a lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o d 中性点外加电容法的主要缺点是不够安全，现场测量一般均采用低压电容 第三章基于磁通补偿的消弧线圈 器，如果此时电网中发生一点接地使外加电容器击穿，便会造成停电事故，而且 还可能危及人员安全。此外，若上式中有关参数的测量结果都是准确的，那么计 算得出的最终结果自然也是准确的，否则误差便不可避免。当残压或不对称电压 中含有大量的高次谐波分量时，测量误差将会显著增大。 ( 2 ) 外加电压法 中性点外加电压法是利用外接的电源，在电网的变压器或发电机的中性点引 入一定的电压，测量零序回路的电流并归算至额定相电压，从而得到被测电网的 r 电容电流七，即：七= 导，其中厶为零序电流的测量值，u o 为夕卜加电压后的中 u 0 性点位移电压，为额定相电压。 因为中性点外加电压后的砜一般为额定相电压的三分之一左右，因此试 验过程中电网对地电压的升高比单相金属接地时要低得多，而且测量工作是在外 接电源接地端的低压侧进行的，所以总的来说此法比较安全。 ( 3 ) 调谐法 调谐法是指在消弧线圈的调谐试验过程中，通过测量零序电流、利用图解或 进行估算等三个途径，获取电容电流。下面分别介绍： a 测量零序电流 在补偿电网正常运行的情况下，改变消弧线圈的分接头，当中性点位移电 11 压达到( i 1 去) 时，测量零序电流i o 和位移电压，然后归算至额定相电压， jz 即可得到电容电流厶。若取多个数值然后取平均值，则此法可比中性点外加电压 法更准确，简便实用。 b 利用图解 根据消弧线圈调谐试验的结果，分别画出过补偿和欠补偿状态下的曲线，然 后作渐近线或直接找出砜的最大值，便可求出电容电流，此时补偿电流i l = 七。 当用此法求电容电流时，消弧线圈的容量必须比较大，分接头的组合也要比较多， 这样得到的结果才能比较准确。 c 通过估算 根据补偿电网正常运行情况下的串联谐振回路，可导出电容电流的计算公式 广东t 业大学硕十学位论文 乇= 兰哮笋挚，式中丘。、t ：分别为消弧线圈不同分接头的补偿电流；u l 。、巩：分 u 0 2 _ u0 1 别为与，、，相对应的中性点位移电压。 经验表明，在数值测量正确的条件下，利用上式估算出的电容电流，个别可 能误差较大，但若取多次计算结果的平均值，误差就会比较小，结果可信度高。 ( 4 ) 注入信号法 注入信号法不再像传统的测量法，利用系统内的参数以及消弧线圈调谐动作 来测量电容电流，而是通过向系统的零序回路内注入某种测量信号，根据该信号 的电压、电流或者频率特征检测电网的对地电容。注入信号的形式和方法有多种， 如注入变频信号法、注入恒频信号法、注入混和频率信号法等。 注入变频信号法的原理是：从消弧线圈零序电压互感器的副边注入一个信号 电流，通过改变注入信号的频率，测量消弧线圈的感抗和电网三相对地电容的容 抗变化，以及相应的不对称电流和位移电压的改变，利用频率、零序不对称电流 和电容电流之间的关系，可求出补偿电网的电容电流值。该方法不需要对消弧线 圈进行调节，就能够比较精确地测量、计算出系统的对地分布电容，具有不改变 系统状态，不影响系统运行，二次回路测量等优点，但也存在被测信号易受5 0 h z 工频干扰，谐振点难于判断的问题【3 。 注入恒频信号法是指，除了从中性点注入零序信号电流的方式，还可以在线 电压t v 开口三角处注入零序电流或施加零序电压；注入混和频率信号法的基本原 理与注入恒频信号法相近，通过注入几种频率信号的组合，并根据信号电压、电 流测量值联立求解方程组，以此计算出电路中的未知量。 综合比较以上几种电容检测方法，信号注入法以不需要人为改变位移电压、 不需要借助调谐机构操作、测量时不改变系统的运行状态、二次回路测量安全可 靠等特性，成为最有前途的测量方法之一。 3 3 3 磁通补偿型消弧线圈采用的电容电流测量法 基于磁通补偿的消弧线圈采用的是注入信号法。从消弧线圈零序电压互感器 的副边注入一个信号电流，通过改变注入信号的频率，使电感和电容发生并联谐 3 0 第三章篪丁磁通补偿的消弧线罔 振，找到系统的谐振频率，利用并联谐振条件厂= 2 刀l l 4 z - d ，计算出电网对地电 容。其等效原理图如图3 - 6 所示。 a c c 图3 6 注入信号法原理图 f i 9 3 6t h es c h e m a t i cf i g u r eo f s i g n a li n j e c t i o nm e t h o d 如图3 - 6 所示，c 为三相对地的等效电容，a c 为注入的变频信号。当注入的 信号使电感和电容产生并联谐振时，可得到系统的谐振角频率，则c = 二， 系统的电容电流为： = c = 瓦o o u 式中c o o 为系统固有角频率l o o x ，为额定相电压，则联立脱谐度公式和上 式，可求得脱谐度为： v = 警圳眦一2 斗2 小 其中f o 为系统固有频率5 0 h z 。式( 3 12 ) 说明可以利用系统谐振频率来计算脱 谐度。该方法简单，无需其他参数且不受线路老化等因素