（电力系统及其自动化专业论文）超大容量消弧线圈自动调谐技术和装置的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea n a l y z e di nd e t a i lt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s o n a n tg r o u n d i n gm o d et h r o u g h t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i l i tp o i n t e do u tt h a tt h ec u r r e n tp r o b l e mf a c e dr e s o n a n tg r o u n d i n g m o d et h r o u g ht h ea l es u p p r e s s i o nc o i la n di l l u s t r a t e dt h er e a s o nw h yt h es u p e rc a p a c i t ya u t o a r cs u p p r e s s i o nc o i lc a nb e t t e rs a t i s f y i n gt h en e e df o rt h eo p e r a t i o no fp o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e ma n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i s w h i l ed e v e l o p i n gt h es u p e r - c a p a c i t ya r cs u p p r e s s i o nc o i lw es h o u l da l s os t r i k et om e e t t h er e q u i r e m e n t so ff o l l o w i n g s e t t i n gf u n c t i o n ，f i n et u n i n g ，h i g h l yr e l i a b i l i t y t h i sr e s e a r c h a d o p t e d t h en e wc o m b i n a t i o no fs w i t c h i n gt w ot i m e ss i d ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra n dt h et w o t i m e sr e g u l a t i n gs i d es i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rs ot h a ti tr e a c h e dt ot h ea d j u s t a b l e2 0 8w h i l e a d o p t i n g t h et e c h n o l o g yo fd s p i th a sah i g hq u a l i t yo fr e a lt i m e ，r e l i a b l ea n d a n t i d i s t u r b a n c e i no r d e rt o p r o p e r l y a d d r e s s s w i t c h i n gi m p a c t i nt w ot i m e ss i d e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r ，t h es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dp o t e n t i a lf l i n gs h e a rs i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e rt r i g g e rt e c h n o l o g yi n c l u d i n gc a p a c i t y ，i no r d e rt h et h i r dh a r m o n i cw a v e ，s ot h a t d i m i n i s ht h ee l e c t r i c i t y i no r d e rt om a i n t a i nr e s o n a n tg r o u n d i n g m o d et h r o u g ha r c s u p p r e s s i o nc o i li nt h eb e s tm o d e ，a n ds u c c e s s f u l l yc o n d u c t r e a lt i m ea d j u s t m e n tt e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fr e s o n a n tg r o u n d i n gp r o c e d u r e ro v e r c o m e st h ed i s a b i l i t ya sc a l ln o tt r a c k i n g a d j u s t m e n ti nt h ec u r r e n tr e s o n a n tg r o u n d i n gm o d et h r o u g h t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i l t h i st i m e ，w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h ew h o l es u i to fa u t o m a t i cr e s o n a n c ee q u i p m e n t o fs u p e rc a p a c i t ya u t oa l es u p p r e s s i o nc o i l ，t h e r e f o r es o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o no fs u p e r c a p a c i t y ，w i d et u n i n gs c o p ea n df i n et u n i n g ，i na r e a ls e n s ea c t u a l i z e dt h er e a lt i m et u n i n gi n t e r m so fc o n t r o l l i n g k e yw o r d ：s u p e rc a p a c i t y a u t oa r cs u p p r e s s i o nc o i l ，a u t o m a t i cr e s o n a n c e ，g r o u n d i n g c a p a c i t i v ec u r r e n t i l 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行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，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文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。 作者签名 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术和装置的研究 1 绪论 电力系统中性点有两种主要的运行方式：一是非有效接地，包括不接地和经消弧线 圈接地，以及中性点经大阻抗接地；二是有效接地，即中性点直接接地。而小电流接地 系统中系统中性点为非有效接地方式。 1 1 配电系统中性点非有效接地方式的发展 电力系统中有多种故障类型，但是单相接地故障约占系统故障的7 0 以上，其它类 型的故障在很大程度上也是由单相接地故障发展而成的，因此如果能够有效地抑制单相 接地故障的发展无疑将极大地提高配电系统的供电可靠性。在过去，我国配电系统多采 用中性点不接地运行方式。中性点不接地系统如果发生单相接地故障，则故障点的电流 为整个配电系统对地电容电流的总和。如果系统的对地电容电流较小，则故障点的电流 较小，接地电弧将自动熄灭，这种接地方式可以有效地抑制故障的发展【1 1 。 但是，由于城市配电系统规模的扩大和电缆线路的大量使用，配电系统对地电容的 大量增加，这导致单相接地故障电流的增加，接地电弧也不能自动熄灭，故障处绝缘遭 到破坏，单相接地故障将发展为其它类型的故障，造成系统停电事故。中性点不接地方 式已不能满足系统运行的要求。但是电力系统中性点的运行方式是一个综合性的技术问 题，它与系统供电的可靠性、人身安全、绝缘水平、继电保护、通信干扰等问题有着密 切联系【2 7 】。 目前我国配电系统中性点的运行方式有：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈补 偿接地系统、中性点经电阻接地系统、中性点经电抗器接地系统和中性点直接接地系统 等。这些系统各有特点、各有利弊，在一定程度上满足了系统运行的要求。在我国中性 点接地方式的选择也存在争议。有的大城市已将一些中性点不接地系统改为小电阻接地 系统，以消除间隙电弧过电压，减少发生相间接地的可能性；也有改为大电阻接地系统， 以消除谐振接地系统的过电压。但在中压配电系统中中性点经消弧线圈补偿接地系统最 多。 在国外中性点的运行方式也存在争议。在前苏联和欧洲，6 0 k v 及以下等级配电系 统的中性点普遍采用经消弧线圈补偿接地方式，美国和英国大多采用中性点直接接地或 经小电阻接地。中性点接地方式形成两大流派是有历史原因的【2 ，3 】。 1 9 1 6 年左右，电力工业发达的德国和其它西欧国家首先采用小电流接地系统【3 1 1 ( 中 性点不接地，谐振接地或大电阻接地) 。而电力工业同样发达的美国则采用了中性点直 接接地或经小电阻接地，不过后来美国也承认谐振接地系统有很多优点，不选择这种接 地方式的主要原因是其继电保护比较困难。随着继电保护技术的发展，继电保护技术问 1 绪论 硕士论文 题已不再是采用谐振接地方式的障碍。由于历史的原因，但各国电力系统中性点的运行 方式并未发生根本变化。 最初由于系统容量小，系统的对地电容电流也小，各国普遍采用的中性点不接地方 式已经能够很好地满足系统运行的要求。但随着配电系统的发展，电力电缆在电网中比 例的增加，这种接地方式已经不能够满足系统运行的要求。1 9 1 6 年，德国人彼得生首 次提出电力系统中性点经消弧线圈补偿接地的这种运行方式，并成功研制了消弧线圈， 所以消弧线圈又称彼得生线圈( p e t e r s e nc o i l ) 4 - 6 1 。补偿接地系统的原理就是利用消弧线圈 产生的感性电流来补偿单相接地故障处的容性电流，最理想情况就是使系统发生谐振， 使消弧线圈产生的感性电流能够完全补偿单相接地故障点的容性电流，使故障点残流值 为最小，接地电弧不能维持。因此经消弧线圈接地系统被又被称为谐振接地系统。同时 电流过零电弧熄灭后，由于消弧线圈的存在将增加故障相电压的上升时间，减小电弧重 燃的可能性，这样增加了单相接地故障自动消除的可能性。 1 2 消弧线圈补偿接地系统的特点 在发生单相接地故障后，谐振接地系统中消弧线圈的感性电流将补偿单相接地故障 的容性电流，接地点的残流值很小，这样在一般情况下接地电弧都不能维持，故障点的 接触电压及其附近的跨步电压也较低，不会危及人身安全；消弧线圈还能明显减小故障 相电压的恢复速度，增加故障相电压的恢复时间，减小电弧重燃和故障发展的可能性， 同时也提高自动消除单相接地故障的可能性。因此中性点经消弧线圈接地系统发生单相 接地故障后仍能继续运行一段时间( 国家规程允许运行时间为2 d 时) ，这样提高了配电系 统供电的可靠性，操作人员也有充裕的时间去查明故障原因并做出恰当处理。 铁磁谐振过电压常常威胁电网的正常运行，在配电系统中电磁式电压互感器是引起 铁磁谐振的一个主要原因。但是，即使不采取任何其它消谐措施，消弧线圈系统的t v 也不可能引起铁磁谐振，因为消弧线圈的电感l x l 卜, 电压互感器的励磁电感三。小得多， 相差好几个数量级，在零序回路中，三。和l 。p 是并联的。所以上。几乎被三。短接，即使 因饱和引起的三相。不对称，也不会产生过电压。 和其它接地系统相比，中性点经消弧线圈接地系统可以减小其对周围通讯线路的干 扰。输电线路产生的电磁场对通讯与信号系统的干扰是相当严重的，但是中性点经消弧 线圈接地系统发生单相接地故障后由于消弧线圈的补偿作用其故障点的电流值很小，这 样就创造了相对较好的电磁兼容环境。 我国电气设备设计规范中作了如下规定：单相接地容性电流大于1 0 a 的3 5 k v 配电系 统，单相接地容性电流大于3 0 a 的3 k v - ，1 0 k v 配电系统，都应采用消弧线圈接地的这种 运行方式。对消弧线圈补偿接地系统的要求是：在正常运行时，中性点电压不能超过额 定相电压的1 5 ，故障点的残余电流分别不能超过1 0 a 和5 a ，德国通常要求不大于4 a ， 2 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术和装置的研究 瑞典要求不大于5 a ，我国煤炭部规定不大于5 a 。正是由于消弧线圈接地系统存在许多 优点，我国也研制了多种自动调节消弧线圈和自动调谐装置，并在接地保护方面作了大 量工作，提出了多种接地保护方法，并以这些方法为基础设计了多种类型的接地选线保 护装置【1 0 1 。 1 3 消弧线圈补偿接地系统的现状 消弧线圈电感值的选择与配电系统的运行方式有关。如果配电系统结构简单，只有 较少的运行方式，那么在系统运行过程中不需要调节消弧线圈电感就可以达到较好的补 偿效果，因此离线式手动调节消弧线圈就可以满足配电系统运行的需要。但是如果配电 系统的规模较大，系统有多种运行方式并且在运行过程中经常改变运行方式，那么离线 式手动调节消弧线圈就不能满足系统运行的需要。离线式手动调节消弧线圈补偿接地系 统主要缺点为：不能够方便、有效地测量系统的对地电容，系统脱谐度的测量也非常困 难，容易引起系统过电压。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，测量时需要改变一次系统的运行方式，测量困难大，所以这种配电系统很少测量脱 谐度，通常情况下都是估算系统的脱谐度。但是如果系统的脱谐度控制不当，系统正常 运行期间将可能出现谐振，引起幅值很高，持续时间长的过电压，这将危急系统的正常 运行。消弧线圈的电感必须能够有效地跟踪系统的对地电容才能够实现对接地电流的有 效补偿，当运行方式变化时，必须及时调节消弧线圈的电感以跟踪系统的变化，但离线 调节式消弧线圈的调节相当麻烦、操作繁琐。同时传统的离线调节式消弧线圈系统无法 自动监测系统运行方式的变化。因此可以得出这样的结论：传统的离线式消弧线圈系统 很难解决系统过电压和有效补偿这对矛盾。 继电保护困难是传统离线式消弧线圈的另一个缺点。消弧线圈接地系统的单相接地 电流往往很小，它与零序滤过器的不平衡电流相差不多，因而很难用普通的方向继电器 来判断故障线路，这样为接地选线保护的实现带来了一定困难。 虽然离线调节式消弧线圈补偿接地系统存在上述缺陷，但由于早期的配电系统结构 简单，运行方式单一，配电系统中以架空线为主，它基本还是能够满足系统运行的要求。 随着国民经济的发展，城市配电系统规模的扩大，配电系统中电缆线路比重的加大；同 时还投入了一些新型设备，如结构紧凑的封闭式s f 6 开关，交联聚乙烯电缆以及氧化锌 避雷器等，这样配电系统就有更多可能的运行方式，传统的离线式消弧线圈显然已经不 能满足系统运行的需要，必须要求在线调节消弧线圈。 1 3 1 在线调节消弧线圈 为了克服离线式消弧线圈补偿接地系统的缺陷，经过多年的努力，现在已经成功研 制了几种可在线调节的消弧线圈，它们有的已经投入运行。下面将对这些消弧线圈作简 3 l 绪论硕士论文 单的介绍。 ( 1 ) 调隙式消弧线圈【l l ，1 2 j 调隙式消弧线圈【8 】是由上海交通大学高压实验设备研究开发中心和北京煤炭设计研 究院联合开发的，它具有自动跟踪补偿的功能，是国内自己生产的、较早投入运行的一 套设备，其型号为z x b 6 1 0 。该装置由接地变和可调节消弧线圈构成。它通过曲折型 接地变压器引出配电系统的中性点，通过调节铁心气隙的长度来改变消弧线圈电感值。 由于铁心中气隙长度的变化是连续的，因此这种消弧线圈的电感可以连续调节。但是这 种消弧线圈需要采用较精密的机械传动机构，其响应速度慢，噪声较大【1 3 1 。同时，当发 生故障时，由于消弧线圈中通过很大的补偿电流，其产生的磁场力足可将铁心吸住，使 该装置不易在发生单相接地故障后继续跟踪补偿接地容性电流。另外，该装置缺少单相 接地故障选线装置。 ( 2 ) 调匝式消弧线圈【1 4 , 1 5 上海交通大学电机系等单位成功研制开发了调匝式消弧线圈。这种消弧线圈有几个 抽头，它利用有载开关来选择抽头，通过调节绕组的匝数来改变消弧线圈的电感。调匝 式消弧线圈的结构简图如图1 3 1 1 所示。当系统的运行方式发生变化时，该套系统自动 选择消弧线圈的分接头，以保证故障残流在允许的范围内。 鲨墨竺望兰r 接地电阻 图1 3 1 1 接地变压器与消弧线圈连接示图 调匝式消弧线圈的电感量不能连续调节，因此在其调节范围内系统并不总运行在最 佳补偿状态；该装置采用了有触点的有载开关，它降低了运行可靠性。 ( 3 ) 直流助磁式消弧线圈 直流助磁式消弧线圈利用外加的直流电源来改变消弧线圈的主磁通以此改变消弧 线圈的电感量，这种消弧线圈的电感量可连续调节，响应速度较快、调节范围较宽、无 传动装置、消弧线圈电感值的线性度也较好。但是这种消弧线圈需要附加直流励磁电源， 能耗大，控制复杂，长时间强励磁会使铁心过热，造价成本高。 ( 4 ) 调容式消弧线圈 调容式消弧线圈采用晶闸管投切电容器的方式来改变消弧线圈的电感，实现消弧线 4 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术和装置的研究 j | u o 甩而而 十 一 三相隔离开关，单相隔离开 、x n 、 图1 3 1 2 调容式消弧线圈原理图和等效电路图 图1 3 1 2 为调容式消弧线圈的原理图，其二次侧与n 条支路并接，每条支路为一组反 向并联晶闸管与电容器的串联。晶闸管的作用就是一个快速、无触点开关，它要么工作 在全导通状态，要么工作在全关断状态。电容器的容量按如下规律配置c n = 2 n 1x c l 。其 中c n 为第1 1 条支路电容的容量。通过控制晶闸管的通断来控制各条支路中电容器的投切， 从而改变消弧线圈原边的等效电感。 调容式消弧线圈电感的变化是非连续的，因此在某些运行方式下故障点的残流可能 较大；另外必须准确地控制电容器的投切时刻，以免产生投切电容时的冲击电流；且成 本较高，系统单相接地故障电流越大，需要的晶闸管和电容越多。 1 3 2 现有在线调节消弧线圈调谐控制方式的特点1 1 5 j 在线调节消弧线圈系统有两种基本的调谐方式，一种是“预调谐工作方式”，另一种 是“脱谐工作方式”。 “预调谐工作方式”就是配电系统正常运行时跟踪、检测配电系统的对地电容电流， 及时调节消弧线圈电感量使之与配电系统的电容发生谐振，这样当系统发生接地故障时 就能够及时、有效地补偿接地点的故障电流。 “预调谐工作方式”是以配电系统的对地电容电流作为消弧线圈的调节依据，是以系 统发生谐振作为调节消弧线圈电感的目标，这样可以保证配电系统发生单相接地故障时 立即对接地点的容性电流进行全补偿，达到快速熄灭接地电弧的目的。但是如果采用“预 调谐工作方式”，系统在非接地故障状态下就运行在谐振状态，这将引起系统过电压， 危及系统的正常运行，因此必须采取相应的措施来抑制系统过电压。通常的做法是在消 弧线圈支路串联或并联电阻，增加阻尼，降低系统的过电压水平；在接地故障状态时切 除这个阻尼电阻。 “预调谐工作方式”的主要缺点是【3 5 】：系统正常运行时消弧线圈支路必须并联或串联 电阻以抑制系统的谐振过电压，但如果在单相接地故障时不能快速切除这个电阻，那么 在单相接地故障发生后的一段时间内不能完全补偿接地点电容电流，在这段时期内接地 5 、，)ll 1 绪论 硕士论文 点电流仍然很大，不能达到快速熄弧的作用。另外，系统发生接地故障后切除电阻也将 带来一系列的问题，如电阻功率以及电阻爆炸、投切开关的耐压，投切次数和开关寿命 等。虽然“预调谐工作方式”存在这些问题，但是如果消弧线圈不能在线调节或不能够在 线快速调节，那么也只有采用这种调节方式。 “脱谐工作方式”就是当配电系统在正常运行时，调节消弧线圈的电感使系统远离谐 振点，这样就不会引起谐振过电压，因而也就没有必要在消弧线圈支路串联或并联电阻 来限制配电系统的过电压水平；当系统发生接地故障时，迅速调节消弧线圈电感使系统 发生谐振，这样最大限度地减小故障点的电流。从“脱谐工作方式”的工作过程可以看出， 消弧线圈的在线快速调节特性是实现上述工作方式的前提条件，如果消弧线圈不能够快 速调节，那么在发生故障后的一个时期内故障点的接地电流都不能够得到补偿，这样有 可能导致故障的发展，引起停电事故【3 8 】。 目前已经存在快速可连续调节消弧线圈，它们都可以采用“脱谐工作方式”。但是， 目前存在的快速可连续调节消弧线圈的主要问题是：消弧线圈的谐波问题，特别是消弧 线圈在调节过程中的谐波比较大，如何能够有效控制消弧线圈产生的谐波，特别是要控 制消弧线圈在调节过程中产生的谐波；有些快速调节消弧线圈在稳态运行时从理论上讲 不产生谐波，如调容式消弧线圈，但是这种消弧线圈的电感不能够连续调节，且工程实践 中发现其易放大谐波。因此目前追求的目标是消弧线圈在能够快速、可连续调节的前提 下尽可能少地产生谐波。 如何使配电系统在单相接地故障期间始终处于谐振状态是一个现在没有解决的问 题。目前的调谐方法都是在正常运行期间测量配电系统的对地电容，然后以该电容值为 基础，以系统谐振为目标进行调节。但是这种方式明显存在问题。首先系统的对地电容 与系统的运行方式有关，当系统的运行方式发生变化后，配电系统的对地电容值将发生 变化，因此必须经常测量系统的对地电容值；其次有许多专家都在研究配电系统对地电 容的测量方法，本文基波容性分量的补偿采用参数算法，通过两种不同工况下的中性点 电压或电流在幅值和相位上的变化量计算出系统的基波对地电容电流，作为补偿基波电 容电流的依据【2 0 。虽然具体方法千差万别，各种方法各有特点，但是目前报道的测量方 法都是在配电系统正常运行情况下测量系统的对地电容，并以这个电容值为调节依据。 因此，当系统发生接地故障后，配电系统的运行方式不能够再改变。如果配电系统在带 接地故障运行期间运行方式发生变化，就目前的方法而言，将不能再次测量系统运行方 式变化后的对地电容。因而消弧线圈将没有再次调节的依据，配电系统将不能够重新进 入到补偿状态。 消弧线圈接地系统的故障选线问题一直是令人头痛的问题，经过许多专家十多年的 研究，现在有了相当的发展，提出了许多故障选线的方法，有一些选线算法已经用在实 际系统中，并取得了较好的效果，但是目前仍存在一些问题，特别是经电阻接地的故障 6 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术和装置的研究 选线问题，现在仍是一个没有解决的问题。本文对此不做过多研究。 1 4 本论文的主要工作 以上所出现的消弧线圈以及调谐方式在现阶段的电网发展中遇到了瓶颈。现有城网 变电站出现了单相接地电容电流超过1 5 0 a 的情况，以及相应的在消弧线圈自动调谐技术 方面，出现了以下新的技术问题，本论文将运用理论分析、现场实验相结合的方法针对 以下问题进行研究： a ) 要求自动调谐消弧线圈的容量超大( 最大接地补偿电流大于1 5 0 a ，考虑到电网的 发展，甚至要求超过2 0 0 a ) 。 b ) 理想的自动调谐消弧线圈应当是随调式、大调节范围、精细调节、高可靠性的。 但在超大容量的情况下，要实现这些要求，现有的调匝式、调容式、饱和变压器式和直 流助磁式等消弧线圈在技术上都存在问题。调匝式的自动调谐消弧线圈在超大容量的情 况下，受有载分接开关的档位限制，不能实现精细调节和随调；调容式的因为二次侧调 节容量的限制很难实现；饱和变压器式和直流助磁式的还没有大容量的经验，受可控硅 技术发展的限制，实现超大容量非常困难。 c ) 现有的自动调谐消弧线圈都只能补偿单相接地电容电流中的工频容性分量。这对 于普通容量甚至大容量的消弧线圈，都能使残流达到足够小，使接地电弧容易熄灭。但 在超大容量的情况下，即使单相接地电容电流中的工频容性分量得到了很好的补偿，由 于其阻性分量和谐波分量的影响，仍可能使接地残流超过1 0 a ，这一方面使接地电弧不 容易熄灭，另一方面也与规程相冲突。 本次研究力求： ( 1 ) 解决超大容量、宽调节范围和精细调节之间矛盾 ( 2 ) 在控制的方法上实现了真正意义上的实时调节 ( 3 ) 研发新的电容器投切可控硅触发技术 ( 4 ) 实现三次谐波的阻断 7 2 超大容量消弧线圈的系统电容电流测量算法 硕士论文 2 超大容量消弧线圈的系统电容电流测量算法 目前的调谐方法都是在正常运行期间测量配电系统的对地电容，然后以该电容值为 基础，以系统谐振为目标进行调节。但是这种方式明显存在问题：系统的对地电容与系统 的运行方式有关，当系统的运行方式发生变化后，配电系统的对地电容值将发生变化， 因此必须经常测量系统的对地电容值，如果配电系统在带接地故障运行期间运行方式发 生变化，就目前的方法而言，将不能再次测量系统运行方式变化后的对地电容。因而消 弧线圈将没有再次调节的依据，配电系统将不能够重新进入到补偿状态。 本文基波容性分量的补偿采用参数算法，通过两种不同工况下的中性点电压或电流 在幅值和相位上的变化量计算出系统的基波对地电容电流，作为补偿基波电容电流的依 据。此方法的特点即在单相接地故障期间还会根据系统的变化( 如误切故障线路造成的 对地电容变化) 和接地状态的变化进行实时细调，以保持在单相接地故障期间实际接地 电流始终最小。这种方法在系统发生接地后无论在稳定接地状态下还是在间歇接地状态 下，控制系统都能实时地根据接地电流的变化调节到最佳补偿状态。 本装置依据所测得的系统对地电容电流，控制有载分接开关调节消弧线圈档位，进 行粗调对地电容电流；同时控制等电位投切可控硅触发电路投切电容器，进行细调对地 电容电流。 2 1 系统电容电流的测量算法 ， 以下具体介绍通过两种工况下( 改变投切电容值) 来计算系统电容电流的算法 2 4 1 。 8 图2 1 1中性点经谐振接地系统参数图 首先对图2 1 1 中各个参数的意义作一些说明： 砜一中性点不对称电压，也就是中性点开路没有接消弧线圈时电压。 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术与装置的研究 u 。一中性点位移电压，中性点接消弧线圈后的电压。 l 一中性点电流，也就是流过消弧线圈的电流，厶= l 。 汐i a 相电压。 - b 相电压。 c 相电压。 巳、g 、c c 一分别为a 、b 、c 三相线路的对地电容。 ，0 一线路每相的对地电阻，因为三相很接近，所以假定各相对地电阻相等。 厶、：、厶一对应于消弧线圈原边无载调节的三档的电感量，厶为最小电感，对 应于最大消弧线圈电流厶一。 一一消弧线圈的电阻。 以，一消弧线圈副边的电压，也就是加在电容器上的电压。 c 。、c 2 、c 3 、c 4 一分别为消弧线圈的副边调节电容，c 1 - - c 4 的电容量之比为 c 1 ：c 2 ：c 3 ：c 4 = 8 ：4 ：2 ：l ，可控硅s c r l s c r 4 对应于c 1 - - c 4 。 足，一接地电阻。 当消弧线圈副边的4 个电容器都没有投入运行，即4 个晶闸管都没有开通时，先测 量此时的中性点电压的幅值和相位。然后开通s c r l ，把电容值最大的电容器并联到消 弧线圈两端，待电压稳定后，再测量此时的中性点电压的幅值和相位。 设两次测量所得到的中性点电压矢量值瓯和瓦的幅值之比i u j 为j j ，相位角之 差a r g u l - a i g u 2 为口。参考电网零序回路串联谐振电路，可得： 玩，6。：=是。s乡+歹西n口，=g+_：ji(：x了-阿w(l i + a l ) ) 七c o s 9一“x 一高炉瓦1 办( x 一壶) 2 后s i n 口= 兰剥 9 2 + lz 一l 令m = x 一壶，y = 瓦1 一i 瓦干1 面，整理可得： ( 2 1 1 ) 三是消弧线圈该 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 9 2 超大容量消弧线圈的系统电容电流测量算法 硕士论文 k c o s 8 ：要等掣 ( 2 1 4 1 1 )= 垒二型( 4 ) k s i n o ：县( 2 1 5 ) 由式( 2 1 4 ) 得，9 2 = 瓦聂m 万yj 一肌2 ，代入式( 2 1 5 ) ，经整理后得： = 瓦磊y ( 丽kc o s 赢o - 而1 ) mf ( 2 1 16 ) = 1 了i( 2 6 ) 七2s i n 2 秒+ ( 露c o s 口一1 ) 2 、。 g = 五ks i n 巢0 + ( 塑k e o s 丽0 ( 2 1 7 )p = 二_ - 一 lz i ，l 6 22 1 ) 2 p 7 所以可以得到系统对地容抗总和的倒数为：x = 所+ 壶 即 f 土一上f ( k c o s 口一1 ) 缈( 巴+ q + c c ) = 朋+ 壶= 量专筝击筹簪+ 瓦1 ( 2 8 ， 式( 2 1 8 ) 就是系统对地容抗的计算式，但是式中还有一个未知量心，它的物理含义 是消弧线圈二次侧并联一个电容c l 后的电感改变量，下面要推导a l 的计算方法。 设消弧线圈的一次侧和二次侧的变比为k ，一次侧电压为u ，二次侧电压为。 在相同电压作用下，消弧线圈二次侧并联一个电容后，结果是使电感电流减小，也就是 说，二次侧的电容电流厶折算到一次侧后等于电感电流的变化值触，即： 她= 乏1i ： ( 2 1 9 ) 又因为 “：旦一卫( 2 1 1 0 )1 c o l 缈旺+ 越) 、 联立式( 2 1 9 ) ，( 2 1 1 0 ) 和( 2 1 1 1 ) ，并考虑到u = 七，可得： 址：一罢至坠 k 一国l c l 并且：缸= k 2 竺+ ：竺c 0 2 刍l g 综上所述，只要测出投切电容前后的中性点电压的幅值和相位， ( 2 1 1 2 ) ，就可以计算出系统的对地电容电流了。 其它一些电网参数也可以得到。如电网的阻尼率： 1 0 d ： 星 缈( 巴+ g + c c ) ( 2 1 1 2 ) 再利用式( 2 1 8 ) 和 ( 2 1 1 3 ) 硕士论文 超大容量消弧线圈自动调谐技术与装置的研究 p ：l k s 证o l 6 k 2s i n 2 0 + ( k e o s o 1 ) 2 2 2 未发生单相接地时的测量算法 ( 2 1 1 4 ) 控制器上电以后进行自检，自检期间封锁电容投切动作。s c r l s c r 4 开，电容器 都未投入，此时消弧线圈，。最大，电网处于过补偿运行状态。自检完毕后开始测量中性 点电压电流和三相线电压，记录幅值、频率和相角。 系统未接消弧线圈时，中性点的电压为不对称电压。 玩= 一了j 国c o ( 巳( c a + + q a 2 + c c c n + ) a + c 3 c ) 0 _ 式中，挣扣警，也就是一1 2 0 蜘 当忽略泄漏电导时， i 玩一等等等蜘一磁以 ? 。接入消弧线圈以后，系统正常运行时中性点的位移电压为 吨= 一而y l e a 占( c 十a l + c ) a + 2 c l s ，+ 舭a c 十c l ) 屹十j 己j a ， 、n j + 乙b + 乙c + i f j l 十l f r l + 3 r o i g = y x c ，口g l ，：o - , ( g + g + g ) - l c o t c o ( c + c 。+ c ，、 d ： 鱼! 垒 r o r t a ) ( c a + c b + c c 、) 系统开始运行后，首先合s c r l ，投入第一组电容器c 1 。再测量中性点的电压电流 和各相电压，同样记录幅值、频率、相角。然后根据两次不同的测量值计算电网的脱谐 度和电容电流。算法如下： 假定两次测到的中性点电压矾。和吨：的幅值之比为k ，相位角之差为0 ，则有， 2 超大容量消弧线圈的系统电容电流测量算法硕士论文 玩，玩：=七cc。s。+，s协。，=三二矧 式( 2 2 1 ) 中，x = 缈( c a + g + c c ) ，g = 去+ 昙 令式( 2 2 1 ) 两边的实部和虚部分别相等，得到 9 2 + 卜硒面1 卜瓦1 ) 冉( x 一壶) 2 g 石1 面) + ( x 一壶) 2 = k c o s 乡 = k s i n o 令臃= x 一瓦1 ，y = 瓦1 一i 瓦干1 画，整理得， g 2 + 了m ( m f + 一y ) ：kc o s o 9 2 + 所2 县= k s i n 0 9 2 + m 2 “ 由式( 2 2 4 ) ，9 2 = 髟c 。m s y 西一所2 ，代入式( 2 2 5 ) ，经整理后得， 1 2 因此， m = 瓦孬y 瓦( k e 丽o s o 丽- 1 ) l y k s i n o l 舻瓦爵右石莉 x = 聊+ 壶= 缈( c 爿+ c 占+ c c ) = 志 c k c o s o - 1 ， k 2s i n 2o + ( k e o s o 一1 ) 2 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) + 占：3 缈c ( 2 2 8 ) 础 、7 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术与装置的研究 g ：一 ( 2 2 9 ) d ：一 缈( 巳+ 巳+ c c ) 因为在电容器投入之前，电网的脱谐度也可以求得，为 肛景并挚朋嗍最大脱谐度。 电网的不对称度也可以求得，由= 一瓷o 一) 得到如下公式： l c l = 吲瓜 。中性点的最大可能电压可以求得，为：i u - i ：掣1 0 i ，要保证陬，一i i i 。 当磁= 3 ，d = 1 时，l l = 2 0 这一条件不是始终能满足的。 在第一次测量求得上述参数后，切除消弧线圈二次侧所带的电容，然后不断检测中 性点电压和电流的变化。中性点电压的幅值和相角发生一定的变化则说明发生了线路的 投切行为，电网的对地电容发生了变化，此时需要再计算上述参数，方法同上。 2 3 发生单相接地后的算法 首先要判断是否发生接地，判断的条件是：( 1 ) 中性点电压 3 5 u 加；( 2 ) - - 相e g 压中的最小值u 肪舯 3 5 u 砌：( 2 ) - - 相电压中的最小值 u 坤 m i 。 0 6 5 u 肋，这两个条件不能同时满足时，接地解除a 如果故障排除，则三相电压恢复正常，此时立即将所有电容器切除，让消弧线圈运 行在过补偿状态。 接地处理程序流程图如图2 3 1 所示。 1 4 硕士论文 超大容量消弧线圈自动调谐技术与装置的研究 图2 3 1 接地处理程序流程图 1 5 3 超大容量消弧线圈自动调谐技术原理及方案硕士论文 3 超大容量消弧线圈自动调谐技术原理及方案 3 1 技术原理 在补偿容量上，通常将补偿电流小于等于7 5 a 的消弧线圈称为常规容量的消弧线 圈，将补偿电流为7 5 1 5 0 a 的称为大容量的消弧线圈，而将补偿电流大于1 5 0 a 的称为 超大容量消弧线圈。 本次的研究目标是实现超大容量( 最大补偿电流可达2 0 0 a ) ，宽调节范围( 补偿电流 3 0 2 0 0 a 范围可调) ，调节精细( 补偿电流的最小可调级差小于2 a ) ，调节实时准确，实际 补偿效果好，补偿后接地电流小( 容性残流小于5 a ，总残流小于1 0 a ) 的消弧线圈的自动 调谐。其技术关键在于解决宽调节范围和精细调节之间的矛盾。 以1 0 k v 系统最大和最小补偿电流分别为2 0 0 a 和3 0 a 的超大容量消弧线圈为例，如果 采用现有的调匝式消弧线圈自动调谐技术，当要求补偿电流的最小级差为5 a 时，则需要 研制有3 5 档抽头的消弧线圈，配3 5 档的有载分接开关。这显然是不现实的。而如果采用 现有的调容式自动调谐消弧线圈技术，在原理上可实现3 5 档甚至更高的补偿调档级数。 但二次侧的补偿容量将高达1 0 2 0 k v a r ，如二次侧选1 0 0 0 v - v 作电压，需调节的最大补偿 电流高达1 0 2 0 a ；如二次侧选4 0 0 v 的工作电压，则需调节的最大补偿电流更高达2 5 5 0 a 。 不仅系统的成本很高，而且运行的可靠性很难为系统所接受。因此也是不现实的。 另外，现有的自动调谐消弧线圈仅能补偿工频的容性接地电流，而实际系统的单相 接地电流中除了工频容性电流以外，还有工频阻性分量和谐波电流分量。还应当注意到， 由于对地电容对谐波电流的放大作用，在基波调谐的条件下，谐波电流的含有率将大大 高于谐波电压的含有率，例如，l 的3 次谐波电压将产生2 6 7 的3 次谐波电流。 在仅补偿单相接地电流的基波容性分量的情况下，消弧线圈补偿电网的接地残流由 基波容性残流、基波阻性电流和谐波电流三部分组成： 。= ( v l , ) 2 + ( 矗乞) 2 + ，； 上式中，。为接地弧道中的残流；v 为补偿脱谐度，l 为电网的电容电流，d 为电网 几- 的阻尼率，为谐波电流，是各次谐波电流的平方和的根值，i ，= f y e 。 。 f 篇“ 在实际电力系统中，谐波主要是低次的奇次谐波，其中五次谐波分量常用于选线， 三次谐波分量通常较大。 对于一般1 0 k v 城网，通常架空线路组成的电网的阻尼率较大，但一般d 3 ，以2 0 0 a 接地电流的系统为例，接地电流中的阻性分量即使不予补偿也小于6 a 。 按谐波国标1 0 k v 电网的三次谐波电压不大于5 ，实际中压电网中谐波含量通常低 1 6 硕士论文超大容量消弧线圈自动调谐技术与装置的研究 于国标要求，而三次谐波以外的谐波含量很小。以2 0 0 a 接地电流的电网为例，如果系统 有l ，5 的三次谐波电压，则零序回路电流中将含有约8 a 的三次谐波电流。 以单相接地电容电流为2 0 0 a ，系统阻尼率为2 ，三次谐波电压含有率为1 5 的系 统( 不考虑更高次的谐波) 为例，在不补偿阻性电流和谐波电流成分的情况下，即使消弧 线圈的补偿脱谐度控制在2 5 的范围内( 现有自动调谐消弧线圈的常见脱谐度控制范 围) ，则系统发生单相接地时，接地弧道中的实际电流仍将大于1 0 a 。这与规程规定单相 接地电流大于1 0 a 的系统应装设消弧线圈相冲突。因此，在超大容量的情况下谐波电流 成分的补偿或抑制还是十分必要的。 为实现超大容量消弧线圈的自动调谐，基于上述分析、目前的技术条件和对装置复 杂性与现实可行性的考虑，决定不补偿单相接地电流的基波阻性分量( 通常以新敷设电 缆为主的系统阻尼率较低) ，但应考虑三次谐波电流的补偿或阻断。 基于上述技术分析，同时考虑到对系统可靠性要求和现实的可行性，经研究最终确 定采用带三次谐波阻断器，一次侧有载分接开关和二次侧可控硅联合粗细调节式的总体 方案。 3 2 采样和测量控制原理 ；7 控制器实时采样系统的三相电压和中性点电压电流等参数，均采用互感器测量。所 有信号经过瞬时值多点采样后进行快速f f t 分析，得到基波和谐波分量。以保证基波容 性电流补偿的准确性】。 在测量控制算法上基波容性分量的补偿采用参数算法，通过两种不同工况下的中性 点电压或电流在幅值和相位上的变化量计算出系统的基波对地电容电流，作为补偿基波 电容电流的依据。参数法本身已经在以往长期的研究和实践，在技术上成熟。三次谐波 电流的补偿控制采用无源阻断方法。三次谐波阻断器设计调谐于三次谐波频率1 5 0 h z ， 无需额外的测量控制。消弧线圈接入以后消弧线圈本身带来的谐波被阻断。采用这种方 法的优点主要是两个，一是无源的工作可靠，而且是固定式的，不须调节，只要固定参 数匹配调谐了，与系统谐波的变化无关，三次谐波始终是阻断的。二是无论在系统正常 运行时还是在系统发生单相接地时，零序系统中的三次谐波始终是阻断的。 在控制调节的策略上，工频容性电流的补偿采用预调节式粗调和实时调节的细调相 结合的方式，即有载分级开关的粗调是预调节式的，在系统正常运行时即根据测量计算 的接地电容电流预先调节好，在发生单相接地后是不进行调节的。而消弧线圈二次侧可 控硅控制投切的分级电容器组是根据预测的调节量，在发生单相接地后实时调节到位 的，并且在单相接地故障期间还会根据系统的变化( 如误切故障线路造成的对地电容变 化) 和接地状态的变化进行实时细调，以保持在单相接地故障期间实际接地电流始终最 小。这种方法在系统发生接地后无论在稳定接地状态下还是在间歇接地状态下，控制系 1 7 3 超大容量消弧线圈自动调谐技术原理及方案硕士论文 统都能实时地根据接地电流的变化调节到最佳补偿状态。 3 3 粗调和细调之间的配合 消弧线圈一次侧的粗调档位发生变化以后，由于消弧线圈一次侧的绕组匝数发生变 化，消弧线圈一次和二次侧之间的变比发生变化，即消弧线圈二次侧的输出电压跟着变 化。因此二次侧折换到一次侧的实际补偿电流相应发生变化。为此，本项目专门研究了 统一的算法，解决于这一控制计算问题。 表3 - 3 1不加三次谐波阻断装置时消弧线圈在粗调各档和细调各级配合情况下的补偿电流 消弧线圈二次侧可控硅控制的细调起两方面的作用。一方面，在系统正常运行时， 通过电