（电气工程专业论文）偏磁式消弧接地系统在包钢电网中的应用.pdf

华北电力大学j r 程硕士学位论文摘要 摘要 文章介绍了包钢企业中低压电网接地故障时存在的问题，从原理分析 提出解决方案，在中低压电网中性点处安装消弧线圈，补偿包钢电网接地 电容电流，有效防止弧光接地过电压的发生；并且，文章从消弧线圈的工作 原理、容量选择、接地变压器等的选择、计算等方面进行了说明，在包钢电网实 际选型应用，根据试验测试结果与运行效果来看，消弧线圈运行效果良好，而且 在接地事故中，能够有效及时的补偿接地电容电流，保证企业电网的安全稳 定运行。 关键词：接地，消弧线圈，电容电流，补偿 a bs t r a c t t 1 l ea n i c l ei n t r o d u c e dt h ep r o b l e mo fw h i l em e d i u mv o l t a g e锄dl o wv o l t a g c p o w e r s u p p l yn e 研o r kl i n e t o 野o u n da tt h eb u s i n e s se n t e r p r i s eo ft h eb a 0 t 0 uh o n s t e e l ( g r o u p ) c o ，l t d ，孤a l y t i c a l 劬mt h ep 咖c i p l e 觚dp u tf o n ) l r a f das o l u t i o n t 0s e t a f cs u p p l e s s i o nc o i li nt h es o l i de a n h e dn e u t f a lo fm e d i u mv o l t a g ea n dl o wv o l t a g e p o w e r - s u p p l yn e 觚o r kt oc 0 m p e n s a t eg r o u n d ( i n 曲c a p a c i t i v ec l l r r e n t 觚de f f e c t i v e l y p r e v e n tf m m v o l t a i ca r cg r o u n d i n gs u r g eo ft a k ep l a c e ，a n d ，a n i c l ef 如ma r cs u p p r e s s i o n c o i lm ew o r kp r i n c i p l e ，c a p a c i t yc h o i c c 卸dc o n n e c ta 掣o u n do ft r a n s f b 衄e r0 fc h o i c e 卸dc a l c u l a t i o ne t c c a r r yo ne a s i l yu n d e r s t o o do fe l u c i d a t i o n ，a tt h eb a 0 t o uh o n & s t e e l ( g r o u p ) ( 0 ，“d n e t 、) l ，o r k a c t u a lc h o o s eat y p et oa p p l i c a t i o n ，a c c o r d i n gt 0 e x d e r i m e n tt e s tr c s u l ta n dc i 栅l a t cr e s u l tt os e e ，e l i m i n a t et h ec u r v et u mm o v e m e n t r e s u l t 目d o d ，a n di nc o 蛐e c ta 幻0 u n do ft r o u b l e ，c a nv a l i di nt i l n eo fc o m p e n s a t ec o n i l e c t ag r o u n do fe l 耐r i cc a p a d t ye l e c t r i cc l l r r e n t ，p r o m i s ep o w e r - s u p p l yn e 俩o r ko f b u s i n e s s e n t e r p r i s es a f es t a b i l i t yc i r c u l a t e k e y w o r d ：l i n e t o - g i 。o u n d ，a r cs u p p i e s s i o nc o n ，c a p a c i t i v ec u r r e n t ，c o m p e n s a t e w a n gm a og u o ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj ua n dp r o f y a n gm i n gy u 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文偏磁式消弧接地系统在包钢电 网中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：量盏园 日期：垫垒i ：f ：笸 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：王盏圄 日期：兰鲤孟： 导师签名： 日期： 押8 f 占 华北电力人学工程硕士学位论文 1 。1 课题目的以及意义 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展，用电量大大增加，电网的安全、经济运行日益受到 重视。 在企业电网中，系统中性点接地方式有三种：一是中性点直接接地方式，二是 中性点经消弧线圈接地，第三种是中性点不接地系统，1 1 0 k v 及以上电网的中性点 均采用第一种接线方式，3 3 5 k v 电网中性点采用第二或第三种接线方式，而1 0 k v 系统中性点经消弧线圈接地是电力系统安全的最重要的手段之一。所谓中性点经消 弧线圈接地，就是当系统出现单相接地故障时，通过消弧线圈补偿，能维持系统稳 定l 一2 小时，使系统能够有足够的时间进行选择切除故障线路的手段。 在消弧线圈接地运行方式下，单相接地也不改变电源电压的对称性，消弧线圈 产生的电感电流有效地补偿了接地点的电容电流，并且降低了故障相电压的恢复 速度，使接地点电弧自动熄灭，消灭了间歇性电弧的产生，减少了弧光接地过电压 产生的机率，使电网能够自动恢复正常，从而保证了对用户的正常供电乜1 。 系统消弧线圈的合理配置与否直接影响着电力系统的安全和稳定，并与经济效 益直接挂钩。一方面，如果系统故障接地，系统一旦有扰动，将会产生谐振过电压， 从而导致系统因失去同步而瓦解的灾难性事故口】。如包钢5 l 变事故，进而导致5 l 变1 1 0 k v 系统瓦解( 注：1 9 9 9 年8 月，包钢5 l # 变电所1 0 k v 系统发生一次系统接 地，在接地半小时后，p t 电压波动，变电所值班人员检查p t 时，p t 发生爆炸，造 成两人重度烧伤，一人轻度烧伤事故，事故原因：分析为5 1 变1 0 k v 系统原为不可 调节的消弧线圈，由于配出开路不断增多，1 0 k v 电容电流不断增大，原有消弧线圈 电感电流已低于电容电流，形成欠补偿，因此，在系统出现弧光接地故障半小时后， p t 发生爆炸) 。另一方面，如果系统电容电流过大，系统故障稳定时间会大幅减少， 接地时将短时间内造成大面积停电故障。总之，合理的补偿系统的电容电流，可预 防事故发生或防止事故的扩大，从而提高电力系统运行的安全性和稳定性。因此， 供电企业必须实施科学管理、采取各种有效手段，以期系统的消弧线圈达到合理配 置，提高供电系统的安全运行，从而实现最佳的管理追求。 包钢电网5 0 年代初开始建设，伴随钢铁生产规模扩大，历经数次增容改造和 建设，达到现在年供电能力4 0 亿k w h 以上，包钢电网共有7 5 座变电所，2 个发电 厂，5 7 台主变压器，合计容量1 2 2 万k v a 。包钢电网有七个电源引入点，由一电 厂直接引入1 0 k ￥和1 l o k v 系统、由昆和变引入1 1 0 k v 系统、由张家营变电站引入 华北电力人学工程硕士学位论文 2 2 0 k v 和1 1 0 k v 系统、由桥西变引入1 0 k v 和3 5 k v 系统、由高新变电站引入2 2 0 k v 系统，由麻池变引入水源地变电所，由西河楞变引入6 l 变事故电源，电网中包钢 自发电通过7 2 # 、7 6 # 2 个变电所1 1 0 k v 系统联入电网。 在包钢电网的发展过程中，每次改造和建设大多数以急于解决当时供用电紧张 等局部问题，制定方案时也很少从根本上考虑电力系统电容电流等问题，出现系统 接地短时间内大面积停电的事故现象。例如5 1 撑变电所系统短时间接地造成系统谐 振，而谐振过电压导致系统绝缘薄弱点故障，从而造成的大面积停电事故。因 此企业电网实际现场负荷增长的同时，应配合测试电容电流，合理配置消弧线圈的 问题。 近年来，随着包钢规模的迅速扩大，电力负荷增长迅猛，包钢电网上述的系统 稳定问题更加突出。因此，系统稳定是当前迫切需要研究解决的重要课题。 1 2 电力网中性点接地技术概述 电网( 又称电力网) 是指输配电线路以及它所联系起来的各类变电所的总称，它 与发电厂和用户一起组成电力系统。 电网中性点与大地之间的电气连接方式就其主要运行特征而言，可分为有效接 地和非有效接地两大类。有效接地包括中性点直接接地和经低电阻( 或小电抗、低 阻抗) 接地：非有效接地包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻( 或高阻抗) 接地。有效接地方式因其单相接地时故障电流较大，因此也常称为大电流接地方式； 非有效接地方式也称为小电流接地方式，其中经消弧线圈接地又有谐振接地方式之 称。中性点经消弧线圈接地的电网，又被称作补偿电网。 电网采用有效接地方式时，一旦发生单相接地故障，将有很大的故障电流通过 故障相，其最大值甚至可超过三相短路时的故障电流，但非故障相的对地稳态压较 小，一般不超过线间电压的8 0 ；与之相反，非有效接地的电网发生单相接地故障 时，虽可使故障电流较小，但同时将使非故障相上的对地电压上升至线电压。因此， 从电气设备和线路绝缘水平的角度来看，采用有效接地方式具有显著的经济意义， 可使在绝缘方面的投资大为降低，对于高压电力网来说，这一经济意义尤为突出。 另外，在有效接地电网中，较大的故障电流使继电保护能够迅速而准确地切除故障 线路，从这一视角出发，亦是以有效接地方式更为有利。但是，有效接地方式在具 有上述优势的同时也存在着许多显而易见的缺点，譬如：一旦发生电网中常见的单 相接地故障，则必须立即将故障部分予以切除，故无法保障供电的连续性，并且使 断路器频繁跳闸，缩短断路器的工作寿命；巨大的接地短路电流不仅会产生强大的 热效应，造成故障范围的扩大乃至设备的严重损坏，而且会成为强大的电磁干扰源， 对通讯和信号系统产生严重干扰。如果电网采用非有效接地方式则可完全消除这些 华北电力大学工程硕士学位论文 缺憾，这类电网的另一优点是允许带单相接地故障继续供电一段时间，所以，从降 低通讯干扰、确保连续供电、缩小故障范围的角度出发，显然以非有效接地( 其中 尤以经消弧线圈接地) 的电网最具优势。 电网中性点究竟采用何种方式接地，已经成为一个涉及面极广的技术经济问 题。在进行接地方式的选择时，必须同时兼顾电网的过电压现象、电气设备的绝缘 水平、电网运行的连续性与可靠性、继电保护装置的灵敏性以及对通讯系统的干扰 等因素，应经过综合分析、全面权衡而后取舍。 总体说来，对于1 1 0 k v 5 0 0 k v 的高压及超高压系统，都无一例外地采用中性点 有效接地方式，这主要是从限制过电压和绝缘水平方面着眼，以降低电力系统的总 成本。另外这类电网的接地电流具有较大的有功分量，消弧线圈的补偿功能对此也 无能为力。对于1 0 0 k v 以下的中压电力系统，主要根据单相接地故障电流的大小、 是否需在接地故障条件下运行、故障时瞬态电压和电流对电气设备的影响、对通讯 的影响程度及本地的运行经验而在经消弧线圈接地、高电阻接地、低电阻接地和不 接地几种方式中进行选择。特别是随着经济的发展和现代化程度的提高，在有些地 区和国家，对于通讯干扰的考虑，甚至已经成为选择中性点接地方式的主要条件。 至于1 0 k v 以下的低压电网，因其接地电流很小而常采用直接接地或是不接地方式。 不同接地方式的特点列于表卜1 中。 表卜1 不同接地方式特点的比较 消弧线圈高电阻低电阻 接地方式不接地直接接地 接地接地接地 暂态过电压( 标么值) 63 22 52 52 5 第一次故障跳闸不跳闸不跳闸不跳闸跳闸跳闸 人身安全差尚可最好好尚好 多点故障经常经常很少很少很少 故障损失小小小中等大 继点保护配合困难差最好好好 连续供电好最好好差差 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 电网中性点经消弧线圈接地方式发展概况 1 3 1 国外发展综述 世界各国对电网中性点接地方式的取舍常随电力系统电压等级的高低而异。即 便是对同一电压等级的配电网，各国各城市采用的方式也不尽相同。消弧线圈在电 力系统中的应用情况在各个国家之间也存在很大差异。消弧线圈又名p e t e r s e n 线 圈，最早是由德国人p e t e r s e n 提出的，它其实就是一种铁芯中带有气隙的，通过 调节匝数而改变电感值的线性电感，其后城市电网中性点经消弧线圈接地这一谐振 接地方式便在德国中压电力网中如火如荼地发展起来，并延用至今。 在瑞典，谐振接地方式不仅广泛应用于城市电网，甚至大型发电机的中性点也 采用了这种小电流接地方式，且线路配有自动清除单相接地故障的保护装置；英国 的3 3 k v 及以下架空配电网正逐步以消弧线圈接地来取代以往采用的直接接地或电 阻接地等方式；前苏联对其1 0 3 5 k v 电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地的 非有效接地方式，而1 1 0 k v 以上电网采用直接接地或经消弧线圈接地。 在该领域取得令人瞩目成就的国家非法国莫属。随着配电网规模的不断发展及 配电环境的日益变化，法国电力公司于1 9 6 2 年对城市配电网的电压等级标准进行 了修订，并限制故障接地电流，由此引发对中压电网中性点接地方式和变、配电所 接地装置作出了一系列改革。尤其是进入九十年代后，该公司为了使供电质量及其 可靠性得到保障，采取了在接地电阻旁并联一个补偿电抗，同时大力开发电抗的自 动调节系统以进一步改进补偿电抗技术，其研制成功的消弧线圈多功能自动调谐系 统的原理现在已经申请国际专利。自1 9 8 9 年后在两处变电所安装了新型保护装置， 试验性运行中，主要由架空线组成的电网仅1 0 的接地故障电弧出现重燃现象，其 余均能自行熄灭，系统投运十年来一直运作良好，经由上述研究及初步试验后，法 国电力公司决定在架空线或架空线与电缆混合使用的中压电网中采用中性点经补 偿电抗接地的方法。这种谐振接地方式使邮电和铁路部门通讯线路得到了极其有效 的保护。 至于大电流接地系统最为发达的美国，虽然在2 0 世纪2 0 年代就使用过空心消 弧线圈，但由于发生过母线短路的严重过电压事故，致使这一技术的推广和使用受 到了严重阻滞。近年来其各家电力公司逐渐意识到谐振接地方式的优点，如美国的 新英格兰系统大型发电机中性点采用的便是这种小电流接地方式。 日本的1 1 3 3 k v 配电网中性点接地方式大体为：2 8 为消弧线圈接地，3 0 为 电阻接地，直接接地和不接地方式仅占6 ，其余为电抗或阻抗接地方式。而在6 6 k v 的电网中，电阻、电抗及消弧线圈接地方式均有采用。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 2 国内发展综述 长久以来，我国配电网多为架空线路的射线型结构电网，并且存在着能源容量 不足、负荷过重、应变能力差、供需矛盾尖锐等突出问题，因此在配电网的运行中 首先考虑的是供电的可靠性。为了在发生单相接地故障时不立即切除线路，仍能继 续供电，我国一直延续采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，并积累了 许多成功的经验。随着经济实力的持续增长，现在架空线路逐渐被电缆线路所替代， 因而近年来低电阻接地方式在我国某些大城市和沿海城市有所发展，以期降低单相 接地时的暂态过电压，消除弧光接地过电压和谐振过电压，并能采用简单的继电保 护装置迅速选择故障线路，切除故障点。但随之而来的线路跳闸频繁、断路器维护 工作量增大等现象也殊为显著，因此许多业内人士对这种接地方式并不看好，纷纷 撰文立著发表反对意见，认为消弧线圈接地才是我国中压电网最理想的接地方式， 建议对低电阻接地方式的采用和推广慎思缓行。 纵观我国目前电网中性点接地方式的状况，对于1 0 3 5 k v 的配电网，不接地 和经消弧线圈接地是两种典型方式，几十年来在我国广为采用；经低电阻或高阻抗 接地只是近几年出现的接地方式，具有一定的针对性，其中中性点经低电阻接地集 中在上海、北京、深圳、广州等城市。6 6 k v 电力系统在东北除极个别城市采用不接 地方式外，主要采用消弧线圈接地方式。 消弧线圈的调谐方式有两种：一种是手动调匝，另一种是自动跟踪补偿。自动 调谐技术是1 9 9 6 年开始在我国得到应用的，最早采用的是宁波电力局。1 9 9 7 年之 后，自动跟踪补偿消弧线圈装置的定购数额呈现连续增长趋势，许多省市也确立了 与之相关的课题，对这一新技术进行开发，以提高其可靠性，保证电力系统的安全 运行，全国各省均有存在，这与电力工业部提出的最新标准相符。另外，我国目前 采用的消弧线圈多为手动调匝式。由于这种消弧线圈是无载调节的，调节时必须退 出运行，十分不便，其结果必然使线圈电感值难以及时跟踪电网电容电流的变化， 消弧线圈不能运行在最佳档位。同时，因缺乏在线实时测量电网电容电流的设备， 当系统运行方式发生改变时，调试人员无法获得电容电流的具体数值而无从做出准 确判断。 可见，只有采用自动跟踪偏磁式补偿消弧线圈调谐装置，其补偿作用才能得以 充分发挥。对国内外相关数据资料进行综合分析后可以发现，采用手动调匝式消弧 线圈的补偿电网发生单相接地故障时，仅6 0 不发展为相间短路，即补偿有效性约 为0 6 ；采用自动跟踪补偿方式后的补偿有效性大大提高，可达0 9 左右曙1 。另据统 计，具有手动补偿的电网单相接地短路平均历时为中性点不接地电网的六分之一， 而具有自动跟踪补偿的电网可将该值降至八十分之一。因此，在我国开发并应用消 华北电力人学工程硕士学位论文 弧线幽的自动补偿技术是完全必要且无可规避的。 1 4 自动跟踪补偿偏磁式消弧线圈 消弧线圈的补偿效果与其脱谐度有很大关系，调谐适当的消弧线圈才能达到理 想的效果，而电网是要发生变化的，从而其单相接地电容电流随之变化，这就需要 人们根据电网的变化来调整消弧线圈的补偿电流。这种工作不仅比较繁琐，而且在 很多场合下人工很难及时准确地调谐消弧线圈。近年来，电网发展越来越快，电网 的规模变得越来越大，而且电网的运行方式也经常发生变化，消弧线圈的非自动调 节变得越来越困难，所以实现消弧线圈的自动调谐是非常必要的。 消弧线圈的自动调谐需要解决两方面的问题，一个是自动调谐原理，另一个是 可调消弧电抗器。目前提出的自动调谐原理大体上可分为六类：谐振法、相位移法、 电容电流间接检测法、附加电源法及模型法和注入小信号法。目前可调电抗器也有 几种，按照改变电感方法的不同，大体上可分为四类：调匝式、调气隙式、直流偏 磁式、斩波式。偏磁式消弧线圈是一种可连续调节电感的消弧线圈，它的内部为全 静态结构，无运动部件，工作可靠性高，其响应速度快，并且可以在消弧线圈承受 高压时调节电感值，因此是一种很有发展前途的消弧线圈。 1 5 本文的主要工作 针对包钢电网1 0 3 5 k v 系统安全问题进行中性点接地方式以及消弧线圈的控 制改造，本文所做的主要工作如下： 1 、收集消弧线圈资料及包钢电网参数，完成相关数据的测量，为系统的选型 做准备工作。 2 、根据现场需求，通过系统分析，选择合理的消弧系统，并对消弧系统参数进 行合理配置。 3 、对消弧线圈进行现场调试，分析结果确保可靠运行。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章消弧线圈及其自动调谐原理 2 1 消弧线圈的工作原理 2 1 1 中性点不接地系统的分析 为了阐述消弧线圈的工作原理，本节主要提出两个概念：中性点不接地系统发 生单相接地时的电容电流和中性点位移电压。 电力线路导线间及导线和大地之间均存在分布电容，当线路加上电压时，上述 分布电容会引起充电电流，故电源向线路供给充电功率，分布电容还会引起空载线 路末端电压升高，称为电容效应。充电电流在导线中引起的压降很小，可略去不计。 对于中压配电网，这些分布电容可以用集中参数电容代替。一般来讲，各相对地电 容e g c 。，相间电容c 曲一c k ，巳。对于电缆网络和经过换位处理后的架空 线路，各相参数相差很小，可认为c 。一g c c c o ，巳一c k c 。一c 。，于是得 到图2 1 ( a ) 。 b 图2 1 ( a )中性点不接地系统发生单相接地时的等值电路 l = i b i b 图2 1 ( b ) 中性点不接地系统发生单相接地时的电压电流相量图 当发生单相接地时，例如a 相接地，则a 相对地电压( ，_ ；o ，中性点对地电压将由 零变为相电压，b 相和c 相对地电压升高为线电压。于是b 相和c 相对地电容电流 为： 华北电力大学工程硕士学位论文 ，口2 ，c 。3 以o u ( 2 一1 ) 其中：一埘一工频角频率 【厂口一系统相电压，其方向分别领先于u 删和u d 各9 0 。，如图2 1 ( b ) 从图2 1 ( b ) 中可以看出接地电流：，d c j 口c o s 3 0 。+ ，cc o s 3 0 。= 3 以o u o ，这个 接地电容电流由故障点流回系统，它的大小等于正常时一相对地充电电流的3 倍， 方向落后于a 相正常时相电压9 0 。由于接地电流和接地相正常时的相电压相差 9 0 。，所以当接地电流过零时，加在弧隙两端的电源电压为最大值，因此故障点的 电弧不易熄灭。当接地电容电流较大时，容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接 地，间歇性的弧光接地能导致危险的过电压，稳定性的弧光接地能发展成多相短路。 下面，我们来阐述一下中性点位移电压的概念。 中性点不接地系统在正常运行时，其中性点也具有一定的对地电位，这个对地 电位叫做中性点位移电压，这一电压的产生主要是由于各相对地电容不相等造成 的。设各相对地电容分别为巳，q ，c c ，三相电源电压平衡且以u 4 为参考量，如 图2 2 i b 图z z甲任点个袋地系统目然个半，衡电压 所示，d 口；口z 痧 ；口2d 垂，d c 。口痧_ ；口d 口，口。e j ，胛，当忽略电网的阻尼率时， 则不对称电压为： 比一篇糟u 口( 巳+ c 口+ c c ) * 一玄cu 口 ( 2 2 ) 式中：皮c - 等z 篱，为中性点不接地电网的不对称度，正常运行时因导线不 对称布置所引起的电网不对称度是不高的，尤其是电缆网络，其值更小。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 2 消弧线圈的作用 中性点加入消弧线圈后，起到三个方面的作用： 1 、减小故障点接地电流。 2 、减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度。 3 、避免由于电磁式电压互感器饱和而引发铁磁谐振。 2 1 2 1 补偿原理 如图2 3 所示系统中性点接入消弧线圈。当a 相接地时，中性点电压u 将由零升 高到相电压，于是消弧线圈中将产生电流j 工，它的大小为，工。粤。粤，其方向由故 砒砒 障点流回系统，较中性点的电压滞后9 0 。，亦即较a 相正常时的相电压领先9 0 。此 时由故障点流回系统的接地电容电流，c 滞后正常运行时的相电压9 0 。，所以消弧线圈 电感电流和接地电容电流的方向相反。如果适当选择消弧线圈l 值的大小，使 础一去，则：l 一笔一3 以。u ，那么流经故障点的电流将等于零。即接地电容 电流，c 全部被消弧线圈的电感电流l 所补偿，从而使得电弧自动熄灭。 b ( a )( b ) 图2 3消弧线圈接地系统发生单相接地时的等值回路和相量图 c 华北电力人学工程硕士学位论文 l c bc、l v 7 t n i a ! i 廿a # = c c 占b 0r a f】r cl】r b i 图2 4消弧线圈正常运行时的等值电路图 图2 5补偿电网正常运行时的零序等值电路 图2 4 为考虑了各相绝缘泄漏电阻和消弧线圈的有功损耗后的补偿电网等值电 路，其中l 是消弧线圈电感，o 表示消弧线圈有功损耗的等值电阻。设三相电源电 压完全平衡、各相泄漏电阻彼此相等，且以a 相作为参考向量。 中性点经消弧线圈接地电网正常运行时的零序等值电路是一个串联谐振电路， 可用戴维南定理得到补偿电网正常运行时的零序等效电路，如图2 5 所示。 图中u 。为电网未补偿时的不平衡电压，u 。为补偿后中性点位移电压。可见等 效电路是一个串联三c 回路，当接近谐振条件时回路中电流很大，消弧线圈上的电 压也即中性点位移电压很大。中性点位移电压的表达式为： d 。一岛u 口 秒一，d ( 2 3 ) 式中： l 、g 工分别为消弧线圈的电感和等值电导 g 为每相导线对地泄漏电导 1 c = 专( c - + c - + c c ) 华北电力大学工程硕士学位论文 玄c 。幺竺兰! 鱼 c 一+ c 。+ c c 1 3 c 一二 t ，。j 堕 3 c d 。! 一r ( c 口+ c 6 + c 。) 中性点位移电压的大小为： 电网的不对称度 补偿电网的脱谐度 补偿电网的阻尼率 南u 。 ( 2 _ 4 ) 图2 6 为中性点位移电压随脱谐度变化的关系曲线。可见消弧线圈接地系统中 性点电压的大小与脱谐度有关，脱谐度越小，中性点位移电压越高；脱谐度等于零 即谐振补偿时，中性点的电压最高，此时的电压即为补偿系统的串联谐振电压。 图2 6不同d 值下中性点位移电压与脱谐度的关系 2 2 消弧线圈的自动调谐原理 目前，已提出的自动调谐原理大体上可分为六类：谐振法、相位移法、电容电 流间接检测法、附加电源法、模型法和注入信号法。以上这些方法都没有达到完善 的地步。其中，相位法、极值法和电容电流检测法有一定的运行经验，但应用都有 局限性。随着微电子技术的发展，采用微处理器后，电容电流间接检测法具有优越 性。而模型法、附加电源法和注入信号法尚无运行经验，只是做一些理论分析，实 际应用起来有难度。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 1 电容电流间接检测法 该方法的基本思想是通过改变消弧线圈的电感值，造成其两端电压发生变化， 同时消弧线圈中的电流随之改变，然后检测电压和电流值以及相应的相角差，间接 计算出系统单相接地电容电流或系统对地电容，据此调谐消弧线圈。下面分别为其 计算方法。 1 ) 忽略电网阻尼率时的计算方法。 设对应于分抽头t 1 和t 2 时的中性点位移电压分别为u 。和u ：，各分抽头对应 的消弧线圈电流值分别为，工。和l ：，矗一o ，得 ；器 防4 ) i 。 一器 ( 2 - 5 ) l c 解得 u 2 ( 2 6 ) 从上式可以看出，测得两次中性点电压后，就可以求得电网三相对地总电容和消弧 线圈脱谐度。实际应用中，由于这种方法忽略了电网阻尼率以及u 。和u ：测量的不同 时性，测量结果准确性较差。 2 ) 利用消弧线圈两分接头对应的零序电流相位差的计算方法。 我们知道，脱谐度u 由下式决定： 秒；生生互= 生( 2 7 ) icx l 消弧线圈对应某一分接头的电抗是已知的，但x c 没有测量，故2 ，不能直接计算出 来，然而我们可以通过分接头在n 和r 2 位置时，零序电路阻抗三角形以及电流相位关 系的变化间接求出来。零序等值回路如图2 7 ( a ) 所示，分接头z 1 和丁2 对应电流，o ，和 ，舵的相位关系以及相应的阻抗三角形如图2 7 ( b ) 所示。 1 2 一一一 害 华北电力大学工程硕士学位论文 r l ( a ) 零序等值电路( b ) 零序阻抗三角形 图2 7 带串联阻尼电阻的零序等值电路及零序阻抗三角形 进行调谐时，先测量分接头为r 1 时零序回路电流，o 和分接头为r 2 时，舵的相对 相位差口( 一般以线电压作为基准) ，根据两个分接头n 和丁2 的电抗差从u ：和口角 等关系，可以计算出x c x ( x 为分接头为丁1 时的消弧线圈电抗) ，最后可求得 对应分接头为丁1 时的脱谐度。 接着将算出的和设定的标准值进行比较，若h 一ls 6 ，则原丁1 分接头不 需调整。若h 一i 6 ，则判断弘一的符号，根据该符号的正或负，进行相应的 分接头调节。 该算法忽略了电网的阻尼率，使用时要注意使用条件，同时，由于算法中用到 各分接头的电抗值，所以要考虑消弧线圈在端电压很小时的非线性失真问题。 2 2 2 另国内最新的电容电流测试方法，该方法的基本思想是已知电感l ，通 过调节频率f ，使其达到谐振状态，从而根据公式w 2 l c = 1 ，计算出电容c 和电容电 流；在实际测量时，将测量装置输出电流线接于电压互感器( p t ) 的开口三角处。 目前，我厂对无消弧线圈的中低压电网进行电容电流测试采用此方法，测试仪 器采用河北旭辉电气有限公司生产的电容电流测试仪( d r y 一2 ) ，经检验该测试仪稳 定、可靠，测试结果准确。 2 3 偏磁式消弧线圈的自动调谐原理 2 2 节介绍了电容电流检测法消弧线圈自动调谐原理。随着微处理器的广泛应 用，电容电流检测法具有优越性。而这种方法的好坏取决于电容电流检测精度， 2 2 1 中介绍的两种电容电流检测法中，第一种方法由于忽略了电网的阻尼率，计 算精度较差。第二种方法是在消弧线圈串联较大阻尼电阻的特定情况下使用的方 j l 2 如 如 华匕电力大学_ t 程硕士学位论文 法，没有通用性。对于平衡度很好的电网，中性点位移电压较小，在这种情况下， 这些方法的精度实际上都存在问题。要实现偏磁式消弧线圈的自动调谐，必须确定 适用于偏磁式消弧线圈的自动调谐原理。 2 3 1 极度平衡电网中电容电流的检测 针对偏磁式消弧线圈可连续且可精确调节电感的特点，在极度平衡的电网中， 可以采取类似于谐振法的原理。因为造成电网不平衡的原因是多方面的，只是当电 网不平衡度较大时，才可以忽略其它原因，而只考虑重要因素，认为电网不平衡是 由于三相对地电容不相等造成的，从而在这种简化前提下，研究各种调谐原理。在 高度平衡的电网中，其中性点电压位移很小，产生这个位移电压的原因是多方面的， 很难说主要原因是三相对地电容不平衡。但是不管是什么原因产生的不平衡电压， 我们总可以用戴维南定理得到一个全面的等效电路，如图2 8 所示。 乏 卜 图2 8极度平衡电网的戴维南等效电路 图中【，。为消弧线圈未接入时的中性点位移电压，即戴维南电势。z ，是从中性 点和地之间向电网看进去的等效内阻抗，这一内阻抗由电阻、电感和电容组成，其 中，容性阻抗占主要成分。等效内阻抗为： z z 一乞+ j ( x k x 。) ， x x d ( 2 8 ) 和，：的串联是消弧电抗器的等效电路，其阻抗为： z 工一，工+ 工y 工，x 工 吃 ( 2 9 ) d 为投入消弧电抗器后的中性点位移电压，该位移电压的大小为： 巩。产垒丝兰丝一 ( 2 - 1 0 ) u 。7 = 2 2 2 2 2 2 亍2 2 2 2 2 2 。2 2 2 2 2 2 2 号 厶一j u ( + ，工) 2 + ( x k + x 工一x 。) 2 可见，如果连续的调节消弧线圈电感l ，当忽略x k 不计时，使得x 工一x 达到最 小的时候，d 最大。此时，x 工。x 。，而x 。就是电网对地的总容抗。检测电网单相 华北电力大学工程硕士学位论文 接地电容电流实际上就是检测这一容抗值。综上所述，无论造成中性点电压位移的主要 原因是什么，我们总可以通过连续的调节消弧线圈电感量，使中性点电压达到最大值， 此时消弧线圈的感抗就等于电网的对地总容抗。而偏磁式消弧线圈低压段的伏安特 性是线性的，电感值由控制电流唯一确定，而控制电流是与给定电压线性对应的。 利用微处理器可以很容易地确定电网对地总容抗，所以在极度平衡的电网中可以利 用这种方法检测电容电流。整个过程中检测量只有一个，即中性点位移电压幅值。 2 3 2 有一定不平衡度电网中电容电流的检测 2 2 1 节中介绍的电容电流检测法中，忽略了电网阻尼率，这就使得这种方法 检测精度大为降低，实际上不能满足工程需要。下面提出的方法有效地解决了这一 问题。 电网正常运行时，补偿电网中性点位移电压为： 。u 。厨 ( 2 一1 1 ) 式中：u o 为电网自然不平衡电压 d 为补偿电网的阻尼率 u 为电网脱谐度 因为 t ，一( ，c 一，工) ，ct1 一j 工x 式中：，c 为电网单相接地电容电流 ，工为消弧线圈在低压下的电感电流折算到额定电压下数值 所以有u ，u 。：i i 而 ( 2 一1 2 ) 当消弧线圈分别工作在对应电感电流为，。、，：、，的电感值时，测得中性点位移电 压为u 。、u ：、u ，将数值代入式( 2 一1 2 ) 中得： u 。i uk | 厨i 丽 u 。：ul | 母j 而 u 、l u 、| p i 函丽 解上述三个方程得： ( u ：u 。) 2 一( 【，：u ，) 2 一( ( 1 一，。x ) 2 一( 1 一，。x ) 2 ) 似2 + ( 1 一，：x ) 2 ) 1 s 华北电力大学工程硕士学位论文 令： 则变为： 同理，令： 可得方程式： 联立求解，并令 可得： d 。t ( u 2 u 。) 2 一( u ：u ，) 2 d 2 一( 2 d 。，2 + 2 ，3 2 ，。) ( d 。，；+ ，；一，? ) d ，一d l ( d 。，；+ ，；一，；) x 2 一d 2 x + d 3 ( 1 + d2 ) 一0 b 。- 缈，膨，) 2 一，缈2 ) 2 曰：一( 2 b ，+ 打：一竹。) 俾。，；+ ，；一，? ) b ，；置( b 。，；+ ，；一j ；) x 2 一口2 x + 曰3 ( 1 + d 2 ) 一0 曰。一( d ：一b ：) ( d 3 一色) x d 2 一d 3 日4d 2 一b 4 ( d 2 一d 3 口4 ) 一1 即： ，c - 】( d 2 一d 3 口4 ) ( 2 1 3 ) d 一否4 ( d 2 一d 3 曰4 ) 一1 ( 2 1 4 ) u o u l d2 + ( 1 一，1 ，c ) 2 ( 2 1 5 ) 可见，理论上只需知道u l 、，l 、u 2 、，2 、u 3 、，3 这三组数据就可利用式( 2 1 3 ) 计算出电网单相接地电容电流，利用式( 2 1 4 ) 计算出电网阻尼率。对偏磁式消弧线圈 施加不同的控制电流就可精确知道其电感值，所以，。、，：、，是可以精确给定的，那么 只要检测在不同控制电流下中性点位移电压幅值u l 、u ：、u 。，就可以计算出电网单相 华北电力人学工程硕士学位论文 接地电容电流。 2 3 3 偏磁式消弧线圈电容电流检测精度 上述两种电容电流检测方法中，检测量只有一个，即中性点位移电压幅值。我 们并不需要精确的检测其大小，2 3 1 节中介绍的方法只需要比较随着消弧线圈控 制电流的改变，中性点位移电压幅值大小变化的情况。2 3 2 节中介绍的方法只需 要知道中性点位移电压变化前后的比值u ，u ，、u ：u ，、u u ，、【，u ，等，这就 使得测量精度比较容易实现。电容电流的检测精度主要取决于偏磁式消弧线圈低压 调节特性曲线的测量精度，而低压调节特性的精确测量是非常容易做到的。另外， 上述两种方法的实现，硬件上是完全一样的，只需要给微处理器分别编程，按照不 同的中性点位移电压自动转换两种方法，即可实现不同电网电容电流的精确测量。 2 4 小结 l 、中性点不接地系统当发生单相接地时，接地电容电流的大小等于正常运行 时一相对地充电电流的3 倍，并且接地电流和接地相正常时的相电压相差9 0 。，当 接地电流过零时，加在弧隙两端的电源电压为最大值，因此故障点的电弧不易熄灭。 2 、由于各相对地电容不相等，中性点不接地系统在正常运行时，中性点具有 一定的对地电位，即中性点位移电压。 3 、中性点加入消弧线圈后，起到三个方面的作用：减小故障点接地电流；减 缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度；避免由于电磁式电压互感器饱和而引 发铁磁谐振。消弧线圈的补偿效果与其脱谐度有很大关系，调谐适当的消弧线圈才 能达到理想的效果，而电网是要发生变化的，从而其单相接地电容电流也随之变化， 这就需要人们根据电网的变化来调整消弧线圈的补偿电流。 4 、消弧线圈的自动调谐需要解决两个方面的问题，一个是自动调谐原理，另 一个是可调消弧电抗器。目前，已提出的自动调谐原理大体上可分为五类：谐振法、 相位移法、电容电流间接检测法、附加电源法和模型法。各种调谐原理和各种可调 电抗器都有各自的优缺点。随着微电子技术的发展，电容电流间接检测法具有优越 性，偏磁式可调消弧电抗器由于具有大的调节范围，快速响应、可连续调感和全静 态结构等特点，是一种很有发展前途的可调电抗器。 华北电力火学t 程硕士学位论文 第三章偏磁式消弧线圈的电感控制 3 1 直流偏磁式消弧线圈 绕组 图3 1偏磁式消弧线圈原理示意图 偏磁式消弧线圈的工作原理是通过改变附加的直流励磁磁化铁心的磁导率，实 现电感量连续变化。如图3 1 所示，通过改变励磁绕组中的直流电流，使直流励磁 磁化铁心的磁导率发生改变，从而实现工作绕组的电感l 的调节。偏磁式消弧线圈 是一种可连续调节电感的消弧线圈，它的内部为全静态结构，无运动部件，工作可 靠性高，其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。 文献的研究结果表明，偏磁式消弧线圈的励磁绕组中不仅含有励磁电源提供 的直流励磁电流，而且还含有由交流测感应出的直流电流分量及一系列偶次谐波电 流分量。在交流工作绕组中，不仅含有基波电流，而且还含有一系列奇次谐波电流。 励磁绕组中的感应电流分量对控制系统有较大影响，交流工作绕组中的谐波电流直 接影响到补偿效果。 文献提出的新型偏磁式消弧线圈，通过消弧线圈本身结构上的变化，使得励 磁绕组中的感应电流分量在性质上变为电压源型，在数值上大大减小：交流绕组中 的谐波电流大大减小，谐波电流最大时小于4 。对这种新型偏磁式消弧线圈控制的 基础是它的高低压调节特性，下面详细介绍一下它的高低压调节特性和伏安特性。 3 2 偏磁式消弧线圈的高、低压调节特性 在消弧线圈工作绕组上施加额定电压，并维持该电压恒定不变，在励磁绕组中 施加直流励磁电流，测量工作绕组电流随励磁绕组中直流的变化关系，称为高压调 节特性。 华北电力大学工程硕士学位论文 在消弧线圈工作绕组上施加电压，并维持该电压恒定不变，在励磁绕组中施加 直流励磁电流，测量工作绕组电流随励磁绕组中直流的变化关系，称为低压调节特 性。 由于励磁绕组中的电流是脉动的，实际测量时，采用分流器串入励磁回路中， 从分流器上取出脉动直流信号，该信号经低通滤波器滤波后再送入直流电流表，所 以其测量值为控制回路电流的平均值。在下文中，我们称控制回路电流的平均值为 励磁电流。 3 3 偏磁式消弧线圈的伏安特性 在偏磁式消弧线圈的励磁绕组中施加一定的直流电流，并维持励磁绕组中的直 流电流不变，测量工作绕组中的电流随工作绕组两端电压的变化关系，称为消弧线 圈的伏安特性。 偏磁式消弧线圈伏安特性的测量必须维持励磁绕组中直流电流不变，因为随着 交流电压的升高，交流侧在直流励磁绕组中感应出的直流电流也逐渐增大，这就使 得串在励磁绕组中的直流电流表读数增大，因此要适当降低励磁绕组电压才能维持 励磁绕组中的直流电流不变。 3 4 偏磁式消弧线圈电感量的控制 通过前面的分析，我们不难知道， 就是对一种大电感负载的控制。这样， 归结为电感量的控制问题。 对这种新型偏磁式消弧线圈的控制，实际上 就可以把对新型偏磁式消弧线圈的控制问题 消弧线圈的调谐首先要解决消弧电线圈电感量的控制问题，偏磁式消弧线圈电 感值受励磁回路直流电流和交流工作电压两个因素的影响。 消弧线圈的补偿作用是在电网发生单相接地后，此时，消弧线圈两端承受的是 额定相电压，即承受高电压，而偏磁式消弧线圈的伏安特性在高压段是线性的，所 以，此时偏磁式消弧线圈的电感值唯一地由励磁电流决定。 在电网正常运行时，消弧线圈两端承受的是低电压，尤其是对电缆系统，这一 电压很小，6 k v 电缆网络正常运行时中性点不平衡电压一般小于3 6 v 。偏磁式消弧 线圈的伏安特性在低压段也是线性的，所以，此时偏磁式消弧线圈的电感值也唯一 地由励磁电流决定。 综上所述，无论是在电网发生故障时，还是在电网正常运行时，偏磁式消弧线 圈的电感值均唯一的由励磁绕组中的励磁电流决定，我们只要精确地提供励磁绕组 中的励磁电流就可以准确地调整消弧线圈的电感。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 5 小结 偏磁式消弧线圈的工作原理是通过改变励磁绕组中的直流电流，使直流励磁磁 化铁心的磁导率发生改变，从而实现工作绕组的电感l 的调节。 由于励磁绕组中的感应直流的存在，消弧线圈的高低压调节特性有很大差异， 这意味着消弧线圈在额定电压下和极低电压下所体现的电抗值有差异。 无论是在电网发生故障时，还是在电网正常运行时，偏磁式消弧线圈的电感值 均唯一的由励磁绕组中的励磁电流决定，我们只要精确地提供励磁绕组中的励磁电