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简析消弧线圈自动调谐原理的

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2017/7/27     浏览次数:    

  近年来,随着城市电网的发展和配电网规模的扩大,电缆线路的增加,配电网对地电容电流也大幅度增加,如果从接地方式的角度来考虑限制电容电流,中性点经消弧线圈接地就是唯一的选择。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,所以实现消弧线圈的自动调谐是非常必要的。

  2消弧线圈自动调谐原理的分析
  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。下面详细分析各种调谐原理。
  2.1谐振法
  式中:UN为投入消弧线圈后的中性点不平衡电压;
  KC为电网的不平衡度,UΦ为电网正常运行时的相电压;
  v为电网的脱谐度,d为电网的阻尼率。
  一个电网的不平衡度和阻尼率是一定的,所以由上式可以知道,UN的大小仅由脱谐度决定。当v=0时,UN为最大值,此时,接地电流为最小,为纯阻性电流。谐振法的原理就是通过调节消弧线圈的电感值,使UN达到最大。该调节原理不用考虑电网的不平衡电压是因为电网对地电容不相等造成的。还是因为绝缘泄漏电阻不相等造成的,也不用考虑相位关系。
  进一步讨论式(1),并对v求导得:
  式(2)说明UN随|v|的变化呈单调递减的规律,对其求导可得:
  最大,而当|v|较大和接近零时,v的变化对UN的影响较小,这是极值法的不足。然而,前面的分析也表明,极值法是很容易根据UN的大小变化使v保持在大容量开关,消弧柜以内,若用极值法调节,必须处理好脱谐度和阻尼率的关系。
  2.2相位角法
  这一方法是在一相附加一小电容,通过测量UN和附加电容相的相位来判断系统的补偿状态,其原理电路图如图1所示。经过分析,不难得出:
  因此,相位角θ的大小反映了电网的脱谐状态,我们可以根据(5)式来实现消弧线圈对电网电容电流的自动跟踪补偿。
  相位法原理存在的问题是,在计算KC时,我们假设了CA=CB=CC=C,而实际情况并不一定是这样,况且在运行过程中切除或投入部分线路时,更增加了三相对地电容的不对称性,使KC的值不再是标量,从而造成θi值的难以确定。同样的道理,三相电网对地绝缘电阻不对称也会影响KC,进而影响θi的大小。这样就加大了检测的难度,且每个电网的情况都不一样[3][7]。
  2.3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[4]。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T1和T2时的中性点位移电压分别为UN1和UN2,各分抽头对应的消弧线圈电流值分别为IL1和IL2,d=0,代入式(1)得
  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UN1和UN2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对相位差的计算方法。
  我们知道,脱谐度v由下式决定:
  消弧线圈对应某一分接头的电抗是已知的,但XC没有测量,故v不能直接计算出来,然而我们可以通过分接头在T1和T2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(a)所示,分接头T1和T2对应电流大容量开关,消弧柜和大容量开关,消弧柜的相位关系以及相应的阻抗三角形如图2(b)所示。进行调谐时,先测量分接头为T1时零序回路电流大容量开关,消弧柜和分接头为大容量开关,消弧柜的相对相位差θ(一般以线电压作为基准),根据两个分接头T1和T2的电抗差ΔXL12和θ角等关系,可以计算出XC-XL1(XL1为分接头为T1时的消弧线圈电抗),最后可求得对应分接头为T1时的脱谐度v1。接着将算出的v1和设定的标准值v0进行比较,若|v1-v0|≤δ,则原T1分接头不需调整。若|v1-v0|>δ,则判断v1-v0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。
  2.4模型法
  电网电容电流由接入的线路总长度而确定,因此可以用合闸线路断路器的多少来计算电容电流。设电网共有n条线路,在模型上每一条线路相当于一个电阻,在这一电阻两端并联着与该线路断路器触头一致的触点,若线路接入,则电阻被短路。图3中左边的电阻串为电网中线路的模型,右边的电阻串为消弧线圈的模型。线路投入愈多,被短路的电阻愈多,因此经左边电阻串流到底部电阻Rb的电流越大在其上面的压降即为微分放大器的一个输入信号。微分放大器的另一个输入信号是消弧线圈模拟电阻串底部电阻R*b的电压降。若两信号差得多,放大后的电压超过继电器KA的动作电压就需要调整消弧线圈电感。否则,说明调谐度在允许范围内。这种方法的调节精度取决于线路模型及消弧线圈模型的精度。由于电网中某些线路的电容可能改变,即使电容不改变,测定其对地电容也很烦琐,另外系统的电容电流还受到其它电器设备的影响,所以建立线路模型不仅非常困难,而且在某些情况下不可能做得准确。
  2.5附加电源法
  中性点附加电源法是在中性点的消弧线圈上附加一个信号源,用于附加信号源的变压器串联或并接在系统零序回路中,相当于一个阻抗变换器,它反映了系统的零序回路阻抗的状况。因此,检测附加电压与电流之间的相位关系,即可实现自动调谐。附加电源法的调节原理如图4所示。从图4可以看出,附加电源大容量开关,消弧柜会在消弧线圈上感应一个电压大容量开关,消弧柜,该电压实际上就相当于一个零序电压。忽略消弧线圈原、副边漏电抗,其等效电路如图5所示。
  相位超前于大容量开关,消弧柜的相位,消弧线圈处于欠补偿工作状态。只要检测大容量开关,消弧柜的相位关系,调节消弧线圈的电感值并使两者的相位差足够小,就可以实现消弧线圈的电感电流对电网电容电流的自动跟踪。当电网发生单相接地时,接地电流就很小。
  但是,这种调节原理存在的问题是:电网正常时偏移电压的影响。中性点经消弧线圈接地以后的电网,其偏移电压要将原来中性点不接地的自然偏移电压放大,电流大容量开关,消弧柜是电网偏移电压大容量开关,消弧柜0与附加电源电压大容量开关,消弧柜共同作用的结果,为了减小大容量开关,消弧柜的影响,必须让附加电源感应到消弧线圈回路的电压大容量开关,消弧柜大得多,但是大容量开关,消弧柜过大会在电网中造成各相对地电压不对称。虽不影响电网对负载的供电,但长期存在会对设备绝缘产生不良后果,还会引起各级接地(漏电)保护装置误动作。另外,电网正常运行时中性点位移电压对该方法调节精度影响较大,这些都限制了该方法的使用。
  2.6注入信号法
  小电流接地系统的电容电流测量及消弧线圈自动跟踪调整是在系统正常运行时进行的,此时中性点位移电压较低,采用从消弧线圈上的零序电压互感器注入变频电流信号,测量系统电容电流[5][6](接线图如图6)。等值电路如图7所示,其中:忽略X1,X2,注入信号等值回路中消弧线圈感抗(XL)与三相电容(因三相对称,故CA、CB、CC等效为3C)并联。通过改变注入信号的频率,使电感和电容发生并联谐振,找到系统的谐振频率f0,则:
  式中ω0为谐振角频率。
  则系统单相金属性接地故障时的电容电流为:
  式中ω为系统角频率;U为系统相电压。
  此时的脱谐度为:
  由式(12)可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度。
  这种方法的调节精度取决于变频信号源的精度,这种变频信号源实际做起来是有一定的难度的。
  3结束语
  以上方法各有优缺点,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。相对来讲,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,应用到实际系统当中去,还要一段时间。
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