消弧線圈自動調(diào)諧原理的分析

1、消弧線圈自動調(diào)諧原理的分析王鴻雁，何湘寧(浙江大學(xué)電力電子技術(shù)研究所，浙江杭州310027)    摘  要：對消弧線圈的各種自動調(diào)諧原理進行了詳細的分析和討論，提出了各種調(diào)諧方法的優(yōu)缺點和調(diào)諧時應(yīng)注意的問題。    關(guān)鍵詞：消弧線圈；自動調(diào)諧；電容電流；諧振1引言    近年來，隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展和配電網(wǎng)規(guī)模的擴大，電纜線路的增加，配電網(wǎng)對地電容電流也大幅度增加，如果從接地方式的角度來考慮限制電容電流，中性點經(jīng)消弧線圈接地就是唯一的選擇1。消弧線圈的補償效果與其脫諧度有很大關(guān)系，調(diào)諧適當(dāng)?shù)南?/p>

2、線圈才能達到理想的效果，而電網(wǎng)是要發(fā)生變化的，從而其單相接地電容電流隨之變化，這就需要人們根據(jù)電網(wǎng)的變化來調(diào)整消弧線圈的補償電流。這種工作不僅比較繁瑣，而且在很多場合下人工很難及時準確地調(diào)諧消弧線圈，所以實現(xiàn)消弧線圈的自動調(diào)諧是非常必要的2。2消弧線圈自動調(diào)諧原理的分析    目前，已提出的自動調(diào)諧原理大體上可分為六類：諧振法、相位移法、電容電流間接檢測法、附加電源法、模型法和注入信號法。下面詳細分析各種調(diào)諧原理。2.1諧振法式中：UN為投入消弧線圈后的中性點不平衡電壓；      KC為電網(wǎng)的不平衡度，U為電網(wǎng)正

3、常運行時的相電壓；      v為電網(wǎng)的脫諧度，d為電網(wǎng)的阻尼率。    一個電網(wǎng)的不平衡度和阻尼率是一定的，所以由上式可以知道，UN的大小僅由脫諧度決定。當(dāng)v=0時，UN為最大值，此時，接地電流為最小，為純阻性電流。諧振法的原理就是通過調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值，使UN達到最大。該調(diào)節(jié)原理不用考慮電網(wǎng)的不平衡電壓是因為電網(wǎng)對地電容不相等造成的。還是因為絕緣泄漏電阻不相等造成的，也不用考慮相位關(guān)系。    進一步討論式(1)，并對v求導(dǎo)得：式(2)說明UN隨v的變化呈單調(diào)遞減的規(guī)律，對其求導(dǎo)

4、可得：最大，而當(dāng)v較大和接近零時，v的變化對UN的影響較小，這是極值法的不足。然而，前面的分析也表明，極值法是很容易根據(jù)UN的大小變化使v保持在以內(nèi)，若用極值法調(diào)節(jié)，必須處理好脫諧度和阻尼率的關(guān)系。2.2相位角法    這一方法是在一相附加一小電容，通過測量UN和附加電容相的相位來判斷系統(tǒng)的補償狀態(tài)，其原理電路圖如圖1所示。經(jīng)過分析，不難得出：    因此，相位角的大小反映了電網(wǎng)的脫諧狀態(tài)，我們可以根據(jù)(5)式來實現(xiàn)消弧線圈對電網(wǎng)電容電流的自動跟蹤補償。    相位法原理存在的問題是，在計算KC時，我們假

5、設(shè)了CA=CB=CC=C，而實際情況并不一定是這樣，況且在運行過程中切除或投入部分線路時，更增加了三相對地電容的不對稱性，使KC的值不再是標量，從而造成i值的難以確定。同樣的道理，三相電網(wǎng)對地絕緣電阻不對稱也會影響KC，進而影響i的大小。這樣就加大了檢測的難度，且每個電網(wǎng)的情況都不一樣37。2.3電容電流間接檢測法    該方法的基本思想是通過改變消弧線圈的電感值，造成其兩端電壓發(fā)生變化，同時消弧線圈中的電流隨之改變，然后檢測電壓和電流值以及相應(yīng)的相角差，間接計算出系統(tǒng)單相接地電容電流或系統(tǒng)對地電容，據(jù)此調(diào)諧消弧線圈4。下面分別為其計算方法。  

6、;  (1)忽略電網(wǎng)阻尼率時的計算方法    設(shè)對應(yīng)于分抽頭T1和T2時的中性點位移電壓分別為UN1和UN2，各分抽頭對應(yīng)的消弧線圈電流值分別為IL1和IL2，d0，代入式(1)得    從上式可以看出，測得兩次中性點電壓后，就可以求得電網(wǎng)三相對地總電容和消弧線圈脫諧度。實際應(yīng)用中，由于這種方法忽略了電網(wǎng)阻尼率以及UN1和UN2測量的不同時性，測量結(jié)果準確性較差。    (2)利用消弧線圈兩分接頭對應(yīng)的零序電流相對相位差的計算方法。    我們知道，脫諧度v由下式?jīng)Q

7、定：    消弧線圈對應(yīng)某一分接頭的電抗是已知的，但XC沒有測量，故v不能直接計算出來，然而我們可以通過分接頭在T1和T2位置時，零序電路阻抗三角形以及電流相位關(guān)系的變化間接求出來。零序等值回路如圖2(a)所示，分接頭T1和T2對應(yīng)電流和的相位關(guān)系以及相應(yīng)的阻抗三角形如圖2(b)所示。進行調(diào)諧時，先測量分接頭為T1時零序回路電流和分接頭為的相對相位差(一般以線電壓作為基準)，根據(jù)兩個分接頭T1和T2的電抗差XL12和角等關(guān)系，可以計算出XC-XL1(XL1為分接頭為T1時的消弧線圈電抗)，最后可求得對應(yīng)分接頭為T1時的脫諧度v1。接著將算出的v1和設(shè)定的標準值v0

8、進行比較，若v1-v0，則原T1分接頭不需調(diào)整。若v1-v0，則判斷v1-v0的符號，根據(jù)該符號的正或負，進行相應(yīng)的分接頭調(diào)節(jié)。    該算法忽略了電網(wǎng)的阻尼率，使用時要注意使用條件，同時，由于算法中用到各分接頭的電抗值，所以要考慮消弧線圈在端電壓很小時的非線性失真問題。2.4模型法    電網(wǎng)電容電流由接入的線路總長度而確定，因此可以用合閘線路斷路器的多少來計算電容電流。設(shè)電網(wǎng)共有n條線路，在模型上每一條線路相當(dāng)于一個電阻，在這一電阻兩端并聯(lián)著與該線路斷路器觸頭一致的觸點，若線路接入，則電阻被短路。圖3中左邊的電阻串為電網(wǎng)中線路的模

9、型，右邊的電阻串為消弧線圈的模型。線路投入愈多，被短路的電阻愈多，因此經(jīng)左邊電阻串流到底部電阻Rb的電流越大在其上面的壓降即為微分放大器的一個輸入信號。微分放大器的另一個輸入信號是消弧線圈模擬電阻串底部電阻R*b的電壓降。若兩信號差得多，放大后的電壓超過繼電器KA的動作電壓就需要調(diào)整消弧線圈電感。否則，說明調(diào)諧度在允許范圍內(nèi)。這種方法的調(diào)節(jié)精度取決于線路模型及消弧線圈模型的精度。由于電網(wǎng)中某些線路的電容可能改變，即使電容不改變，測定其對地電容也很煩瑣，另外系統(tǒng)的電容電流還受到其它電器設(shè)備的影響，所以建立線路模型不僅非常困難，而且在某些情況下不可能做得準確。2.5附加電源法  

10、;  中性點附加電源法是在中性點的消弧線圈上附加一個信號源，用于附加信號源的變壓器串聯(lián)或并接在系統(tǒng)零序回路中，相當(dāng)于一個阻抗變換器，它反映了系統(tǒng)的零序回路阻抗的狀況。因此，檢測附加電壓與電流之間的相位關(guān)系，即可實現(xiàn)自動調(diào)諧。附加電源法的調(diào)節(jié)原理如圖4所示。從圖4可以看出，附加電源會在消弧線圈上感應(yīng)一個電壓，該電壓實際上就相當(dāng)于一個零序電壓。忽略消弧線圈原、副邊漏電抗，其等效電路如圖5所示。相位超前于的相位，消弧線圈處于欠補償工作狀態(tài)。只要檢測的相位關(guān)系，調(diào)節(jié)消弧線圈的電感值并使兩者的相位差足夠小，就可以實現(xiàn)消弧線圈的電感電流對電網(wǎng)電容電流的自動跟蹤。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，接地電流就很

11、小。    但是，這種調(diào)節(jié)原理存在的問題是：電網(wǎng)正常時偏移電壓的影響。中性點經(jīng)消弧線圈接地以后的電網(wǎng)，其偏移電壓要將原來中性點不接地的自然偏移電壓放大，電流是電網(wǎng)偏移電壓0與附加電源電壓共同作用的結(jié)果，為了減小的影響，必須讓附加電源感應(yīng)到消弧線圈回路的電壓大得多，但是過大會在電網(wǎng)中造成各相對地電壓不對稱。雖不影響電網(wǎng)對負載的供電，但長期存在會對設(shè)備絕緣產(chǎn)生不良后果，還會引起各級接地(漏電)保護裝置誤動作。另外，電網(wǎng)正常運行時中性點位移電壓對該方法調(diào)節(jié)精度影響較大，這些都限制了該方法的使用。2.6注入信號法    小電流接地系統(tǒng)的電容電

12、流測量及消弧線圈自動跟蹤調(diào)整是在系統(tǒng)正常運行時進行的，此時中性點位移電壓較低，采用從消弧線圈上的零序電壓互感器注入變頻電流信號，測量系統(tǒng)電容電流56(接線圖如圖6)。等值電路如圖7所示，其中：    忽略X1，X2，注入信號等值回路中消弧線圈感抗(XL)與三相電容(因三相對稱，故CA、CB、CC等效為3C)并聯(lián)。通過改變注入信號的頻率，使電感和電容發(fā)生并聯(lián)諧振，找到系統(tǒng)的諧振頻率f0，則：式中0為諧振角頻率。    則系統(tǒng)單相金屬性接地故障時的電容電流為：式中為系統(tǒng)角頻率；U為系統(tǒng)相電壓。    此時的脫

13、諧度為：由式(12)可以直接通過系統(tǒng)諧振頻率計算脫諧度。    這種方法的調(diào)節(jié)精度取決于變頻信號源的精度，這種變頻信號源實際做起來是有一定的難度的。3結(jié)束語    以上方法各有優(yōu)缺點，都沒有達到完善的地步。其中，相位法、極值法和電容電流檢測法有一定的運行經(jīng)驗，但應(yīng)用都有局限性。相對來講，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用微處理器后，電容電流間接檢測法具有優(yōu)越性。而模型法、附加電源法和注入信號法尚無運行經(jīng)驗，只是做一些理論分析，應(yīng)用到實際系統(tǒng)當(dāng)中去，還要一段時間。參考文獻1趙智大.電力系統(tǒng)中性點接地問題.中國工業(yè)出版社，1965.2Griffel D,et al.A New deal for safety and quality in MV networksJ.IEEE Trans on Power Delivery,1997,12(4):14281433.3張立偉.小