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簡析消弧線圈自動調諧原理的
時間:2018-12-11 10:00:47 文章來源:www.arbface.com  作者:保定瑞通電氣

近年來,隨著城市電網的發展和配電網規模的擴大,電纜線路的增加,配電網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,中性點經消弧線圈接地就是唯一的選擇。消弧線圈的補償效果與其脫諧度有很大關系,調諧適當的消弧線圈才能達到理想的效果,而電網是要發生變化的,從而其單相接地電容電流隨之變化,這就需要人們根據電網的變化來調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諧消弧線圈,所以實現消弧線圈的自動調諧是非常必要的。


  2消弧線圈自動調諧原理的分析

  目前,已提出的自動調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為電網的不平衡度,UΦ為電網正常運行時的相電壓;

  v為電網的脫諧度,d為電網的阻尼率。

  一個電網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節消弧線圈的電感值,使UN達到最大。該調節原理不用考慮電網的不平衡電壓是因為電網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,也不用考慮相位關系。

  進一步討論式(1),并對v求導得:

  式(2)說明UN隨|v|的變化呈單調遞減的規律,對其求導可得:

  最大,而當|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UN的大小變化使v保持在大容量開關,消弧柜以內,若用極值法調節,必須處理好脫諧度和阻尼率的關系。

  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的補償狀態,其原理電路圖如圖1所示。經過分析,不難得出:

  因此,相位角θ的大小反映了電網的脫諧狀態,我們可以根據(5)式來實現消弧線圈對電網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,我們假設了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θi值的難以確定。同樣的道理,三相電網對地絕緣電阻不對稱也會影響KC,進而影響θi的大小。這樣就加大了檢測的難度,且每個電網的情況都不一樣[3][7]。

  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的相角差,間接計算出系統單相接地電容電流或系統對地電容,據此調諧消弧線圈[4]。下面分別為其計算方法。

  (1)忽略電網阻尼率時的計算方法

  設對應于分抽頭T1和T2時的中性點位移電壓分別為UN1和UN2,各分抽頭對應的消弧線圈電流值分別為IL1和IL2,d=0,代入式(1)得

  從上式可以看出,測得兩次中性點電壓后,就可以求得電網三相對地總電容和消弧線圈脫諧度。實際應用中,由于這種方法忽略了電網阻尼率以及UN1和UN2測量的不同時性,測量結果準確性較差。

  (2)利用消弧線圈兩分接頭對應的零序電流相對相位差的計算方法。

  我們知道,脫諧度v由下式決定:

  消弧線圈對應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對應電流大容量開關,消弧柜和大容量開關,消弧柜的相位關系以及相應的阻抗三角形如圖2(b)所示。進行調諧時,先測量分接頭為T1時零序回路電流大容量開關,消弧柜和分接頭為大容量開關,消弧柜的相對相位差θ(一般以線電壓作為基準),根據兩個分接頭T1和T2的電抗差ΔXL12和θ角等關系,可以計算出XC-XL1(XL1為分接頭為T1時的消弧線圈電抗),最后可求得對應分接頭為T1時的脫諧度v1。接著將算出的v1和設定的標準值v0進行比較,若|v1-v0|≤δ,則原T1分接頭不需調整。若|v1-v0|>δ,則判斷v1-v0的符號,根據該符號的正或負,進行相應的分接頭調節。

  該算法忽略了電網的阻尼率,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。設電網共有n條線路,在模型上每一條線路相當于一個電阻,在這一電阻兩端并聯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中線路的模型,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整消弧線圈電感。否則,說明調諧度在允許范圍內。這種方法的調節精度取決于線路模型及消弧線圈模型的精度。由于電網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,另外系統的電容電流還受到其它電器設備的影響,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

  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或并接在系統零序回路中,相當于一個阻抗變換器,它反映了系統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系,即可實現自動調諧。附加電源法的調節原理如圖4所示。從圖4可以看出,附加電源大容量開關,消弧柜會在消弧線圈上感應一個電壓大容量開關,消弧柜,該電壓實際上就相當于一個零序電壓。忽略消弧線圈原、副邊漏電抗,其等效電路如圖5所示。

  相位超前于大容量開關,消弧柜的相位,消弧線圈處于欠補償工作狀態。只要檢測大容量開關,消弧柜的相位關系,調節消弧線圈的電感值并使兩者的相位差足夠小,就可以實現消弧線圈的電感電流對電網電容電流的自動跟蹤。當電網發生單相接地時,接地電流就很小。

  但是,這種調節原理存在的問題是:電網正常時偏移電壓的影響。中性點經消弧線圈接地以后的電網,其偏移電壓要將原來中性點不接地的自然偏移電壓放大,電流大容量開關,消弧柜是電網偏移電壓大容量開關,消弧柜0與附加電源電壓大容量開關,消弧柜共同作用的結果,為了減小大容量開關,消弧柜的影響,必須讓附加電源感應到消弧線圈回路的電壓大容量開關,消弧柜大得多,但是大容量開關,消弧柜過大會在電網中造成各相對地電壓不對稱。雖不影響電網對負載的供電,但長期存在會對設備絕緣產生不良后果,還會引起各級接地(漏電)保護裝置誤動作。另外,電網正常運行時中性點位移電壓對該方法調節精度影響較大,這些都限制了該方法的使用。

  2.6注入信號法

  小電流接地系統的電容電流測量及消弧線圈自動跟蹤調整是在系統正常運行時進行的,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,測量系統電容電流[5][6](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。通過改變注入信號的頻率,使電感和電容發生并聯諧振,找到系統的諧振頻率f0,則:

  式中ω0為諧振角頻率。

  則系統單相金屬性接地故障時的電容電流為:

  式中ω為系統角頻率;U為系統相電壓。

  此時的脫諧度為:

  由式(12)可以直接通過系統諧振頻率計算脫諧度。

  這種方法的調節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結束語

  以上方法各有優缺點,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驗,但應用都有局限性。相對來講,隨著微電子技術的發展,采用微處理器后,電容電流間接檢測法具有優越性。而模型法、附加電源法和注入信號法尚無運行經驗,只是做一些理論分析,應用到實際系統當中去,還要一段時間。

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