基于变耦电抗器的消弧线圈的新原理.pdf

第3 4 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 6 1 3 0 4 基于变耦电抗器的消弧线圈的新原理 王崇 1 ．中 林1 ，梁睿1 ，刘建华1 ，李晓波1 ，张栋梁2 国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．徐州和纬信电有限公司，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要针对当前自动跟踪补偿消弧线圈存在的问题，提出了解决由调节可控硅导通角而产生高 次谐波的新方法一基于变耦电抗法的三相五柱式消弧线圈．，该方法利用改变互感器的耦合系数 来调节电感．文章给出了变耦电抗器的消弧线圈硬件实现方式和调谐原理，实验显示该消弧线圈 调节快速，无高次谐波，能精确地自动跟踪补偿电网电容电流． 关键词变耦；可调电抗；三相五柱式；消弧线圈 中图分类号T M4 7 文献标识码A AN o v e lP r i n c i p l eo fA r cS u p p r e s s i o nC o i lB a s e do n C h a n g i n gM a g n e t i cC o u p l i n gt oA d j u s tI n d u c t a n c e W A N GC h o n g l i n l ，L I A N GR u i l ，L I UJ i a n h u a l ，L IX i a o b 0 1 ，Z H A ND o n g l i a n 9 2 1 ．S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ’ 2 ．X u z h o uH e w e iI n f o r m a t i o na n de l e c t r i c a lC o ．L t d ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B ya n a l y z i n gt h e d e f e c to fa u t o m a t i cr e s o n a n c ea r c s u p p r e s s i o n c o i l ，an o v e la r c s u p p r e s s i o nc o i lw i t ht h r e ep h a s e sa n df i v ec o l u m n si sp r e s e n t e dt os o l v et h eh i g h o r d e rh a r m o n i c i n d u c e db yr e g u l a t i n gt h et r i g g e r i n ga n g l eo fT h y r i s t o r C o n t r o l l e dR e a c t o r T C R ，w h i c hi sb a s e d o nc h a n g i n gm a g n e t i cc o u p l i n gt oa d j u s ti n d u c t a n c e ．T h a tm e a n sc a na d j u s ti n d u c t a n c eb ya l t e r i n g t h em u t u a li n d u c t a n c ec o u p l i n gq u o t i e t y ．T h eh a r d w a r er e a l i z a t i o na n dt h et u r n i n gp r i n c i p l eo ft h e a r cs u p p r e s s i o nc o i la r ea l s op r e s e n t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i st y p eo fa r cs u p p r e s s i o nh a sq u i c k a t i cr e s o n a n c es p e e d ，n oh i g ho r d e rh a r m o n i c ，a c c u r a t et r a c i n ga n dc o m p e n s a t i n gc a p a c i t i v ec u r r e n t a u t o m a t i c a l l y ． K e yw o r d s c h a n g em a g n e t i cc o u p l i n g ；a d j u s t a b l ei n d u c t a n c e ；t h r e ep h a s e sa n df i v ec o l u m n s ；a r c s u p p r e s s i o nc o i l 随着城乡电网容量的扩大以及电缆逐渐取代 架空线路使单相接地时弧道中的电容电流增大而 不能自熄．持续电弧会引起弧光接地过电压，而且 单相接地故障还易扩大为相间短路．因此，采用高 质量的消弧线圈自动跟踪补偿装置对提高6 ～3 5 k V 配电网供电可靠性和安全性有积极的作用，能 使瞬时性故障自动消除而不影响供电．目前应用的 可调节消弧线圈主要有调匝式、调容式、调气隙式、 磁阀式、直流偏磁式等，但都存在电感量非连续可 调，动作速度慢，噪音大，调节范围小，脏污易使机 械动作失灵，发热大，伏安特性非线性等缺点． 文献[ 1 3 ] 介绍了的三相五柱式消弧线圈，在 结构上突破了传统消弧线圈的模式，将接地变压器 与消弧线圈有机地结合成一体，并且做成干式，不 收稿日期2 0 0 5 一O l 一0 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 0 7 7 0 2 2 作者简介王崇林 1 9 5 7 一 ，男，安徽省天长市人，教授，博士生导师，从事供配电安全、配网自动化等方面的研究 E m a i l c h l w a n g c u m t ．e d u ．e l l 万方数据 6 1 4 中国矿业大学学报 第3 4 卷 仅减小了体积，降低了成本，而且减小了总的容量， 提高了设备的效率，安装、运行、维护更加方便．此 外，对电网电容电流的自动跟踪调节，采用可控硅 控制消弧线圈，其基本工作原理相当于改变晶闸管 的触发角控制电感电流，这就使得在调节电感电流 的同时，在电网中会产生一定量的高次谐波，而此 方法仅仅针对的是基波电流的补偿，因此该方式工 作的消弧线圈在工作不可能实现全补偿电容电 流‘引． 本文在三相五柱式消弧线圈的基础上，改进其 电容电流的调节方法，即采用变耦电抗法来替代传 统的晶闸管控制电抗器T C R ，结构和控制简单，调 节深度大，并且谐波含量大大减少．在此基础上，本 文采用极值法和相位法相结合来检测电网的电容 电流，实现三相五柱式消弧线圈的动态调谐[ 1 ] ． 1变耦电抗器的调节特性 图1 为2 个串联互感器B T I 和B T 2 ，其一次 侧串联后接于三相五柱式干式变压器付边开口三 角形，二次侧经过两对反并联晶闸管，改变晶闸管 导通角即相当于可改变2 个串联互感器二次侧的 联结和B T 2 的二次绕组匝数，以改变每个互感器 的磁耦合．当电流流过2 个互感器一次绕组时，将 在铁芯中产生自感磁通，二次侧绕组中的感应电流 将产生互感磁通．一次电流不变时，其自感磁通不 变，但二次绕组中的电流大小可通过改变晶闸管导 通角，改变二次侧自感的大小，相当于改变B T 2 二 次绕组的等效匝数，即改变B T 2 的变比K 。． 图1电抗器结构原理图 F i g ．1C o n f i g u r a t i o no fa j u s t a b l ei n d u c t a n c e 根据图1 可推导出装置电抗的公式，忽略漏 磁，可得回路方程 f A E 。、一A E 。2 一U 1 一U ” 弋A E - * ．一A E h l 一0 ． ‘1 ’ 假设原边电流为j ，，付边电流为厶，其电势方程为 f △或。 j ，。x L l - - ／；x 。。 i x 。。 K ，i 厂i l A E 。一j x 。矗一j 。X 。2 i x 。。 t K 2 j 。 ，“7 f 衄- 一未凹一 j1 3 ’ l 衄z 2 之△E a z ， 式中X L 。一K 。X 。。；X L 。一K 。X 。2 分别为B T l 和B T 2 一次侧忽略漏感后得的自感抗，K 。，K 。分别为 B T l 和B T 2 的变比；X 。，，X 。分别为B T I 和B T 2 的互感抗．将式 2 ， 3 带入式 1 并整理得 fixf，，一il／K1一jx。t／K一j，一0a--．u--． ， ，、 1 j X m 。 K 。] ‘l - l 1 - J X m 2 1 ‘l - K 2 1 ’， 比一比，’ f A j ，一B t 一驴～D 。，，、 j 目，一c 一o ， ∞’ 式中A j K 1 X 。1 十K 2 X 。2 ；B j X 。1 X 。2 5 C j X 。1 ／K 1 X 。2 ／K 2 ． 则整个装置的等效电抗为 Z e q u 一半一A 一百9 2 j K ，X m l 酗m 2 一 黜一j 等X I J ，一j x T ， 6 h 一 1 一X ．． 巾．● fx 。2 ．x 。l ＼ 。是2 G ““1 ””7 ’l 瓦十瓦J 式中G X L l ／x I J 2 为B T l 和B T 2 一次侧自感掂比 值；k - - - K l ／K 2 为B T l 和B T 2 的变比比值． ，从式 6 中可看出，若K 。不变，调节K 。可使 K 值变化，等效电抗的值也发生变化．若K 一1 时， X T 一0 ，K 值增大，X T 也随之增大．若取G 一2 ，可 根据式 6 可计算出K 与X T 的特性曲线 见图2 ． 0 ．8 0 ．7 0 ．6 0 ．5 0 ．4 0 ．3 0 ．2 O ．1 图2 电抗特性曲线 F i g ．2I m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 从图2 可见，故整个装置可视为可调电抗，由 晶闸管控制一个互感器的磁耦合来实现，所以称这 种可调电抗器为变耦电抗器． 2 接入可调电抗器兰相五柱式消弧线圈工 作过程 2 ．1 接线原理图 从图3 可以看出，该消弧线圈有5 个铁芯柱， 中间3 个铁芯柱绕有高、低压线圈，边柱与中间柱 万方数据 第5 期王崇林等基于变耦电抗器的消弧线圈的新原理 之间上下共有4 个气隙，边柱上没有线圈．高压绕 组一端直接与电网A ，B ，C 三相相接，另一端接在 一起与大地相连，低压绕组接成开口三角形，通过 本文提出的变耦式可调电抗器．当电网发生单相接 地故障时，加在三相五柱式消弧线圈上的电压可分 解为正序分量和零序分量．正序电流很小，其值相 当于变压器的空载电流．零序电流流入三相高压绕 组，由于大小相等，方向一致，所产生的零序磁通也 必然是大小相等，方向相同，通过气隙，与2 个边柱 构成通道．所以，边柱仅作为零序磁通的通道．由于 零序磁路有气隙，磁阻较大，故零序电流较大．可以 通过调整磁路气隙的大小，改变零序电感值，进而 改变消弧线圈的零序电感电流，也即此三相五柱式 消弧线圈一固定补偿的电抗．接触器J 。、接一大功 率电阻，目的为增加电网的阻尼率及在发生接地故 障时产生的电弧通过该电阻释放能量，肪止电弧重 燃．在电网电容电流过大的场合，还可通过接一电 抗器并在回路中，增加电网的固定电容电流补偿能 力． 图3 消弧线圈的补偿原理 F i g ．3C o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fa r c s u p p r e s s i o n 2 ．2 调谐原理 目前，已提出的自动调谐原理大体上可分为6 类谐振法 极值法 、相位法、电容电流间接检测 法、附加电源法、模型法和注入信号法．本文介绍常 规的在现场使用的极值法配合相位法快速调谐． 因为 蜘篇， ㈩ 式中U 。为投入消弧线圈后的中性点不平衡电压； P 为电网的不平衡度，U 。为电网正常运行时的相 电压；可为电网的脱谐度，d 为电网的阻尼率． 分析可知，我们可以调节可控电抗器的负边的 变比，方便的改变补偿电抗器的大小，在投入消弧 1 线圈以后，先利用极值法将秽调节到圭d 以 ／2 内，然后再采用相位法进一步调节，将电容电流全 补偿． 2 ．3 核心控制器硬件设计 零序电流、零序电压经霍尔传感器，再经运算 放大器放大、有源滤波和移相电路，转换成符合要 求的零序电流，。和中性点位移电压u 。，通过A ／D 采样送单片机进行测量和处理．图4 为快速单片机 实现三相五柱式消弧线圈快速调谐的系统硬件框 图． 图4 控制器硬件框幽 F i g ．4 B l o c kd i a g r a mo fh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e r 单片机采样【，。，，。，u A 。信号，在调谐的过程中， 通过改变互感器的耦合系数，修改电抗器的电抗 值，可得到两次不同的电感电流值，。和u 。之间的 夹角，通过算法可实时计算出电网电容电流值的大 小．当母联开关由分开变成闭合时，单片机重新调 谐，以便接地故障时使电网的脱谐度口一0 ，达到电 容电流的全补偿，也即谐振状态，并联电阻心的 作用在调谐时增加电网的阻尼率，发生接地故障时 切除盹，使故障点电流值最小． 3 模拟实验 模拟实验是在利用实验室已有的三相五柱式 消弧线圈和6k V 高压模拟网进行的，将三相五柱 式消弧线圈气隙调到一定值，使在发生单相接地故 障时气隙等效电感电流补偿2 0A ，调节三相电路 对地模拟电容值，使电容电流值从3 0 ～5 0A 变化， 装置正常工作后，某支路的A 相经电阻1k Q 接 地，通过示波器观察接地电流的波形，从接地电流 的波形上可以看出接地电流有极少量的基波和高 次谐波分量 见图5 ．实验显示接地残流远小于 2A ． 图5中性点零序电压电感电流、接地残流波形 F i g ．5 W a v e f o r m so fi n d u c t i v ec u r r e n ta n d r e s i d u a lc u r r e n t 万方数据 6 1 6 中国矿业大学学报第3 4 卷 4结语 本文对基于变耦电抗法的新型三相五柱式消 弧线圈的工作原理进行了详细的分析，该方法能够 快速调节消弧线圈，使之处于全补偿状态．理论推 导和实验结果表明，该方法的实现的自动跟踪补偿 的消弧线圈响应速度快、补偿精度高、可靠性强，最 大的特点是避免了在电容电流补偿时采用控制可 控硅导通角来调电感时产生的高次谐波，效果令人 满意． 参考文献 [ 1 ] 王崇林．中性点接地方式与消弧线圈[ M 1 ．徐州中国 矿业大学出版社，1 9 9 9 ． [ 2 3 [ 3 ] [ 4 1 [ s l 牟龙华，孟庆海．供配电安全技术[ M ] ．北京机械工 业出版社，2 0 0 3 ． 王崇林，刘建华，董新伟．可控硅控制三相五柱式消弧 线圈的工作原理及波形分析[ J 1 ．煤炭学报，1 9 9 9 ，2 4 6 6 3 8 6 4 2 ． W a n gCI 。，I 。i uJH ，D o n gXW ．A n a l y s i so n p r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dw a v es h a p eo ft h ea r c s u p p r e s s i o nc o i lw i t ht h r e ep h a s e sa n df i v ec o l u m n s c o n t r o l l e db ys i l i c o nc o n t r o l l e d [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n a C o a lS o c i e t y ，1 9 9 9 ，2 4 6 6 3 8 6 4 2 ． 王崇林，刘建华．三相五柱式消弧线圈及其自动跟踪 补偿原理E J ] ．中国矿业大学学报，i 9 9 9 ，2 8 5 4 6 8 4 7 2 ． W a n gCL ，L i uJH ．A r e s u p p r e s s i o nc o i lw i t ht h r e e p h a s e s a n d f i v ec o l u m n sa n di t sa u t o m a t i c c o m p e n s a t i o np r i n c i p l e [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，2 8 5 4 6 8 4 7 2 ． 李民族，朱国荣，刘晓东，等．新型可控电抗的潮流调 节方法口] ．中国电机工程学报，2 0 0 1 ，2 1 4 5 6 5 9 ． L iMZ ，Z h uGR ．L i uXD ，e ta 1 ．Am e t h o da b o u t [ 6 3 [ 7 ] [ 9 1 [ 9 1 [ 1 0 I p o w e rf l o wr e g u l a t i o n w i t h r e a c t a n c e [ J ] ．P r o c e e d i n g so f 4 5 6 5 9 ， a n o v e lc o n t r o l l a b l e t h eC S E E ，2 0 0 1 ，2 1 陈禾．利用高速响应可控消弧线圈测量配网电容电 流[ 1 1 ．高电压技术，2 0 0 3 ，2 9 4 9 - 1 0 ． C h e nH ．T h em e a s u r e m e n to fc a p a c i t i v ec u r r e n ti n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s u s i n g c o n t r o l l a b l e a r c e x t i n g u i s h i n gc o i lw i t hh i g hs p e e dr e s p o n s e [ J ] ．H i g h V o l t a g eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 9 4 9 - 1 0 ． 纪飞峰，王崇林，牟龙华，等．基于对称法与相位法的 新型消弧线圈[ J ] ．电力系统自动化，2 0 0 4 ，2 8 2 2 7 3 7 7 ． j iFF ，W a n gCL ，M o uLH ，e ta 1 ．N e wt y p eo fa r c s u p p r e s s i o nc o i lb a s e do ns y m m e t r ya n dp h a s et u n i n g p r i n c i p l e [ J ] ．A u t o m a t i o no fE l e c t r i cP o w e rS y s t e m s ， 2 0 0 4 ，2 8 2 2 7 3 7 7 ． 唐翔，唐轶，崔岚．消弧线圈自动补偿原理的分 析[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 7 ，2 6 3 6 8 7 0 ． T a n gX ，T a n gY ，C u iL ．A n a l y s i so fa u t o m a t i c r e s o n a t i n gp r i n c i p l ea b o u ti n d u c t i o nc o i l [ J 1 ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n ol o g y ，l9 9 7 ，．2 6 3 6 8 7 0 ． 唐轶，陈奎，陈庆，等．单相接地故障全电流补 偿的研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 5 5 5 8 5 6 2 ． T a n gY ，C h e nK ，C h e nQ ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nt h e f u l lc u r r e n tc o m p e n s a t i o no fo n e - p h a s e t O g r o u n df a u l t [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，3 2 5 5 5 8 5 6 2 ． 牟龙华，李国欣，孟庆海．高低压电网保护接地网互 联影响的分析口] ．煤炭学报，2 0 0 4 ，2 9 2 2 3 8 2 4 2 ． M o uLH ，L iGX ，M e n gQH ．E f f e c to f i n t e r c o n n e c t i o no fp r o t e c t i v ee a r t h i n gn e t w o r k so n H i g h - v o l t a g ea n dl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 0 4 ，2 9 2 2 3 8 2 4 2 ． 责任编辑姚志昌 万方数据