三相五柱式消弧线圈及其自动跟踪补偿原理(1).pdf

中国矿业大学学报990 515 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 三相五柱式消弧线圈及其自动跟踪补偿原理 王崇林 刘建华 摘要 介绍了三相五柱式消弧线圈及其自动跟踪补偿原理，该消弧线圈在结构上突破 了传统消弧线圈的模式，将传统的接地变压器和消弧线圈有机地结合成一个整体. 三相 五柱式消弧线圈采用可控硅调节付边电感电流的方法，实现对电网对地电容电流的自 动跟踪补偿. 该消弧线圈不仅在电网发生单相接地故障前能自动跟踪到全补偿状态，而 且在接地故障期间仍能自动跟踪电网电容电流的变化，始终使接地电流最小. 关键词 消弧线圈，三相五柱，零序电流，自动跟踪 中图分类号 T D 6 8 7 Arc-Suppression Coil with Three Phases and Five Columns and Its Automatic Compensation Principle Wang Chonglin Liu Jianhua College of Ination and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The arc-suppression coil with three phases and five columns and its automatic compensation principle are introduced in this paper. The structure of this kind of arc- suppression coil is much different from that of traditional model, and it is the integration of traditional grounding transer and arc-suppression coil. The arc-suppression coil with three phases and five columns can achieve automatic trace and compensation for ground- fault capacitive current of power system by the of rectifying inductive current of second winding with controlled silicon. The arc-suppression coil can not only trace automatically with full compensation when single ground-fault occurs but also trace automatically the capacitive current when ground-fault occurs, which make the grounded currents minimum all the way. Key words arc-suppression coil, three phases and five columns, zero sequence current, automatic trace 我国的工矿企业和城市6 ～10 k V电网中性点目前大多还是采用不接地方式，但 是，随着科学技术的进步，企业机电设备的总容量变得越来越大，企业变电所的供电 范围也越来越大，不少是采用电缆作为供电线路. 城市电网的供电线路从原来以架空线 为主逐渐改变成以电缆为主. 由于电缆线路单位长度的对地电容约为架空线的30 倍，这 势必使得单相接地电容电流大大增加. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 1／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 限制单相接地电流通常采用中性点经消弧线圈接地，用消弧线圈的电感电流来抵 消电网对地的电容电流. 因而研究中性点经消弧线圈接地具有重要的现实意义. 传统的消弧线圈都做成单相油浸式，经接地变压器与电网相连，本文所研究的三 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，采用可控硅控制的二次调感方法来实现，没有机械传动部分，调节、跟踪 速度快. 近年来，国内外陆续研制出了几种自动跟踪补偿的消弧线圈，如日本研制了一种 通过可控硅改变电感值的自动跟踪消弧线圈［1］，但是，由于在结构上还是传统的， 使用时也还需要同接地变压器进行配合. 本文将首先介绍传统消弧线圈的补偿原理，然后分析三相五柱式消弧线圈的结构 特点和补偿原理，最后说明该消弧线圈的使用情况. 1 消弧线圈的补偿原理 为了说明消弧线圈的补偿原理，先分析电网单相接地电流. 由图1知，当电网发生单相接地故障时，电网的线电压仍然是对称的，但是，对地 电压不再对称，忽略线路的电压降，电网对地三相电压为 图1 6 ～10 k V供电系统 Fi g . 1 6 ～10 k V p o w e r s y s t e m T . 接地变压器； L. 消弧线圈； C. 电网每相对地电容； R. 电网每相对地绝缘电阻 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 按照对称分量法，不对称电压可分解成正序电压和零序电 压由于正序电压产生的正序电流之和总是为零，不流过接地点，可以认 为流过接地点的电流就是电网对地总的零序电流之和［2 ］. 图2 是当电网发生单相接地 故障时的零序等效电路. 图2 6 ～10 k V零序等效电路 Fi g . 2 6 ～10 k V z e r o s e q u e n c e e q u i v a l e n t c i r c u i t 在不考虑消弧线圈支路电流（即电网为中性点不接地系统）时，由图2 知，电网总 的零序电流为 6 ～10 k V电网单相接地电流（即总的零序电流）中主要是电容电流. 我们知道在同 一零序电压的作用下，电感电流的方向总是同电容电流的方向相反，要减少电网单相 接地电流值，必须用消弧线圈的电感电流来抵消电网对地的电容电流. 当电网的中性点经消弧线圈接地（即考虑消弧线圈支路的电流）时，总的单相接 地电流将变为 若有总的零序电流（接地电流）最小，为纯电 阻性电流，通常称为消弧线圈工作在全补偿状态. 由于给6 ～10 k V电网供电的变压器6 ～10 k V绕组均是三角形连接，传统的消弧线圈 要和电网相连，必须同接地变压器配合使用，但是，接地变压器在补偿电网对地电容 电流时，仅仅起到了形成人为中性点，以便将消弧线圈与电网相连的作用，其容量没 有得到利用. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 2 三相五柱式消弧线圈 从图3可以看出，三相五柱式消弧线圈在结构上突破了传统消弧线圈的框框，将传 统的接地变压器和消弧线圈有机地结合成一个整体. 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，通过可控硅接通小型电抗器L2 . 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. 正序分量电压产生的电流流过 三相高压绕组，由于大小相等，相位互差12 0 ，矢量和为零，不会流入大地，所产生 的正序磁通，也是大小相等，相位互差12 0 ，所以正序磁通在中间3个柱之间流通， 互为通道，不经过边柱. 由于中间3个柱没有气隙，磁阻很小，正序阻抗很大，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，与两个边柱 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. 图3 三相五柱式消弧线圈的补偿原理 Fi g . 3 Co m p e n s a t i o n p r i n c i p l e o f a r c -s u p p r e s s i o n c o i l w i t h t h r e e p h a s e s a n d f i v e c o l u m n s L1. 三相五柱式消弧线圈； L2. 电抗器； RL. 电阻器； SCR1，SCR2. 可控硅； JC. 交流接触器的接点 低压绕组接成开口三角形，取出零序电压U 2 ，并通过可控硅接通一小型电抗器 L2 ，调整可控硅的导通角，即可调节付边电感电流的大小，从而改变原边的零序电感 电流，实现消弧线圈电感电流对电网对地电容电流的自动跟踪补偿. 3 消弧线圈的调节原理 消弧线圈的调节原理通常有两种中性点电压相位法和中性点电压极大值法（极 值法）. 1 相位法 对图1所示的电网，三相对地的电容和对地绝缘电阻基本是对称的，且绝缘电阻值 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 远大于对地的容抗. 但所谓基本对称是相对的，现在用CA，CB，CC分别表示电网A ， B，C相对地电容. 中性点的偏移电压［3］U 0可由式（4）表示 式中为消弧线圈的脱谐度；为电网的阻尼 率；为电网的不平衡度，α e j 12 0 . 设CB CC C, CA C δC则，为纯实数. 因电源相电压不好取，我们以电网A 相对地电压 ＇A 为基准，来讨论 0同 ＇A 的 相位关系. 那么， 0滞后 ＇A 的相位角为 由式（5）可知，当ν 0 ，消弧线圈处于全补偿，此时令θ θ1 a r c t a n ；ν θ1. 因此，相位角θ的大小 反映了电网的脱谐状态，我们可以根据式（5），来实现消弧线圈对电网对地电容电流 的自动跟踪补偿，以保证消弧线圈在预定状态下工作. 相位法原理存在的问题是，在计算 时，我们假设了CB CC，且CA CB CC，实际 情况并不见得是这样. 一般是在A 相上对地并联一小电容δC，使CA比CB和CC大，但是 CB≠CC，必然使 不是纯实数，影响角θ的大小. 同样的道理，三相电网对地绝缘电阻 不对称也会影响 ，进而使θ角变化，加大了检测的难度，且每个电网的情况都不一 样. 本文参考文献［4］、［5］对该问题也作了论述. 2 极值法 由式 4 可以得到U 0的有效值 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 式中 U为电源的相电压有效值. 由式（6 ）可知，当d , ρ一定时，U 0随| ν| 的下降而增大，当ν 0 ，也即3ωC 1/ ωL, 消弧线圈处于全补偿工作状态，U 0将达到极大值. 此时，IL ICΣ，接地电流最小， 为纯电阻性电流. 因此，调节消弧线圈的电感值，使U 0达到最大值，即处于全补偿状态. 进一步讨论式（6 ）, 并求 式（7 ）说明U 0随｜ν｜的变化呈单调递减的规律，求二次导数得 令解得，进一步分析表明，当时，具有 极大值，也即当时，ν的变化对U 0的影响最大. 而｜ν｜较大（电感电 流的数值远离电网对地电容电流的数值）和ν接近零（全补偿状态）时，ν变化对U 0 数值变化影响较小，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U 0的大小变化使ν保持在 以内. 若要用极值法调节，必须处理好脱谐度与 阻尼率的关系. 上面所介绍的两种原理只能在电网发生单相接地故障前对消弧线圈进行预调，在 单相接地存在期间，不能调节. 4 三相五柱式消弧线圈自动跟踪补偿原理 三相五柱式消弧线圈的补偿原理接线如图3所示. 电网发生单相接地故障前的预调 采用极值法，调节的目标是全补偿. 将阻尼率设置为10 ，考虑到电网的自然阻尼率一 般均不大于3，在二次线圈通过交流接触器的触点JC接通一个电阻RL，使阻尼率达到 10 . 根据前面的分析，很容易将ν调节到7 以内，即对单相接地电容电流为50 A 的电网，相当于电感电流和总的电容电流相差小于3. 5 A . 预调的方法是通过微型计算 机不断地检测U 0的大小，来改变可控硅的导通角，直至U0达最大值，使消弧线圈工作 在全补偿状态. 我们知道全补偿状态下，接地残余电流最小，主要是电阻性电流. 由于电 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 网的不平衡度一般不大于1 ，且阻尼率设置为10 ，根据式（7 ），电网正常时，U 0 也不大. 按照前面的分析，在电网正常运行时，消弧线圈总是自动跟踪电网对地电容的变 化，工作在全补偿状态附近. 但是当发生单相接地故障时，虽然电网对地电压已经不对 称了，然而，电网的线电压还是对称的. 按电业部门规定，电网可以继续运行1～2 h ，在这段时间内，电网对地电容电流还会发生变化，比如，有些支路退出或投入运 行. 消弧线圈的电感电流在这种情况下，若不能自动跟踪电网对地电容电流的变化，则 接地点的电流将会增加，达不到自动跟踪补偿的目的. 为此，我们在考虑三相五柱式消 弧线圈的自动跟踪补偿原理控制时，研究了在电网发生单相接地故障阶段的自动跟踪 功能. 我们知道，当电网发生单相接地故障时，接地点是不可预知的，电流不能直接测 量. 不妨研究一下图4的零序电流分布. 图4 零序电流分布 Fi g . 4 D i s t r i b u t i o n o f z e r o s e q u e n c e c u r r e n t s LH 1，LH2，LH3分别为N1，N2，N3支路的零序电流互感器 由图4看出，流过故障支路零序电流互感器的电流是所有非故障支路零序电流、消 弧线圈电感电流以及电阻电流之和，方向是从线路流向母线. 而流过非故障支路零序电 流互感器的电流是本支路的零序电流，方向是从母线流向线路. 若以母线流向线路为电 流的正方向，则有图5所示的流过故障支路零序电流互感器的电流矢量图. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 图5 故障支路零序电流互感器的电流矢量 Fi g . 5 Cu r r e n t s v e c t o r o f f a u l t y s p u r t r a c k z e r o s e q u e n c e c u r r e n t m u t u a l i n d u c t a n c e t r a n s f o r m e r 图5中的负号表示电流是由支路流向母线的. 考虑到6 ～10 k V电网对地的绝缘电阻较 大，忽略流过电网对地绝缘电阻的零序电流，则当消弧线圈工作在全补偿状态时 有那么，流过故障支路零序电流互感器电流的 无功分量为 如果能保持流过故障支路零序电流互感器电流的无功分量为3I0 C1，且在相位上超 前U 0 90 的话，就能保证消弧线圈工作在全补偿状态，接地电流最小. 实现的方法是当发生单相接地故障时，由与该三相五柱式消弧线圈配合使用的 微机接地选线保护装置选出故障支路，并将故障支路“告诉” 三相五柱式消弧线圈的 自动控制装置，自动控制装置读取故障支路零序电流互感器电流值及零序电压值，计 算出3I0 C1/ U 0的比值，存入微机内存. 当电网非故障支路电容电流发生变化（包括有些 支路投入或退出运行）时，调节消弧线圈付边可控硅的导通角，改变其电感电流，以 保证流过故障支路零序电流互感器电流的无功分量为3I0 C1/ U 0，而且该无功分量在相位 上超前U 0 90 ，就可以保证消弧线圈工作在全补偿状态，接地电流最小. 该方法也完 全适用单相非金属性接地的情况. 5 结束语 目前，三相五柱式消弧线圈已经使用在邢台、开滦、龙口、枣庄、徐州等矿务局 的部分煤矿电网，经多次现场测试，残余电流均小于5 A ，运行可靠. 由于该消弧线圈 采用干式结构，体积小、重量轻，包括控制、保护装置全部可以放在与G G -1A 尺寸相 同的开关柜内，安装维护极为方便，受到现场的欢迎. 文献［6 ］认为该消弧线圈不 仅运行可靠，而且由于大大减小了接地电流，使电缆接地放炮事故大幅度减少，提高 了供电安全性能. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1 中国矿业大学学报990 515 第一作者简介 王崇林，男，1956 年生，工学博士，副教授 作者单位中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 Su g i m o t o S. T h y r i s t o r c o n t r o l l e d g r o u n d f a u l t c u r r e n t l i m i t i n g s y s t e m s . I EEE T r a n s o n PW RD , 1996 , 11 2 940 ～945 2 胡天禄. 矿井电网的漏电保护. 北京煤炭工业出版社， 198 7 . 12 ～2 1 3 解广润. 电力系统过电压. 北京 水利电力出版社，1997 . 2 56 ～2 58 4 张立伟，胡天禄. 消弧线圈自动补偿中相位法存在的问题. 煤炭科学技术， 1995 2 18 ～2 2 5 张立伟，胡天禄. 小电流接地系统电容电流自动补偿原理的研究. 煤炭科学技术， 1992 9 2 1～2 4 6 周新贵，白忠胜. 新型自动跟踪消弧线圈成套装置. 煤炭科学技术， 1996 6 13～ 17 收稿日期1998 -12 -30 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 515. h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 1