电力系统运行规范.pdf
http:/-1-中国中国科技论文在线科技论文在线 新型全补偿消弧线圈系统设计 宋昭昭1，汪毅2，李波波1*作者简介：宋昭昭（1987 年），男，中国矿业大学信息与电气工程学院电力电子与电力传动硕士研究生，电力电子在电力系统的应用.E-mail:（1.中国矿业大学信息与电气工程学院；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州 221116）摘要：为解决预调式消弧线圈补偿精度和随调式消弧线圈接地点残流较大以及补偿速度的问题，本文依据将预调式和随调式消弧线圈优点相结合的思想，阐述了一种预随调式全部偿消弧线圈的结构和原理。即故障时主消弧线圈迅速投入，消除大部电容电流，同时调节从消弧线圈晶闸管触发角，经过一两个周波之后实现补偿电感电流微调，使消弧线圈处于谐振全补偿状态，达到全补偿电容电流的效果。系统设计中完成了主从消弧线圈的电感值选取，正常工作时脱谐度选取、档位区间分布设计、补偿范围设计、调谐思想以及调档策略。仿真实验中实现了主从式全补偿消弧线圈模型的建立以及将其接入10kV电网中模拟单相直接接地和高阻接地故障时模型。从仿真图形结果可以看出，主从式全补偿消弧线圈可以实现通过调节晶闸管触发角来实现补偿电流微调，在 10kV 电网单相接地故障时可以实现良好的补偿效果，接地残流小于 2A。关键词：电力电子；消弧线圈；预随调；自动跟踪补偿 中图分类号：请查阅中国图书馆分类法 New Full Compensation Coil System SONG Zhaozhao1,WANG Yi2,LI Bobo1(1.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116;2.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,XuZhou 221116)Abstract:To solve the pre-tuning arc suppression coil compensation precision and with the tuning coil take place residual flow and presence of compensation for speed,this would be based on pre-tuning and with tuning coil combine the advantages of the idea,the presentation of a pre-as tuning coil all the compensation structure and principle.The failure of the primary coil to rapidly put in,remove most of the capacitive current,while adjusting from the coil SCR trigger angle,after one or two frequency compensation after the inductor current to achieve fine-tuning,so that coil in a resonant state of full compensation,to full compensation for the effect of capacitive current.System design to complete the main coil inductance from the value of selection,the normal working hours resonance degree selection,stall interval distribution design,the compensation range of design,tuning and downshift strategy thinking.Simulation to achieve a master-slave full compensation coil model and to simulate their access 10Kv power directly to ground and the high impedance single-phase ground fault model.From the graphical results can be seen,master-slave full compensation coil can be achieved by adjusting the thyristor firing angle to achieve the compensation current fine-tuning,the 10Kv power single-phase ground fault compensation can achieve good results,ground small residual flow in 2A.Key words:Power Electronics;Coil;Pre-tuning and with tuning;Automatic tracking compensation 0 引言引言 随着城网容量的扩大以及电缆逐渐取代架空线路使得单相接地时弧道中的电容电流不 http:/-2-中国中国科技论文在线科技论文在线断增大而不能自熄，持续的电弧会引起弧光过电压，而且单相接地故障容易扩大为相间短路。所以采用高质量的自动跟踪消弧线圈对提高中压电网的供电可靠性和安全性是十分重要的。目前，我国 6-10kV 中压系统中，为提高供电可靠性，首选中性点不接地运行方式，当接地电流不满足要求时，则需要采用中性点经消弧线圈接地运行方式6。电网容量的不断扩大，越来越多的中压电网采用了谐振接地方式，以更加有效的熄灭接地电弧。正是由于谐振接地方式的安全性和可靠性，对于故障电压恢复和谐振过电压也有很好的抑制作用，消弧线圈在世界范围内得到了极其广泛的应用。文献介绍的主从式结构的消弧线圈，是在分析了预调式消弧线圈和随调式消弧线圈的原理和优缺点之后，将预调式消弧线圈和随调式消弧线圈的优点有机结合，能够提升消弧线圈的快速性和全补偿。此外，采用机械投切来控制主消弧线圈，采用可控硅控制从消弧线圈，基本原理是通过改变晶闸管的触发角来控制电感电流的微调，所以可能会产生一定的谐波。但是通过实验可知，选择合适的主从电感点抗值就可以使谐波值抑制在合适的范围之内1。1 谐振接地系统分析谐振接地系统分析 中性点经消弧线圈接地的电力系统，称之为谐振接地系统。谐振接地原理是消弧线圈运行的理论基础，它是由电网正常运行时的电压谐振和发生单相接地故障时的电流谐振两部分组成。合理的利用电压谐振原理，可以指导补偿电网正常运行和短线故障的处理等。故障点接地电弧的熄灭，符合电流谐振原理9。下面利用等值电路分析谐振接地系统的运行。1.1 谐振接地系统正常运行分析谐振接地系统正常运行分析 图 1 电网正常工作时的示意图 Fig.1 Grid diagram of normal working hours 对于系统的零序回路来说，回路中的电源只有三相不平衡电压。在此三相不平衡电压的作用下零序电流流过消弧线圈、线路、线路对地电容、大地组成的零序回路。由于三相不平衡电压比较小，而线路对地电容容抗很大，所以这个零序电流非常小。将三相对地电容综合等效为一个电容 C，可以画出谐振接地系统正常运行时的零序电路图：http:/-3-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 2 电网正常工作时零序电路图 Fig.2 Zero sequence network circuit normal operation 补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电网的对地电容等参数，便会导致串联谐振过电压的出现，这是消弧线圈必须避免的。1.2 谐振接地系统单相接地故障分析谐振接地系统单相接地故障分析 图 3 电网单相接地故障时示意图 Fig.3 Network diagram of single-phase ground fault 当中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈电感电流的补偿作用，接地点的故障电流小了很多。此时零序电压当是故障点三相不平衡电压之和，金属性接地时接地相电压为零，则三相不平衡电压为相电压。在这个电压的作用下，消弧线圈电抗和线路电容是并联关系。等值电路如下：图 4 电网单相接地故障时零序电路图 Fig.4 Power Single-phase ground fault zero-sequence circuit http:/-4-中国中国科技论文在线科技论文在线2 系统设计系统设计 2.1 方案的提出方案的提出 消弧线圈的调谐策略策略中有预调式和随调式。预调式补偿方式的补偿精度受限于消弧线圈的调节精度，故障时接地点的残流大;随调式补偿方案在补偿精度上解决了自动调匝式精度不高的问题，但它却无法解决故障时接地点残流过大的问题，对瞬时性的接地故障没有起到迅速的抑制作用2。所以无论采用预调式补偿方案还是采用随调式补偿方案，都会存在其不可克服的缺点。图 5 预随调式消弧线圈方案 Fig.5 Pre-tuning combined with the tuning coil program 如上图所示，这种结构的主从式（预随调式）消弧线圈的以自动调匝式消弧线圈为主体，串联辅助以可控硅电子开关控制的电抗器。在正常时消弧线圈根据系统运行方式粗调节预调至 15%的过补偿点，当发生故障时根据实际接地电流值小范围细调补偿精度。主消弧线圈为机械调档式，调档速度慢，档位粗，但是容量较大，起到预调、粗调作用；从消弧线圈由电子开关控制，速度快，档位细，可以连续调节，起到随调、细调作用。从消弧线圈在正常时并不投入工作，靠主消弧线圈将脱谐度保持在过补偿 15%左右，接地故障时迅速调整。2.2 主从消弧线圈电感电抗值的选取主从消弧线圈电感电抗值的选取 由于可控硅在投切从消弧线圈时会产生谐波分量，影响供电质量，但是可控硅调节的电感不超过主消弧线圈电感量的 25%，则可以使谐波分量不超过基波分量的 5%1。另外从消弧线圈需要覆盖各个档位，以便实现细调、提高补偿精度的目的，所以从消弧线圈需要选择合适的值，才能满足要求。在本文设计的 10kv 的电网中，针对电容电流 40A 左右的系统，主消弧线圈选择调流范围为 20A52A，自动调档，每 4A 为一档，分为 9 档，容量为 315KVA，主消弧线圈从 300 欧姆到 115.4 欧姆，则从消弧线圈可以选择为 36 欧姆。http:/-5-中国中国科技论文在线科技论文在线2.3 整体设计整体设计 图 6 整体设计框图 Fig.6 Block diagram of the overall design 如上图表示了整个消弧线圈系统的组成部分，该消弧线圈是设计使用在 10kV 系统中，由于 10kV 电网一般为三角形接法，因此增加了一个接地变压器来重构中性点。左侧的接地变压器、主消弧线圈、有载分接开关、从消弧线圈、可控硅触发装置、CT、PT 属于一次设备，右侧的中心控制器属于二次设备。主消弧线圈的档位信号表示当前主消弧线圈的档位，对于中心控制器来说，这是开关量输入信号，占用通道数量与主消弧线圈档位相同;可控硅触发角的输出信号用于控制可控硅导通的角度。中心控制器下方的消弧线圈电流和电压输入来自消弧线圈上的 PT 和 CT，模拟量输入。2.4 调档策略调档策略 正常情况下调档比较简单，以档位电流中指为界，每个档位的区间为本档位电流范围2A，如果新计算得出的电流值的 1.15 倍不在原档位区间，就需要调整确定新的电容电流的档位，然后控制器发出控制信号将有载分接开关将消弧线圈档位调节到正确的档位处。下面为本文所选取的消弧线圈的档位区间，共为 9 档：与此对应，9 档消弧线圈的档位边界如下表：表 1 主消弧线圈档位表 Tab.1 Stalls in the main coil table 档位 1 档 2 档 3 档 4 档 5 档 6 档 7 档 8 档 9 档 电流值（A）20 24 28 32 36 40 44 48 52 当电流值处于边缘值时，可能会出现频繁的调档的情况，针对这种情况，采用边界裕度，边界裕度值选用 0.25A，例如要从第一档调到第二档，电流值必须大于 22+0.25=22.25（A）才可以，要从第二档调到第一档，电流值必须小于 22-0.25=21.75（A）才可以，这样可以避免频繁调档的情况的出现。http:/-6-中国中国科技论文在线科技论文在线表 2 主消弧线圈档位区间表 Tab.2 Stalls in the main coil range table 档位 1 档 2 档 3 档 4 档 5 档 6 档 7 档 8 档 9 档 电流值（A）18-22 22-36 26-3030-3434-3838-4242-4646-50 50-54 3 仿真实验仿真实验 3.1 主从消弧线圈可控电抗器特性仿真主从消弧线圈可控电抗器特性仿真 使用 Matlab 中的 Simulink 进行仿真，仿真模型为：v+-Voltage Meas urement2v+-Voltage Meas urement1v+-Voltage Meas urementgmakThyris tor1gmakThyris torSeries RLC Branch2Series RLC Branch1Series RLC BranchScope8Scope7Scope6Scope5Scope4Scope3Scope2Scope1ScopePuls eGeneratori+-Current Meas urement1i+-Current Meas urementAC Voltage Source 图 7 可控电抗器特性仿真模型图 Fig.7 Controlled Reactor Simulation model diagram 仿真模型如上图，仿真模型中电源电压为交流 6000V 电源；选取主消弧线圈位于第一档时进行仿真，所以主消弧线圈电抗值选取 300 欧姆；由前文的分析从消弧线圈选取 36 欧姆；仿真模型中加入了电阻参数，为电抗的等效电阻，一般是比较小的值，这里取 2 欧姆。仿真图形如下：图 8 晶闸管触发角为 90时主从消弧线圈电流波形 Fig.8 Thyristor firing angle of 90 from the main coil current waveform http:/-7-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 9 晶闸管触发角为 110时主从消弧线圈电流波形 Fig.9 Thyristor firing angle of 110 from the main coil current waveform 图 10 晶闸管触发角为 130时主从消弧线圈电流波形 Fig.10 Thyristor firing angle of 130 from the main coil current waveform 图 11 晶闸管触发角为 150时主从消弧线圈电流波形 Fig.11 Thyristor firing angle of 150 from the main coil current waveform http:/-8-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 12 晶闸管触发角为 170时主从消弧线圈电流波形 Fig.12 Thyristor firing angle of 170 from the main coil current waveform 由上面五幅图形对照比较可以看出电感补偿电流随着晶闸管的导通角的变化，补偿电流基波值的细微变化，电感电流值可以在一定的范围内连续变化（主消弧线圈一档时变化范围2A 左右）。档位越高，电流可以变化的范围越大。由上面的电流波形仿真图可以看出，主从式消弧线圈可实现电流的精确补偿，可以通过调节晶闸管的触发角来实现电流的微调。仿真实验波形与理论推导波形相符合。下面的表格给出了主消弧线圈处于一档时导通角与消弧线圈输出电流基波分量的关系：表 3 晶闸管导通角与消弧线圈补偿电流基波分量的关系表 Tab.3 Thyristor conduction angle and coil current fundamental component of the relationship between compensation table/。90 110 130 150 170 0I/A 19.99 19.19 18.53 18.10 17.62 http:/-9-中国中国科技论文在线科技论文在线 3.2 10kV 电网中性点经主从消弧线圈接地系统仿真电网中性点经主从消弧线圈接地系统仿真 在 Simulink 中将主从消弧线圈接入 10kV 电网中进行仿真，检验其补偿效果。仿真模型如下：图 13 10kV 电网中性点经预随调消弧线圈接地系统仿真模型 Fig.13 10kV Power Neutral Resonant Grounding System Simulation Model 如上图所示为 10kV 电网经主从消弧线圈接地系统仿真模型，模型中的主从消弧线圈部分与上文中可控电抗器仿真中的模型相同，电源用三相交流电源，经三相接地变压器产生一个中性点，然后经主从消弧线圈接地。经过接地变压器后，电网接三相三角形负载，每相电网均有分布电容与分布绝缘电阻。通过可控开关模拟单相直接接地与经高阻接地情况以及消弧线圈的投入与退出，仿真结果如下：v+-Voltage Measurement2v+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementgmakThyristor1gmakThyristorABCThree-Phase SourceABCabcnThree-PhaseTransformer(Two W indings)ABCThree-PhaseParallel RLC LoadSeries RLC Branch9Series RLC Branch8Series RLC Branch7Series RLC Branch6Series RLC Branch5Series RLC Branch3Series RLC Branch2Series RLC Branch1Series RLC BranchScope9Scope8Scope3Scope2Scope1ScopePulseGeneratori+-Current Measurement8i+-Current Measurement7i+-Current Measurement6i+-Current Measurement5i+-Current Measurement4i+-Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementBreaker2Breaker1 http:/-10-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 14 单相直接接地故障时消弧线圈不投入时故障点电流波形 Fig.14 Ground fault the fault point current waveform when coil do not input 图 15 0.1 秒发生单相直接接地故障，0.12 秒时投入消弧线圈，4.0 秒故障消除故障点电流波形 Fig.15 0.1 seconds single-phase direct ground fault occurs,0.12 seconds input coil,4.0 seconds to eliminate points of failure fault current waveform 图 16 0.1 秒发生单相直接接地故障，0.12 秒时投入消弧线圈，4.0 秒故障消除故障点电压波形 Fig.16 0.1 seconds single-phase direct ground fault occurs,0.12 seconds input coil,4.0 seconds fault voltage waveform to eliminate points of failure http:/-11-中国中国科技论文在线科技论文在线由仿真图形可以看出当发生单相直接接地故障后投入消弧线圈对故障点电流的补偿效果以及对故障点恢复电压的效果，投入主从式消弧线圈后迅速调整到谐振位置，对故障点电容电流进行全补偿，补偿效果十分明显，故障点残流为 2A 以下，补偿效果良好；而对于故障点电压来说，故障未消除时，故障点的电压恢复速度是十分缓慢的，这保证了故障点的电弧不会复燃，而故障消除后故障点的电压迅速恢复，电网回到正常工作状态。4 结论结论 本文依据将预调式和随调式的消弧线圈补偿原理相结合的思想，设计实现了一种结构的主从式（预随调式）全补偿消弧线圈，进行了整体设计和仿真实验。由仿真实验结果可以看出，这种结构的主从式消弧线圈可以兼顾快速性和精确性，补偿效果良好，故障点接地残流小于 2A。参考文献参考文献(References)1 裴善鹏.电网安全分析及新型消弧控制技术研究.硕士学位论文.华北电力大学，2006.2 曲轶龙.全补偿消弧线圈及其控制方法研究.博士学位论文.华北电力大学，2008.3 马堃.有源全补偿消弧线圈及接地电流检测算法研究硕士学位论文.华北电力大学，2008.4 范迎青，高文逸.6-10 kV 电网中性点经中电阻接地的单相接地保护.电力自动化设备.2000，第 20 卷（第1 期）：12-17.5 潘贞存.消弧线圈自动跟踪补偿与接地选线定位技术研究博士学位论文.山东大学，2006.6 陈柏超，陈维贤，尹忠东等.10 kV 电网新型自动调谐消弧线圈及控制装置.中国电力.2002,第 30 卷：70-71.7 王海鸥.基于 DSP 的消弧线圈控制器及选线装置研究.硕士学位论文.华北电力大学，2007.8 王兆安,杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2009.9 王崇林.中性点接地方式与消弧线圈.徐州：中国矿业大学出版社，2002.10 王崇林，梁睿，刘建华等.基于变耦电抗器法的新型消弧线圈.电力系统自动化.2005,第 29 卷：81-83.11 姚大潜.有源全补偿消弧线圈试验装置研究.硕士学位论文.华北电力大学，2009.12 Mahmood Joorabian，Davar Mirabbasi，Alireza Sina.Voltage Flicker Compensation using 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