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消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧原理的分析

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近年來,隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展和配電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地就是******的選擇[1]。消弧線圈的補(bǔ)償效果與其脫諧度有很大關(guān)系,調(diào)諧適當(dāng)?shù)南【€圈才能達(dá)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(bǔ)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(shí)準(zhǔn)確地調(diào)諧消弧線圈,所以實(shí)現(xiàn)消弧線圈的自動(dòng)調(diào)諧是非常必要的[2]。?
2消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧原理的分析
    目前,已提出的自動(dòng)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(xì)分析各種調(diào)諧原理。?
2.1諧振法
大容量開關(guān),消弧柜
式中:UN為投入消弧線圈后的中性點(diǎn)不平衡電壓;
      KC為電網(wǎng)的不平衡度,UΦ為電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的相電壓;
      v為電網(wǎng)的脫諧度,d為電網(wǎng)的阻尼率。
    一個(gè)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(shí),UN為******值,此時(shí),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(dá)到******。該調(diào)節(jié)原理不用考慮電網(wǎng)的不平衡電壓是因?yàn)殡娋W(wǎng)對地電容不相等造成的。還是因?yàn)榻^緣泄漏電阻不相等造成的,也不用考慮相位關(guān)系。
    進(jìn)一步討論式(1),并對v求導(dǎo)得:
大容量開關(guān),消弧柜
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)可得:
大容量開關(guān),消弧柜
******,而當(dāng)|v|較大和接近零時(shí),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保持在大容量開關(guān),消弧柜以內(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(bǔ)償狀態(tài),
    因此,相位角θ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(shí)現(xiàn)消弧線圈對電網(wǎng)電容電流的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。
    相位法原理存在的問題是,在計(jì)算KC時(shí),我們假設(shè)了CA=CB=CC=C,而實(shí)際情況并不一定是這樣,況且在運(yùn)行過程中切除或投入部分線路時(shí),更增加了三相對地電容的不對稱性,使KC的值不再是標(biāo)量,從而造成θi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(huì)影響KC,進(jìn)而影響θi的大小。這樣就加大了檢測的難度,且每個(gè)電網(wǎng)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(fā)生變化,同時(shí)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(jì)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(jì)算方法。
    (1)忽略電網(wǎng)阻尼率時(shí)的計(jì)算方法
    設(shè)對應(yīng)于分抽頭T1和T2時(shí)的中性點(diǎn)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,d=0,代入式(1)得
大容量開關(guān),消弧柜
    從上式可以看出,測得兩次中性點(diǎn)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(shí)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(shí)性,測量結(jié)果準(zhǔn)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(jì)算方法。
    我們知道,脫諧度v由下式?jīng)Q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(jì)算出來,然而我們可以通過分接頭在T1和T2位置時(shí),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)電流大容量開關(guān),消弧柜和大容量開關(guān),消弧柜的相位關(guān)系以及相應(yīng)的阻抗三角形如圖2(b)所示。進(jìn)行調(diào)諧時(shí),先測量分接頭為T1時(shí)零序回路電流大容量開關(guān),消弧柜和分接頭為大容量開關(guān),消弧柜的相對相位差θ(一般以線電壓作為基準(zhǔn)),根據(jù)兩個(gè)分接頭T1和T2的電抗差ΔXL12和θ角等關(guān)系,可以計(jì)算出XC-XL1(XL1為分接頭為T1時(shí)的消弧線圈電抗),最后可求得對應(yīng)分接頭為T1時(shí)的脫諧度v1。接著將算出的v1和設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值v0進(jìn)行比較,若|v1-v0|≤δ,則原T1分接頭不需調(diào)整。若|v1-v0|>δ,則判斷v1-v0的符號,根據(jù)該符號的正或負(fù),進(jìn)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(shí)要注意使用條件,同時(shí),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(shí)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(jì)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(gè)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(diǎn),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(gè)輸入信號。微分放大器的另一個(gè)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(dòng)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(zhǔn)確。?
 
2.5附加電源法
    中性點(diǎn)附加電源法是在中性點(diǎn)的消弧線圈上附加一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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,附加電源大容量開關(guān),消弧柜會(huì)在消弧線圈上感應(yīng)一個(gè)電壓大容量開關(guān),消弧柜,該電壓實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)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(guān),消弧柜的相位,消弧線圈處于欠補(bǔ)償工作狀態(tài)。只要檢測大容量開關(guān),消弧柜的相位關(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(shí)現(xiàn)消弧線圈的電感電流對電網(wǎng)電容電流的自動(dòng)跟蹤。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí),接地電流就很小。
    但是,這種調(diào)節(jié)原理存在的問題是:電網(wǎng)正常時(shí)偏移電壓的影響。中性點(diǎn)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(diǎn)不接地的自然偏移電壓放大,電流大容量開關(guān),消弧柜是電網(wǎng)偏移電壓大容量開關(guān),消弧柜0與附加電源電壓大容量開關(guān),消弧柜共同作用的結(jié)果,為了減小大容量開關(guān),消弧柜的影響,必須讓附加電源感應(yīng)到消弧線圈回路的電壓大容量開關(guān),消弧柜大得多,但是大容量開關(guān),消弧柜過大會(huì)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(fù)載的供電,但長期存在會(huì)對設(shè)備絕緣產(chǎn)生不良后果,還會(huì)引起各級接地(漏電)保護(hù)裝置誤動(dòng)作。另外,電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)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)的電容電流測量及消弧線圈自動(dòng)跟蹤調(diào)整是在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的,此時(shí)中性點(diǎn)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[5][6](接線圖如圖6)。等值電路如圖7所示,其中:大容量開關(guān),消弧柜
    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:
大容量開關(guān),消弧柜
 
式中ω0為諧振角頻率。
 
    則系統(tǒng)單相金屬性接地故障時(shí)的電容電流為:
大容量開關(guān),消弧柜
式中ω為系統(tǒng)角頻率;U為系統(tǒng)相電壓。
    此時(shí)的脫諧度為:?
大容量開關(guān),消弧柜
由式(12)可以直接通過系統(tǒng)諧振頻率計(jì)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(shí)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(diǎn),都沒有達(dá)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn),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(yùn)行經(jīng)驗(yàn),只是做一些理論分析,應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中去,還要一段時(shí)間。
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