消弧线圈二次侧阻尼及接地选线原理

电工电．＿‘　（２０１　１　Ｎｏ。６）　消弧线圈二次翻阻尼及接地选线原理　消弧线圈二次侧阻尼及接地选线原理　鲁晓枫　（杭州欣美成套电器制造有限公司，浙江杭州３１１２１　５）　摘要：针对调匝式消弧线圈阻尼电阻直接串接在一次回路中的诸多问题，设计了阻尼电阻安装在　消弧线圈二次侧的自动调谐及选线装置。给出了二次阻尼电阻值的选取方法、电网电容电流检测方法、　接地选线方法及接地故障与串联谐振的辨识方法。整套装置运行稳定，补偿效果良好，接地选线精度高。　关键词：电消弧线圈；阻尼电阻；电容电流；接地选线　中图分类号：ＴＭ８６２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００７—３１７５（２０１１）０６—００４６—０４　Ａｒｃ—Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｃｏｉｌ　ｗｉｔｈ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｄａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｌｉｎｅ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ＬＵ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ　（ＨａｎｇｚｈｏｕＸｉｎｍｅｉＣｏｍｐｌｅｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃＡｐｐｌｉａｎｃｅｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１１２１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｕｎｉｎｇ　ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｃｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｄａｍｐｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｕｎｉｎｇ　ａｒｃ・ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｃｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｄａｍｐｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｎｅｔｗｏｒｋ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｅａｒｔｈ　ｌｉｎｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｅａｒｔｈ　ｆａｕｌｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｅｔ　ｏｆｄｅｖｉｃｅ　ｏｐｅｒａｔｅｓ　ｓｔａｂｌｙ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｅａｒｔｈ　ｌｉｎｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｃｏｉｌ；ｄａｍｐｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｅａｒｔｈ　ｌｉｎｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　０引言　出现单相接地后，将阻尼电阻短接或切除，从而实　现最佳补偿。　消弧线圈的作用是当中性点谐振接地电网发生　目前调匝式消线弧圈通常在一次回路串联阻尼　单相接地故障时，提供一感性电流补偿接地点电容　电阻，采用晶闸管自触发短接阻尼电阻，解决了阻　电流，使接地点残流变小，从而使电弧自然熄灭。　尼电阻的自动投入与退出问题，但由于其在原理和　当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地减少弧光　设计上存在缺陷，因而又带来了一些新的问题和安　接地过电压的几率，还可以有效地抑制过电压的幅　全隐患。例如接入一次回路的晶闸管由于绝缘耐压　值，同时也最大限度地减小了故障点热破坏及接地　问题而容易被击穿；发生接地故障时，暂态转换过　网电压的升高，达到避免故障扩大的目的。从提高　程中的过电流造成直接串联在一次回路中的阻尼电　消弧效果看来，脱谐度的绝对值越小越好，最好是　阻烧毁；晶闸管导通后不能实现自动控制而容易造　处于全补偿状态，即调谐在谐振点上，但在电网正　成“虚幻接地”等　。　常运行时，调谐至全补偿的消弧线圈会产生危险的　针对调匝式消弧线圈采用阻尼电阻串接在一次　串联谐振过电压，这是不允许的。为了解决该矛盾，　回路的不足，可将阻尼电阻接入消弧线圈二次辅助　调匝式消弧线圈通常直接串联阻尼电阻，从而增大　绕组，形成并联阻尼电阻方式，它具有阻尼电阻串　电网阻尼率，使得电网正常运行时串联谐振过电压　接在消弧线圈一次侧同样的阻尼效果　本文同时给　小于额定相电压值的１５％，这样一来就可以在电网　出二次阻尼电阻值的选取、通过测量中性点电流检　正常运行时将消弧线圈调谐至接近全补偿状态，当　测电网电容电流、按不同的接地类型选取不同选线　原理和使用过程分析辨识接地故障与串联谐振的方　作者简介：鲁晓枫（１９６３一），男，工程师，本科，从事电器产品设计工作。　——４６——　消弧线圈二次　阻尼及接地选线啜理　法，开发出成套装置，并投入运行，运行效果令人　满意。　１　调匝式消弧线圈二次侧阻尼原理及其阻尼　电阻的选择　如图１所示，在调匝式消弧线圈的铁心上增绕　一个二次绕组，二次绕组经晶闸管开关Ｋ接入阻尼　电阻，，当电网正常运行时开关Ｋ闭合，以增大电　网阻尼率，使中性点电压限制在１５％相电压以内。当　电网发牛单相接地故障时断开开关Ｋ，以保证消弧　线圈的补偿效果。　有　２　Ｋ　载　开　关　＂　图１阻尼电阻在二次侧的调匝式　消弧线圈结构及等效电路　设消弧线圈共／／／个抽头，第对由头匝数为Ⅳ　，标　称电感电流为　，，电抗为　，，二次侧绕组匝数为　，第对由头等效阻尼电阻为　，电网对地总电容为　Ｃ，由阻尼电阻产生的阻尼率ｄ，＝１／（￣ｏｃＲ　）＝　。则　并入阻尼电阻后，中性点位移电压为：　蠢Ｋ　Ｕ　　式中，　为相电压；ｄ为补偿电网对地阻尼率　（一般取０．０５）；　为脱谐度。　，．为电网自然不平衡　度。　如在第对由头处于全补偿状态，　＝０，Ｘ　＝　中　性点位移电压达到最大值：　ｌｉ　ｅＵ　Ｕ　Ｋ　ＵＫｃＵ　Ⅲ　（１）　ｄ　隶ｄ＋隶　ｄ＋　Ｘ　，　式中，　＝（　）　。　因为二次绕组与一次绕组绕在同一个铁心上，　所以在忽略漏抗的情况下，　就是消弧线罔二次绕　组对应的电抗，它等于消弧线圈一次侧开路时二次　侧的输入电抗，消弧线圈制造完毕该值即为定值。　由式（１）可见，，确定后，在电网自然不平衡度　不变的条件下，尽管消弧线圈工作在不同抽头时，　电工电气（２０１　１　Ｎｏ．６）　等效阻尼电阻发生变化，　是无论Ｔ作在哪个抽头，　全补偿时中性点最大位移电压不变。设常态下允许　的最大位移电压百分比为　＝ＵＮ…／ｖ，代入式（１）　得：　＿＿　＞ｄ　等　２　（２）　按照规程规定　≤１５％，Ｏ．１　Ｊｌｒ唯一地取决于电　网的自然不平衡度　只要知道电网的自然不平衡　度，就可以按照式（２）选取阻尼电阻ｒ。考虑到，越　小，阻尼效果越好，按照电网自然不平衡度最严重　的情况Ｋ。＝　。　考虑，取，＝　可以满足对所有符合　规程要求电网的阻尼要求。　２电容电流测量　消弧线圈电容电流的计算一股可分为附加电源　法和电压法两大类。前者需要附加信号源，实现起　来较为复杂。后者通过改变消弧线圈支路阻抗，根　据电网中性点电压的变化调节消弧线圈，主要有　谐振法、相位角法、电容电流间接检测法等。这类　方法实现简单，但是对中性点电压幅值有一定的要　求，太低则控制精度无法保证。这是由于中性点电　压太低时，电压互感器信号误筹太大，尤其是相位　误差更大。本设计采用霍尔传感器精确检测消弧线　圈调挡前后的中性点电流信号，　ｆＦｆｊ电压信号实现　对消弧线圈的控制，方法简单、控制精确、可靠。　图２　ａ）为消弧线圈在第对当位时，补偿电网常态　下零序等效电路，　为电网自然不平衡电压，反映　消弧线圈未接入前的情况。图２　ｂ）、ｃ）分别为消弧　线圈工作在抽头Ｔ　、Ｔ　时转化为串联电阻的等效电　路。图２　ｄ）为图ｂ）、Ｃ）电路的电　、电流矢量图。　，　Ｃ）ｄ）　图２补偿电网常态下零序等效电路及电压电流矢量图　．——４７——　电工电．＿‘　（２０１　１　Ｎｏ．６）　经计算得Ｃ　＝，（　／ｉ　臼），即电网对地总电　容仅与调挡前后电流的比值及相位差有关。因此在　调节过程中，每调节一次挡位就可计算出一次电容　电流。研究发现挡位离谐振点越近，计算越准确。　３接地选线原理　由于接地现象错综复杂，要想准确地选择接地　线路，首先要准确辨识接地类型，然后依据不同的　接地类型构建能明显区分故障支路与非故障支路的　特征量。本文针对现代消弧补偿技术的特点，对稳　定接地采用零序电流增量函数判据确定接地支路，如　为不稳定接地，则按照暂态判据确定接地支路。　３．１电流增量函数接地选线原理　对于预调式消弧线圈系统，正常运行状态下接　入阻尼电阻，接地发生后切除阻尼电阻。设补偿电　网共有／１７条支路，三相对地参数对称，　为电网额　定相电压；　和　。分别为电网ａ相对地电容和电　阻；Ｌ和　，为消弧线圈对应档位的电感和等效并联　电阻。当第　支路ａ相经电阻　发生单相接地时，　零序电压为：　¨　￡，０＝一　１＋　［ｊ（３　一击）＋丢＋击］　如改变消弧线圈回路电５助　从到　；，设电网平　衡且零序电流互感器测量无误差，则所有非故障支　路的零序电流增量函数为０，故障支路的零序电流　增量为：　１　ａｌ　ｅ　１　ｕｏ　△，Ｄ广ｊ　一百————————————　————　——　　可　△　。。　　ｌ＋　［ｊ（３　一　）＋景＋寺］一　式中△厶＝　１叭　１一砉），其大小为△　＝÷　×　Ｉ△　ｌ二÷　Ｉ△厶ｌ，Ａ／Ｒ＜ｏ时，Ａ／。　与　反向。　＝Ｑ／ｕ　为接地后消弧线圈支路电阻变化前零序电压百分　数。实际零序电流和零序电压存在测量误差，非故　障支路零序电流增量函数不为０，△／ｏｊ与　相位差绝　对值Ｉ　ｌ并不是９０。。设ＡＩ　为由于测量误差造成　的非故障支路零序增量函数最大值，△　…为Ａ／。　与　相位偏离９Ｏ。的最大值，预调式补偿系统接地支路　的判据为：　∈　，Ａ／ｏ　＞ＡＩ　，１８０一△　＜Ｉ　Ｉ＜　１８０＋Ａ　），（，７＝１，２，３，…，／／／）。　——４８——　消弧线圈二次铡阻尼及接地选线骧理　因预调系统是常态投入阻尼电阻，接地后经延　时切除电阻，所以　的符号为负，即故障支路增量　函数的方向与零序电压反向。为了保证准确地选出　接地线路，对△　的大小也有基本要求，即△　＞　二　Ａ　，　ｎ　０　为可靠系数。△　与　的关系作为选取　阻尼电阻大小的条件之一，并用来整定选线装置动　作参数。　３．２暂态能量法选线基本原理　补偿电网在发生单相接地故障时，由消弧线圈　提供的感性电流补偿了故障点的电容电流，使残流　大大地减小。然而在接地发生的暂态过程中，消弧　线圈还未来得及补偿，由于接地过渡电阻及其它因　素的存在，故障支路零序电流中的阻性分量理论上　与未接地支路零序电流中的阻性分量方向相反，并　且等于未接地支路零序电流阻性分量之和。鉴于从　零序电流中分离出阻性分量比较困难，另外电路中　的电感和电容实际上并不消耗能量，因此如果将各　支路上采集得到的零序电压和零序电流的乘积做积　分，所得积分值在物理意义上等价于各支路上阻性　分量消耗的能量。以此能量作为判据，同样可以有　效区分故障支路和未接地支路。　４基于过程分析的接地故障与串联谐振辨识　自动调谐系统串联谐振故障零序电压波形如图　３所示。　７・Ｏ　３．５　耋　。　３・５　７．Ｏ　图３自动调谐系统串联谐振故障零序电压波形　在自动调谐消弧线圈接地系统中，单相接地故　障发生后，预调式消弧线圈切除阻尼电阻，实现对　电容电流的最佳补偿；随调式消弧线圈从远离谐振　点调节到靠近谐振点，以实现对电容电流的补偿。接　地故障消失后，若预调式消弧线圈的阻尼电阻仍处　于切除状态或者随调式消弧线圈仍在谐振点运行，则　导致串联谐振　，这种串联谐振状态与单相接地状　消弧线圈二次绷阻尼及接地选线骧理　电工电气　（２０１　１　Ｎｏ．６）　态无法用简单的方法辨别。因此，若想正确地进行　接地故障选线和消弧线圈调谐控制，必须解决好故　障辨识问题。针对这一问题，本设计采用基于零序　电压变化过程的接地和串联谐振故障辨识方法　。　具体方法是，首先定义连续三个周波以上有相　同变化规律的波形为一个状态，将故障发展过程分　成五种状态：　障特征顺序。最后与故障过程状态库进行比较得出　故障结论。　５成套装置的实现　图４为可控制两台二次侧阻尼消弧线圈系统的　原理图。整套装置由接地变压器、消弧线圈、监控　Ｍ：故障暂态。故障发生瞬间，零序电压幅值　主机、调谐控制器及零序电流互感器等组成。消弧　突变，存在大量暂态分量。　Ｎ：接地故障稳态。电压幅值变化小，电压稳　定，有少量谐波存在。　Ｐ：故障下降暂稳态。故障结束零序电压向正　常状态下过渡，电压逐渐降低。　线圈带有二次绕组用于接入阻尼电阻，接地变压器　的作用是为电网提供人为的电ｌｘｘＪ中性点（如电网有　中性点则不需要此装置），监控主机是整个系统的　人机接口，它负责将自动调谐控制器计算出的电容　图Ｐｘ：故障上升暂稳态。串联谐振形成，零序电　压经过渡过程进入消弧线圈串联谐振状态，零序电　压逐渐升高。　骀髅波波形及当前消弧系统的运行状况等相关信息就地　龃显示或送至变电所综合自动化系统，同时用户可以　电流、有载开关当前的挡位信息、接地报警信息、录　根据当前实际情况设置系统参数。自动调谐控制器　是成套装置的控制核心，它负责实时跟踪测量电网　电容电流的变化，预先调节消弧线圈挡位，实现自　动跟踪调谐。当电网发生单相接地时，切除阻尼电　原图ＮＸ：串联谐振稳态。电压幅值变化小，电压稳　定，有少量谐波存在。　理然后建立故障过程特征库，应用故障过程辨识　算法对故障数据进行处理，辨识各个状态时间节点　和状态量，将各状态按时问节点进行排序，得到故　阻，实施补偿，并选出故障线路，切除故障线路或　发出报警信号。　６结语　［ｔ］王树国．调匝式消弧线圈采用晶闸管控制一次阻尼电　新型调匝式消弧线圈采用在消弧线圈二次侧安　装阻尼电阻，解决了串阻尼晶闸管及阻尼电阻容易　损坏的问题。采用新型电流法能更精确地计算出系　阻的隐患分析［Ｊ］．电力设备，２００８，９（１０）：６８—７Ｏ．　［２］刘清凡．消弧线圈接入后一次系统不平衡加剧原因　分析［Ｊ］．继电器，２００５，３３（３）：７９—８３．　统电容电流。通过辨识接地故障与串联谐振，能有　效地避免“虚幻接地”现象。根据不同的接地状态　［３］连鸿波，谭伟璞，裴善鹏，等．谐振接地电网预随　调补偿方式及其实现［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，　２９（２１）：７９—８４．　选择不同的选线机制，可以更加准确地确定故障支　路。　［４］邱云峰，蔡旭．基于故障过程分析的补偿电网接地　与串联谐振辨识［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，　３７（７）：　４９—５３．　目前该成套装置已投入运行，装置运行稳定，控　制精确，补偿效果良好，接地选线准确率高。　收稿日期：２０１卜０２—１７　４９——