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跟蹤補(bǔ)償消弧裝置變參調(diào)諧通用方法

2015-03-04 07:08:28劉寶穩(wěn)李曉波
關(guān)鍵詞:測(cè)量

劉寶穩(wěn),李曉波

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,徐州221008)

消弧線圈能產(chǎn)生感性電流補(bǔ)償接地電容電流,大大減小故障電流,達(dá)到熄弧的效果,有利于故障相的自恢復(fù),提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性[1-2]。消弧線圈可分為預(yù)調(diào)式和隨調(diào)試兩大類(lèi)[3-4],當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生接地故障后,故障基波殘流可分為2 部分:一是消弧線圈未全補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流分量,二是零序回路中的有功電流分量,包括電網(wǎng)線路對(duì)地電導(dǎo)和消弧線圈的有功損耗等引起的有功電流[5]。精確測(cè)量電網(wǎng)對(duì)地分布總電容和分布總電導(dǎo)有利于判定接地電流的大小,提高消弧線圈運(yùn)行可靠性,為實(shí)現(xiàn)基波故障電流全補(bǔ)償提供理論依據(jù)。

按照調(diào)節(jié)電氣量的不同可將消弧線圈分為:調(diào)容式[6]和調(diào)感式。其中,調(diào)感式消弧線圈包括:調(diào)氣隙式[7]、調(diào)匝式[8]、晶閘管調(diào)感式[9]和偏磁式[10]等?,F(xiàn)有的消弧線圈調(diào)諧方法中對(duì)稱(chēng)法與相位法[11]、調(diào)相法[12]、恒定零序電壓幅值法[13]系通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)消弧線圈的等效電感,持續(xù)跟蹤測(cè)量某一特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)消弧線圈的調(diào)諧,但是連續(xù)調(diào)節(jié)分接頭減少調(diào)諧裝置使用壽命;兩點(diǎn)法[7]、補(bǔ)償電納增量法[14]、失諧量法[15]等需要改變消弧線圈支路阻抗實(shí)現(xiàn)消弧線圈的調(diào)諧,這類(lèi)方法適用變阻抗的形式有限,僅適用單一變電感或變阻尼的調(diào)諧形式;注入法[16-17]通過(guò)向電網(wǎng)注入諧波的方式實(shí)現(xiàn)消弧線圈的調(diào)諧,但這類(lèi)方法需要設(shè)備復(fù)雜,精確度受測(cè)量環(huán)境影響較大。文獻(xiàn)[18]提出一種偏置阻抗法,需要在配電網(wǎng)中一相與地之間串入一固定電阻和可調(diào)電抗,測(cè)量時(shí)需要調(diào)節(jié)電抗器,并觀察和測(cè)量中性點(diǎn)電壓與偏置相對(duì)地電壓的相角差實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電容電流的測(cè)量,該方法所需設(shè)備復(fù)雜,適用于中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)。

本文提出的消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置變參調(diào)諧方法,不受消弧線圈調(diào)諧變參形式的限制,既適用于單一變電抗的隨調(diào)式消弧線圈,也適用于單一變阻尼或阻感參數(shù)同時(shí)變化的預(yù)調(diào)式消弧線圈,應(yīng)用范圍廣泛。

1 消弧線圈調(diào)諧測(cè)量

1.1 等效運(yùn)算電路

圖1 為諧振接地系統(tǒng)正常運(yùn)行等效電路。CA、CB和CC為三相對(duì)地分布總電容;GA、GB和GC為三相對(duì)地分布總電導(dǎo);GL為消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置兩端等效并聯(lián)電導(dǎo);L 為等效并聯(lián)電感;EA、EB、EC為三相電源電壓。

圖 諧振接地系統(tǒng)測(cè)量等效電路Fig.1 Equivalent measurement circuit of resonant grounding system

將中性點(diǎn)電壓看作電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)度k 控制的受控電壓源kEA,構(gòu)造此受控源與大地的“虛短”支路,其支路電流為I0=0。建立電源三相線路和消弧線圈與虛短支路的4 條回路,支路電流分別為IA、IB、IC和IL,列回路電流方程,解出中性點(diǎn)電壓方程。等效運(yùn)算電路見(jiàn)圖2。

當(dāng)消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置等效并聯(lián)電導(dǎo)為GL1、等效并聯(lián)電感為L(zhǎng)1時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電壓U01為

圖2 諧振接地系統(tǒng)等效運(yùn)算電路Fig.2 Equivalent arithmetic circuit of resonant grounding system

式中:C∑為系統(tǒng)總分布電容,C∑=CA+CB+CC;k˙Z為系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱(chēng)矢量和,k˙Z=jωCA+GA+α2(jωCB+GB)+ α(jωCC+ GC),其中α = ej120°;G∑為系統(tǒng)分布總電導(dǎo),G∑=GA+GB+GC。

1.2 分布總電容和分布總電導(dǎo)的精確測(cè)量

實(shí)際運(yùn)行中,消弧線圈補(bǔ)償裝置需要實(shí)時(shí)測(cè)量電網(wǎng)絕緣參數(shù)以滿足跟蹤補(bǔ)償?shù)囊?。?dāng)電網(wǎng)線路投切或分布參數(shù)發(fā)生變化時(shí),消弧線圈需要重新計(jì)算電網(wǎng)的絕緣參數(shù)。目前,調(diào)氣隙式和調(diào)匝式消弧線圈串聯(lián)電阻接地或?qū)⒆枘犭娮鑿南【€圈的二次輔助繞組間接接入的方式[19],調(diào)諧測(cè)量時(shí)消弧線圈支路的阻感參數(shù)同時(shí)變化;偏磁式消弧線圈只需要變電抗即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電容電流的測(cè)量;消弧線圈并阻尼的可通過(guò)單一調(diào)節(jié)阻尼或電抗實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電容電流的測(cè)量。

設(shè)消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置調(diào)參后的等效并聯(lián)電導(dǎo)為GL2,等效并聯(lián)電感為L(zhǎng)2。則中性點(diǎn)電壓變?yōu)?/p>

式(1)除式(2),可消除系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱(chēng)矢量和kz,即消除電網(wǎng)不平衡度對(duì)調(diào)諧測(cè)量結(jié)果的影響。整理后得電網(wǎng)絕緣參數(shù)為

則系統(tǒng)分布總電容為

則系統(tǒng)分布總電導(dǎo)為

解式(4),得

解式(5),得

式中,φΔ為中性點(diǎn)電壓相位差,φΔ= φ2- φ1,φ1、φ2分別為阻尼電阻改變前、后中性點(diǎn)電壓的相位。以上公式的推導(dǎo)過(guò)程中已消除調(diào)參前后消弧線圈等效并聯(lián)電導(dǎo)GL、等效并聯(lián)電感L 對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。因而,通過(guò)式(6)可精確計(jì)算出電網(wǎng)線路總電容,通過(guò)式(7)可精確計(jì)算出電網(wǎng)線路的絕緣電阻。

并阻尼消弧線圈調(diào)諧測(cè)量時(shí)若僅調(diào)節(jié)阻尼電阻而消弧線圈等效電感不變,則式(6)和式(7)中L1=L2,GL1≠GL2;若僅調(diào)節(jié)消弧線圈電感而阻尼電阻不變,則式(6)和式(7)中L1≠L2,GL1=GL2;串阻尼消弧線圈調(diào)諧測(cè)量時(shí)消弧線圈等效電感和等效阻尼電阻同時(shí)改變,則式(6)和式(7)中L1≠L2,GL1≠GL2;隨調(diào)試消弧線圈調(diào)諧測(cè)量時(shí)僅需要調(diào)節(jié)等效電抗,則式(6)和式(7)中L1≠L2,GL1=GL2=0。

由此可見(jiàn),本方法可作為消弧線圈變參調(diào)諧通用計(jì)算方法。

2 提高調(diào)諧精度的操作要求

2.1 變參調(diào)諧的控制要求

現(xiàn)實(shí)中,電網(wǎng)的自然不對(duì)稱(chēng)度一般不超過(guò)3%,純電纜的網(wǎng)絡(luò)自然不對(duì)稱(chēng)度在0.5%以下[1]。因此,為了增加零序電信號(hào)的測(cè)量精度,調(diào)諧測(cè)量時(shí),一方面盡量增加零序電壓信號(hào)的幅值,減少測(cè)量誤差;另一方面要抑制中性點(diǎn)諧振過(guò)電壓[3-4],即電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電壓不應(yīng)超過(guò)額定相電壓的15%。

式中,U˙bd為中性點(diǎn)自然不平衡電壓。當(dāng)消弧線圈等效電感為L(zhǎng)、等效并聯(lián)電導(dǎo)為GL時(shí)的中性點(diǎn)電壓為

隨調(diào)式消弧線圈多采取過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞揭种屏阈螂妷海恍枰黾幼枘崧?,即GL=0。忽略電網(wǎng)線路對(duì)地電導(dǎo)GΣ,令式(9)小于15%Eσ,Eσ為電源相電壓,則消弧線圈過(guò)補(bǔ)償將零序電壓控制在15%的相電壓的等效電抗應(yīng)滿足

實(shí)際運(yùn)行時(shí),隨調(diào)式消弧線圈一般處在過(guò)補(bǔ)償15%處。調(diào)諧測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈等效電感使其滿足式(10),記錄調(diào)感前后的中性點(diǎn)電壓信號(hào),計(jì)算電網(wǎng)對(duì)地絕緣參數(shù);然后根據(jù)電容電流再次調(diào)節(jié)消弧線圈至過(guò)補(bǔ)償15%。重復(fù)上述測(cè)量步驟,即可實(shí)現(xiàn)隨調(diào)式現(xiàn)消弧線圈的跟蹤調(diào)諧。

預(yù)調(diào)式消弧線圈等效電感調(diào)節(jié)至諧振狀態(tài),通過(guò)增加阻尼率抑制零序位移電壓,則ωCΣ-1/(ωL)=0。忽略電網(wǎng)線路對(duì)地電導(dǎo)GΣ,令式(9)小于15%Eσ,則消弧線圈并阻尼將中性點(diǎn)電壓控制在15%的相電壓的阻尼電阻應(yīng)滿足

實(shí)際運(yùn)行時(shí),預(yù)調(diào)式消弧線圈的阻尼率一般取10%~20%。調(diào)諧測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈并聯(lián)阻尼使其滿足式(11),記錄調(diào)阻尼前后的零序電壓信號(hào),計(jì)算電網(wǎng)對(duì)地絕緣參數(shù);然后根據(jù)電容電流再次調(diào)節(jié)消弧線圈的阻尼率至10%~20%。重復(fù)上述測(cè)量步驟,即可實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)式消弧線圈的跟蹤調(diào)諧。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量方式選擇

調(diào)諧測(cè)量受零序電信號(hào)測(cè)量精度的影響。為保證控制的精確度,對(duì)零序電壓幅值和相位測(cè)量精度有一定的要求,而電壓互感器傳感信號(hào)誤差太大,尤其是相位誤差更大,而純電纜網(wǎng)路和電纜居多的混合網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱(chēng)度一般在0.5%以下[1],中性點(diǎn)電壓信號(hào)往往太小,滿足不了測(cè)量精度的要求。文獻(xiàn)[19]提出采用霍耳傳感器精確檢測(cè)消弧線圈調(diào)擋前后的中性點(diǎn)電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)消弧線圈的調(diào)諧。本文提出的調(diào)諧方法也可通過(guò)測(cè)量電流信號(hào)的形式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)絕緣參數(shù)的測(cè)量。

一般來(lái)說(shuō),調(diào)諧測(cè)量前后消弧線圈支路兩端等效阻感參數(shù)已知,即等效并聯(lián)電導(dǎo)GL和等效并聯(lián)電感L 已知。由于變參前后中性點(diǎn)電壓相位變化量與零序電流變化量一致,即φΔ=φ2-φ1=θ2-θ1=θΔ,θ1、θ2為調(diào)諧測(cè)量前后中性點(diǎn)電流相角,且有

式中:IL為中性點(diǎn)電流有效值;U0為中性點(diǎn)電壓有效值。調(diào)諧測(cè)量時(shí)只需測(cè)量中性點(diǎn)電流的幅值和相位差,將式(12)帶入式(6)和式(7),并令φΔ=θΔ,即可求得系統(tǒng)對(duì)地分布總電容和總電導(dǎo)。

以隨調(diào)式消弧線圈為例,令U0=ILωL,GL1=GL2=0,測(cè)量中性點(diǎn)電流,則系統(tǒng)分布總電容和總電導(dǎo)分別為

式中,I01、I02分別為調(diào)諧測(cè)量前、后中性點(diǎn)電流有效值。由于電流信號(hào)測(cè)量方便且測(cè)量精度高于電壓信號(hào),這樣就克服了純電纜網(wǎng)絡(luò)和電纜居多的混合網(wǎng)絡(luò)零序信號(hào)測(cè)量精度的難題。

若調(diào)節(jié)阻尼或調(diào)節(jié)電抗導(dǎo)致阻感參數(shù)同時(shí)變化且消弧線圈支路等效并聯(lián)電導(dǎo)和等效并聯(lián)電感的變化量未知時(shí),則需要測(cè)量中性點(diǎn)電壓和零序電流計(jì)算消弧線圈調(diào)參前后的阻抗值。調(diào)諧測(cè)量前后等效并聯(lián)電導(dǎo)和電感分別為

圖3 模擬仿真電路Fig.3 Simulation test circuit

式中:γΔ1= φ1- θ1;γΔ2= φ2- θ2。將式(15)帶入式(6)和式(7)即可算出電網(wǎng)線路的電容電流和絕緣電阻。

2 仿真驗(yàn)證

基于MATLAB 的仿真電路為諧振接地系統(tǒng),見(jiàn)圖3。電源電壓等級(jí)為10 kV,電網(wǎng)線路模型采用PI 型分布參數(shù)等效模塊。該電網(wǎng)系統(tǒng)共5 條出線l1、l2、l3、l4、l5,長(zhǎng)度分別為10、11、8、13、3.5 km;為模擬線路分布參數(shù)不平衡,在2 路出線l2的A 相串入單相PI 型線路等效模塊l2A,長(zhǎng)度為2 km。5 條出線中l(wèi)1、l3、l4為架空線,l2、l5和l2A為電纜線。架空線正序分布參數(shù)設(shè)置為:電阻為0.169 Ω/km,電感為1.21×10-3H/km,電容為9.7×10-9F/km;架空線零序分布參數(shù)設(shè)置為:電阻為0.213 Ω/km,電感為4.23 × 10-3H/km,電容為6.55 × 10-9F/km;電纜線正序分布參數(shù)設(shè)置為:電阻為0.058 Ω/km,電感為0.265 × 10-3H/km,電容為594.3 × 10-9F/km;電纜線零序分布參數(shù)設(shè)置為:電阻為0.096 Ω/km,電感為1.117×10-3H/km,電容為376×10-9F/km。通過(guò)調(diào)節(jié)單相斷路器B1、B2改變消弧線圈等效電感,調(diào)節(jié)單相斷路器B3、B4改變并聯(lián)電導(dǎo)。采用“三相序分量模塊”discrete 3-phase sequence analyzer 測(cè)量零序電壓與零序電流的幅值和相位。由以上參數(shù)計(jì)算得系統(tǒng)零序?qū)Φ乜傠娙轂?.771 7×10-5F,諧振電感為0.571 9 H。

仿真實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了阻尼電阻和消弧線圈等效電感同時(shí)變化測(cè)量電壓信號(hào)的仿真數(shù)據(jù);消弧線圈補(bǔ)償狀態(tài)不變調(diào)節(jié)阻尼電阻測(cè)量電壓信號(hào)的仿真數(shù)據(jù);調(diào)節(jié)隨調(diào)式消弧線圈等效電感測(cè)量電壓信號(hào)仿真數(shù)據(jù)和測(cè)量電流信號(hào)的仿真數(shù)據(jù)。測(cè)量變參前后的電壓或電流的幅值和相位,根據(jù)式(6)和式(7)、式(13)和式(14)計(jì)算系統(tǒng)分布總電容C∑和分布總電導(dǎo)G∑,給出消弧線圈全補(bǔ)償?shù)刃щ姼杏?jì)算值L0與實(shí)際諧振電感的誤差,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1~表4,表中R1、R2為仿真系統(tǒng)中消弧線圈的并聯(lián)電阻。仿真誤差較小,一般在0.2%以下,計(jì)算誤差主要由以下2 方面導(dǎo)致的:一是零序電信號(hào)的測(cè)量誤差,二是根據(jù)線路零序參數(shù)設(shè)置值計(jì)算諧振電感時(shí)未考慮變壓器漏感和線路自身電感的影響。根據(jù)仿真結(jié)果可知,跟蹤補(bǔ)償消弧裝置變參調(diào)諧通用方法精度高,適用范圍廣,滿足實(shí)際使用的需求。

表1 消弧線圈等效電感和阻尼電阻同時(shí)變化時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)仿真數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation data of measure voltage signal changed resistance and inductance

表2 僅調(diào)節(jié)阻尼電阻時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)仿真數(shù)據(jù)Tab.2 Simulation data of measure voltage signal only changed resistance

表3 調(diào)節(jié)隨調(diào)式消弧線圈等效電感時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation data of measure voltage signal and only changed inductance

表4 調(diào)節(jié)隨調(diào)式消弧線圈等效電感時(shí)測(cè)量電流信號(hào)仿真數(shù)據(jù)Tab.4 Simulation data of measure current signal and only changed inductance

3 結(jié)語(yǔ)

目前已有多種消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置得到廣泛應(yīng)用,而每種裝置在系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)改變或者有線路投切至電網(wǎng)中時(shí)都要相應(yīng)的調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的阻感參數(shù),而本文提出的跟蹤補(bǔ)償消弧裝置變參調(diào)諧通用方法適用的變參形式不受限制,因而適用范圍廣泛。在消弧線圈補(bǔ)償裝置參數(shù)已知的情況下可以通過(guò)測(cè)量中性點(diǎn)電壓或者測(cè)量中性點(diǎn)電流實(shí)現(xiàn)消弧線圈的跟蹤調(diào)節(jié)計(jì)算,提高測(cè)量精度,適用范圍廣泛,可行性好。

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