基于自耦變壓器結(jié)構(gòu)的雙調(diào)節(jié)式礦用消弧線圈研究

摘 要：該文設(shè)計一種帶有三次繞組的自耦變壓器結(jié)構(gòu)礦用消弧線圈，二次繞組接晶閘管投切電容電路，第三繞組具有高短路阻抗特性，輸出端接反并聯(lián)晶閘管，對消弧線圈進行細調(diào)。通過系統(tǒng)雙調(diào)節(jié)回路的協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)變壓器消弧線圈的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。對消弧線圈的運行參數(shù)、控制策略以及調(diào)諧方法進行深入的研究分析。這種消弧線圈具有響應(yīng)速度快、連續(xù)調(diào)節(jié)范圍寬、諧波小、伏安特性好及補償精度高等優(yōu)點。MATLAB仿真驗證新型礦用消弧線圈的合理性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);單相接地故障;消弧線圈;晶閘管投切電容;可控電抗

中圖分類號：TM761 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0118-06

Abstract： In this paper， an autotransformer structure mine arc-suppression coil with a tertiary winding is designed. The secondary winding is connected to a thyristor switched capacitor （TSC） circuit， the third winding has high short-circuit impedance characteristics， and the output terminal is connected to an anti-parallel thyristor to finely adjust the arc-suppression coil. Through the coordinated control of the dual regulation loops of the system， large-scale continuous regulation of the transformer arc suppression coil can be realized. The operating parameters， control strategies and tuning methods of arc suppression coils are deeply studied and analyzed. This arc-suppression coil has the advantages of fast response speed， wide continuous adjustment range， small harmonics， good volt-ampere characteristics and high compensation accuracy. MATLAB simulation verified the rationality and superiority of the new mining arc suppression coil.

Keywords： distribution network; single-phase ground fault; arc-suppression coil; thyristor switched capacitor （TSC）; controllable reactance

煤礦6-10 kV高壓電網(wǎng)80%以上的故障為單相接地故障。對單相接地危害治理的有效方法之一是采用中性點經(jīng)消弧圈接地，這種接地方式廣泛應(yīng)用在各類配電網(wǎng)中，用來補償單相對地的電容電流，從而消除電弧的發(fā)生。通常應(yīng)用于預(yù)防單相接地故障的消弧線圈都是以人工調(diào)節(jié)方式為主，根據(jù)發(fā)生單相接地故障時對地的電容電流參數(shù)來選取合適的消弧線圈參數(shù)。近年來自動調(diào)節(jié)式消弧線圈成為主流。為了追求電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運行，自動調(diào)節(jié)式消弧線圈代替人工調(diào)節(jié)方式為主的消弧線圈可以使整個系統(tǒng)達到很好的實現(xiàn)效果，可以根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)中運行參數(shù)的變化來自動檢測和調(diào)節(jié)合適的消弧線圈參數(shù)以適應(yīng)于系統(tǒng)運行的各個狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，這些消弧線圈可能存在著不同程度的缺陷，如不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)、線性度低、諧波大、響應(yīng)速度慢及噪音大等問題。

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的自動跟蹤補償消弧線圈，可實現(xiàn)快速、準確的隨動式補償，具有響應(yīng)速度快、連續(xù)調(diào)節(jié)范圍寬、諧波小、伏安特性線性度好且補償精度高等優(yōu)點。

隨著智能化采煤的開展、大功率設(shè)計及其電纜線路的大量使用，網(wǎng)絡(luò)對地電容電流越來越大，常規(guī)消弧線圈補償后殘流仍然很大，難以消弧。另外煤礦系統(tǒng)的運行方式多樣化，會導致系統(tǒng)中存在的電容電流的變化范圍會很大，因此所要求用于電容補償?shù)南【€圈參數(shù)變化范圍很寬。為了適應(yīng)系統(tǒng)的安全高效運行需要研究具有新結(jié)構(gòu)特性、能滿足系統(tǒng)變化的消弧線圈具有很實用的理論和實踐價值。

1 新結(jié)構(gòu)礦用消弧線圈的工作原理與參數(shù)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計的新結(jié)構(gòu)礦用消弧線圈的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體結(jié)構(gòu)是一臺三繞組自耦變壓器，一次繞組主要作用是連接電網(wǎng)中性點與大地并且作為主電抗，二次繞組和三次繞組實施調(diào)節(jié)功能。變壓器的二次側(cè)由三組電容和晶閘管組成的支路組成，稱為是3組晶閘管投切電容電路。當控制晶閘管使一定數(shù)量的電容投入時，二次側(cè)電容電流將部分地補償變壓器一次側(cè)的感性電流，從而改變一次側(cè)等值電抗。自耦變壓器的三次繞組設(shè)計為高短路阻抗結(jié)構(gòu)，其輸出端連接反并聯(lián)晶閘管，構(gòu)成晶閘管控制電抗（TCR）電路。通過改變晶閘管的觸發(fā)角，三次繞組中的電流發(fā)生改變，一次繞組電流也相應(yīng)地發(fā)生變化，此調(diào)節(jié)過程稱為細調(diào)。通過粗調(diào)或細調(diào)二次側(cè)的電容參數(shù)，可以改變二次側(cè)繞組連接到電路中的等值阻抗，以此來實現(xiàn)消弧線圈在系統(tǒng)中的連續(xù)調(diào)節(jié)范圍。變壓器二次側(cè)的各組電容參數(shù)按倍數(shù)關(guān)系取值為C0、2C0、4C0。

1.2 等值電路

本文所要討論的消弧線圈等值電路可表示為圖2。圖2中XL為變壓器三次繞組漏抗，XM1為一次繞組與三次繞組之間的激磁電抗，XM2為一次繞組與二次繞組的部分激磁電抗，也被稱為一次繞組與三次繞組的漏抗。由于采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)，一次繞組與二次繞組的漏抗非常小，可忽略不計。

晶閘管控制電抗的基波等值導納BL（α）與晶閘管觸發(fā)角α之間的關(guān)系可表示為

則整個電路的導納為

圖3給出調(diào)節(jié)范圍為10～50 A時該消弧線圈一次電流與控制量間的調(diào)節(jié)特性曲線。從消弧線圈調(diào)節(jié)特性曲線圖中可以得到，經(jīng)過設(shè)定投切角度后，消弧線圈輸出電流是連續(xù)的。

1.3 設(shè)計參數(shù)的確定

設(shè)消弧線圈工作電壓為UN，電流調(diào)節(jié)范圍為I1～I2，并設(shè)投切電容分為3組，容量按1∶2∶4配置，則可投切電容的倍數(shù)n=0～7。根據(jù)消弧線圈設(shè)定的參數(shù)，可知電路中的短路阻抗調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足在一個倍數(shù)的投切電容調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，即I0=。根據(jù)圖2，應(yīng)有以下關(guān)系

（3）

式（3）表示當TCR完全投入而晶閘管投切電容器（Thyristor—Switched Capacitor，TSC）不投入時，消弧線圈電流應(yīng)為上限值I2;式（4）表示當TCR和TSC都不投入時，消弧線圈電流應(yīng)等于I2-I0，即減去了TCR調(diào)節(jié)電流I0;式（5）表示TSC中3組電容的投切應(yīng)產(chǎn)生的電流調(diào)節(jié)范圍為I2-I1。這里BC0為C0電容值對應(yīng)的導納。

此外，變壓器兩部分漏抗XM2與XL近似相等，有

XM2=XL。 （6）

根據(jù)式（3）—式（6），可確定消弧線圈各設(shè)計參數(shù)。根據(jù)實際情況，自耦變壓器的二次繞組和三次繞組電壓取400 V，以便晶閘管和電容器件的選擇。

2 消弧線圈的運行控制策略

2.1 消弧線圈控制參數(shù)的確定

當煤礦高壓發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈需要根據(jù)事先估算出的電網(wǎng)對地電容來確定需要投入的電容器倍數(shù)以及三次繞組的觸發(fā)角。而投入的電容器倍數(shù)參數(shù)和三次繞組的觸發(fā)角參數(shù)稱為系統(tǒng)的控制參數(shù)。

將式（2）的導納表達式分成2部分

BT（α）=BLT（α）-BC， （7）

式中：

BLT（α）=， （8）

式（8）表示電抗器的等值導納。

BC=nBC0， （9）

式中：n為投入電容的倍數(shù)。

當煤礦高壓發(fā)生單相接地故障時，此時需要確定投入電容的倍數(shù)n和三次繞組的觸發(fā)控制角α的參數(shù)值。依據(jù)消弧線圈規(guī)定的補償參數(shù)值，以此來確定與電網(wǎng)對地電容參數(shù)之間的相應(yīng)關(guān)系，如下

BCline=BLT（α）-nBC0， （10）

式中：BCline為線路對地電容導納。因此，n應(yīng)滿足

nBC0+BCline≥BLT

， （11）

即，在TCR電路未投入，而n倍的電容被投入時，消弧線圈感性導納應(yīng)略小于或等于整個容性導納，TCR部分用來補充產(chǎn)生的偏差量。由式（11）可確定投切電容倍數(shù)n，設(shè)為n=n0。再根據(jù)式（10）有

BLT（α）=BCline+n0BC0， （12）

由此可確定觸發(fā)角α。

實際上，在運行過程中通過式（12）求出α幾乎無法實現(xiàn)。可通過建立觸發(fā)角α與相應(yīng)導納BLT的二維表格，消弧線圈控制系統(tǒng)只需要按式（12）計算BLT，再通過查表來獲得觸發(fā)角α。

2.2 消弧線圈運行點選擇

在電網(wǎng)正常運行方式下，自動跟蹤補償?shù)南【€圈的工作方式通常有2種。一種方式是預(yù)調(diào)式，即在無故障狀態(tài)下消弧線圈參數(shù)已經(jīng)調(diào)節(jié)到與電網(wǎng)諧振的狀態(tài)，依靠阻尼電阻來限制消弧線圈與電網(wǎng)的串聯(lián)諧振過電壓，早期的自動調(diào)諧消弧線圈裝置均采用這種工作方式。另一種方式是隨調(diào)式，即在滿足電網(wǎng)正常狀態(tài)下時，調(diào)節(jié)消弧線圈的參數(shù)值要遠離諧振點處的參數(shù)值，當電網(wǎng)處于故障時，系統(tǒng)設(shè)備會迅速調(diào)節(jié)消弧線圈的參數(shù)值為系統(tǒng)諧振時的參數(shù)值，使系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)。預(yù)調(diào)式消弧線圈在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，由于阻尼電阻不能立即被短接，不能很好地熄弧。隨調(diào)式消弧線圈由于遠離諧振點，在故障瞬間來不及調(diào)節(jié)，也不能很好熄弧。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，當單相接地電流超過10 A時，即需要裝設(shè)消弧線圈。這樣規(guī)定是因為小于10 A的單相接地電流能夠形成持續(xù)電弧的概率非常小。據(jù)此，本文中消弧線圈正常狀態(tài)下工作在故障殘流略小于10 A的運行點上，當發(fā)生單相接地故障時，迅速調(diào)節(jié)消弧線圈參數(shù)至諧振補償。此種工作方式既有利于固定補償消弧線圈的作用，又滿足了自動跟蹤補償消弧線圈的優(yōu)點，使系統(tǒng)配置的消弧效果顯著提高，提高煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運行。

2.3 消弧線圈調(diào)諧方式

完成對電網(wǎng)電流的準確測量是實現(xiàn)對煤礦高壓電網(wǎng)準確、快速補償?shù)年P(guān)鍵。在自動跟蹤補償系統(tǒng)中，電網(wǎng)對地電容電流的測量需要在電網(wǎng)正常運行狀況下進行實時跟蹤測量，本文采用了一種三點法對電容電流進行測量。

煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，對地的等值電路可以等效為如下電路（圖4），00為中性點不對稱電壓，00在煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)運行方式確定后即為定值。d稱為補償電網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼率，通常由兩部分組成：d=d0+dL，d0稱為系統(tǒng)中性點不接地電網(wǎng)的阻尼率，一般為1.5%～2.5%，dL為消弧線圈的有功損耗增加的阻尼率，一般也為1.5%～2.5%。

分析圖4電路，將消弧線圈的等效電感L看作負載，其他部分看作含源一端口網(wǎng)絡(luò)。可以利用電路原理中的戴維南定理將含源一端口網(wǎng)絡(luò)等效成電壓源串聯(lián)內(nèi)阻的形式，如圖5所示。在采用三點法對電容電流測量時消弧線圈的調(diào)節(jié)范圍很小，因此在對電容電流測量過程中，可以認為消弧線圈等值電阻為定值。

圖5中

為戴維南等值電源，R為RL與R0的并聯(lián)。3個調(diào)節(jié)點上消弧線圈的電壓、電流值可由三次調(diào)節(jié)消弧線圈得到為U1、U2、U3、I1、I2、I3由此算出三點對應(yīng)的消弧線圈電抗值X1、X2、X3。再根據(jù)圖5電路，有關(guān)系式（13）成立，由此可求出系統(tǒng)對地容抗XC。

。 （13）

按（13）式中的線性關(guān)系來測量系統(tǒng)電容電流時，需要三次調(diào)節(jié)消弧線圈參數(shù)。3個調(diào)節(jié)點取為：第一點為長期運行點，如2.2所述;第二點為降低脫諧度至中性點對地電壓等于相電壓15%處;第三點為前兩點對應(yīng)中性點電壓的中間點。

調(diào)節(jié)過程為：消弧線圈總是工作在第一調(diào)節(jié)點;需要測量時將消弧線圈調(diào)至第二調(diào)節(jié)點，并將數(shù)據(jù)記錄;最后調(diào)節(jié)使消弧線圈工作在第三調(diào)節(jié)點，將數(shù)據(jù)記錄;根據(jù)以上3點的數(shù)據(jù)按（13）式求解電網(wǎng)對地電容參數(shù)，并調(diào)節(jié)消弧線圈回復至第一調(diào)節(jié)點，完成一次測量。

3 仿真分析

為驗證本文所設(shè)計的新結(jié)構(gòu)礦用消弧線圈，設(shè)計了MATLAB仿真模型。電網(wǎng)和消弧線圈電路仿真模型如圖6所示，用串聯(lián)阻抗和并聯(lián)電容、電阻來模擬線路。

仿真中消弧線圈標稱值為315、6、0.4、0.4 kV;電流調(diào)節(jié)范圍為10～50 A;根據(jù)1.3推導的關(guān)系式可得

XM1=40.58 Ω;XM2=87.74 Ω;XL=87.74 Ω;

C1=2.758×10-6 F;C2=5.516×10-6 F;C3=1.103×10-5 F。

設(shè)消弧線圈損耗電阻RL=11 kΩ;電源及線路參數(shù)為

UN=10 kV;

rA=2.703 4×104 Ω，XCA=540 Ω;

rB=2.598 5×104 Ω，XCB=530 Ω;

rC=2.499 6×104 Ω，XCC=520 Ω。

由以上參數(shù)可以得到

KC=1.09%，XC=176.6 Ω，IC=34 A，d=3.83%。

3.1 各電容組別下對應(yīng)的消弧線圈電流調(diào)節(jié)范圍仿真

依次在系統(tǒng)中將8個電容組別投入，在每個組別下，當TCR處于完全投入和完全切除時，分別得到消弧線圈一次電流（表1）。

表1 各電容組別下對應(yīng)的消弧線圈電流 A

由表1可知，消弧線圈的電流實現(xiàn)了等間隔連續(xù)調(diào)節(jié);當TSC被完全切除，而TCR全面投入時，一次側(cè)的電流測量值為50.1 A這符合設(shè)計中的電流上限標準;當TSC全部投入而TCR被完全切除時，一次側(cè)的電流降至10.1 A，這滿足了設(shè)計中的電流下限要求，消弧線圈的一次側(cè)電流能夠在10～50 A的范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

三點法電容電流測量仿真：按上述參數(shù)設(shè)置，用三點法計算系統(tǒng)電容電流，消弧線圈對應(yīng)的3個調(diào)節(jié)點為85.714、155.88、141.17 Ω，對應(yīng)中性點電壓分別為45.757、900、472.879 V。用仿真數(shù)據(jù)按（13）式計算線路對地電容，結(jié)果準確。

二維表的建立：根據(jù)（8）式建立消弧線圈TCR部分的電納增量與晶閘管觸發(fā)角的二維表見表2。

3.2 綜合仿真分析

將本文提出的消弧線圈接入電網(wǎng)，對消弧線圈的補償性能進行仿真分析。在電網(wǎng)無故障狀況下用三點法進行系統(tǒng)電容電流測量，測得IC=34 A。根據(jù)式（11）可確定n=3，即需要投入電容C1、C2，剩余電流4 A則需通過TCR來補償。查表2可確定TCR觸發(fā)角為99°。2 秒時刻，發(fā)生單相接地故障。控制器檢測到接地故障，立即投入C1、C2;為了突出消弧線圈2部分的作用效果，將TCR的投入時間延時0.06 s。接地點殘流仿真波形如圖7所示。圖7中“投入TCR前”是當僅投入TSC接地點的殘流波形，故障點殘流具有容性特性，并且可以被限制在5 A以下;0.06 s后投入TCR，觸發(fā)角為99°，此時主要包括有功分量和極少數(shù)的諧波，并且殘流有效值在1.1 A以下。通過理論證明消弧線圈對煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時的電容電流具有補償?shù)男Ч呛苊黠@的。

3.3 諧波分析

TCR電路產(chǎn)生的高次諧波、諧波成分和含量也會隨TCR觸發(fā)角的變化而變化。圖8為一次電流總諧波畸變率THDi與觸發(fā)角的關(guān)系曲線。對于本文提出的消弧線圈，TCR的容量一般不超過消弧線圈容量的10%，所以總諧波含量不超過基波電流的2%。同時，TSC電路對電網(wǎng)系統(tǒng)中的高次諧波起到了很好的削減作用。

4 結(jié)論

本文在總結(jié)現(xiàn)有礦用消弧線圈優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于自耦變壓器結(jié)構(gòu)雙調(diào)節(jié)式新結(jié)構(gòu)消弧線圈。這種新型消弧線圈采用可控硅粗調(diào)與細調(diào)相結(jié)合方式，可實現(xiàn)大范圍連續(xù)快速調(diào)節(jié)，且諧波污染很小;采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)，具有線性度好、體積小等優(yōu)點。本文采取建立觸發(fā)角與控制量間的表格關(guān)系，采用查表法實施控制，可保證控制的快速性和準確性。為了保證故障瞬間消弧線圈能夠有效地消除電弧，在無故障工況下，本消弧線圈設(shè)計在過補償電流小于10 A的工作點上。本文主要研究了采用三點法進行電容電流的在線監(jiān)測，利用仿真分析驗證了本文提出的新型消弧線圈理論的合理性和正確性，充分論證了這種自動跟蹤補償消弧線圈的優(yōu)越性。

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基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（182102310936）

作者簡介：王曦（1995-），男，助理工程師。研究方向為機電管理。