調(diào)容式自動(dòng)補(bǔ)償裝置在低壓電網(wǎng)的分析與仿真

王 釗，黃孝維，劉 毅，王 棟

(1.陜西省電力公司渭南供電局電力工程公司，陜西渭南 714000;2.青海省海南州興?？h供電公司客服中心，青海海南州 813300;3.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安 710054;4.寧夏送變電工程公司調(diào)試試驗(yàn)分公司，寧夏銀川 750004)

以某660 V電網(wǎng)為例，利用Matlab的Simulink軟件包，對(duì)電壓和電流的波形進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明調(diào)容式自動(dòng)補(bǔ)償裝置可以廣泛用于電力系統(tǒng)。

1 調(diào)容式消弧裝置補(bǔ)償原理

成套系統(tǒng)由消弧線圈、電容調(diào)節(jié)柜、PT、Z型接地變壓器和調(diào)節(jié)控制柜等多部分組成，其一次接線圖如圖1所示。消弧線圈一次側(cè)等值電感量的改變是通過(guò)在二次繞組上并聯(lián)不同容量的電容器。通過(guò)控制串聯(lián)雙向可控硅開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器的投切。根據(jù)測(cè)量到的電網(wǎng)對(duì)地電容電流值，來(lái)選擇不同容量的電容器組合，調(diào)節(jié)消弧線圈電感值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧，為確保系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)位移電壓＜15%的相電壓，可對(duì)系統(tǒng)脫諧度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且為避免投切時(shí)的過(guò)電壓和合閘涌流問(wèn)題，可使可控硅選擇在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器，同時(shí)減小了系統(tǒng)功耗。通過(guò)串聯(lián)相應(yīng)大小的電抗器，可遏制消弧線圈開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的諧波干擾問(wèn)題［1］。

2 電容電流的測(cè)量

電網(wǎng)的電容電流是選擇消弧線圈的主要參數(shù)。測(cè)量電容電流的方法有直接法和間接法兩種。

2.1 電容電流的直接測(cè)量

電容電流的直接測(cè)量，主要為單相金屬接地法。該方法在消弧線圈退出運(yùn)行條件下，可直接測(cè)出電網(wǎng)的電容電流、有功泄漏電流和作為二者向量和的全電流;在消弧線圈投入運(yùn)行條件下，可直接測(cè)得消弧線圈的補(bǔ)償電流、有功損耗電流和作為二者向量和的全電流，還可直接測(cè)出殘余電流及其無(wú)功、有功分量，從而得出電容電流。該方法在實(shí)際測(cè)量中較少采用。

圖1 可控硅投切電容式消弧線圈

2.2 電容電流的間接測(cè)量

電容電流的間接測(cè)量方式主要包括:中性點(diǎn)外加電容法、外加電壓法、調(diào)諧法和變頻法等。除前者外，其他均是根據(jù)串聯(lián)諧振原理導(dǎo)出［2］。間接測(cè)量法的共同特點(diǎn)是簡(jiǎn)便，雖無(wú)法分出有功分量和無(wú)功分量，但也可滿足工程實(shí)用要求，故應(yīng)用較廣。

圖2 經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)的等值電路圖

基于DSP控制的調(diào)容式電容式消弧線圈，使用的是一種間接測(cè)量接地電容電流法，即調(diào)節(jié)投切電容的檔位來(lái)改變中性點(diǎn)的電壓和消弧線圈中的電流，從消弧線圈的低壓側(cè)采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容電流。由圖2可得出消弧線圈接的兩端電壓U·0為

解式(1)有

在忽略系統(tǒng)阻尼的情況下，即gL+3g0、以A相為參考時(shí)，式(1)可變?yōu)?/p>

將IC=Uφω(CA+CB+CC)和 IL=U0/ωL 代入式(1)有

式中，L為消弧線圈的等效電感;CA、CB和CC為系統(tǒng)三相對(duì)地電容;?為相因子?=ej120=－1/2+j;IL為系統(tǒng)中性電流經(jīng)消弧線圈的電流有效值;Uφ為相電壓有效值;IC為三相電容電流有效值。

由式(4)可知，在同一運(yùn)行方式下，通過(guò)改變消弧線圈二次側(cè)可控硅投切狀態(tài)進(jìn)而調(diào)節(jié)整個(gè)消弧線圈的等值電抗，獲得兩組節(jié)點(diǎn)方程，進(jìn)而可計(jì)算出三相全電容電流為

式中，U01、IL1、U02、IL2分別是兩種投切檔位下中性點(diǎn)偏移電壓值和消弧線圈中流過(guò)的電流有效值。

3 消弧線圈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置選用TMS320F2812的DSP作為主控芯片，其抗干擾能力強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下可較好地工作。當(dāng)系統(tǒng)諧振接地時(shí)，控制系統(tǒng)不斷采集流過(guò)消弧線圈的電流IL和消弧線圈兩端電壓UN的值，在信號(hào)的每個(gè)周波內(nèi)均勻地采集12點(diǎn)，對(duì)這12點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全波傅里葉算法后得出其有效值，并算出電容電流IC且在LCD 240×128顯示模塊中顯示;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓將大幅上升，若值大于額定相電壓的50%時(shí)，判斷系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障，此時(shí)裝置發(fā)出接地故障信號(hào)，在消弧線圈二次側(cè)的電壓過(guò)零情況下，立即發(fā)出觸發(fā)脈沖來(lái)觸發(fā)雙向可控硅開(kāi)關(guān)，使電容器投入工作，補(bǔ)償故障電流，減小殘流，從而使電弧熄滅。系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，在電流過(guò)零的情況下控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉雙向可控硅開(kāi)關(guān)，即可將該開(kāi)關(guān)的投切狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。同時(shí)工作過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)也會(huì)在 LCD 240 ×128 模塊顯示［3－4］。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，調(diào)容式消弧線圈控制模塊為整個(gè)消弧裝置的核心部分，由DSP2812和控制軟件組成。其采集模塊經(jīng)過(guò)采集和濾波等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)各電量來(lái)判斷電網(wǎng)狀態(tài)并計(jì)算電容電流。消弧線圈二次側(cè)的電壓過(guò)零信號(hào)與DSPI/O雙口閉鎖輸出經(jīng)過(guò)光耦隔離處理來(lái)控制雙向可控硅開(kāi)關(guān)，對(duì)消弧線圈二次側(cè)電容器進(jìn)行投切控制，觸發(fā)速度快，可靠性高。同時(shí)控制器還為工作人員提供良好的LCD 240×128液晶顯示、輸入鍵盤(pán)、可斷電保存故障記錄、歷史工作信息等人機(jī)界面和掉電存儲(chǔ)模塊。

圖3 系統(tǒng)控制硬件框圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在CCS開(kāi)放環(huán)境下編譯程序，首先在主程序中完成系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換、故障判斷，LCD顯示及數(shù)據(jù)通訊初始化，消弧線圈二次測(cè)同步信號(hào)的采集與處理［5－6］。當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，裝置不斷計(jì)算電網(wǎng)脫諧度和電容電流并將其顯示，使電網(wǎng)處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)且遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時(shí)，在10 ms內(nèi)判斷系統(tǒng)處于永久故障或瞬時(shí)故障，若是瞬時(shí)故障，則標(biāo)志位依然為0，保持系統(tǒng)原本測(cè)量狀態(tài)。若是永久故障，則故障標(biāo)志位flag置1，在消弧線圈二次側(cè)電壓過(guò)零時(shí)雙向可控硅投切，對(duì)故障電流進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行在諧振點(diǎn)附近且保證過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，當(dāng)滅弧成功時(shí)，消弧成功標(biāo)志位flag1置1，系統(tǒng)顯示脫諧度并依然保持過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)且遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)的流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

以某660 V電網(wǎng)為對(duì)象，仿真模型采用Matlab的SimPowerSystem建立，各段線路、變壓器和負(fù)載等元件的參數(shù)全部按上述660 V系統(tǒng)實(shí)際值設(shè)定，建立了接近實(shí)際的電網(wǎng)單相接地模型。仿真時(shí)假設(shè)0.02 s時(shí)線路A發(fā)生單相接地，線路參數(shù)為r1=0.17Ω/km，r0=0.23 Ω/km，L1=1.21 mH/km，L0=5.48 mH/km，C1=9.7 nF/km，C0=6 nF/km，l1=20 km。

圖5為0.02 s發(fā)生單相接地故障前后A，B，C三相電壓的波形及整個(gè)電網(wǎng)中電容電流IC和消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鱅L的波形。

圖 5 Ua，Ub，Uc及 IL，IC 的波形

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電壓為零，非故障相電壓變?yōu)榫€電壓，消弧線圈兩端電壓UN從零變?yōu)橄嚯妷?。故障點(diǎn)電容電流IC變?yōu)橹暗?倍，有可能在故障點(diǎn)形成電弧，而消弧線圈所產(chǎn)生的感性電流IL恰好可抵消電網(wǎng)中的容性電流，從而消除電弧，保證電網(wǎng)安全。從圖5中可看出故障后電網(wǎng)的容性電流和感性電流相位相反，從圖6可看出在系統(tǒng)未出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存在較小的IC和IL，兩者相互抵消基本為零。在故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)，隨后逐漸為零，所以IC與IL相抵消后的殘留Icl基本為零。由圖7可看出，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，UN逐漸變大，單位升至相電壓這一理論值，是由于三相電網(wǎng)不平衡和消弧線圈的鐵磁干擾所致，通常認(rèn)為UN＞50%Uφ(Uφ為相電壓)時(shí)判斷電網(wǎng)為故障［7－8］。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了調(diào)容試消弧補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)中的作用，利用改進(jìn)的兩點(diǎn)法算出電網(wǎng)的電容電流，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)容式消弧線圈控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)范圍寬于通常調(diào)感式系統(tǒng)，采用大功率晶閘管開(kāi)關(guān)無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性高。理論分析和仿真結(jié)果表明:在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，動(dòng)態(tài)快速跟蹤，自動(dòng)補(bǔ)償接地點(diǎn)電容電流，可起到消弧的目的。

［1］平紹勛.電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)及實(shí)例分析［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

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