阻尼電阻投切方式對消弧線圈殘流及殘流時間的影響

李志軍，王?娟，張珈瑋，奚文霞，劉?勇，許建鋒

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阻尼電阻投切方式對消弧線圈殘流及殘流時間的影響

李志軍1，王?娟1，張珈瑋1，奚文霞1，劉?勇2，許建鋒2

(1. 河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2. 天津市天變航博電氣發(fā)展有限公司 天津 300385)

對采用電力電子開關(guān)器件替代傳統(tǒng)機械有載開關(guān)切除阻尼電阻的方法進(jìn)行了討論，對阻尼電阻切除速度提升所引發(fā)的暫態(tài)過渡過程變長以及非過零同步觸發(fā)引起的繼生暫態(tài)過程問題進(jìn)行了重點研究和討論．首先，對快速投切電路以及存在的問題進(jìn)行了介紹和總結(jié)，并對阻尼電阻快速切除電路影響消弧線圈成套裝置殘流及殘流時間的機理進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析，對影響過程進(jìn)行了詳盡分析；其次，利用Simulink仿真軟件搭建了10.5,kV補償電網(wǎng)仿真模型，并針對典型的故障和雙向可控硅觸發(fā)工況，對阻尼電阻快速切除的影響進(jìn)行了仿真分析，利用合作企業(yè)試驗平臺驗證了上述問題和過程．最后，提出延時切除及過零同步觸發(fā)的技術(shù)解決方案并驗證其有效性．

調(diào)匝式消弧線圈；阻尼電阻；投切方式；殘流；殘流時間

中性點經(jīng)消弧線圈接地是治理中低壓配電系統(tǒng)單相接地故障的有效方法之一[1-2]，其中預(yù)調(diào)調(diào)匝式消弧線圈因其在經(jīng)濟性和可靠性上的優(yōu)勢被廣泛采用．根據(jù)DL/T,1057—2007《自動跟蹤補償消弧線圈成套裝置技術(shù)條件》規(guī)定，預(yù)調(diào)式調(diào)匝消弧線圈通常需要與大地之間串聯(lián)一個阻尼電阻以保證電網(wǎng)正常運行時中性點位移電壓不超過相電壓的15%,以及防止串聯(lián)諧振產(chǎn)生過電壓[3-4]，但在發(fā)生單相接地故障時需要迅速切除阻尼電阻以實現(xiàn)有效補償．

目前，國內(nèi)普遍采用電力電子開關(guān)替代機械類負(fù)荷有載開關(guān)切除阻尼電阻，其中以雙向可控硅器??件[5-8]應(yīng)用最為普遍．雙向可控硅器件等電力電子固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用，極大地提升了阻尼電阻投切響應(yīng)速度和設(shè)備整體可靠性，但快速投切所帶來的故障暫態(tài)和觸發(fā)非同步性引起的繼生暫態(tài)過程影響往往被忽視．現(xiàn)場投運案例和實驗室實驗表明，在大多數(shù)故障工況下，快速投切阻尼電阻將會對消弧線圈成套裝置殘流和殘流時間產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響其品質(zhì)．

本文對消弧線圈的兩種阻尼電阻投切電路進(jìn)行簡單介紹，并基于典型阻尼電路投切電路建立了數(shù)學(xué)模型，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)解析和機理分析，重點以普遍使用的他觸投切方式為例進(jìn)行研究．利用Simulink仿真軟件和實驗室條件分別搭建消弧線圈阻尼電阻投切模型進(jìn)行驗證，最后得出結(jié)論．

1?投切電路及投切方式的影響

消弧線圈裝置生產(chǎn)廠家普遍采用雙向可控硅自觸發(fā)、他觸發(fā)技術(shù)方案實現(xiàn)阻尼電阻的投切．如圖1所示為自觸發(fā)方式[9-11]，其中RV為壓敏電阻，D1～D4為防逆二極管，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，阻尼電阻兩端的電壓1升高，當(dāng)電壓1升高到超過雙向可控硅V1、V2預(yù)先設(shè)定的門極觸發(fā)閾值時，阻尼電阻被切除，、分別為阻尼電阻和電感，0為中性點電壓．

圖1?自觸發(fā)投切阻尼電阻等效電路

自觸發(fā)式控制電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠，且由于采用了自同步觸發(fā)模式，故預(yù)設(shè)觸發(fā)閾值不太高時，近似等同于過零自同步觸發(fā)，觸發(fā)形成的繼生暫態(tài)過程幾乎不存在，但在具體的實施過程中，當(dāng)單相接地故障發(fā)生時，阻尼電阻的快速切除使得故障暫態(tài)回路時間常數(shù)急劇增加，故障暫態(tài)過渡過程勢必大大延長，故障暫態(tài)電流將對殘流及殘流時間產(chǎn)生嚴(yán)重影響．

綜上所述，利用電力電子開關(guān)實現(xiàn)阻尼電阻投切，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，無論是自觸還是他觸投切方式，因隨機故障或非同步隨機觸發(fā)都會引起故障暫態(tài)或繼生暫態(tài)過渡過程．故障暫態(tài)或繼生暫態(tài)過渡過程中的暫態(tài)電流不可避免地要注入消弧回路，造成補償感性電流異常偏置，其長時間的存在必然要影響消弧效果和殘流．因篇幅限制，本文重點對他觸發(fā)投切方式進(jìn)行研究．

圖2?他觸發(fā)投切阻尼電阻等效電路

2?投切方式影響的機理分析

單相接地故障的等值回路如圖3所示，其中為三相對地電容，0為三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感，0為等值電阻，r為消弧線圈的有功損耗電阻．

圖3?單相接地故障的等值回路

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，故障點的接地電流存在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個過程，其中僅有穩(wěn)態(tài)的電感電流和電容電流能實現(xiàn)相互補償．故障點的暫態(tài)電感電流和暫態(tài)電容電流因為頻率和幅值顯著不同，而不能相互補償．因此，暫態(tài)接地電流的存在將對消弧線圈成套裝置殘流及殘流時間造成影響．由圖3的等值回路可得容性電流的回路方程為

???(1)

?????(2)

感性電流的回路方程式為

???(3)

因在補償電流的工作范圍內(nèi)，消弧線圈的磁化特性是線性關(guān)系，故

???(4)

???(5)

由第1節(jié)可知，當(dāng)線路發(fā)生接地故障時，消弧線圈消弧過程包含兩個暫態(tài)過程：第1個暫態(tài)過程是由故障發(fā)生時刻決定的故障暫態(tài)過程；第2個暫態(tài)過程為阻尼電阻切除瞬間引起的繼生暫態(tài)過程．根據(jù)電工學(xué)原理，兩個暫態(tài)過程都可以看作典型電路的暫態(tài)響應(yīng)過程．以下僅分析討論第1個暫態(tài)過程的解析，繼生的第2個暫態(tài)過程的數(shù)學(xué)解析只是初值(非零態(tài))和回路電阻阻值(由減小為r)的不同，并不改變解的本質(zhì)．

為了進(jìn)一步說明故障暫態(tài)對暫態(tài)過渡過程的影響機理，本文選擇了兩個典型的極端故障時刻作為計算特例，并通過數(shù)學(xué)解析詮釋自由分量引起補償感性電流的暫態(tài)過渡過程的量化結(jié)果和機理．

???(6)

由式(6)可知，式(5)中的第2部分自由分量為零，即暫態(tài)過程分量不存在，補償電流為正弦對稱波，無過渡過程．

???(7)

關(guān)于第2個暫態(tài)過程，即切除阻尼電阻引起的繼生暫態(tài)過程，其數(shù)學(xué)解析過程類同，只是初始態(tài)(前者為故障時刻，后者為觸發(fā)切除時刻)和回路時間常數(shù)的不同(補償回路電阻阻值由減小為r)，不改變解的本質(zhì)，在此不做贅述．

3?仿真分析及驗證

為驗證阻尼電阻投切方式對消弧線圈補償電流的影響，利用Simulink仿真軟件搭建了單相接地故障仿真模型，仿真模型如圖4所示．

圖4?10.5,kV消弧線圈阻尼電阻投切模型

3.1?故障暫態(tài)對補償電流的影響

圖5?故障時不切除阻尼電阻的電壓及電流

（a）故障時中性點電壓波形

（b）切除阻尼電阻的補償電流暫態(tài)過程波形

圖6?故障時切除阻尼電阻的電壓及電流

Fig.6 Voltage and current with switching damping resis-tance in the presence of fault

上述仿真結(jié)果表明，當(dāng)線路發(fā)生故障，阻尼電阻不切除時，故障暫態(tài)過渡過程較短；阻尼電阻切除后，暫態(tài)過渡過程時間由不切除時的40,ms增大至4.67,s，遠(yuǎn)超國標(biāo)[4]對殘流時間不大于200,ms的要求．由上述分析可知，其主要原因是由于阻尼電阻的快速切除，使得消弧線圈回路時間常數(shù)急劇增加所致．由此可以考慮通過適當(dāng)降低阻尼電阻切除速度，將故障暫態(tài)過程的影響盡可能降低．

3.2?觸發(fā)工況對補償電流的影響

（a）故障時中性點電壓波形

（b）補償電流暫態(tài)過程波形

圖7?非過零同步觸發(fā)仿真結(jié)果

Fig.7?Simulation results of non-zero synchronization trigger

（a）故障時中性點電壓波形

（b）補償電流暫態(tài)過程波形暫態(tài)過程波形

圖8?過零同步觸發(fā)仿真結(jié)果

Fig.8 Simulation results of synchronous zero-crossing trigger

上述仿真結(jié)果表明，當(dāng)非過零同步觸發(fā)雙向可控硅切除阻尼電阻時，繼生暫態(tài)過程長達(dá)近2.6,s，遠(yuǎn)超國標(biāo)的要求；當(dāng)過零同步觸發(fā)雙向可控硅切除阻尼電阻時，幾乎觀測不到繼生暫態(tài)過程．當(dāng)線路發(fā)生故障時，如果非過零同步切除阻尼電阻，將引發(fā)繼生暫態(tài)過渡過程，必然對殘流和殘流時間造成影響．同樣由上述分析可知，其主要原因是阻尼電阻的非過零同步切除產(chǎn)生了繼生暫態(tài)，同時阻尼電阻的切除使消弧線圈回路時間常數(shù)也發(fā)生了變化，也可以通過適當(dāng)?shù)目刂剖侄螌崿F(xiàn)過零同步觸發(fā)，將繼生暫態(tài)過程控制到最?。?/p>

4?物理實驗驗證

圖9?實驗平臺原理

圖10?隨機切除故障相電壓及殘流錄波波形

圖11 受控延時切除故障相電壓及殘流錄波波形

圖12?過零同步切除故障相電壓及殘流錄波波形

由以上物理實驗結(jié)果可知，當(dāng)線路發(fā)生金屬接地故障時，可控硅可以實現(xiàn)快速動作切除阻尼電阻，對故障容性電流實現(xiàn)快速有效補償．但與此同時，故障暫態(tài)過程由于阻尼電阻的退出，衰減速度大大減緩，對消弧線圈成套裝置殘流及殘流時間造成嚴(yán)重影響．若在線路發(fā)生接地故障時，適當(dāng)觸發(fā)可控硅動作，故障殘流的暫態(tài)過渡過程時間將大大減小，殘流和殘流時間完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；另外，采用過零同步技術(shù)觸發(fā)可控硅，可以有效消除可控硅非同步觸發(fā)引發(fā)的繼生暫態(tài)影響．

5?結(jié)?語

本文對調(diào)匝式消弧線圈投切阻尼電阻方式存在的問題展開了討論，建立了典型阻尼電阻投切電路數(shù)學(xué)模型，對利用電力電子開關(guān)器件投切阻尼電阻帶來的故障暫態(tài)和非過零同步觸發(fā)引起的繼生暫態(tài)影響進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析和機理分析．仿真結(jié)果和物理實驗驗證表明，利用電力電子開關(guān)實現(xiàn)阻尼電阻投切，在提升阻尼電阻投切速度和可靠性的同時，也帶來了故障暫態(tài)過程衰減變慢和非同步觸發(fā)的繼生暫態(tài)問題．故障暫態(tài)過程和非過零同步觸發(fā)繼生暫態(tài)過程不僅對消弧線圈的補償電流造成影響，同時也延長了消弧線圈成套裝置的殘流時間，嚴(yán)重影響了消弧線圈的品質(zhì)．但如果采取適宜的技術(shù)手段，可以在快速切除阻尼電阻的同時，將投切方式對殘流及殘流時間的影響降到最低．因此，當(dāng)選擇或設(shè)計類似投切方式的消弧線圈裝置時，應(yīng)該對這一影響引起高度重視，并采取必要技術(shù)手段予以解決．

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(責(zé)任編輯：孫立華)

Influence of Rapidly Removing Damping Resistance on Residual Current and Residual Time of Arc Suppression Coil

Li Zhijun1，Wang Juan1，Zhang Jiawei1，Xi Wenxia1，Liu Yong2，Xu Jianfeng2

(1．School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2．Tianjin Tianbian Henbol Electrical Advance Company Limited，Tianjin 300385，China)

The approach to using power electronic switching instead of traditional mechanical switches to remove damping resistance is discussed mainly．The paper focuses on prolonging of the transient transition process caused by rapid removing action and the inherited transient process caused by the non-zero-crossing synchronization trigger．Firstly，the rapid switching circuit and its existing problems are introduced，after which we analyze the mechanism of influence on residual current and residual time caused by the action，and describe the influencing process in detail．Secondly，by using Simulink software，the model of the damping resistance switching circuitis established which is applied to the 10.5,kV voltage class．Simulation and analysis of the influence are carried out for the typical fault situation and different trigger condition of bidirectional thyristor．The influence is proven by test using the platform of the cooperative company．Finally，the solution of delaying removing and triggering with zero-crossing is proposed and verified.

multitap arcsuppression coil；damping resistance；switching on/off manners；residual current；residual time

10.11784/tdxbz201705040

TM475

A

0493-2137(2018)02-0143-07

2017-05-12；

2017-09-26.

李志軍（1964—??），男，博士，正高級工程師，zhijun_li@263.net.

王?娟，1264603481@qq.com.

河北省科技支撐計劃資助項目(15212105D).

Hebei Science and Technology Plan(No.,15212105D).