基于注入工頻信號(hào)的相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)的研究

黎軍華，胡天祥，胡華萍

(樂(lè)山一拉得電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，四川 樂(lè)山 614000)

0 引 言

國(guó)內(nèi)6～35 kV中壓配電網(wǎng)中，系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式主要有不接地、經(jīng)小電阻接地和經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地3種方式[1]。近20年來(lái)，由于電纜在城市配電網(wǎng)建設(shè)中大量使用，從而導(dǎo)致城市配電網(wǎng)的電容電流很大，發(fā)生單相接地時(shí)易產(chǎn)生弧光過(guò)電壓，這對(duì)于配電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅。消弧線(xiàn)圈既可以有效解決單相接地弧光過(guò)電壓?jiǎn)栴}，又可以減少單相接地引發(fā)的停電事故，因此在城市變電站建設(shè)中使用非常廣泛。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著智能控制與電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，消弧線(xiàn)圈的智能化水平也得到顯著提高。目前，自動(dòng)跟蹤型消弧線(xiàn)圈在國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式主要分為調(diào)匝式、相控式、調(diào)容式三種[2]，其中相控式消弧線(xiàn)圈技術(shù)先進(jìn)，并具有補(bǔ)償電流連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)、響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以使用越來(lái)越廣泛。

由于國(guó)內(nèi)變電站的主變壓器35 kV側(cè)的中性點(diǎn)通常已經(jīng)引出，所以35 kV配電網(wǎng)無(wú)需采用接地變壓器,消弧線(xiàn)圈可直接接在主變壓器的中性點(diǎn)上。對(duì)于用于35 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)的相控式消弧線(xiàn)圈，由于配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)的正常不對(duì)稱(chēng)電壓通常很小，但是又沒(méi)有接地變壓器來(lái)調(diào)節(jié)，因此若采用常規(guī)的電網(wǎng)電容電流測(cè)量方法，測(cè)量誤差很大，有時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行測(cè)量(由于大功率晶閘管兩端電壓太小無(wú)法導(dǎo)通)，從而造成相控式消弧線(xiàn)圈無(wú)法正常工作。對(duì)于這種場(chǎng)合，采用信號(hào)注入法來(lái)測(cè)量系統(tǒng)電容電流是一個(gè)合適的選擇。目前，采用注入變頻信號(hào)[3]來(lái)測(cè)量配電網(wǎng)電容電流的消弧線(xiàn)圈比較常見(jiàn)，但該消弧系統(tǒng)需要采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變頻模塊，這對(duì)于整套消弧設(shè)備來(lái)講，不但制造成本會(huì)增加，而且設(shè)備可靠性也會(huì)降低，運(yùn)行維護(hù)更復(fù)雜。

下面提出一種基于注入工頻信號(hào)的相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了工頻信號(hào)注入裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用穩(wěn)定、成本低廉，在配電網(wǎng)系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)電壓很小時(shí)也能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出配電網(wǎng)的電容電流。

1 相控式消弧線(xiàn)圈的構(gòu)成原理

IDC-3000型相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)主要包括相控式消弧線(xiàn)圈、本地控制柜、微機(jī)控制器、中性點(diǎn)電壓互感器、中性點(diǎn)電流互感器、單極隔離開(kāi)關(guān)、Z型接地變壓器(可選)。

相控式消弧線(xiàn)圈是一種阻抗電壓在90%左右的高短路阻抗單相變壓器，它包括高壓繞組(AX)和低壓繞組，其低壓繞組由控制繞組(a1x1)和濾波繞組(a2x2)組成。高壓繞組的額定電壓與配電網(wǎng)系統(tǒng)的額定相電壓相同，低壓繞組的額定電壓通常設(shè)計(jì)為固定的500 V，這樣做的目的是為了便于晶閘管選型。高壓繞組的A端與配電網(wǎng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)連接，X端與變電站的地網(wǎng)連接。低壓繞組的控制繞組(a1x1)與兩個(gè)反向并聯(lián)的高電壓、大功率晶閘管連接。通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的控制角在0～90°之間變化，其導(dǎo)通角的變化范圍即為0～180°，從而使消弧線(xiàn)圈高壓側(cè)的等效阻抗在無(wú)窮大至額定值之間連續(xù)變化，輸出的感性補(bǔ)償電流可根據(jù)電網(wǎng)電流的變化進(jìn)行連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。低壓繞組的濾波繞組與LC濾波器連接，其主要作用是消除晶閘管工作時(shí)產(chǎn)生的3次和5次諧波電流，從而避免消弧線(xiàn)圈輸出的補(bǔ)償電流中含有較大的諧波電流。相控式消弧線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 IDC型消弧線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)原理

本地控制柜用于安裝工頻信號(hào)注入裝置、大功率晶閘管以及LC濾波器。工頻信號(hào)注入裝置由一臺(tái)微型單相降壓變壓器、一個(gè)雙向的的小功率晶閘管和一只電阻器組成。從主控室交流電源屏引入220 V交流工頻電源，把該電源接入到微型單相降壓變壓器的一次繞組；把單相降壓變壓器的二次繞組通過(guò)串聯(lián)雙向晶閘管和電阻器，然后并接到相控式消弧線(xiàn)圈的低壓濾波繞組(a2x2)。工頻信號(hào)注入裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 工頻信號(hào)注入裝置結(jié)構(gòu)原理

微機(jī)控制器是相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)測(cè)量配電網(wǎng)的電容電流。當(dāng)微機(jī)控制器監(jiān)測(cè)到配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，迅速控制晶閘管導(dǎo)通，使消弧線(xiàn)圈高壓繞組輸出與當(dāng)前配電網(wǎng)電容電流相匹配的補(bǔ)償電流。由于具有補(bǔ)償電流連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償后的殘流通常在2 A左右，因而接地點(diǎn)的電弧更容易熄滅。微機(jī)控制器的電壓、電流采集電路采用了特殊的調(diào)理技術(shù)，從而確保電壓、電流采集誤差均小于1%。該控制器采用工頻信號(hào)注入法來(lái)測(cè)量配電網(wǎng)系統(tǒng)的電容電流，即使用于沒(méi)有接地變壓器的配電網(wǎng)系統(tǒng)，也能保證電容電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。

微機(jī)控制器具有“一控二”功能，即一臺(tái)控制器可以控制兩臺(tái)消弧線(xiàn)圈，兩臺(tái)消弧線(xiàn)圈既可分列運(yùn)行也可并列運(yùn)行，每臺(tái)消弧線(xiàn)圈只需滿(mǎn)足安裝段容量要求即可。兩臺(tái)控制器可實(shí)現(xiàn)一控一聯(lián)機(jī)運(yùn)行，即正常工作時(shí)一控一，其中一臺(tái)控制器故障時(shí)另一臺(tái)控制器就同時(shí)控制兩臺(tái)消弧線(xiàn)圈，由此實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)控制器互為熱備用，大大提高了設(shè)備的可靠性。

中性點(diǎn)電壓互感器用于測(cè)量系統(tǒng)中性點(diǎn)的零序電壓，該電壓的幅值與頻率是作為電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地和單相接地是否消失的主要判據(jù)。當(dāng)相控式消弧線(xiàn)圈的大功率晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，中性點(diǎn)電壓互感器所測(cè)得的電壓即為系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)電壓。中性點(diǎn)電流互感器用于測(cè)量相控式消弧線(xiàn)圈高壓繞組中流過(guò)的電流，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，該電流即為消弧線(xiàn)圈輸出的補(bǔ)償電流。單極隔離開(kāi)關(guān)用于消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)檢修時(shí)產(chǎn)生一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，從而確保人身安全。

接地變壓器的主要作用是引出配電網(wǎng)的中性點(diǎn)。對(duì)于110 kV及以上的變電站，由于主變壓器的35 kV繞組通常采用的是星型接線(xiàn)，因此35 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)已經(jīng)引出，消弧線(xiàn)圈可直接接在主變壓器的中性點(diǎn)上，無(wú)需再設(shè)置接地變壓器。然而主變壓器的10 kV繞組通常采用的是三角形接線(xiàn)，所以10 kV系統(tǒng)就需要增加接地變壓器來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)中性點(diǎn)。由于接地變壓器自身的零序阻抗過(guò)大會(huì)影響消弧線(xiàn)圈的額定補(bǔ)償容量，因此實(shí)際應(yīng)用中是通過(guò)繞組采用Z型接線(xiàn)的辦法來(lái)降低接地變壓器的零序阻抗。此外，繞組采用Z型接線(xiàn)可以增大接地變壓器的激磁阻抗，減少其功耗。接地變壓器可配400 V繞組用作站用電源。需要注意的是，當(dāng)接地變壓器兼作站用變壓器時(shí)，其初級(jí)繞組容量是由消弧線(xiàn)圈容量和站用變壓器容量?jī)刹糠纸M成。

2 工頻信號(hào)注入法的測(cè)量原理

采用注入工頻信號(hào)來(lái)測(cè)量電網(wǎng)電容電流的等效原理如圖3所示。圖中XL為相控式消弧線(xiàn)圈高壓側(cè)的等效電抗；C′為低壓濾波回路折算到高壓側(cè)的等效電容；C為系統(tǒng)對(duì)地電容；Ubd為系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)電壓；IZ為注入工頻電壓信號(hào)后測(cè)量回路中產(chǎn)生的電流。

圖3 測(cè)量電網(wǎng)電容電流的等效原理

圖3對(duì)應(yīng)的矢量關(guān)系如圖4所示。

圖4 矢量關(guān)系

由圖4可以得出消弧線(xiàn)圈高壓繞組兩端的電壓UAX、系統(tǒng)中性點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)電壓Ubd以及系統(tǒng)對(duì)地電容兩端的電壓UC三者之間的矢量關(guān)系為

(1)

根據(jù)余弦定理，進(jìn)一步可以得出UAX、Ubd以及UC三者之間的幅值關(guān)系為

(2)

對(duì)式(3)兩端開(kāi)方即可得出UC的幅值為

(3)

把Ubd、UAX以及兩者之間的夾角θ的值代入式(3)即可計(jì)算出對(duì)地電容兩端的電壓UC。再把UC、IZ代入容抗計(jì)算公式：

XC=UC/IZ

(4)

即可求出配電網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)地電容容抗XC。最后，把系統(tǒng)額定相電壓Ue和XC代入系統(tǒng)的電容電流計(jì)算公式：

IC=Ue/XC

(5)

即可求出配電網(wǎng)系統(tǒng)的電容電流IC。該值即為系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，從接地點(diǎn)流入配電網(wǎng)系統(tǒng)的零序電流值。

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

為了測(cè)試基于注入工頻信號(hào)的相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)測(cè)量電網(wǎng)電容電流的精度，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)模擬系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)如圖5所示。圖中的消弧線(xiàn)圈為IDC-3000型相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)，C為模擬的配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地電容，調(diào)壓器輸出模擬系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)電壓Ubd。

圖5 實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)

采用9只標(biāo)稱(chēng)電容值為1 μF的電容器并聯(lián)組合成2 μF、3 μF、4 μF三種電容器組合，實(shí)測(cè)電容量分別為2.13 μF、3.21μF、4.29 μF。通過(guò)公式IC=Ue×2πfC，即可計(jì)算出3種電容組合對(duì)應(yīng)到35 kV系統(tǒng)的模擬電容電流分別是14.85 A、22.38 A、29.90 A，式中Ue的取值為35 kV系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)相電壓22.2 kV。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 工頻信號(hào)注入法模擬測(cè)試數(shù)據(jù)

消弧線(xiàn)圈標(biāo)準(zhǔn)(DL/T 1057—2007)對(duì)電容電流測(cè)量誤差的規(guī)定：當(dāng)系統(tǒng)電容電流IC≤30 A時(shí)，測(cè)量誤差應(yīng)不大于1 A；當(dāng)30 A≤IC≤100 A時(shí),測(cè)量誤差應(yīng)不大于3%IC;當(dāng)IC>100 A時(shí),應(yīng)保證補(bǔ)償后的殘流不應(yīng)大于10 A。根據(jù)多年研制消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)可知，系統(tǒng)電容電流越小，微機(jī)控制器采樣信號(hào)的相對(duì)誤差就越大，從而使電容電流的測(cè)量精度越難保證。對(duì)應(yīng)到消弧線(xiàn)圈的標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)講：當(dāng)系統(tǒng)電容電流IC≤30 A時(shí)，電容電流的測(cè)量精度最難保證；當(dāng)IC>30 A時(shí)，電容電流的測(cè)量精度更容易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。由上述測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)電容電流IC≤30 A時(shí)，基于注入工頻信號(hào)的IDC-3000型相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)的電容電流測(cè)量誤差在1 A以?xún)?nèi)，能滿(mǎn)足消弧線(xiàn)圈標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容電流測(cè)量精度的要求。

采用工頻信號(hào)注入法的IDC-3000型相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)已在樂(lè)山110 kV桐梓坪變電站、樂(lè)山110 kV井研變電站、雅安35 kV廣元堡變電站等多個(gè)變電站使用，投入運(yùn)行以來(lái)工作穩(wěn)定，有效地抑制了單相接地時(shí)產(chǎn)生的弧光過(guò)電壓，對(duì)提高電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性及安全運(yùn)行起到了顯著的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

上面研究了基于注入工頻信號(hào)的相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)，提出了一種全新的電容電流測(cè)量方法——工頻信號(hào)注入法，該測(cè)量方法已取得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利?；谠摲椒ǖ南【€(xiàn)圈系統(tǒng)特別適用于配電網(wǎng)系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)電壓很小，但是又沒(méi)有接地變壓器來(lái)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)3年多的運(yùn)行實(shí)踐，已證實(shí)基于注入工頻信號(hào)的相控式消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)使用效果良好，可廣泛用于6～35 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)。