（电力系统及其自动化专业论文）主辅式消弧线圈控制系统的研究与软件开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着配电网规模的快速增长，配电网对地电容电流不断增加，中性点经消弧线 圈接地的运行方式已经成为我国配电网的发展方向。本文以与企业合作的课题为依 托，重点针对消弧线圈控制系统展开研究。消弧线圈控制系统是整个补偿系统的控 制核心，直接决定了消弧线圈的补偿效果。不同的补偿控制策略是区分控制系统的 主要依据，本文深入分析了传统的预调策略和随调策略，在此基础上提出了“广义 主辅式消弧线圈概念。本文根据现有的主流消弧线圈的结构特点，提出了主辅式消 弧线圈的设计思路，并且针对主辅式消弧线圈的特点设计了预调与随调相结合的补 偿控制策略。在此基础上，本为设计了以工控机为核心控制器的消弧线圈控制系统， 并在v c 6 0 开发平台上进行了通用控制程序的设计与开发。 目前现场运行的消弧线圈和控制系统种类很多，这对于现场的安装使用和消弧 线圈之间的协调工作都相当不利。论文中广义主辅式消弧线圈的提出和通用控制程 序的设计，为以后消弧线圈及其控制系统的设计与开发提供了有益的思路。本论文 设计与开发的控制系统具有工程实用价值。 关键词：配电网，主辅式消弧线圈，控制系统，程序设计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho ft h es i z eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，n e t w o r k t o g r o u n dc a p a c i t i v e c u r r e n ti si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y a sar e s u l t ，r e s o n a n tn e u t r a lg r o u n d i n go p e r m i o nm o d eh a s b e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rr e l i e so nt h e c o o p e r a t i o n w i t h e n t e r p r i s e s ，a n d f o c u s e so i lt h ec o n t r o ls y s t e mo fa l e - s u p p r e s s i o n a r c s u p p r e s s i o nc o i lc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo ft h ew h o l ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，d i r e c t l y d e t e r m i n et h ee f f e c t so fa r c - s u p p r e s s i o nc o i lc o m p e n s a t i o n b e c a u s ed i f f e r e n tc o m p e n s a t i o n s t r a t e g yi st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e m ，i n - d e p t ha n a l y s i sw a sm a d eo f t r a d i t i o n a lp e v t u n es t r a t e g ya n dw i t h - t u n es t r a t e g y o nt h i sb a s i s ，t h ec o n c e p to f “g e n e r a l i z e d m a i na n da u x i l i a r y a l e s u p p r e s s i o n c o i lw a sp r o p o s e d b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h e m a i n s t r e a ma l e s u p p r e s s i o nc o i l ，d e s i g ni d e ao fm a i na n da u x i l i a r ya l e s u p p r e s s i o nc o i lw a s p r o p o s e d ，a n dac o m b i n e dc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yw i t hp r e t u n ea n d w i t h - t u n ew a sd e s i g n e d o nt h i sb a s i s ，c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dw i t h p ca sc o r ec o n t r o l l e r a n d ， o nv c 6 0 d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，ac o m m o nc o n t r o ls y s t e mp r o g r a md e v e l o p m e n tw a s m a d e c u r r e n t l y ，t h ea r c s u p p r e s s i o n sa n dt h ec o n t r o ls y s t e m si nu s ea r ev a r i e t y i ti sv e r y u n f a v o r a b l et oi n s t a l l a t i o na n dc o o r d i n a t i o n t h ep r o p o s i n go f “g e n e r a l i z e d m a i na n d a u x i l i a r ya r c - s u p p r e s s i o nc o i la n dt h ed e v e l o p i n go fc o m m o nc o n t r o ls o f t w a r ep r o v i d eu s e f u l i d e a sf o rt h ed e s i g no fa r c - s u p p r e s s i o nc o i l sa n dt h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m s k e yw or d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，m a i na n da u x i l i a r ya r c s u p p r e s s i o nc o i l ，c o n t r o l s y s t e m ，p r o g r a md e v e l o p m e n t 华北电力人学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 消弧线圈的应用概况2 1 2 1 消弧线圈发展历程2 1 2 2 消弧线圈的优缺点3 1 2 3 消弧线圈的控制方式4 1 2 4 主辅式消弧线圈5 1 2 5 消弧线圈多台并联运行6 1 3 本文的主要工作7 第二章主辅式消弧线圈的结构和工作原理8 2 1 谐振接地系统的工作原理8 2 1 1 电压谐振回路8 2 1 2 电流谐振回路1 l 2 1 3 阻尼电阻的作用1 2 2 2 广义主辅式消弧线圈1 3 2 2 1 主辅调容式消弧线圈1 4 2 2 2 主辅调感式消弧线圈1 6 2 3 本章小结1 9 第三章控制系统设计2 0 3 1 控制系统硬件设计2 0 3 1 1 控制系统的总体设计原理2 0 3 1 2 研华a c p 一4 0 0 1 工控机简介2 0 3 1 3 数据采集卡选型2 l 3 1 - 4 电网信号调理电路设计2 3 3 1 5 故障录波2 4 3 2 控制系统软件总体设计2 4 3 2 1 软件总控制流程设计2 4 3 2 2 系统初始化2 5 3 2 3 状态自检2 6 3 2 4 对地电容电流检测2 6 3 2 5 档位调整和故障处理2 7 3 2 6 谐振处理2 8 t 华北电力大学硕士学位论文 3 3 本章小结2 8 第四章控制系统软件开发2 9 4 1 开发平台选择与开发步骤规划2 9 4 1 1 开发平台选择2 9 4 1 2 开发步骤规划2 9 4 2 通用控制器开发3 0 4 2 1 系统母线类设计3 0 4 2 2 消弧线圈类设计3 2 4 2 3 对地电容电流检测3 4 4 2 4 调档策略3 8 4 2 5 故障处理4 0 4 2 6 图形界面4 l 4 3 本章小结4 2 第五章结论4 3 参考文献4 5 致谢4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 9 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统是一个规模庞大、结构复杂的系统。它是由生产、输送、分配和消耗 电能的发电机、变压器、电力线路和各种用电设备联系在一起组成统一整体【1 j 。 在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能，一 般要通过高压或超高压输电网络输送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低 的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网络中主要起分配电能作用 的网络就称为配电网络。配电系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 处于电力系统末端，是把电 源系统或输变电系统与用户设施连接起来，向用户分配电能和供给电能的重要环 节，通常包括配电变电站、一次配电线路、配电变压器、二次配电线路、继电保护 设施等。 配电网按电压等级来分类，可以分为高压配电网( 3 5 - - 一1 1 0 k v ) 、中压配电网( 6 1 0 k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分，可以分为城市配电网、 农村配电网和工厂配电网等。配电网络因主要供给一个地区的用电，因而又称为地 方供电网。相对于区域电力网来说，它的电压等级和供电范围均要小一些，但它在 结构上的最大特点是作为电力网的末端而直接与用户相连，敏锐的反映着用户在安 全优质、经济等方面的用电需求【2 】。 供电可靠性是用户对配电网的一个基本要求。在配电网中，单相接地故障是影 响供电可靠性的关键因素。中性点不同的接地方式直接决定了系统应对单相接地故 障的不同方法，同时也在很大程度上影响着系统运行时的特性。因此，人们根据系 统中性点的不同接地方式，将系统分为中性点不接地系统、中性点直接接地系统、 中性点经电阻器接地系统、中性点经消弧线圈( 消弧电抗器) 接地系统。中性点经 电阻器接地，按接地电流的大小分为高阻接地和低阻接地。我国国家标准电工名词 术语中，把上述四种接地方式归结为三类：中性点有效接地系统、中性点非有效接 地系统和谐振接地系统。中性点直接接地、中性点经低阻接地的系统，称为有效接 地系统；中性点经消弧线圈接地称为谐振接地系统p j 。 影响选择接地方式的主要因素有：供电可靠性、人身安全、设备安全、过电压、 继电保护的选择和灵敏度、对通信等的干扰、基建费用等1 4 j 。综合考虑各种因素， 我国目前的各个级别的电网中性点运行方式如下。 1 1 0 k v 及以上的电网( 主要指输电网) ，采用中性点直接接地的运行方式。输电 网由于电压等级很高，而且处于电力输送的关键位置，因此在发生单相接地故障时， 华北电力人学硕七学位论文 不能冒风险带故障运行，要尽快切除故障线路，保证电网安全。输电网结构简单、 运行可靠，发生单相接地故障的次数要比配电网少得多。而且输电网大多连成网状 结构，切除一条线路不会带来大范围停电事故。 根据参考文献【5 j 分析，在单相接地故障中，单相瞬时接地所占比例相当高( 5 0 以上) ，并且随电缆线路所占比重的增加而减少。 在北京这样的大城市中，配电网电缆线路所占比重相当高，因此当系统发生单 相接地故障时，多为永久性接地。另一方面，由于大城市的配电网有很强的网架结 构，切除某条线路也不会造成停电。所以，以北京为代表的一些大城市采用了中性 点经低阻值的电阻器接地运行方式。这种运行方式的显著优点是：1 、控制方式简 单明了，能与继电保护很好的配合，灵敏度高；2 、不会给系统带来谐振过电压、 谐波等危害。在国际上，以美国和英国为代表的一些国家大多采用这种运行方式。 如参考资料【6 】分析，瞬时接地故障在单相接地故障中所占比重很高，而瞬时接 地故障所引起间歇性电弧严重的影响着系统的安全稳定运行。理论分析表明，消弧 线圈能很好的应对这种间歇性电弧的危害。因此，中性点经消弧线圈接地的运行方 式正在被广泛的认可，中性点经消弧线圈接地的运行方式广泛适用于我国城乡配电 网，中性点经消弧线圈接地已经写入我国的工业运行标准中【7 j 。 1 2 消弧线圈的应用概况 1 2 1 消弧线圈发展历程 电力系统早期中性点不接地，是因为当出现单相接地故障时，系统可以继续运 行一段时间，而不必立即切除故障线路，使人们赢得时间找出、修复故障，从而减 少了停电事故。但是随着电力系统的不断扩大，电容电流也随着增大，越来越多的 瞬间接地故障不能随即自动消除，往往还会导致故障的扩大。1 9 1 6 年，德国人彼得 生首次提出并随后研制成功消弧线圈( 即彼得生线圈p e t e r s e n c o i l ) i s j ，经消弧线圈补 偿接地的电力系统谐振接地系统，它是电力系统中性点不接地系统发展到一定规模 后的必然产物。 消弧线圈早期是带分接头的电感线圈，调节分接头改变电感量使之基本补偿接 地故障点的电容电流。1 9 2 4 年德国柏林的一家电力公司出现了人工操作的监视配电 网调谐状态的装置，随后出现了利用不同原理制成的监视装置；1 9 4 1 年德国的 p w a l d v o g e l 在b r o w nb o v e r ir e v 上发表了用附加电源原理制成的电动机自动调 节柱塞式消弧线圈，1 9 4 3 年德国的a v a ng a s t e l 在同一刊物上发表了利用附加 电源原理自动调节消弧线圈抽头装置的使用情况【引，1 9 5 0 年德国的w k r a e m e r 在 2 华北电力大学硕十学位论文 v d ef a c b b e r 发表用中性点最大位移法连续自动调节消弧线圈装置的使用情况，这 些装置均采用继电器控制【l 。 进入上世纪八十年代，德国的通用电力公司有了自动调节装置的系列产品，用 电子线路取代了继电器。前苏联也开始根据自己国家的情况研制用不同原理自动调 节消弧线圈的装置，并先后有各种专利和文献出现。改革开放以来，我国引进了大 量的国外设备，消弧线圈接地系统逐渐成为大多数配电网系统中性点运行方式的标 准，消弧线圈也进入快速发展的阶段i l 。 目前，在我国实际运行的消弧线圈中，根据其调节补偿容量的不同原理，主要 有以下的几种类型：1 、自动调匝式消弧线圈：2 、调隙式消弧线圈；3 、直流助磁 式消弧线圈；4 、三相五柱式消弧线圈；5 、调容式消弧线圈；6 、高短路阻抗变压 器式消弧线圈【1 2 j 。 1 2 2 消弧线圈的优缺点 理论分析和长期的运行经验表明，消弧线圈接地方式有如下优点【”】： 1 、使残流易于熄灭。 消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限制接地故障电流的破坏作 用，使残余电流的接地电弧易于熄灭，同时抑制了电弧的扩散范围，电网单相接地 后仍能继续运行一段时间( 规程允许运行2 小时) ，使运行人员有充足的时间查明 原因【1 4 l 。 2 、降低故障点恢复电压初速度。 经消弧线圈接地后，能使故障点流过的电流减小，可降低恢复电压的初速度和 幅值，避免接地电弧的重燃并使之彻底熄灭，抑制了弧光接地过电压，防止或减小 了因单相接地故障而引起多相接地或相间短路事故的概率，提高了系统的可靠性。 3 、可以抑制p t 引起的铁磁谐振，还可以有效防止p t 高压爆保险的现象。 因为消弧线圈电感厶与电压互感器励磁电感l p 相比，要小得多，相差好几个 数量级，在零序回路中，厶和l p 是并联的，所以l p 几乎被厶短接，这使得接地 故障消失后线路上的电容电荷不会通过电压互感器释放，因此不会引起过电压和过 电流。 4 、经消弧线圈接地，减小了接地电流，从而创造了配电网电磁兼容环境。 输电线路电磁场对通讯与信号系统的干扰问题是相当严重的。每条交流输电线 路的周围都建立了交变电磁场，而交变电磁场又在邻近的导体回路中感应出电压， 当这种回路是位于高压输电线路附近的通信线路或信号系统时，感应出来的电压就 会造成严重的干扰，甚至危及工作人员的安全或引起信号装置的误操作i ”】。 消弧线圈接地方式，因消弧线圈的接入，改变了系统参数，使综合零序阻抗变 3 华北电力大学硕士学位论文 得很大，从而不会引起对通讯和信号系统的干扰；而且，发生单相接地故障时接地 电流的分布和故障点无关，而取决于消弧线圈的安装地点及其相对位置，可以设法 调节接地电流的分布，使电磁感应得以相互抵消。 5 、经消弧线圈接地对人身安全影响较小。 发生接地故障时，稳态接地电流小，故障点的接触电压和跨步电压低，不会影 响人身安全。 中性点安装消弧线圈后，也会带来一些问题： 1 、控制复杂 谐振接地系统的控制方式是几种中性点运行方式中最为复杂的一个。电力系统 是一个庞大、复杂的系统，各种随机的干扰因素时有发生，这对控制系统的设计是 一个挑战。如果控制系统设计不当，不仅不能发挥消弧线圈的优势，还会带来很多 其他的问题。 2 、调谐不当易产生谐振过电压 采用中性点经消弧线圈接地方式，如果调谐不当，可能造成残流大过接地短路 电流，甚至使得接地电弧频繁重燃，其工频过电压、弧光接地过电压、各种谐振过 电压的幅值将具有较高水平，如果持续时间较长，会对设备绝缘和间隙氧化锌避雷 器的安全运行产生严重的威胁。 3 、电容电流测量困难且准确度不高 电容电流的测量是消弧线圈的一个最基本的问题，只有准确的测量对地电容电 流，才能找到消弧线圈合理的运行档位。电容电流的测量一般采用e 0 法配合两点 法。e 0 法是一种估算的测量方法，一般只用于判断系统是否发生变化，当判断发生 变化后，再启动两点法来计算电容电流。在实际的系统中，这种间接测量电容电流 的方法受到的干扰因素很多，有时候的到的电容电流值并不准确【1 引。 4 、继电保护动作困难，选线不准确 采用中性点经消弧线圈接地方式，零序电抗与正序电抗的比值大( 一般大于4 5 倍) ，单相接地电流往往由于消弧线圈的补偿作用而变得很小，与零序滤过器的不 平衡电流相差不多，因而很难用普通的方向继电器来判断故障线路，这样给继电保 护带来一定困难，也极大影响了选线准确率【1 7 】【18 1 。 1 2 3 消弧线圈的控制方式 最早期的消弧线圈是带有分接开关的电感线圈，采用的控制方式是离线控制， 就是将消弧线圈退出系统后，根据测量好的对地电容值来调整分接开关达到合理的 控制档位，再将其投入系统。这种控制方式目前在发电机的中性点接地中仍有应用。 显然，它只能用于系统结构和参数比较固定系统中，这根本不能满足当前规模庞大 4 华北电力大学硕士学位论文 的配电系统，也跟不上电力系统自动控制改革的步伐i l 引。 前面所介绍的6 种消弧线圈都是配有自动控制系统的，可以在线调节的自动控 制消弧线圈。他们的控制方式基本上可以分为“预调式 和“随调式”两种。 “预调式”的控制方式就是根据测得的对地电容电流，将消弧线圈固定在一个 合适的档位上，当系统发生单相接地故障时，消弧线圈不再调整档位( 有阻尼电阻 的切除阻尼电阻) ，在原先设置好的档位上，部分补偿系统对地电容电流的补偿控 制方式【2 0 1 。如自动调匝式、气隙可调式等都属于这一类的控制方式。这种控制方式 由于在接地故障发生时不能动作，因此控制流程比较简单，当前我国实际运行的消 弧线圈基本都是这种“预调式 的控制方式。对于这种控制方法，如果将消弧线圈 放在非常靠近谐振的档位上运行，在非故障时，中性点的位移电压会被放大很多倍， 甚至会高于单相接地故障的继电保护动作电压，引起虚假接地故障。因此，这种控 制方式只能将消弧线圈放在偏离谐振点的档位运行，在故障发生时，消弧线圈不能 很好的补偿系统的接地电流，残流偏高i z 。 调容式也为预调试，它是将感性补偿电流调节到略大于接地电容电流的接近谐 振点处。为了防止谐振，消弧线圈必须串联阻尼电阻。当系统发生接地时，切除阻 尼电阻。 “随调式 的控制方式在系统正常运行时将消弧线圈放在远离谐振档位运行， 有效地降低了中性点位移电压；在发生故障的时，瞬时调整消弧线圈到全补偿状态， 实施最佳补偿。直流偏磁式消弧线圈就是典型的“随调式”消弧线圈。在正常运行 时不施加直流偏磁，线圈电感值很大；当发生故障时施加偏磁，达到全补偿状态l n 引。 但在实际运行中，由于瞬时性接地故障所占比重很高，因此这种直流偏磁式消弧线 圈并不能在检测到中性点电压越限的瞬间就施加偏磁，而是延时一段时间( 一般在 6 0 m s 左右) ，如果电压仍然越限，才施加直流偏磁，进入全补偿运行状态【z 引。因此， 在接地发生的瞬间和瞬时接地故障，这种“随调式 的消弧线圈完全起不到补偿的 作用，这与安装消弧线圈的最初目的是背道而驰的i z 4 。 将这两种方式相结合，在系统正常运行时将消弧线圈放在一个合适的档位上 ( 如1 5 过补偿档位) ，这体现了预调节的特点；当系统发生故障时，快速调节消 弧线圈达到全补偿状态，从而最大程度上补偿接地电流，使残流限制在很小的数之 内。这种控制方式虽然比较复杂，但是一方面弥补了“预调式 在稳定接地后，接 地电流不能全补偿的缺点，而另一方面弥补了“随调式”在接地瞬间和瞬时接地故 障时不能补偿接地电流的缺点，是一种比较好的控制方式。 1 2 4 主辅式消弧线圈 “主辅式”消弧线圈是一种可以很好的实现“预调”和“随调”相结合的控制 5 謦 华北电力大学硕士学位论文 方式的消弧线圈。这种消弧线圈是由两个消弧线圈功能单元，通过一定的连接方式 构成一个统一的整体。 一般的，主消弧线圈是一个结构简单、补偿容量大、调节范围宽的消弧线圈， 自动调匝式消弧线圈就很好的适应了这样的特点【2 5 1 。主消弧线圈也可以是一个固定 消弧线圈。辅消弧线圈的作用是与主消弧线圈配合使整体上达到全补偿状态。为了 完成这样的功能，辅消弧线圈应该能够快速调节。 一种典型的可以作为辅消弧线圈的是晶闸管控制电抗器，这种电抗器通过控制 晶闸管导通角度，能够实现从零到全电感值连续调节。将这种电抗器与主消弧线圈 串联，先将主消弧线圈放在一个合适的档位( 如1 5 过补偿) ，当发生故障时快速 投入辅消弧线圈，消弧线圈的总的电感值增大，补偿电流减小，达到全补偿状态。 从理论上讲，直流偏磁式消弧线圈可以和晶闸管控制电抗器达到相同的功能，但直 流偏磁式消弧线圈结构比较复杂，需要附加的电源控制，大幅度增加了设备成本【2 6 】 【2 7 】【2 8 1 。 另一种可以实现辅消弧线圈功能的是电容柜。这种电容柜式由多个配有电力电 子开关控制投切的电容器并联组成，通过控制投切电容器的数量来控制其总的电容 值。在实际应用中，电容柜与主消弧线圈并联，先将主消弧线圈放在一个合适档位 上( 如1 5 过补偿) ，当发生故障时快速投入一定数量的电容器，增大系统容性电 流，使消弧线圈达到全补偿状态1 2 9 。 在实际应用中，将主消弧线圈与辅消弧线圈电容器配合放在接近全补偿的档位 上，当发生故障时快速切除阻尼电阻，使消弧线圈达到全补偿状态【3 0 j 。 1 2 5 消弧线圈多台并联运行 随着电网中电缆线路的增多，系统的对地电容电流增加很快，这使得站内各个 消弧线圈以及装设有消弧线圈的不同变电站之间通过联络线联合运行的可能性也 不断增大【3 1 】。虽然，可以通过安装容量很大的消弧线圈来综合补偿系统的对地电容 电流。但是，一方面如果一个大容量的消弧线圈由于故障退出运行，系统将有可能 面临很大接地电流的单相接地故障，这对系统的安全稳定运行很不利；另一方面， 在当前配电网网架结构越来越复杂的情况下，即使采用大容量的消弧线圈，也不能 消除并联运行的可能性【3 2 】。因此，如何实现消弧线圈的并联运行以加大补偿电流的 范围和提高配电网补偿的灵活性，便成为补偿配电网的新问题。 然而变电站消弧装置的型式、容量和台数选择一般是按照该站出线的地理分布 和线路种类、长度等因素决定的，并不考虑本站的消弧装置与相邻变电站，乃至全 网变电站的配合p 引。由于国内现有的消弧装置种类很多，就自动跟踪补偿的消弧装 置，按是否连续方式分为档位调节式和连续调节式；按调节方式则分为预调式和随 6 华北电力大学硕十学位论文 调式。其中每种方式又包括许多种具体的消弧装置【3 4 】【3 5 1 。它们的自动测量系统和控 制系统各不相同。另外国内许多老式的变电站还沿用手动调节式的消弧线圈，如此 种类繁多的消弧装置，一旦它们之间进行并联运行，多数情况下会造成补偿电网紊 乱，补偿装置不能像针对本站的补偿那样，合理地补偿全网的电容电流，甚至造成 消弧装置和其他电力设备的损坏，严重影响接地电弧的熄灭。 消弧线圈并联运行是一个综合性的控制问题，不仅涉及到多台消弧线圈的控制 策略配合，也涉及到同一站内以及不同站之间的信息交流和动作同步等。多台并运 的核心问题是如何分配补偿容量，如果各个消弧线圈的补偿容量都能根据系统的实 际情况合理的设定和调节，那么剩下的就与控制单台消弧线圈无异。多台并运的控 制策略中，如何避免多台消弧线圈轮番调档、循环动作，是一个重要的问题。根据 多台并运控制策略中，容量分配和调档的不同方式，主要有以下三种【3 5 】【3 6 】【3 7 】： 1 、统一分配控制方式：这种控制方式是在每台消弧线圈控制系统的基础上， 开发一套统一控制系统。统一控制系统完成补偿容量的统一分配；而每 台消弧线圈的控制系统根据分配的补偿容量设置档位。 2 、自动并联控制方式：这种控制方式是每台消弧线圈独立的进行自己的控 制。但是，每台消弧线圈的补偿容量是其它消弧线圈补偿后的剩余容量。 这要求每台消弧线圈能够识别是线路的投切变化，还是其它消弧线圈调 谐的变化。在一个消弧线圈调整档位时，其他消弧线圈能够闭锁不动。 3 、主从并联控制方式。这种控制方式要求主消弧线圈负责系统接地电容电 流的检测，检测完毕后根据各个辅消弧线圈的容量和调节范围确定补偿 容量。 1 3 本文的主要工作 本文围绕中低压电网中性点经消弧线圈接地的系统中存在的问题，开展论文工 作。 首先，对我国现有的各种消弧线圈的结构特点、控制策略进行了细致的分析和 比较，对消弧线圈的实际应用中电容电流检测不准确、消弧线圈档位设置不合理的 问题进行了深入的探讨，并结合现场的具体情况提出了自己的观点。 其次，本文根据预调、随调结合的控制方式，提出了主辅式消弧线圈控制的设 计方案，并从理论上分析了几种主辅式消弧线圈的结构特点和控制方式。 第三，在理论分析的基础上，本文设计了一套具有通用性的主辅式消弧线圈的 控制系统，并在v c 6 0 开发平台上完成了控制系统的软件开发。 最后，对本文的研究工作进行了总结，指出了进一步的研究重点和方向。 7 i 一 潍 w 一 露 华北电力大学硕十学位论文 第二章主辅式消弧线圈的结构和工作原理 2 1 谐振接地系统的工作原理 2 1 1 电压谐振回路 图2 1 正常运行时补偿电网的等值接线图 当消弧线圈退出出运行时，电网成为中性点不接地系统， 对称点压为【，鲥。根据基尔霍夫电流定律有【3 8 】： 此时中性点点压为不 6 ( 丢+ ，c a ) + 6 b ( 丢+ ，c 口) + 6 c ( 丢+ ，c c 其中，u a 、u 丑、u c 分别为系统三相的对地电压。如果系统三 u n o 、u c o ，则系统三相对地电压可以表示为： u a = u o + u 材 u 矗；u b o + u 6 d u c = u c o + u 6 d 如果系统的三相电源电压对称，即： 8 华北电力大学硕士学位论文 u a o = u x = u z _ 0 。 u b o = a 2 u x u z - 1 2 0 。 ( 2 - 3 ) u c o = a u x = u x _ 1 2 0 。 其中，u x 为相电压，口；一j 1 + 1 了。 将公式2 - 2 和2 - 3 代入2 1 中，可以得到系统不对称点压为： 其中， 6 鲥= 一1 ( j o c 瓦a + g 百a ) + 万a 2 面( j o c 忑b + g 再b ) + 丽a ( 河j c 。c c + g c ) 6 z ( 2 4 ) u 鲥2 一_ ( i j 石：j _ 芗_ f _ 石磊z ；= _ _ ；：丁；_ i i j 石：j 丁u 五 、。叶7 g a = x a 、ga = x b 、g a2x c o 忽略分子中的三相电导，并且设g 。= g a + g 丑+ g c ，整理2 - 4 式可得： 乩一一c a + a 2 c b + a c cl 五丙1 u x = 1 k 一弘c 。u z ，( 2 - 5 ) 其中k c 。= 等g 器，称为电网的不对称度，也就是忽略d 。时，网络的 不对称电压和正常运行时相电压的比值；d 。= 习互翔称为中性点不接地系 统的阻尼率，它是由电导与电容比值决定的。架空线路的k c 。一0 5 一1 5 ，个别 可达2 5 。其d o 一3 5 。 当消弧线圈投入运行后，补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电网 的三相对地电容构成电压谐振回路，如图2 2 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 电压谐振等值回路 8 埘 0 + 0 + p 根据图2 2 ，中性点位移电压的大小和方向，可由( 2 6 ) 式确定， 6 0 _ i 匕等圪6 耐2 磊忑j w ( c 五a + c b 丙+ c c 五) + 3 9 j o 1 0 9 1 , 一k c o u x = 一 v j d u 鲥 一k c o u x 等筹导叫d【巳+ c 口+ c cj 一 其中： d 工。i e 翩为因消弧线圈的有功损耗而 ( c 爿+ c b + c c ) 一了1， ，= 万_ 半= 1 一争，即补偿电网的脱谐度，d = d 。 【巳+ c 占+ c cj，c ” 电网的阻尼率。 全补偿时，y = 0 ，此时位移电压u 。仅由阻尼率d 所限制， d 工= 1 2 - 2 o ，所以d 一5 ，则u o = 2 0 u 6 d = 0 5 u ，。此值虽然不 1 0 屹 t 1 l 上 华北电力大学硕十学位论文 值将使三相对地电压造成偏移，若偏移较大且时问较长，对设备绝缘不利，因而是 不允许的，通常要求【，。不大于电网标称电压的1 5 。 2 1 2 电流谐振回路 图2 3 所示出一个接有消弧线圈的补偿电网发生单相接地时的情况，其等值电 路如图2 4 所示【3 9 1 。 图2 3 单相接地故障时补偿电网的等值接线图 ，c c 图2 4 补偿电网的电流谐振等值回路 总的接地残流的计算公式如下【4 0 l ： j f 一_ 二1 1 凡+ 嗣尺o 。越 其中：一u x 故障相电压； r 一一谐振接地电网的等值消耗电阻； r 消弧线圈并联电阻； 接地电阻； 1 1 ( 2 - 7 ) 华北电力大学硕+ 学位论文 ，f 接地电流； 3 c 电网三相的电容之和。 同时得出中性点电压计算公式如下： 2 1 3 阻尼电阻的作用 讥毛飘习1 + | j n l 一i r o 。也 ( 2 - 8 ) 阻尼电阻的主要作用是限制中性点位移电压。参考公式2 - 6 可以得到，中性点 位移电压为： 吣器1 ，一+ 口一 ( 2 - 9 ) 考虑最极端的情况，全补偿运行时v - - - - 0 ，则u 。：k c i o u x 。因此，在全补偿运 d 。 行时，位移电压u 。与阻尼率d 的平方成反比。即使不是在全补偿运行时，增大阻 尼率也可以有效的限制位移电压。阻尼率d ；d 。+ d 工，因此增大阻尼率的方法就是 增大消弧线圈 如果在消 其中五； 华北电力大学硕士学位论文 ( c 4 + c 。+ c c ) 一( c _ + c 口+ c c ) 一专 v 2 1 瓦石瓦产2 瓦斋( 2 - 1 2 ) 如果在消弧线圈上串联一个电阻值为的电阻，则消弧线圈的总阻抗为： 昏= 丁牛 r l j w l 了+ 了 ( 2 - 1 3 ) 其中0 ：尘笠二笠车掣是消弧线圈的等效并联电阻， 。 a + a r h + b r h 以：生笠竺雩坐是消弧线圈的等效并联感抗值，其中口；一1 、6 ；_ 1 。 d r r c o l d ”= d 。+ d ：= ：趸耥；：趸石栩( 3 9 。+ 专) c 2 - 1 4 ，名 2 。2 广义主辅式消弧线圈 ( 2 1 5 ) 广义上讲，凡是由多个消弧线圈构成的系统，多个消弧线圈之间有主次之分， 主消弧线圈完成大部分的补偿容量，辅消弧线圈配合主消弧线圈完成剩余补偿容量 的消弧线圈补偿系统都可以认为是主辅式消弧线圈。 一般的，在母线的一个接地变压器上由有载分接开关控制的可变电感线圈，配 合一个快速可调的电抗器共同构成的补偿系统比较常见。这些不同形式的消弧线 圈，在控制系统和控制策略上都有很多共同的特点。在开发主辅消弧线圈控制系统 时，可以三个层次：控制设备、设备驱动软件、通用控制器。 预随调相结合的控制策略是主辅消弧线圈的一个显著优势，即便是运行于预调 1 3 筹q 万笔 华北电力大学硕士学位论文 控制方式下，由于辅消弧线圈的高灵敏性，也能找到更加合理的补偿档位。文献【4 1 】 所介绍的消弧线圈，就是一个以预调方式运行的系统。这套系统利用主辅消弧线圈 的特点，实现了大容量消弧线圈的设计。 2 2 1 主辅调容式消弧线圈 主要 电感 阻尼 调的 华北电力人学硕+ 学位论文 其中，x 工是等效电感值，它是七。、k ：k 。的函数。k i 是对应于第i 级开关 的逻辑量，k ，= 1 开关f 闭合，k ，；0 开关i 断开。电感线圈处于第j 档位时，k ，= 1 开 关f 闭合，k ；：o ( f ) 其余开关都断开，电感线圈对应的电感值为x ，；。每级消弧线 圈对应的电感值在安装使用前进行测量，并存储在控制系统的消弧线圈参数列表 中。消弧线圈的有功损耗电阻r ，的阻值比较小，一般阻值随消弧线圈档位的变化不 与考虑。 电容柜是由一组晶闸管控制投切的电容器并联组成的容抗可分级调节的可变 电容器。一般的，每个并联电容器的电容值相等，总的容抗值由投入的并联电容器 个数决定【4 4 1 。因此，由m 个并联电容器组成的电容柜的容抗的数学模型如下： y ， ) 婚笳，k 2 酗 ( 2 1 7 ) 其中，l 是电容柜的电纳值，c ，是每个并联电容器的电容，k 是投入的并联 电容器的个数，k i 是对应于第f 个并联支路开关的逻辑量，k ，= 1 开关i 闭合，k ，= 0 开 关i 断开。在实际使用中，要设计相应的控制策略以保证每个并联电容器都能被平 均的使用。 有一种控制策略是基于队列先进先出的控制方法。首先设一个开关量数组 k e y a r r a y ，在数组中的第i 个数据的值为k i 。如果现在从第i 条并联支路到第_ 条并 联支路的开关都是闭合的，则数组中的从第i 个数据开始，到第f 数据都是1 ，其余 的数据都是0 。另设变量f i r s t k e y = i 和l a s t k e y = f 。如果现在要切除a 个并联电容， 贝0k e y a r r a y i 】= k e y a r r a y i + 1 】= k e y a r r a y i + 口一1 】= 0 ，f i r s t k e y = i + 口；如果现在 要投入b 个并联电容，则k e y a r r a y j + 1 】= k e y a r r a y j + 2 】= k e y a r r a y j + b 】= 1 ， l a s t k e y = ，+ b 。设置好开关量后，根据开关量数组k e y a r r a y q 驱动对应开关动作， 完成电容投切任务。也可以使用随机投切的方法来达到相同目的，此处不再详述。 由于电容上的电压不能突变，因此为了避免冲击电流，电容的投切应该在系统 电压和电容两端的电压相同时进行。现有的用可控硅投切的电容器通常过零投切， 即在降压变压器二次侧电压过零点投切。这种投切技术需要使用自放电电容器，以 保证电容器切除后，能够自行放电，在下次过零投入时，电容器两端电压为零。目 前，有些应用场合采取了可控硅等电位投切技术，即可控硅可以在系统电压与电容 器上的残余电压相等的瞬时投切电容器。这种技术的使用，使投切电容变得更加灵 活，可以不必等待电容器较长的放电时间，就将刚切除的电容器再次投入使用。 1 5 华北电力大学硕十学位论文 2 2 2 主辅调感式消弧线圈 l o k v 母线 图2 6 主辅调感式消弧线圈 主辅调感式消弧线圈的示意图如图2 6 所示。消弧线圈自动调谐装置主要由以 下部分组成：接地变压器( j d b ) 、单相隔离开关、避雷器、电压互感器、电感线圈、 有载分接开关、可控电抗器、电流互感器。 这种消弧线圈与一般的自动调匝消弧线圈最大的不同就是用一个晶闸管控制 电抗器取代了阻尼电阻，通过对从消弧线圈的电抗值控制来实现故障时刻的全补 偿。 。_ j 孓 “l ( 【o ， 1 1i 口2 工， ； 消弧线圈的相关变量如下表： 表4 - 3 消弧线圈相关变量 类型 变量名变量描述 s t a l l s p e t e r s e n c o i i s t a l l s 消弧线圈档位电感对应参数 i n tc u r r e n t s t a l l s n u m b e r当前所处档位 i n t s t a c t i o n t i m e s p e r d a y 一天最大动作次数 。 i n t a c t i o n t i m e s p e r d a y当天已动作次数 i n t s t r e s o n a n t p r o c e s s i n g n u m b e r为消除谐振最多可以调整的次数，如果调 整的次数高于此数值，仍然不能满足谐振 条件，则调谐失败，采取其他处理方法 d o u b l e s t c o m p e n s a r t i o nr a t i o 标准补偿百分数 i n t f g _ a u t o c o n t r o l 控制方式标示 d o u b l e v o l t a g e o f p e t e r s e n c o i l 消弧线圈p t 电压 d o u b l ec u r r e n t o f p e t e r s e n c o i l消弧线圈c t 电流i d o u b l e s t a c t i o n s e n s i t i v i t y消弧线圈调档灵敏度 d o u b l e c o m p e n s a r t i o n r a t i o 当前补偿百分数 消弧线圈的变量引用方法与母线相同。消弧线圈的驱动部分包含三个调档函 数： 1 、根据电容值和补偿度的档位设置函数： b o o l c p e t e r s e n c o i l ：s e t p e t e r s e n c o i l s t a l l s ( d o u b l eg r o u n d c a p a c i t a n c e ) 驱动消弧线圈的主要函数 参考变量g r o u n d c a p a c i t a n c e 代表要补偿的电容值 根据电容值确定主消弧线圈的电感值 根据主消弧线圈的电感值和参考变量值确定辅消弧线圈电感值