（电力系统及其自动化专业论文）调容式自动跟踪消弧补偿控制研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a ，r e s o n a n c eg r o u n d i n gi sc o m m o n l ya d o p t e di nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，b y w h i c hp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yc a nb ee n h a n c e d t h ee a r t hc a p a c i t i v e c u r r e n ti st h e r e f o r ei n c r e a s e dw i mt h ee x p a n s i o no fn e t w o r ks c a l e s w h e nt h ec u r r e n t i sg r e a t e rt h a nt h ep e r m i t t e dv a l u e ，i ti sr e c o m m e n d e dt oi n s t a l la r cs u p p r e s s i o n c o i l ( a s c ) e q u i p m e n tb yw h i c h t h ee a r t hc a p a c i t i v ec u r r e n tc a r tb ec o u n t e r a c t e dw i t h p e r f e c t l yc o m p e n s a t i n gi n d u c t i v ec u r r e n t h o w e v e rr e g u l a t i o no f a s ct u r n sm a n u a l l y i sh a r dt of o l l o wt h ev a r i a t i o no fc a p a c i t i v ec u r r e n ta n di ti su n a b l et oe n s u r et h e s u p p r e s s e df a u l tc u r r e n tv a l u ei nt h ep e r m i t t e dr a n g ew h e no n ep h a s et og r o u n df a u l t 0 c c u r s u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c et h ea u t o t u r n i n ga s ce q u i p m e n ti s r e q u i r e d t ob e i n s t a l l e di nt h ed i s t r i b u t i o n sn e t w o r kw h i c hc a na u t o m a t i c a l l yf o l l o wv a r i a t i o nv a l u e i nz e r os e q u e n c ec a p a c i t a n c ed u et on e t w o r kc h a n g e so ft o p o l o g yt oc o m p e n s a t ef a u l t c u r r e n tw h e ns i n g l ep h a s et og r o u n df a u l to c c u r s o u to fa l la u t o - t u r n i n ga s ce q u i p m e n tc o n c e p t s ，t h em e t h o do fa r cs u p p r e s s i o n c o i l t h a ti n d u c t a n c ev a l u ei sc h a n g e db ys w i t c h i n gp a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r s d i s t i n g u i s h e si t s e l fa s av e r ya t t r a c t i v eo p t i o nw i t l lg r o u n d i n gc a p a c f f i v ec u r r e n t c o m p e n s a t i n gd e m a n d t h ef u n d a m e n t a lf e a t u r eo fn o v e la s ci s n on o i s e ，f a s t ， f l e x i b l e ，n or a s h i nt h i sp a p e rt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ea u t o - t u r n i n gn o v e la s c a sw e l la si m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o t o t y p ea r ed e s c r i b e d f i s t ，t h ep r i n c i p l e so fa s ct h a ti n d u c t a n c ec h a n g e sb ys w i t c h i n gp a r a l l e l c o n n e c t e dc a p a c i t o r sa n di t sc o m p e n s a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca r es p e c i f i e d i ti ss h a r p l y d i f f e r e n tf o rs w i t c h i n gf r e q u e n c yo fe a c ho fc a p a c i t o r so fa s ct h a ti n d u c t a n c e c h a n g e sb ys w i t c h i n gp a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r sw h e ne a c hc a p a c i t yi sa r r a n g e di n t h ep a s tb i n a r ym a n l i e r t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e wm a n n e ri sp r o p o s e dt h a te a c h p a r a l l e lc a p a c i t o ro fa s ci sa r r a n g e di nn e a r l ye q u a lc a p a c i t y s e c o n d l y t oe n s u r e a s ca u t o m a t i c a l l yt of o l l o wt h ee a r t hc a p a c i t i v ec u r r e n t ，t h e r ea r et w ok e yp r o b l e m s - i i a b s t r a c t w h i c hi sa u t o m a t i c a l l ym e a s u r e m e mo fc a p a c i t i v ec u r r e n tf l o w i n gt og r o u n da n d i d e n t i f y i n go c c u r r e n c eo fs i n g l ep h a s et og r o u n df a u l ti nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot w o p r o b l e m s ，t h en e wm e t h o di d e n t i f y i n gs i n g l ep h a s et og r o u n df a u l ti sp r o p o s e dt h a t t h ee q m p m e u tm o n i t o r sz e r os e q u e n c ec u r r e n td i r e c t i o n so fv e r yl o a dl i n ei nt h e s i n g l es o u r c es u p p l yd i s t r i b u t i o n su n d e rt h em a x i m u ma n dm i n i m u mr u mo fa r c s u p p r e s s i o nc o i lb ya u t o m a t i c a l l ys w i t c h i n gp a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r s f o l l o w i n g t h i st h e o r y , t h en o v e lc o n t r o l l e rb a s e do nd u a lc p u st i sd e s i g n e dt of u l f i l lt h ej o bo f c o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 a tl a s t , t h es i m u l a t i o ns y s t e mm o d u l ei se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e c a s eo f1o k v 210 k v a ra n d19 0 k v a rc a p a c i t o r sa u t o t u m i n ga s ct h a ti n d u c t a n c ei s c h a n g e db ys w i t c h i n gp a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r s ，b a s e do np s c a d e m t d c s o f t w a r e a n da l s ot h es a m p l ee q m p m e n to ft h e19 0 k v a rc a p a c i t o r si sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d ，a sw e l la s i t se a c hc i r c u i tt h y r i s t o r ss w i t c h e dc a p a c i t o r s ( t s c ) i s t e s t e da tr a t e dv o l t a g e4 0 0 vi nt h el a b a c c o r d i n gt ot w os i m u l a t i o nc a s e s ，t h es y s t e m c a na u t o m a t i c a l l yt u r n i n ga r cs u p p r e s s i o nc o i lw h i c hi su s e dt og e n e r a t et h es w i t c h i n g p u l s e sf o rt h ) ，r i s t o r st or e g u l a t et h ei n d u c t i v ec u r r e n to fa s cb ys w i t c h i n gp a r a l l e l c o n n e c t e dc a p a c i t o r sf o l l o w i n gt h ev a l u eo fa u t o m a t i c a l l ym e a s u r e m e n t w h e ns i n g l e p h a s ei so b s e r v e d t h et e s tr e s u l tp r o v et h a ti t sd e s i g no fc a p a c i t o r sb a s e do nt s c t e c h n i q u ei sr a t i o n a la n dt h ep r o c e s so fs w i t c h i n gc a p a c i t o r si sr a p i d l ya n ds u r g e l e s s k e y w o r d s ： a r e s u p p r e s s i o n c o i l t h y r i s t o r s s w i t c h e d c a p a c i t o r s a u t o - t u r n i n g a r c s u p p r e s s i o n c o i l b ys w i t c h i n g p a r a l l e l c a p a c i t o r s i i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 日期：囊4 年卫月细 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名 导师签名 磊互茏 f 日期：2 丝乏年垒月j t 日 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 目前6 6 k v 、1 0k v 城乡配电网多为中性点非有效接地系统，其优点是即使 发生单相接地故障，系统线电压仍保持对称，当故障点电流不大，无电弧产生 时，则系统仍可带故障继续运行，即具有较高的供电可靠性。早期配电网络， 网架结构简单，以架空线为主，接地电容电流较小，接地点不易产生电弧；而 随着配电网规模的不断扩大，特别是电缆线路的大量增加，电容电流急剧增大， 使得接地电弧很难自行熄灭，严重威胁着系统的安全运行；此外，间歇性弧光 接地过电压还容易引起电气设备绝缘破坏。为此，我国电力行业标准交 流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定：当单相接地故障电容电流超过 规定数值( i o a ) 又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。 当系统中性点经消弧线圈接地时，流经消弧线圈的感性电流可抵消系统电 容电流，使故障点电流减小。当发生单相接地故障时，为使消弧线圈的感性电 流能最大限度地补偿电容电流，应调节消弧线圈的电感量至某一数值，使之和 系统对地电容处于并联谐振状态1 2 】；而当系统正常运行时，应调节消弧线圈电感 量偏离该数值，以避免消弧线圈和系统对地电容发生串联谐振，保证中性点位 移电压不越限( 规程规定应小于0 1 5 倍的额定相电压【lj ) 。 为了满足系统在正常运行时和发生单相接地故障时对消弧线圈电感量调节 的不同要求，消弧线圈电感量必需进行调节。传统手动调节的消弧线圈，不能 实时测量电网对地电容和中性点位移电压；消弧线圈档位须离线调节，补偿精 度低，限制中性点过电压能力差，同时自动化程度低，完全不具备变电站自动 化的要求【3j 。因此，在配电网中迫切需要一种能自动跟踪电网对地电容变化的消 弧补偿装置。 随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，为智能化的消弧补偿装 置研究迎来新的契机，它能够在正常运行时对电网对地容性电流进行自动测量， 东北电力大学硕士学位论文 跟踪电网的运行状态，智能识别出单相接地故障后，快速调节消弧线圈的电感 量，实现对地容性电流的完全补偿，从而使接地电弧自行熄灭，因此对提高配 电网供电安全可靠性、减小设备损坏、消除铁磁谐振和保护运行人员人身安全 等方面都具有重要意义【4 】。 1 2 配电网自动跟踪消弧补偿系统研究现状 一般自动消弧补偿系统典型构成如图1 1 所示【4 】，整个系统包括：接地变压 器、消弧线圈、控制器。通常配电网主变1 0 k v 侧是三角形接线，图1 - 1 中接地 变压器作用是为了引出配电系统的中性点，它的绕组成z 形连接，正序、负序 阻抗大，而零序阻抗小；控制器负责电网正常运行时对地容抗的测量，监控电 网运行状态，对单相接地故障作出识别，迅速对消弧线圈电感量进行自动调整。 消弧线圈的调谐方式可分为两种1 2 1 1 4 1 15 1 ，在接地故障发生前，调整消弧线圈到靠 近谐振点附近运行，称为“预调式”，适用于消弧线圈电感调节速度较慢，且需 要串联( 或并联) 一定数值的限压电阻，当发生单相接地时，将限压电阻短接； 另一种称为“随调式”，即在正常情况下消弧线圈远离谐振点运行，在接地故障 发生后，迅速调整到谐振点，不需要加限压电阻。 图1 - 1 消弧线圈自动消弧补偿系统构成 根据外近几年国内外对消弧线圈自动跟踪补偿消弧装置的研究成果，按改 第1 章绪论 变电感的方法不同，消弧线圈主要有6 类 6 , 6 1 0 i ：调匝式( 电感不连续可调) 、可 调气隙式( 电感连续可调) 、磁阀式、直流助磁式( 电感连续可调) 、调容式、 高短路阻抗变压器式消弧线圈，这6 种类型的消弧线圈我国目前均有产品投入 运行，相应的电感调节原理如下： 1 2 1 调匝式消弧线圈 调匝式是采用有载调压开关调节电抗器的抽头以改变电感值。它可以在电 网正常运行时，通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电 网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制 器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后， 故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。其缺点是：调节速度慢，机械寿 命低，调节过程有电火花，噪音大，补偿效果不理想。 1 2 2 调气隙式自动跟踪补偿消弧线圈 调气隙式电感是将铁心分成上下两部分，下部分铁心同线圈固定在框架上， 上部分铁心用电动机带动传动机构可调，通过调节气隙的大小达到改变电抗值 的目的。它能够自动跟踪无级连续可调，安全可靠。其缺点是振动和噪声比较 大，在结构设计中应采取措施控制噪声。这类装置也可以将接地变压器和可调 电感共箱，使结构更为紧凑。 1 2 3 磁阀式调节的消弧线圈 其基本原理是用直流控制铁心 7 】【8 】的磁饱和度，以实现平滑调节电抗器的 容量。一般消弧线圈与接地变压器可以放在一个五柱式的铁心上，中间3 个柱 的铁心上的绕组可以组成z 型接地变压器。两边柱上绕有上下带抽头的对称绕 组。不同铁心柱的上下两绕组交叉连接后并联到接地变压器的中性点n 和地之 间，构成可调的消弧线圈。可控硅v 1 、v 2 分别接在左右2 个柱的抽头上，二极 管v 则横跨在左右交叉绕组的中间。 东北电力大学硕士学位论文 当电网发生单相接地故障时，出现幅值为相电压的零序电压，它在z 型接 地变压器上的电抗压降为零，它全部加在消弧线圈两端。在零序电压作用下， 可控硅v 1 、v 2 承受f 弦电压，一个工频周期内，轮流导通，便可调节控制电流 的大小，以改变两边柱铁心的饱和程度，达到平滑调节消弧线圈的容量和自动 补偿单相接地电流的目的。这种磁阀式调节的消弧线圈有如下特点：补偿电流 可连续无级调节，调整平滑，线性度好；结构紧凑，补偿后残余电流小；其缺 点是该装置本身是一谐波源，对电能质量有影响，应采取措施加以解决。 1 2 4 直流助磁式消弧线圈 直流助磁式消弧线圈是一种“随调式”的补偿装置，它的原理是在交流工 作绕组内设置一个铁心磁化段，通过改变直流助磁磁通的大小，以调节交流的 等值磁导，使电感连续可调。其优点是无传动装置，电感调节范围大，响应速 度快，特别适用于调节频繁的场合。缺点是需要附加大容量直流激磁电源( 直 流控制电流往往比交流工作电流的有效值还大) ，故能耗大，控制复杂，长时间 强励磁会使铁心过热。此外，结构复杂，谐波较大，造价也较高。这种结构消 弧线圈在前苏联配电系统中曾被采用，由于存在上述缺点，在我国没有被应用。 1 2 5 调容式消弧线圈 调容式消弧线圈刚1 0 1 l l 在干式消弧线圈增加一个二次绕组，通过改变并联其 两端电容器组的容量的大小来等效的改变电感量，达到逐级调节补偿电流的目 的。 图1 2 中接入二次绕组中的电容器组，其配置的主要原则是扩大补偿电流的 调节范围和提高调谐的精度。当电容器组全部投入时，补偿电流i l = i l m i n = o ： 反之，当电容器组全部退出时，i l = i l m a x ，其调节范围可以相当宽的。电容器 组一般按c 1 ：c 2 ：c 3 ：c n = l ：2 1 ：2 2 ：2 ”1 二进制进行选配，控制机构采用晶闸管 投切电容器实现，此种自动消弧线圈特别适用于发展中的补偿电网，可避免重 复投资。其优点是：响应速度快、调节范围宽、装置成套化、无油化，无谐波 污染问题。 厂t 广碗。碗 e主生! 宁c n 图1 2 调容式消弧线圈原理接线图 1 2 6 高短路阻抗变压器式消弧系统 该消弧线圈是一种高短路阻抗变压器式可控电抗器【l2 。，其基本结构和等效 电路如图1 3 所示。变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电网中性点，二次绕 组作为控制绕组由2 个反向连接的晶闸管短路，通过调节晶闸管的导通角来调 节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。由于采用了晶闸管调 节，因此响应速度快，可以实现零至额定电流的无级连续调节。此外，由于是 利用变压器的短路阻抗作为补偿用的电感，因而具有良好的伏安特性。 ( a ) ( a ) 基本结构 晶闸管 s c r ( b ) ( b ) 等效电路 图1 - 3 基本结构和等效电路 z s c r 该消弧系统的最大缺陷是当晶闸管仅在一个周期内的部分时段内导通时， 它所串接的控制绕组电流中就含有谐波成分，因此必须再加入一个第3 绕组作 为补偿绕组接入相应的滤波器，将晶闸管工作产生的谐波限制在允许值以内。 东北电力大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作 在综合比较各种消弧补偿系统的基础上，调容式消弧线圈具有结构简单、 装置成套化、无油化，无噪声，无谐波污染，且控制简单等优点。本论文以某 变电所1 0 k w 2 1 0 k v a r 调容式自动跟踪消弧补偿工程项目为背景，对调容式自动 跟踪消弧补偿系统进行了深入研究。 本论文的主要工作如下： 1 对配电系统中消弧线圈补偿原理进行了深入分析，重点研究了调容式消弧补 偿的工作原理及其补偿特性。 2 研究了调容式自动跟踪消弧补偿的控制系统，完成了关键控制环节的理论分 析。 3 设计了基于高速片上系统单片机的控制器，完成了其硬件开发和软件编制。 4 完成了2 1 0 k v a r 1 0 k v 调容式消弧补偿系统的p s c a d e m t d c 建模与仿真分 析。 5 完成了2 1 0 k v a r l o k v 调容式消弧补偿系统的样机设计和试验分析。 第2 章调容式自动跟踪补偿原理 第2 章调容式消弧线圈补偿原理 本章首先分析了发生单相接地短路时，消弧线圈补偿对地电容电流的原理， 在此基础上重点对调容式消弧线圈的电感调节原理、补偿原理和补偿特性等进 行了详细的分析，提出了电容调节柜等容量电容器组合方案，并给出了t s c 技 术实现无冲击投切电容器的设计方法。 2 1 消弧线圈补偿原理 经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的系统结构图如图2 - 1 所示 1 2 ， 图中“系统”作为配电系统电源的高压系统，它经过一个变压器与配电网相连， 图中没有画出系统中的其他非故障线路。 高压系统变压器 图2 - 1 配电网接地系统结构图 负荷 当系统发生单相接地故障时，利用对称分量法分解其边界条件，可得到图 2 - 2 所示的复合序网图。在图中，z s l 、z s 2 和z s 0 为高压电源系统的正序、负 序和零序阻抗：z t 为变压器电抗，x c l 、x c 2 和x c 0 分别为负荷线路的正序、 负序和零序分布电容。根据图2 2 所示的电路，可得到故障电流的正、负序和零 序分量。根据图2 2 所示的电路，可以得到故障电流的f 、负序和零序分量为： 东北电力大学硕士学位论文 扛，：= 厶= 三五= 丽瓦e i a 而 在小电流接地系统中，由于z o zx ，z o z 2 ，因此式( 2 1 ) 可简化为 j ，：j 仁! 五： 鱼 33 r j + z o 根据( 2 2 ) 式可得到等值电路图2 - 3 所示： ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) j c 3 c 图2 2 系统发生单相接地故障时的序网图图2 3 补偿系统的等值回路图 图中，l 表示消弧线圈的电感，3 c 为等效的三相总的对地电容，r 为等效 线路对地泄漏电导。如为接地点残流，i l 为消弧线圈的补偿电流，i r 为线路的 泄漏电流，显然短路点电流为： t = f ，+ f f ，+ i r( 2 - 3 ) 从( 2 - 3 ) 式可以看出，为了减小接地残流b ，应调节消弧线圈电感，使t = 一七，这样接地电流只含有t i e d , 的有功分量( 线路的泄漏电阻很大) ，利于电弧 的自行熄灭。按照消弧线圈电感对容性电流补偿大小的不同有三种情况： 1 完全补偿尼= i l ，补偿效果最为理想，但是在电网正常运行时，可能引起串 联谐振过电压； 2 欠补偿i c i l ，最大的补偿电流也不能完全抵消容性接地电流，而且当系 统故障切除部分线路时，同样会引起谐振过电压； 3 过补偿i c o 时，l e q l ，所以改变c x 即可改变消弧线圈的等效电感，其中c x 为所 投入运行的电容器的容量。 2 2 2 调容式消弧线圈的补偿特性 1 补偿容量的选择： 干式消弧线圈容量q l 的确定，应按以现行电网的电容电流i c 为主要依据， 同时考虑5 1 0 年的发展，按式( 2 6 ) 5 1 计算确定。 q = s 1 ( ，u m( 2 - 6 ) 式( 2 - 6 ) 中：s 为容量储备系数，一般为1 2 5 1 3 5 ，s 值应结合消弧线圈的 台数和电网规划综合考虑确定。 设电容调节柜的容量为q c ，调容式消弧线圈的补偿容量q 可表示为： q = q ，一q ( ( 2 7 ) q c 的大小可灵活选择，如：q l = q c 。，q 的补偿范围为( 0 q l ) ，此时消 1 0 第2 章调容式自动跟踪补偿原理 弧线圈的补偿电流范围可达( o i l m a x ) 。实际上任何电网，在最小运行方式下， 线路对地容性电流不可能为零，故在配置q c 时，从电网需要补偿的最小容量去 配置电容器的容量，使( q l d q c ) = q 。此时q c 。 3 0 ( c 。：一c o ：) ，其容性无功的方向从母线流向线路， 当消弧线圈处于远离谐振点的欠补偿位置时，l c o l 0 1 5 u 。时，认为电网处于 正常运行状态，此时将允许测量，同时闭锁各种故障报警量，当o 5 u i p u o 0 1 5 u 。 时，认为系统发生了串联谐振，此时消弧线圈的档位不进行调整，仍保持在失 谐度最大的档位，同时发出过电压报警信号，当u o o 5 u 。时，查消弧线圈补偿 曲线，发出投切电容器的命令，待系统稳定后，测量中性点电压，如u o 0 5 u 。 东北电力大学硕士学位论文 则启动瞬时、永久接地识别的定时器，如果u o o 5 u o 作为单相接地故障状态识别判据，通常可以保证 自动跟踪消弧补偿系统正确启动。 4 4 试验分析 本文按照2 2 2 所述的无冲击t s c 技术投切电容设计方法，设计了2 1 0 k v a r 消弧线圈的电容调节柜的样机，本文针对电容调节柜的主电路的保护和控制进 行简单介绍，同时对t s c 各支路中晶闸管的一些开通、关断特性进行了全电压 试验，经过反复的投切和试验，在投切过程无过大冲击电流、暂态过程过渡平 稳，满足了设计要求。 消弧线圈总容量2 1 0 k v a ，二次变比1 5 ，根据上一章对调容式消弧线圈的建 模进行消弧线圈设计，电容调节柜的主电路由7 x 2 5 k v a r + 1 5 k v a r 的晶闸管控制电 容器投切回路组成，下面简单介绍一下对回路的主要元件的选择方法。 4 4 。1 电容调节柜的设计 1 晶闸管的选择 晶闸管额定电流按1 5 2 倍平均电流选取，故额定电流为1 1 0 ( a ) 。晶闸管 额定电压按( 2 5 3 ) 倍的峰值电压选取，故额定电压为2 5 x 4 2 x 4 0 0 = 1 6 0 0 v 。 晶闸管模块型号为m t x d l l 0 1 6 ( 额定通态电流为1 1 0 ( a ) ，额定电压为1 6 0 0 v ， d i d t 5 0 a p s ) 。 m t x d l l 0 1 6 晶闸管模块内部是由二个反并联晶闸管和一个过零触发电路 第4 章仿真和试验 组成，是一种四端( 二个输入和两个输出端) 无触点电子开关。该模块具有过 零触发功能，输入端加控制信号( + 1 2 v ) 后，主电路不立即导通，将延迟到交 流j 下弦波零点交越附近( + 1 0 v 左右) 导通。 2 电容器的选择 电容器采用自愈型，其内部装有限流线圈、过压力保护装置和放电电阻， 可限制浪涌电流，电容器断开后可自动泄放电荷。电容器的、型号为 b s m j 4 0 0 2 5 k v a r 、b s m j 4 0 0 15 k v a r 。 3 电抗器的选择 国内并联电容器配置的电抗器，其电抗率( 甩= 一，f 为电网频率) 2 衫4 l c 主要由以下4 种类型： 1 、4 5 、6 和1 2 1 3 ，配置 1 ( 有时到0 0 1 0 0 2 ) 电抗率的电抗器，采用电抗率为4 5 或6 的串联电抗器，可抑制5 次 以上的谐波电流；采用电抗率为1 2 1 3 的串连电抗器，可抑制3 次以上的 谐波电流。 单相t s c 回路的等值回路如图4 1 9 所示，其等效电路方程为： “= u m s i n ( c o t + 妒) = 上磊d i + 吉肛( 4 - 2 ) 电感电流初始条件： f r o + ) = i ( 0 一) = 0 电容电压初始条件： ( o + ) = u ( 0 - ) = u c o “ + 图4 一1 9 单相t s c 的等效回路 ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 东北电力大学硕士学位论文 解上述方程回路，得到电流的表达式为： i o ) = i m c o s ( c o t + 矿) 一l m c o s ( o c o s ( o o t + 亡斋【( c a 2 l c - 1 ) u c o + u m 蚓n f p s i f h 巧 加5 ) 机。= 占 i m = _ t u m 4 l c= 罴= 等( 础蝴) c o l 一l 2 l c 一1 1 一力。 c o c 晶闸管过零触发时p = o ，并且电容器初始电压u c o = 0 ，上式可化为： i ( t ) = i m c o sc o t i m c o s p c o s ( _ 0 0 t( 4 - 6 ) 从而可知当采用晶闸管两端过零触发时，暂态电流的峰值不会超过两倍的 稳念电流值，其涌流的幅值有i m 的大小决定，r l 越大，i m 越小，应选n 较大的 电抗器，仅仅是为了限制涌流可取电抗率1 ，n = 1 0 。 4 散热器的选择 晶闸管控制电容器投切电路由两支晶闸管组成，每个支路上的功率损耗由 导通损耗p 。、断态损耗p 卅开通损耗p 。和关断损耗p s w o f r 等四部分组成， 由于开关频率较低，损耗主要由导通损耗组成。故仅计及导通损耗时，则每个 模块损耗为： = 互2 ，。f u r 。t i ( c o t ) d c o t =! 盟型血： 万 2 t 2 2 6 2 5 ：1 2 3 ( 矽) 石 或者根据公式：p 1 0 s 。= o 9 u i t a v = 1 2 3 w 。 采用散热器空气自然冷却方式，采用空气冷却的散热情况示意图如图4 2 0 所示：在p n 结处产生的热量，通过依次晶闸管管模块外壳、散热器散发到周围 空气中，p n 结处的温升由( 4 6 ) 式计算。在已知t a ( 环境温度) ，r j c ，r c - f , p 的情况下，按照刀最大温度的极限值计算r f - a ，即可求出散热器的大致尺寸。 在设计时，考虑将四个为一组装设计在一个散热器上，并在散热器上配置 散热风扇，使其在超过一定温度时，迅速启动风扇，加速风冷却。同时为了保 证散热器的过热损坏，在散热器温度达到一定温度时切断t s c 的驱动电源，保 第4 章仿真和试验 证晶闸管的安全。电容调节柜的主电路接线如附录a 所示。 图4 2 0 空气冷却的散热示意图 ( 注：r j c 结、壳之间的热阻、k 书壳、片之间的热阻、r 。：片、周围之间的热阻) 乃= 乃+ 乃= p ( 冠一c + r c f + r f a ) + r o c 】 ( 4 7 ) 4 4 2 试验及分析 针对本文设计的t s c 回路。在实验室做了全压试验，试验的接线如图4 2 1 所示，品闸管的控制信号由控制器控制。反复对晶闸管的开通、关断、导通的 过程进行试验，其相关试验波形如图4 - 2 2 4 2 6 所示。下面对其投切过程进行 的分析。 开通过程：当正常给晶闸管模块提供控制电平时，模块并不立即导通，只 有等待其两端电压u s c r 过零时才导通，此时电容电压从0 v 开始充电，从图4 2 0 可看出电容电压u c a p 从零开始增长。 导通过程：由晶闸管的基本特性可知，晶闸管一旦导通，门极就失去控制 作用，如果使已导通的晶闸管关断，只能在流过晶闸管的电流降低到接近于零 的某一数值以下，所以对于反并联的两只晶闸管而言，一个周波内有两次轮换 导通，轮换点在电容电压最大值即电网电压峰值的时刻( 电容器电流过零时刻) 。 且晶闸管管一旦导通，其压降很小，从图4 2 3 可看出只有l v 的压降，导通情 况较为理想。 东北电力大学硕士学位论文 图4 - 2 1 单回路t s c 试验接线图 图4 2 2t s c 开通过程波形 4 8 第4 章仿真和试验 敝秘嚣 、 ：”一 u e 8 pq 举o 料，d 订： 曲5 v d l v 烈。羝： 图4 2 3t s c 导通过程波形 图4 2 4t s c 关断过程波形 4 9 东北电力大学硕七学位论文 烈：蠢簿i 绎? ? 粼： 糊1 0 萋裁- 1 0 图4 2 5t s c 阻断状态波形 关断过程：正如上文所述，在控制信号u p 撤消后，晶闸管并不能立即截至， 继续导通，直到电容两端电压为峰值时，此时一对晶闸管中，一只截至，另一 只没有触发电流，也不能导通。在晶闸管完全截至后，电容上电压慢慢释放， 此时晶闸管两端的压降： 开 一三 开 一三 u s c r = u m s i n ( c o t 一等) 一 u c a p o + h7 】_ u m s i n ( c o t 一詈) + u m e 7 ( 4 - 8 ) 二 z 从图4 2 4 可以看到投切回路关断的晶闸管两端的电压波形。阻断状态：当 电容完全从电网中推出后，晶闸管应维持正常的阻断状态，其两端电压为系统 电压，可以看到图4 2 5 所示的波形。 导通状态的电流波形如图4 2 6 所示，在晶闸管完全导通状态时，电流为 7 3 1 a 和理论的6 2 5 a 较为接近，其波形畸变率t h d = 8 3 ，基本保持了5 0 h z 正 弦波形。 第4 章仿真和试验