CN111697552B - 一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，该方法包括：保持消弧线圈电感的感抗值Xl不变，通过电压调节器将中性点零序电压U0先调节为kU0；将调节后的中性点零序电压kU0加到消弧线圈电感的两端，以改变补偿电流值。该装置包括：接地变压器、AC/DC变换器、DC/AC变换器、输出变压器、控制器、电压互感器及固定不变的消弧线圈电感；控制器用于控制输出变压器的输出端产生与中性点零序电压U0同步的可变电压源，以加到固定不变的消弧线圈电感的两端，以改变补偿电流值。通过本发明，大大降低了成本，并且避免了传统方法在残流较小时可能出现的谐振过电压。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统消弧技术领域，特别涉及一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置。
背景技术
我国电压6KV～35KV电网采用中性点不接地供电系统，其优点是发生单相接地故障后,允许继续运行2h,不会引起用户断电,提高了供电可靠性。但随着电网规模的增大，尤其是电缆的大量使用导致电网单相接地故障时接地电容电流过大，接地电弧不能自行熄灭,容易发展成相间短路,造成停电和设备损坏事故。电容电流过大还使接地电弧不能自熄易产生较高倍数的弧光接地过电压而严重威胁电网的安全运行。因此《电力设备过电压保护设计技术规程》中规定:3～10kV的电力网,当单相接地故障电流大于30A时应采取消弧措施。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:6kV架空线路系统单相接地故障电流大于20A或10kV电缆线路系统单相接地故障电流大于30A时应采取消弧措施。《煤矿安全规程》2001第457条规定:“矿井高压电网,必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A”。实际上，现场试验证明,对电缆和架空线的混合电网,单相接地电容电流大于11.75A时电弧就不能自行熄灭。国内也有不少单位研究证明,单相接地电容电流的上限值应取10A,以便于提高配电网供电的可靠性。
为了使中性点不接地供电系统单相接地故障电流不超过规定值，我国目前主要方法是在供电系统中加装消弧线圈，使消弧线圈产生的感性电流与电网电容电流相抵消，二者数值越接近，流过电网单相接地故障点的残流将越小。因此，当电网电容电流变化时，消弧线圈产生的感性电流也应随之变化，目前传统的方法是当电网电容变化时消弧线圈的电感也将随之自动变化。
消弧线圈的自动调谐目前主要有以下几种方法：(一)通过有载调压分接头开关调节电感的匝数法,这种方法电感不能连续调节；(二)可调气隙或可动铁芯法，要依靠机械手段调节电感动态响应速度慢；(三)直流偏磁法以及在电感两端并联变压器，在其低压侧接由晶闸管控制切投的电容器以改变等效电感值等方法在调节时将产生谐波干扰。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，将传统的电感可变的消弧线圈简化为电感固定的消弧线圈，从而大大降低了成本；并且避免了传统方法在残流较小时可能出现的谐振过电压。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法，其包括：
S11：保持消弧线圈电感的感抗值Xl不变，通过电压调节器将中性点零序电压U0先调节为kU0；
S12：将调节后的中性点零序电压kU0加到所述消弧线圈电感的两端，以改变补偿电流值，将传统的无源补偿支路改变为有源补偿支路，k连续可调，消弧线圈电感支路产生的感性补偿电流值也随之连续变化。
较佳地，所述S12之后还包括：
S13：改变调节系数k使流过电网单相接地故障点的残流达到最小值。
较佳地，所述消弧线圈电感的感抗值Xl小于电网电容最大时的容抗值，以确保在任何情况系统不会出现谐振过电压。
本发明还提供一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其包括：接地变压器、AC/DC变换器、DC/AC变换器、输出变压器、控制器、电压互感器以及固定不变的消弧线圈电感；其中，
所述接地变压器的输入端与供电系统的电源相连；
所述接地变压器的中性点输出端与所述电压互感器的输入端以及所述固定不变的消弧线圈电感的一端相连；
所述接地变压器的三相输出端与所述AC/DC变换器的输入端相连；
所述AC/DC变换器的输出端与所述DC/AC变换器的输入端相连；
所述DC/AC变换器的输出端与所述输出变压器的输入端相连；
所述输出变压器的输出端与所述固定不变的消弧线圈电感的另一端相连；
所述电压互感器的输出端与所述控制器的输入端相连；
所述控制器的输出端与所述DC/AC变换器的控制输入端相连，用于控制所述的DC/AC变换器产生预设输出电压至输出变压器的输入端，最终在所述输出变压器的输出端产生与中性点零序电压U0同步的可变电压源k1U0，以加到所述固定不变的消弧线圈电感的下端与地之间，以改变补偿电流值。
较佳地，所述k1满足条件：0＜k1＜1。
本发明还提供一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其包括：接地变压器、交流斩波器、控制器、电压互感器以及固定不变的消弧线圈电感；其中，
所述接地变压器的输入端与供电系统的电源相连；
所述接地变压器的输出电压与所述交流斩波器的输入端相连；
所述交流斩波器的输出端分别与所述固定不变的消弧线圈电感的两端相连；
所述交流斩波器用于对所述接地变压器的输出电压U2进行调节，并将调节后的输出电压加在所述固定不变的消弧线圈电感的两端，并在所述接地变压器的原方产生可调的感性电流；
所述控制器的一个输入端与零序电流I0相连；
所述控制器的另一个输入端与所述电压互感器的输出端相连；
所述控制器的输出端与所述交流斩波器的控制输入端相连；
所述控制器用于根据供电系统的零序电压U0以及零序电流I0确定所述交流斩波器的电压调节系数k2，以使经过所述交流斩波器调节后的输出电压为k2 U2。
较佳地，所述接地变压器采用三相五柱式接地变压器，三相绕组初级采用星形连接，三相绕组次级采用角形连接；
设三相绕组初级与三相绕组次级匝数比为N,则三相绕组次级输出电压U2为：
其中，
为供电系统的三相电压值。
较佳地，所述k2满足条件：0＜k2＜1。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，通过电压调节器对消弧线圈电感两端的电压进行自动调谐，将传统的电感可变的消弧线圈简化为电感固定的消弧线圈，从而大大降低了成本；并且由于固定不变的消弧线圈电感感抗值在任何情况都小于电网电容的容抗值，避免了传统方法在残流较小时可能出现的谐振过电压；
(2)本发明提供的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，由于系统不会出现谐振过电压，且系统可使补偿电流连续可调，因此可使残流接近于零，当系统发生单相接地故障时接地电弧能自动熄灭，大大提高了供电系统的安全性；
(3)本发明提供的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，由于完全避免依靠机械手段对电感的调节，可大大提高当供电系统接地电容变化时动态跟踪性能；
(4)本发明提供的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，通过DC/AC变换器或交流斩波器对零序电压U0进行调节，克服了一些传统方法在调节补偿电流时可能出现的畸变电流或谐波电流而影响电能质量的缺点。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法的流程图；
图2为本发明的实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法的原理图；
图3为本发明的一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置的电路原理图；
图4为本发明的另一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法的流程图，如图2所示为本发明一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法的原理图。
请参考图1，本实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法包括以下步骤：
S11：保持消弧线圈电感的感抗值Xl不变，通过电压调节器将中性点零序电压U0先调节为kU0；
S12：将调节后的中性点零序电压kU0加到消弧线圈电感的两端，以产生大小可变的补偿电流值，将传统的无源补偿支路改变为有源补偿支路，k连续可调，消弧线圈电感支路产生的感性补偿电流值也随之连续变化。
产生的补偿电流值为：
调节系数k在以下范围连续可调：0<k<1，在k接近0时消弧线圈电感支路产生感性补偿电流Il的值最小；在k接近1时消弧线圈电感支路产生感性补偿电流Il的值最大；当k在上述范围连续变化时，消弧线圈电感支路产生感性补偿电流Il值也随之连续变化。
较佳实施例中，S12之后还包括：
S13：改变调节系数k使流过电网单相接地故障点的残流达到最小值。改变电压调节器调节系数k大小即可改变消弧线圈电感支路产生感性补偿电流Il的大小,以最佳补偿电网电容电流，使流过电网单相接地故障点的残流达到最小值。
较佳实施例中，固定不变的消弧线圈电感感抗值Xl小于电网电容最大时的容抗值(Xc)min:Xl＜(Xc)min，保证在电网电容变化时，电网电容容抗值Xc始终大于消弧线圈电感感抗值Xl:Xc＞Xl，使流过电网单相接地故障点的残流达到最小值时也能避免谐振过电压的发生。
如图3所示为本发明的一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置的电路原理图。
请参考图3，本实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置包括：接地变压器TD、AC/DC变换器、DC/AC变换器、输出变压器TO、控制器、电压互感器PT以及固定不变的消弧线圈电感L。
其中，接地变压器TD的作用是在系统为△型接线时引出中性点用于加接消弧线圈。变压器采用曲折型接线，每相线圈分别绕在两个磁柱上，零序磁通可沿磁柱流通，使零序阻抗很小(10Ω左右)。接地变压器TD的输入端A、B、C与供电系统的三相电源相连；接地变压器TD的中性点输出端O一路与电压互感器PT输入端相连，另一路与固定不变的消弧线圈电感L上端相连；接地变压器TD的三相低电压输出端a、b、c与AC/DC变换器输入端相连。
AC/DC变换器将输入的三相交流电压整流为直流电压，其输出端与DC/AC变换器的输入端相连。
DC/AC变换器将输入的直流电压逆变为交流电压，其输出的交流电压与输出变压器To的输入端相连。
输出变压器To的输出端一头与固定不变的消弧线圈电感L下端相连，输出变压器To输出端的另一头与地相连。
DC/AC变换器在控制器控制下工作。控制器将输入系统零序电压与零序电流的信息。控制器根据对上述信息的运算最终将使DC/AC变换器通过输出变压器To输出端产生与中性点零序电压U0电压同步的大小合适的可变电压源UV。
引入调节系数k1:
UV＝k1U0 (2)
在全补偿情况零序电压U0产生的感性补偿电流应等于供电系统由零序电压U0产生的容性电流：
根据公式(2)与公式(3)，对任何一个与供电系统对应的Xc均有一个确定的调节系数k1:
因Xl＜(Xc)min，故调节系数k1满足：
0＜k1＜1 (5)
接地变压器TD的输出三相电压值及DC/AC变换器输出变压器To的变比应保证产生可变电压源UV最大值能接近供电系统相电压值。
如图4所示为本发明的另一实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置的电路原理图。
请参考图4，本实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置包括：接地变压器T、交流斩波器、控制器、电压互感器PT以及固定不变的消弧线圈电感L。
其中，本实施例的接地变压器T采用了三相五柱式，三相绕组初级采用星形连接，一端与供电系统三相电源相连，另一端与地相连，三相绕组正序阻抗很大,正序电流很小,其值相当于变压器的空载电流，故产生的接地补偿电流也很小。接地变压器T三相绕组次级采用角形连接，设三相绕组初级与三相绕组次级匝数比为N,则三相绕组次级输出电压
为：
式(6)中
为供电系统三相电压值，
为供电系统零序电压值。
接地变压器T的输出电压
与交流斩波器输入端相连，经交流斩波器调节输出电压为：
电压调节系数k2由控制器控制并满足条件：
0＜k2＜1 (8)
交流斩波器输出电压加到电感固定不变的消弧线圈电感L两端并在接地变压器T副方产生可调的感性电流：
该电流折合到原方三相每个绕组的电流为：
因此，系统产生总的感性补偿电流为：
在全补偿情况零序电压U0产生的感性补偿电流应等于供电系统由零序电压U0产生的容性电流：
控制器根据输入系统零序电压U0与零序电流i0的信息可确定系统的Xc值，因此可求得实现全补偿时对应的交流斩波器电压调节系数k2：
当接地变压器T的三相绕组初级与三相绕组次级匝数比N确定后，由系统的最小容抗值(Xc)min可进一步确定固定不变的消弧线圈电感值：
上述实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，将传统的电感可变的消弧线圈简化为电感固定的消弧线圈，从而能大大降低装置的成本。
上述实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置,由于固定不变的消弧线圈电感感抗值Xl在任何情况都小于电网电容的容抗值，避免了传统方法在残流较小时可能出现的谐振过电压。
上述实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置,由于系统不会出现谐振过电压，且系统可使补偿电流连续可调，因此可使残流接近于零，当系统发生单相接地故障时接地电弧能自动熄灭，大大提高了供电系统的安全性。
上述实施例的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐方法及装置，可大大提高当供电系统接地电容变化时动态跟踪性能。
上述实施例的基于可变电压源的消弧线圈自动调谐方法及装置，还克服了一些传统方法在调节补偿电流时可能出现畸变电流或谐波电流而影响电能质量的缺点。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其特征在于，包括：接地变压器、AC/DC变换器、DC/AC变换器、输出变压器、控制器、电压互感器以及固定不变的消弧线圈电感；其中，
所述接地变压器的输入端与供电系统的电源相连；
所述接地变压器的中性点输出端与所述电压互感器的输入端以及所述固定不变的消弧线圈电感的一端相连；
所述接地变压器的三相输出端与所述AC/DC变换器的输入端相连；
所述AC/DC变换器的输出端与所述DC/AC变换器的输入端相连；
所述DC/AC变换器的输出端与所述输出变压器的输入端相连；
所述输出变压器的输出端与所述固定不变的消弧线圈电感的另一端相连；
所述电压互感器的输出端与所述控制器的输入端相连；
所述控制器的输出端与所述DC/AC变换器的控制输入端相连，用于控制所述DC/AC变换器产生预设输出电压至输出变压器的输入端，最终在输出变压器的输出端产生与中性点零序电压U0同步的可变电压源k1U0，以加到所述固定不变的消弧线圈电感的下端与地之间，以改变补偿电流值。
2.根据权利要求1所述的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其特征在于，所述k1满足条件：0＜k1＜1。
3.一种基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其特征在于，包括：接地变压器、交流斩波器、控制器、电压互感器以及固定不变的消弧线圈电感；其中，
所述接地变压器的输入端与供电系统的电源相连；
所述接地变压器的输出电压与所述交流斩波器的输入端相连；
所述交流斩波器的输出端分别与所述固定不变的消弧线圈电感的两端相连；
所述交流斩波器用于对所述接地变压器的输出电压U2进行调节，并将调节后的输出电压加在所述固定不变的消弧线圈电感的两端，并在所述接地变压器的原方产生可调的感性电流；
所述控制器的一个输入端输入供电系统的零序电流I0；
所述控制器的另一个输入端与所述电压互感器的输出端相连；
所述控制器的输出端与所述交流斩波器的控制输入端相连；
所述控制器用于根据供电系统的零序电压U0以及零序电流I0确定所述交流斩波器的电压调节系数k2，以使经过所述交流斩波器调节后的输出电压为k2 U2。
4.根据权利要求3所述的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其特征在于，所述接地变压器采用三相五柱式接地变压器，三相绕组初级采用星形连接，三相绕组次级采用角形连接；.
设三相绕组初级与三相绕组次级匝数比为N,则三相绕组次级输出电压U2为：
其中，
为供电系统的三相电压值。
5.根据权利要求3或4所述的基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置，其特征在于，所述k2满足条件：0＜k2＜1。
6.一种采用权利要求1或3所述基于电压调节器的消弧线圈自动调谐装置的消弧线圈自动调谐方法，其特征在于，包括：
S11：保持消弧线圈电感的感抗值Xl不变，通过电压调节器将中性点零序电压U0先调节为kU0；
S12：将调节后的中性点零序电压kU0加到所述消弧线圈电感的两端，以改变补偿电流值。
7.根据权利要求6所述的消弧线圈自动调谐方法，其特征在于，所述S12之后还包括：
S13：改变调节系数k使流过电网单相接地故障点的残流达到最小值。
8.根据权利要求6所述的消弧线圈自动调谐方法，其特征在于，所述消弧线圈电感的感抗值Xl小于电网电容最大时的容抗值。
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