CN201466720U - 一种自动消弧线圈成套装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动消弧线圈成套装置，包括相互连接的磁控式可调电抗器和主控制器，所述磁控式可调电抗器是多绕组变压器，所述多绕组变压器的一次侧线圈与电网中性点连接，所述多绕组变压器的二次侧线圈与所述主控制器中的驱动电路的输出端连接，所述主控制器的输入端分别与设置在电网中性点与地之间的电压互感器、设置在电网中性点与地之间的电流互感器、设置在驱动电路输出端的电流互感器、开关输入量及输出开关连接。本实用新型的优点在于，消弧线圈以特殊的电抗器为基础，结合有效的控制办法，能够稳定的自动补偿和连续补偿，补偿效果好，可控性高，是配电网运行的高效安全保护装置。

Description

一种自动消弧线圈成套装置

技术领域

本实用新型涉及电力配电网单相接地故障补偿技术，具体是采用自动消弧线圈成套装置消除电网中单相接地故障的技术。

背景技术

随着中低压配电网日趋复杂，单相接地电容电流不断增加，导致10kV配电网络中单相接地电容电流急剧增加。当电网接地电容电流大于10A后，将带来一系列危害，主要有两点：(1)故障点接地电流大，电弧很难熄灭，很可能破坏周围的绝缘，发展成相间短路或者三相短路故障，造成停电或损坏电力设备的事故；(2)当发生间歇性弧光接地时，可能产生高达3-5倍相电压的弧光过电压，从而引起多处绝缘薄弱的地方放电击穿和设备瞬间损坏，波及整个配电网的安全。

目前在配电网接地的故障中，单相接地故障占65％，两相接地故障占20％，两相直接接地短路占10％，其余占5％。而两相接地故障绝大部分是由于单相接地故障引起。因此若能设法消除单相接地故障，线路故障将减少80％以上。

为解决单相接地事故，在配电网中性点设置消弧线圈是一种有效措施。消弧线圈相当于并联在电网接地电容上的一个电感器。当故障发生时，它能立刻提供一电感电流，补偿接地电容电流，使接地点故障电流减小，达到熄灭电弧的目的，并及时准确地选出故障线路予以切除。

现有电网的运行经验证明，中性点经消弧线圈接地对提高供电电网的可靠性和安全性起到了积极作用。但随着用户对供电质量要求的提高，现有消弧线圈的不足也日渐明显，主要问题是：(1)电网中电容电流的变化不能在线实时测量，只能人工计算，误差较大；(2)消弧线圈的调节需停电退出运行后进行，且不能连续无级调节，因而补偿效果欠佳；(3)一些采用新型电力电子技术的产品补偿过程中产生大量的谐波干扰，对电力电网不利；(4)需要从欠补偿到补偿或过补偿过程，电网发生铁磁谐振的危险较大。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术中的缺陷，提供一种可以在线实时测量，且能无级自动调节补偿电流，对电力电网不产生干扰的自动消弧线圈成套装置。

本实用新型的技术方案是采用一种自动消弧线圈成套装置，所述装置包括相互连接的磁控式可调电抗器和主控制器，所述磁控式可调电抗器是多绕组变压器，所述多绕组变压器的一次侧线圈与电网中性点连接，所述多绕组变压器的二次侧线圈与所述主控制器中的驱动电路的输出端连接，所述主控制器的输入端分别与设置在所述电网中性点与地之间的电压互感器、设置在所述电网中性点与地之间的电流互感器、设置在驱动电路的输出端的电流互感器，开关输入量及输出开关连接。

其中，所述多绕组变压器的二次侧线圈包括短路绕组和控制绕组，

所述短路绕组分为n段，以串联方式连接，每段有一个抽头，通过短路开关S1～Sn与所述短路绕组的一个公共端相连接，不同的开关短接后形成不同的励磁电流；

所述控制绕组包括一个测量系统的电容、电流的独立的控制绕组和对输入电流励磁的另一独立的控制绕组。

其中，所述短路开关采用双向晶闸管或高性能断路器实现，其通断及导通角由所述主控制器的输出控制信号实现。

其中，所述主控制器中设有数字信号处理器，所述数字信号处理器的输入端分别与所述电流互感器、电压互感器连接，在所述数字信号处理器中，输入信号经依次串接的模/数转换模块、系数补偿计算模块、比较器、比例积分控制器和三角载波控制器处理后，所述数字信号处理器输出端输出变频扫频电流或输出脉宽调制驱动电流或输出短路开关信号，所述数字信号处理器的输出端与所述驱动电路的输入端连接。

其中，所述驱动电路由绝缘栅双极晶体管构成全桥电压型逆变驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述主控制器的脉宽调制信号输出端连接，所述驱动电路的输出端与所述多绕组变压器的二次侧线圈连接，在所述驱动电路的输入端并联有电解电容。

其中，所述变频扫频电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的变频恒幅电流。

其中，所述变频恒幅电流的频率是以以先大间隔频率的电流粗调，在选定区间后再进行小间隔频率的电流的细调的不连续变化的电流。

其中，所述不连续变化的电流为2～5秒变化一次频率的电流。

其中，所述脉宽调制驱动电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的，且与所述多绕组变压器的一次侧线圈中电流频率相同、相位相同、方向相反的补偿电流，所述补偿电流满足：

$i_2=-\frac{\mathrm{\αK}}{N}{i}_1$

其中：i₁为所述多绕组变压器的一次侧线圈中的电流；

i₂为所述多绕组变压器的二次侧线圈中的电流；

α为电流补偿系数，-1＜α＜1；

K为所述多绕组变压器的一次侧线圈匝数和二次侧线圈匝数之比；

N为所述多绕组变压器的二次侧线圈的个数。

本实用新型的优点和有益效果在于，消弧线圈以特殊的电抗器为基础，结合有效的控制办法，技术先进，能够稳定的自动补偿和连续补偿，补偿效果好，可控性高，是配电网运行的高效安全保护装置，具有如下特性：

(1)无谐波

该可调电抗器设计铁芯工作在线性区，同时短路开关采用全开断方案，理论上来说不产生谐波，不需要额外的滤波装置，对电网危害小，也降低了成本。多次实验中实测电抗器的电压、电流、波形都很好，满足国家消弧线圈标准规范的要求，即正常工况下三次谐波分量的最大峰值小于基波分量峰值的3％。

(2)接地残流小

因为对地电容检测准确度高，输出电流连续可调，所以理论上可以使残流接近零.实测在额定范围内的各种等级接地电容电流和中性点电压下，接地残流均小于5A.完全符合消弧要求.

(3)连续无级可调

有别于传统的调匝式、调气隙式、调容式消弧线圈，改变短路开关和补偿电流值即可改变阻抗值，因此可以非常方便地实现电抗值和输出电流0-100％的无级可调。不仅可以精确有效的控制残流，而且可以适应配电网的发展变化。

(4)响应速度快

接地故障发生时，中性点电压会突变。系统随时监控中性点电压，一旦发现异常就立刻(＜5ms)切入补偿工作状态，三个周波(60ms)内输出稳定的补偿电流，符合国家标准。因此能有效的消除雷雨季节常见的间隔时间很短的连续多次单相接地故障。

(5)阻抗特性线性度好

在不同接地电容下，令外施电压在额定电压0-110％变化，电网补偿状态下，电抗器伏安特性保持很好的线性度。

(6)噪音和振动极小

本消弧线圈无传动、转动机构，功耗低，所以可靠性高且无噪音和振动。

(7)不会产生铁磁谐振

本自动消弧线圈成套装置不补偿时，处于高阻抗状态，不需要从欠补偿到补偿，也就不会发生铁磁谐振，利于安全。

附图说明

图1是本实用新型自动消弧线圈成套装置的原理图；

图2是本实用新型自动消弧线圈成套装置的补偿电流闭环控制原理图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型的具体实现方案是采用一种自动消弧线圈成套装置。包括相互连接的磁控式可调电抗器和主控制器，磁控式可调电抗器是四绕组变压器，变压器的一次侧线圈与电网中性点连接，所述变压器的二次侧线圈与所述主控制器中的驱动电路输出端连接，所述主控制器的输入端与设置在电网中性点与地之间的电压互感器连接、与设置在电网中性点与地之间的电流互感器连接、与设置在驱动电路输出端的电流互感器连接、与开关输入量及输出开关连接。

变压器二次侧线圈包括短路绕组和控制绕组。短路绕组以串联方式分五段，每段有一个抽头，通过双向晶闸管S1～S5与该短路绕组的一个公共端相连接，不同的开关短接后形成不同的励磁电流，改变一次侧电抗特性。控制绕组包括两个独立绕组，其中一个绕组用来测量系统的电容电流，另一个绕组用来对输入电流励磁，改变一次侧电抗特性，即CW1为测量控制绕组、CW2为励磁控制绕组。

如图2的控制逻辑图所示，主控制器中设有数字信号处理器，所述数字信号处理器的输入端与所述电流互感器、电压互感器连接，在所述数字信号处理器中输入信号采用闭环控制方式，经依次串接的模/数转换模块、系数补偿计算模块、比较器、比例积分控制器、三角载波控制器处理后，所述数字信号处理器输出端输出变频扫频电流或输出脉宽调制驱动电流或输出短路开关信号，所述输出端与所述驱动电路的输入端连接.

主控制器中的检测和测量模块分别是电流互感器和电压互感器，所述电流互感器和电压互感器将检测到的模拟量和数字量输入到数字信号处理器，数字信号处理器控制器输出端实时输出控制电流，电压互感器将所测量到的电网中中性线的电压量输入到数字信号处理器，数字信号处理器再依据电网中并联的电容量，可自动计算出输出端短路开关档位和励磁补偿系数。其中电流、电压的测量分别通过电流互感器和电压互感器将大电流、电压信号转变成可测量的模拟量；主控制器通过RS485/RS232等实现与小电流接地选线装置和站控系统相连通信，进行数据交换。

短路绕组的分段使得一次侧阻抗线圈的功率容量在630KVA最大设计值时的分段阻抗容量为180KVA、280KVA、380KVA、480KVA、580KVA，使得完全补偿的范围从18％～100％，如允许一定的残流并考虑现场实际的运行情况，可认为补偿的范围从0～100％。对应的短路阻抗值如下表1：

表1

短路等级	1	2	3	4	5
						短路电抗(Ω)	245.0	141.3	102.1	79.9	65.6

励磁控制绕组能够通过控制电流跟踪的实现一次侧容量的正、负方向调节，其容量为短路绕组分段间隔容量的差值的一半，即为50KVA～60KVA。

如系统检测需进行补偿400KVA的感性容量，则计算结果为投入第3档短路开关，并通过参数计算补偿电流，使得励磁控制容量为20KVA，实现完全补偿，为保证电力系统的运行稳定，一般设为过补偿，即补偿30KVA即可。

励磁绕组中的脉宽调制驱动电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的，与变压器一次侧线圈中电流频率相同、相位相同、方向相反的补偿电流，所述补偿电流应满足：

$i_2=-\frac{\mathrm{\αK}}{N}{i}_1$

式中：i₁为所述多绕组变压器的一次侧线圈中的电流；

i₂为所述多绕组变压器的二次侧线圈中的电流；

α为电流补偿系数，-1＜α＜1；

K为所述多绕组变压器的一次侧线圈匝数和二次侧线圈匝数之比；

N为所述多绕组变压器的二次侧线圈的个数。

测量控制绕组的变频扫频电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的变频恒幅电流，所述变频恒幅电流的频率是以先大间隔频率的电流粗调，在选定区间后再进行小间隔频率的电流的细调的不连续变化的电流，所述变化的电流为2～5秒变化一次频率的电流。

当数字信号处理器输出其中某个频率的电流时，励磁电感与电网对地电容发生并联谐振，数字信号处理器将此频率记录下来，采用下面的算法，即可计算出对应的电网电容.

由于消弧线圈(电抗器)的一、二次侧漏抗X₁、X₂远小于其励磁变压器的电抗X_m，它们对检测值的影响较小，可忽略。在消弧线圈的二次侧利用PWM逆变器向二次侧线圈注入一个频率变化而幅值恒定的电流i₂，若当i₂的频率为f时，电抗器自身励磁电感L与电网对地电容C发生谐振，则由谐振条件(2πf)²LC＝1，可得到电网对地电容为：

由此可得，电网发生单相接地故障时的电容电流为：

$I_C=\frac{U_1}{X_C}={\mathrm{\ω}}_0{U}_{1}C=\frac{2\mathrm{\π}{f}_0{U}_1}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2}L}$

其中：U₁为电网发生单相接地故障时中性点电位，f₀为电网的固有频率。

在通信及接口方面有数字信号处理器的串口、CAN总线接口、与上位机通讯接口(可选用RS485)。与上位机通讯接口主要是上传所需要显示的各种数据。

控制绕组中驱动模块与数字信号处理器输出端之间连接有桥式整流电路，桥式整流电路的输入端与电源连接，所述桥式整流电路的输出端与主控制器连接，用于向主控制器提供电源。

在本实施例中，为了实现补偿快速响应，在启动补偿前把电解电容充上一定电压，所以把各个驱动电路与充电电容并联在一起，由电源集中充电，同时也能使各模块电容电压保持相等。

在系统不投入时，不断的进行扫频，以随时准确测算系统的对地电容值；一旦检测到系统发生接地故障，立即根据该电容值计算出对应的短路开关档位和励磁控制绕组应补偿的容量及参数，并立即控制输出短路开关和励磁电流，实现系统的感性补偿。在检测到系统故障消失后，立即停止励磁电流输出和输出关断短路开关，补偿退出，退出速度快，有效防止系统铁磁谐振发生。

该系统在不投入时，对外呈现为高阻抗状态，不影响电网系统的正常运行。在系统投入过程中，为从高阻状态转变为低阻状态，不存在容感特性转变过程，平稳可靠。

本实用新型采用电力电子和自动控制的技术，通过主控制器的控制输出，对变压器二次侧注入变频电流，再通过模拟量采样输入，实时检测电网对地电容和监测电网中性点电压，在发生电网单相接地故障后的毫秒(ms)内，即可判断故障发生并切入补偿状态。本实施例自动消弧线圈成套装置用于控制消弧准确灵敏、可控性好、无谐波。对瞬时性单相接地故障具有良好的快速补偿效果，对非瞬时性单相接地故障既能快速判断故障线路，又可以按传统消弧线圈接地方式持续运行。

以上为本实用新型的最佳实施方式，依据本实用新型公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，但这些方案均应落入本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述装置包括相互连接的磁控式可调电抗器和主控制器，所述磁控式可调电抗器是多绕组变压器，所述多绕组变压器的一次侧线圈与电网中性点连接，所述多绕组变压器的二次侧线圈与所述主控制器中的驱动电路的输出端连接，所述主控制器的输入端分别与设置在所述电网中性点与地之间的电压互感器、设置在所述电网中性点与地之间的电流互感器、设置在驱动电路的输出端的电流互感器，开关输入量及输出开关连接。

2.如权利要求1所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述多绕组变压器的二次侧线圈包括短路绕组和控制绕组，

所述短路绕组分为n段，以串联方式连接，每段有一个抽头，通过短路开关S1～Sn与所述短路绕组的一个公共端相连接，不同的开关短接后形成不同的励磁电流；

所述控制绕组包括一个测量系统的电容、电流的独立的控制绕组和对输入电流励磁的另一独立的控制绕组。

3.如权利要求2所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述短路开关采用双向晶闸管或高性能断路器实现，其通断及导通角由所述主控制器的输出控制信号实现。

4.如权利要求1所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述主控制器中设有数字信号处理器，所述数字信号处理器的输入端分别与所述电流互感器、电压互感器连接，在所述数字信号处理器中，输入信号经依次串接的模/数转换模块、系数补偿计算模块、比较器、比例积分控制器和三角载波控制器处理后，所述数字信号处理器输出端输出变频扫频电流或输出脉宽调制驱动电流或输出短路开关信号，所述数字信号处理器的输出端与所述驱动电路的输入端连接。

5.如权利要求4所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述驱动电路由绝缘栅双极晶体管构成全桥电压型逆变驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述主控制器的脉宽调制信号输出端连接，所述驱动电路的输出端与所述多绕组变压器的二次侧线圈连接，在所述驱动电路的输入端并联有电解电容。

6.如权利要求4所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述变频扫频电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的变频恒幅电流。

7.如权利要求6所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述变频恒幅电流的频率是以先大间隔频率的电流粗调，在选定区间后再进行小间隔频率的电流的细调的不连续变化的电流。

8.如权利要求7所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述不连续变化的电流为2～5秒变化一次频率的电流。

9.如权利要求4所述的自动消弧线圈成套装置，其特征在于，所述脉宽调制驱动电流是所述数字信号处理器传送到所述驱动电路的，且与所述多绕组变压器的一次侧线圈中电流频率相同、相位相同、方向相反的补偿电流，所述补偿电流满足：

$i_2=-\frac{\mathrm{\αK}}{N}{i}_1$

其中：i₁为所述多绕组变压器的一次侧线圈中的电流；

i₂为所述多绕组变压器的二次侧线圈中的电流；

α为电流补偿系数，-1＜α＜1；

K为所述多绕组变压器的一次侧线圈匝数和二次侧线圈匝数之比；

N为所述多绕组变压器的二次侧线圈的个数。

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