CN202352433U - 一种正特性自适应调整电阻 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种正特性自适应调整电阻，它结构简单，成本较低，可以有效地将注入故障系统的直流电流限制在要求的范围内，且使注入的直流电流基本为恒流。它包括若干个串联的调整电阻单元，各调整电阻单元包括若干个串联的限流电阻R_i，所述各限流电阻R_i与一个相应的PTC自恢复熔断器并联。通过计算适当选择串联支路中各并联支路的高压电阻阻值和PTC电阻阻值，就可以实现自适应调整电阻R随着中性点对地电压的降低而减小，使自适应调整电阻R的变化特性如图7所示，可以有效地将注入故障系统的直流电流限制在要求的范围内，且使注入的直流电流基本为恒流。

Description

一种正特性自适应调整电阻

技术领域

本实用新型涉及一种基于直流注入原理的配电网单相接地故障选线定位技术中的正特性自适应调整电阻，属于配电网故障检测的技术领域。 

背景技术

我国配电网的中性点运行方式采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障后不形成短路回路，只有系统分布电容引起的很小的零序电流，使得配电网单相接地故障线路和定位非常困难，是一直以来没有得到彻底解决的技术难题。 

对于中性点非有效接地系统，发生单相接地故障时，中性点对地电压随过渡电阻的不同而变化，其变化规律为：当过渡电阻为零，即金属性接地时，中性点对地电压升高为相电压，随着过渡电阻的增加，中性点对地电压减小，当过渡电阻增大到无穷大，即没有发生单相接地故障时，中性点对地电压为零。 

直流注入法选线定位原理是将整流硅堆和限流电阻串联构成的直流发生器接于接地变压器一次侧中性点，当发生单相接地故障时，从接地变压器一次侧中性点向故障系统注入半波直流电流，通过探测注入的直流电流的流通情况实现单相接地故障选线和定位。这是一种非常有效的选线定位方法。接地变压器一次侧中性点即为配电系统的中性点，由上述单相接地故障时中性点对地电压的变化规律知，如限流电阻为固定阻值，金属性接地时会向故障系统注入较大的直流电流，而高过渡电阻接地故障时，注入到故障系统的直流电流较小。 

为了避免注入的直流电流较大对配电系统造成不利影响，也为了防止注入的直流电流过小不能保证选线定位的准确度，需根据故障时中性点对地电压的 变化情况调节注入直流电流的大小，使注入的直流电流既不影响配电网的运行，又能可靠地检测出单相接地故障。 

通过调节直流发生器中限流电阻的大小调节注入电流的大小。传统的限流电阻阻值调节方法是检测中性点对地电压，根据中性点对地电压的变化控制接触器或晶闸管闭合或断开改变限流电阻网络的取值，达到调节注入电流大小的目的。多个电阻串联构成的限流电阻网络如图1所示，限流电阻R由电阻R₁-R₆串联组成，电阻网络的取值通过开关K₁-K₆的闭合或断开进行调节。开关K₁-K₆可用交流接触器或晶闸管实现，控制开关K₁-K₆的闭合或断开需相应的控制电路实现，而开关K₁-K₆的闭合或断开的数量需根据单相接地故障时中性点对地电压情况实时计算得到。直流注入法单相接地故障检测系统中，电阻网络均需选用高压大功率电阻。上述调节电阻阻值的原理可用图2所示。 

同时，中国专利200920022746一种采用自适应可调电阻的直流注入式选线定位装置，给出了一种采用自适应可调电阻的定位装置，它有接地变压器、直流电流发生器、控制装置；接地变压器接系统母线，在系统故障时取中性点对地电压作为直流电流发生器的电源，通过接地变压器一次线圈向故障系统注入直流；接地变压器一次侧的中性点N和大地之间接直流电流发生器，控制装置接到母线电压互感器的二次侧，监测配电系统是否发生单相接地故障，并控制直流电流的投切，同时测量注入直流电流的大小，直流电流发生器由硅堆D串接自适应可调电阻R和投切开关K、直流测量传感器M A构成。 

但该专利仍然存在一定的问题：虽能实现调节电流大小的功能，电流能够连续可调，但用其构成的直流发生器体积大，电阻投入使用时产生的热量多，温度较高，成本也较高。因此有必要寻找一种可靠、简便、体积小、实用的自 适应可调电阻对注入的电流进行调节。 

PTC的电阻值具有正温度特性，正常工作时呈低阻状态，当电路中流过较大的电流或产生过多的热量，使PTC元件的温度升高至大于等于其居里温度时，阻值快速增大处于动作状态(高阻)，其阻值升高限制了通过电路中的电流，从而实现限电流功能。但PTC元件能安全承受的最高电压(耐压值)仅为几百伏，且因PTC元件的动作电流特性不一致，在电路中不可直接串联使用。因此，PTC元件一般仅用于弱电领域，设计适用于高压条件下的具有PTC电阻特性的电路是亟待解决的问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种正特性自适应调整电阻，它结构简单，成本较低，可以有效地将注入故障系统的直流电流限制在要求的范围内，且使注入的直流电流基本为恒流。 

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种正特性自适应调整电阻，它包括若干个串联的调整电阻单元，各调整电阻单元包括若干个串联的限流电阻R_i，所述各限流电阻R_i与一个相应的PTC自恢复熔断器并联。 

所述调整电阻单元的阻值变化为： 

$R\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{R}_0,(t<t_1)\\ \frac{R_i\&CenterDot;R_{\mathrm{PTC}}}{R_i+R_{\mathrm{PTC}}},(t_1<t<t_1+t_2)\\ R_i,(t>t_1+t_2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：R_i为限流电阻； 

R_PTC＝R₀·e^RT为PTC自恢复熔断器阻值，其中R₀为常温电阻、B为材料常数、 T为温度； 

t₁为R_PTC起始动作时刻(T≥T_c)，T_c为居里温度； 

t₂为R_PTC到达最大工作电阻时刻。 

本实用新型的工作原理为： 

(1)PTC自恢复熔断器特性 

自恢复熔断器是由高分子材料添加导电粒子制成，其基本原理是一种能量的平衡，当电流流过元件时产生热量，所产生的热量一部分散发到环境中去，一部分增加了高分子材料的温度。在工作电流下，产生的热量和散发的热量达到平衡电流可以正常通过，当过大电流通过时，元件产生大量的热量不能及时的散发出去，导致高分子材料温度上升，当温度达到材料结晶融化温度时，高分子材料集聚膨胀，阻断由导电粒子组成的导电通路，导致其内阻能够迅速地无穷倍增大，从而阻断电路中的大电流，电路得到了有效的保护，PTC自恢复熔断器的电阻值与温度的关系如图3所示，其中，Tc：居里温度Tmax：最大温度Tp：最大工作温度Tmin：最小温度元件Rc：开关电阻Rmax：最大电阻Rp：最大工作电阻Rmin：最小电阻元件。当故障排除后，PTC自恢复熔断丝会在几十秒内又恢复到原先的低阻状态，继续导通电路，电阻值恢复的特性曲线如图4所示。 

PTC自恢复熔断器的电阻温度特性是其最大特点，有机高分子材料的PTC热敏电阻在正常状态下，聚合树脂紧密地将导电粒子束缚在结晶状的结构内，构成链状导电通路，呈现低阻状态。当PTC自恢复熔断丝的电流产生的热量大，在其温度上升到材料居里温度点时(正温度特性的起点称为居里点)，使得树脂 融化，体积迅速增大，导电通路被拉断，其阻值会以指数形式陡然增加形成高阻状态。从以上特性曲线分析，同时结合的试验，可以得出其有下列特点： 

·PTC的电阻值R是温度T的单调增加函数(具有正温度系数)； 

·PTC单个器件本身具有自动均流的负反馈效应，为了适应于各种电流大小的需要，可采用并联方式增加元件的总容量。 

当温度恢复正常后，PTC元件的阻值30秒内自行恢复到低阻状态。如图3、图4所示。 

(2)基于PTC的调整电阻 

基于PTC的调整电阻单元实现方案如图5(a)所示，它由PTC自恢复熔断器和限流电阻并联组成。工作过程是：电网正常运行时，即没有发生单相接地故障时，U_i为最小值，流经调整电阻的电流不会产生显著损耗，调整电阻为低阻状态。当电网发生单相接地故障时，电压U_i加大，若流经调整电阻的电流达到PTC自恢复熔断器动作电流且T≥T_c(T_c为居里温度)，R_PTC动作由低阻值向高阻值转变，t₁为起始动作时刻。t₁时刻后PTC阻抗快速增加至无穷大，t₂时刻R_PTC到达最大工作电阻，调整电阻的阻值为R_i。PTC调整电阻的阻值变化如图5(b)，可以由下面的公式描述： 

$R\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{R}_0,(t<t_1)\\ \frac{R_i\&CenterDot;R_{\mathrm{PTC}}}{R_i+R_{\mathrm{PTC}}},(t_1<t<t_1+t_2)\\ R_i,(t>t_1+t_2)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：R_i为固定电阻，可任意设定； 

R_PTC＝R₀·e^BTPTC自恢复熔断丝阻值，R₀为常温电阻、B为材料常数、T为温度； 

t₁为R_PTC起始动作时刻(T≥T_c)，T_c为居里温度； 

t₂为R_PTC到达最大工作电阻时刻。 

(3)正特性自适应调整电阻 

图6为正特性自适应调整电阻实现方案，由PTC调整电阻单元串联组成。选定各个自恢复熔断丝的参数，使电阻随外加电压值呈梯度变化。 

根据中性点非有效接地系统单相接地故障时的中性点对地电压随过渡电阻的变化规律可知，配电网正常运行时，中性点对地电压为零，加在图6串联支路上的电压为零，自适应调整电阻R中没有电流流过。当发生金属性接地故障时，中性点对地电压达最大值等于相电压，加在串联支路上的电压也为最大值，流过该支路的电流较大，支路中的PTC电阻会迅速全部熔断，这时自适应调整电阻由高压电阻器R1-R6串联构成，自适应调整电阻R为最大值，从而大大限制了注入的直流电流幅值，保证向故障系统注入电流自适应调节在一定范围内。当发生经过渡电阻接地故障时，随着过渡电阻的增加，中性点对地电压降低，即加在串联支路上的电压亦随着降低，流过该支路的电流会随着减小，串联支路中的部分PTC电阻会熔断，自适应调整电阻R随着减小；当中性点对地电压降至单相接地故障报警电压阀值时，支路中的PTC电阻都不会熔断，此时自适应调整电阻R达最小值，从而保证了注入直流电流的大小满足直流检测精度的要求。 

本实用新型的有益效果是：综上自适应调整电阻R随着中性点对地电压变化的特征可知，通过计算适当选择串联支路中各并联支路的高压电阻阻值和PTC电阻阻值，就可以实现自适应调整电阻R随着中性点对地电压的降低而减小， 使自适应调整电阻R的变化特性如图7所示，可以有效地将注入故障系统的直流电流限制在要求的范围内，且使注入的直流电流基本为恒流。 

附图说明

图1为常规串联限流电阻网络图； 

图2为调整电阻原理图； 

图3为PTC自恢复熔断丝阻值与温度的对应曲线； 

图4为PTC自恢复熔断丝恢复曲线； 

图5a为PTC调整电阻原理图； 

图5b为PTC调整电阻变化特性； 

图6为正特性自适应调整电阻图； 

图7为自适应调整电阻变化特性图； 

图8为PTC调整电阻的R-U特性图； 

图9为自适应调整电阻用于接地故障选线定位系统原理示意图； 

图10为自适应可调电阻U-I特性、U-R特性。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。 

(1)实验室实验测定PTC调整电阻的R-U图 

实验电路为图6所示电路，其中R1-R6取值100欧姆，PTC电阻常温200欧姆，熔断电流200mA。改变加在图6中支路两端的电压，测得自适应调整电阻R的变化曲线如图8所示。由图8可见，自适应调整电阻R随着电压的升高而增大，达到了自适应调整电阻的特性要求。 

(2)用于10kV配电网单相接地故障选线定位系统 

正特性自适应调整电阻用于10kV配电网单相接地故障选线定位系统时，实施方案如图9所示。图中，R₀为固定阻值电阻，用于测量电流；R_T为自适应可调电阻，由如图6所示电路构成；R为直流发生器限流电阻；U_N为中性点对地电压， 

为自适应可调电阻两端电压，U_R为限流电阻上的电压。 

对10kV配电网，若单相接地故障时，U_N的变化范围为900V-5774V，整流后U_R的变化范围为636V-4100V。为了保证直流电流的探测精度，假设向故障系统注入直流电流不能小于0.5A；为不影响配电网运行，假设将注入直流电流最大不超过2A。 

根据上述条件计算，可得出自适应可调电阻U-I特性、U-R特性曲线如图10所示。 

由图10可见，随着U_R的增加，R_T也增大，直流电流也随着增大，但电流幅值很好地限制在要求的范围内。 

Claims (2)

1.一种正特性自适应调整电阻，其特征是，它包括若干个串联的调整电阻单元，各调整电阻单元包括若干个串联的限流电阻R_i，所述各限流电阻R_i与一个相应的PTC自恢复熔断器并联。

2.如权利要求1所述的正特性自适应调整电阻，其特征是，所述调整电阻单元的阻值变化为：

式中：R_i为限流电阻；

R_PTC＝R₀·e^BT为PTC自恢复熔断器阻值，其中R₀为常温电阻、B为材料常数、T为温度；

t₁为R_PTC起始动作时刻(T≥T_c)，T_c为居里温度；

t₂为R_PTC到达最大工作电阻时刻。 

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