專利名稱：一種自動消弧線圈成套裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力配電網單相接地故障補償技術，具體是采用自動消弧線圈成
套裝置消除電網中單相接地故障的技術。
背景技術：
隨著中低壓配電網日趨復雜，單相接地電容電流不斷增加，導致10kV配電網絡中單相接地電容電流急劇增加。當電網接地電容電流大于IOA后，將帶來一系列危害，主要有兩點(l)故障點接地電流大，電弧很難熄滅，很可能破壞周圍的絕緣，發(fā)展成相間短路或者三相短路故障，造成停電或損壞電力設備的事故；(2)當發(fā)生間歇性弧光接地時，可能產生高達3-5倍相電壓的弧光過電壓，從而引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設備瞬間損壞，波及整個配電網的安全。 目前在配電網接地的故障中，單相接地故障占65 % ，兩相接地故障占20 % ，兩相直接接地短路占10 % ，其余占5 % 。而兩相接地故障絕大部分是由于單相接地故障引起。因此若能設法消除單相接地故障，線路故障將減少80%以上。 為解決單相接地事故，在配電網中性點設置消弧線圈是一種有效措施。消弧線圈相當于并聯在電網接地電容上的一個電感器。當故障發(fā)生時，它能立刻提供一電感電流，補償接地電容電流，使接地點故障電流減小，達到熄滅電弧的目的，并及時準確地選出故障線路予以切除。 現有電網的運行經驗證明，中性點經消弧線圈接地對提高供電電網的可靠性和安全性起到了積極作用。但隨著用戶對供電質量要求的提高，現有消弧線圈的不足也日漸明顯，主要問題是(1)電網中電容電流的變化不能在線實時測量，只能人工計算，誤差較大；
(2) 消弧線圈的調節(jié)需停電退出運行后進行，且不能連續(xù)無級調節(jié)，因而補償效果欠佳；
(3) —些采用新型電力電子技術的產品補償過程中產生大量的諧波干擾，對電力電網不利；
(4) 需要從欠補償到補償或過補償過程，電網發(fā)生鐵磁諧振的危險較大。

實用新型內容本實用新型的目的就在于克服現有技術中的缺陷，提供一種可以在線實時測量，
且能無級自動調節(jié)補償電流，對電力電網不產生干擾的自動消弧線圈成套裝置。 本實用新型的技術方案是采用一種自動消弧線圈成套裝置，所述裝置包括相互連
接的磁控式可調電抗器和主控制器，所述磁控式可調電抗器是多繞組變壓器，所述多繞組
變壓器的一次側線圈與電網中性點連接，所述多繞組變壓器的二次側線圈與所述主控制器
中的驅動電路的輸出端連接，所述主控制器的輸入端分別與設置在所述電網中性點與地之
間的電壓互感器、設置在所述電網中性點與地之間的電流互感器、設置在驅動電路的輸出
端的電流互感器，開關輸入量及輸出開關連接。 其中，所述多繞組變壓器的二次側線圈包括短路繞組和控制繞組， 所述短路繞組分為n段，以串聯方式連接，每段有一個抽頭，通過短路開關Sl Sn與所述短路繞組的一個公共端相連接，不同的開關短接后形成不同的勵磁電流； 所述控制繞組包括一個測量系統(tǒng)的電容、電流的獨立的控制繞組和對輸入電流勵
磁的另一獨立的控制繞組。 其中，所述短路開關采用雙向晶閘管或高性能斷路器實現，其通斷及導通角由所述主控制器的輸出控制信號實現。 其中，所述主控制器中設有數字信號處理器，所述數字信號處理器的輸入端分別與所述電流互感器、電壓互感器連接，在所述數字信號處理器中，輸入信號經依次串接的模/數轉換模塊、系數補償計算模塊、比較器、比例積分控制器和三角載波控制器處理后，所述數字信號處理器輸出端輸出變頻掃頻電流或輸出脈寬調制驅動電流或輸出短路開關信號，所述數字信號處理器的輸出端與所述驅動電路的輸入端連接。 其中，所述驅動電路由絕緣柵雙極晶體管構成全橋電壓型逆變驅動電路，所述驅
動電路的輸入端與所述主控制器的脈寬調制信號輸出端連接，所述驅動電路的輸出端與所
述多繞組變壓器的二次側線圈連接，在所述驅動電路的輸入端并聯有電解電容。 其中，所述變頻掃頻電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的變頻恒幅電流。 其中，所述變頻恒幅電流的頻率是以以先大間隔頻率的電流粗調，在選定區(qū)間后
再進行小間隔頻率的電流的細調的不連續(xù)變化的電流。 其中，所述不連續(xù)變化的電流為2 5秒變化一次頻率的電流。 其中，所述脈寬調制驅動電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的，且
與所述多繞組變壓器的一次側線圈中電流頻率相同、相位相同、方向相反的補償電流，所述
補償電流滿足
■ "《■ <formula>formula see original document page 5</formula> 其中為所述多繞組變壓器的一次側線圈中的電流；[0020] i2為所述多繞組變壓器的二次側線圈中的電流；[0021] a為電流補償系數，-1 < a < 1 ; K為所述多繞組變壓器的一次側線圈匝數和二次側線圈匝數之比；[0023] N為所述多繞組變壓器的二次側線圈的個數。 本實用新型的優(yōu)點和有益效果在于，消弧線圈以特殊的電抗器為基礎，結合有效的控制辦法，技術先進，能夠穩(wěn)定的自動補償和連續(xù)補償，補償效果好，可控性高，是配電網運行的高效安全保護裝置，具有如下特性[0025] (1)無諧波 該可調電抗器設計鐵芯工作在線性區(qū)，同時短路開關采用全開斷方案，理論上來說不產生諧波，不需要額外的濾波裝置，對電網危害小，也降低了成本。多次實驗中實測電抗器的電壓、電流、波形都很好，滿足國家消弧線圈標準規(guī)范的要求，即正常工況下三次諧波分量的最大峰值小于基波分量峰值的3%。[0027] (2)接地殘流小 因為對地電容檢測準確度高，輸出電流連續(xù)可調，所以理論上可以使殘流接近零。實測在額定范圍內的各種等級接地電容電流和中性點電壓下，接地殘流均小于5A。完全符合消弧要求。
(3)連續(xù)無級可調 有別于傳統(tǒng)的調匝式、調氣隙式、調容式消弧線圈，改變短路開關和補償電流值即可改變阻抗值，因此可以非常方便地實現電抗值和輸出電流0-100 %的無級可調。不僅可以精確有效的控制殘流，而且可以適應配電網的發(fā)展變化。[0031] (4)響應速度快 接地故障發(fā)生時，中性點電壓會突變。系統(tǒng)隨時監(jiān)控中性點電壓，一旦發(fā)現異常就立刻(< 5ms)切入補償工作狀態(tài)，三個周波(60ms)內輸出穩(wěn)定的補償電流，符合國家標準。因此能有效的消除雷雨季節(jié)常見的間隔時間很短的連續(xù)多次單相接地故障。[0033] (5)阻抗特性線性度好 在不同接地電容下，令外施電壓在額定電壓0_110%變化，電網補償狀態(tài)下，電抗
器伏安特性保持很好的線性度。
(6)噪音和振動極小 本消弧線圈無傳動、轉動機構，功耗低，所以可靠性高且無噪音和振動。[0037] (7)不會產生鐵磁諧振 本自動消弧線圈成套裝置不補償時，處于高阻抗狀態(tài)，不需要從欠補償到補償，也就不會發(fā)生鐵磁諧振，利于安全。

圖1是本實用新型自動消弧線圈成套裝置的原理圖； 圖2是本實用新型自動消弧線圈成套裝置的補償電流閉環(huán)控制原理圖。
具體實施方式以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。 如圖1所示，本實用新型的具體實現方案是采用一種自動消弧線圈成套裝置。包
括相互連接的磁控式可調電抗器和主控制器，磁控式可調電抗器是四繞組變壓器，變壓器
的一次側線圈與電網中性點連接，所述變壓器的二次側線圈與所述主控制器中的驅動電路
輸出端連接，所述主控制器的輸入端與設置在電網中性點與地之間的電壓互感器連接、與
設置在電網中性點與地之間的電流互感器連接、與設置在驅動電路輸出端的電流互感器連
接、與開關輸入量及輸出開關連接。 變壓器二次側線圈包括短路繞組和控制繞組。短路繞組以串聯方式分五段，每段有一個抽頭，通過雙向晶閘管S1 S5與該短路繞組的一個公共端相連接，不同的開關短接后形成不同的勵磁電流，改變一次側電抗特性?？刂评@組包括兩個獨立繞組，其中一個繞組用來測量系統(tǒng)的電容電流，另一個繞組用來對輸入電流勵磁，改變一次側電抗特性，即CW1為測量控制繞組、CW2為勵磁控制繞組。 如圖2的控制邏輯圖所示，主控制器中設有數字信號處理器，所述數字信號處理器的輸入端與所述電流互感器、電壓互感器連接，在所述數字信號處理器中輸入信號采用閉環(huán)控制方式，經依次串接的模/數轉換模塊、系數補償計算模塊、比較器、比例積分控制器、三角載波控制器處理后，所述數字信號處理器輸出端輸出變頻掃頻電流或輸出脈寬調制驅動電流或輸出短路開關信號，所述輸出端與所述驅動電路的輸入端連接。 主控制器中的檢測和測量模塊分別是電流互感器和電壓互感器，所述電流互感器
和電壓互感器將檢測到的模擬量和數字量輸入到數字信號處理器，數字信號處理器控制器
輸出端實時輸出控制電流，電壓互感器將所測量到的電網中中性線的電壓量輸入到數字信
號處理器，數字信號處理器再依據電網中并聯的電容量，可自動計算出輸出端短路開關檔
位和勵磁補償系數。其中電流、電壓的測量分別通過電流互感器和電壓互感器將大電流、電
壓信號轉變成可測量的模擬量；主控制器通過RS485/RS232等實現與小電流接地選線裝置
和站控系統(tǒng)相連通信，進行數據交換。 短路繞組的分段使得一次側阻抗線圈的功率容量在630KVA最大設計值時的分段阻抗容量為180KVA、280KVA、380KVA、480KVA、580KVA，使得完全補償的范圍從18 % 100% ，如允許一定的殘流并考慮現場實際的運行情況，可認為補償的范圍從0 100% 。對應的短路阻抗值如下表1 :[0047] 表1[0048]
短路等級12345
短路電抗(Q)245. 0141. 3102. 179. 965. 6 勵磁控制繞組能夠通過控制電流跟蹤的實現一次側容量的正、負方向調節(jié)，其容量為短路繞組分段間隔容量的差值的一半，即為50KVA 60KVA。 如系統(tǒng)檢測需進行補償400KVA的感性容量，則計算結果為投入第3檔短路開關，并通過參數計算補償電流，使得勵磁控制容量為20KVA，實現完全補償，為保證電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，一般設為過補償，即補償30KVA即可。 勵磁繞組中的脈寬調制驅動電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的，與變壓器一次側線圈中電流頻率相同、相位相同、方向相反的補償電流，所述補償電流應滿足 式中A為所述多繞組變壓器的一次側線圈中的電流；[0054] i2為所述多繞組變壓器的二次側線圈中的電流；[0055] a為電流補償系數，-1 < a < 1 ; K為所述多繞組變壓器的一次側線圈匝數和二次側線圈匝數之比；[0057] N為所述多繞組變壓器的二次側線圈的個數。 測量控制繞組的變頻掃頻電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的變頻恒幅電流，所述變頻恒幅電流的頻率是以先大間隔頻率的電流粗調，在選定區(qū)間后再進行小間隔頻率的電流的細調的不連續(xù)變化的電流，所述變化的電流為2 5秒變化一次頻率的電流。 當數字信號處理器輸出其中某個頻率的電流時，勵磁電感與電網對地電容發(fā)生并聯諧振，數字信號處理器將此頻率記錄下來，采用下面的算法，即可計算出對應的電網電
75/5頁容。 由于消弧線圈(電抗器)的一、二次側漏抗^、^遠小于其勵磁變壓器的電抗Xm， 它們對檢測值的影響較小，可忽略。在消弧線圈的二次側利用P麗逆變器向二次側線圈注 入一個頻率變化而幅值恒定的電流i2，若當i2的頻率為f時，電抗器自身勵磁電感L與電網
對地電容C發(fā)生諧振，則由諧振條件(2Jif)2LC = l，可得到電網對地電容為:C= 1 2 由此可得，電網發(fā)生單相接地故障時的電容電流為 /一^po^C:^^ 其中仏為電網發(fā)生單相接地故障時中性點電位，f。為電網的固有頻率。
在通信及接口方面有數字信號處理器的串口 、 CAN總線接口 、與上位機通訊接口
(可選用RS485)。與上位機通訊接口主要是上傳所需要顯示的各種數據。 控制繞組中驅動模塊與數字信號處理器輸出端之間連接有橋式整流電路，橋式整
流電路的輸入端與電源連接，所述橋式整流電路的輸出端與主控制器連接，用于向主控制
器提供電源。 在本實施例中，為了實現補償快速響應，在啟動補償前把電解電容充上一定電壓， 所以把各個驅動電路與充電電容并聯在一起，由電源集中充電，同時也能使各模塊電容電 壓保持相等。 在系統(tǒng)不投入時，不斷的進行掃頻，以隨時準確測算系統(tǒng)的對地電容值；一旦檢測 到系統(tǒng)發(fā)生接地故障，立即根據該電容值計算出對應的短路開關檔位和勵磁控制繞組應補 償的容量及參數，并立即控制輸出短路開關和勵磁電流，實現系統(tǒng)的感性補償。在檢測到系 統(tǒng)故障消失后，立即停止勵磁電流輸出和輸出關斷短路開關，補償退出，退出速度快，有效 防止系統(tǒng)鐵磁諧振發(fā)生。 該系統(tǒng)在不投入時，對外呈現為高阻抗狀態(tài)，不影響電網系統(tǒng)的正常運行。在系統(tǒng) 投入過程中，為從高阻狀態(tài)轉變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，不存在容感特性轉變過程，平穩(wěn)可靠。 本實用新型采用電力電子和自動控制的技術，通過主控制器的控制輸出，對變壓 器二次側注入變頻電流，再通過模擬量采樣輸入，實時檢測電網對地電容和監(jiān)測電網中性 點電壓，在發(fā)生電網單相接地故障后的毫秒(ms)內，即可判斷故障發(fā)生并切入補償狀態(tài)。 本實施例自動消弧線圈成套裝置用于控制消弧準確靈敏、可控性好、無諧波。對瞬時性單相 接地故障具有良好的快速補償效果，對非瞬時性單相接地故障既能快速判斷故障線路，又 可以按傳統(tǒng)消弧線圈接地方式持續(xù)運行。 以上為本實用新型的最佳實施方式，依據本實用新型公開的內容，本領域的普通 技術人員能夠顯而易見地想到的一些雷同、替代方案，但這些方案均應落入本實用新型保 護的范圍。
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權利要求一種自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述裝置包括相互連接的磁控式可調電抗器和主控制器，所述磁控式可調電抗器是多繞組變壓器，所述多繞組變壓器的一次側線圈與電網中性點連接，所述多繞組變壓器的二次側線圈與所述主控制器中的驅動電路的輸出端連接，所述主控制器的輸入端分別與設置在所述電網中性點與地之間的電壓互感器、設置在所述電網中性點與地之間的電流互感器、設置在驅動電路的輸出端的電流互感器，開關輸入量及輸出開關連接。
2. 如權利要求1所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述多繞組變壓器的二次側線圈包括短路繞組和控制繞組，所述短路繞組分為n段，以串聯方式連接，每段有一個抽頭，通過短路開關SI Sn與所述短路繞組的一個公共端相連接，不同的開關短接后形成不同的勵磁電流；所述控制繞組包括一個測量系統(tǒng)的電容、電流的獨立的控制繞組和對輸入電流勵磁的另一獨立的控制繞組。
3. 如權利要求2所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述短路開關采用雙向晶閘管或高性能斷路器實現，其通斷及導通角由所述主控制器的輸出控制信號實現。
4. 如權利要求1所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述主控制器中設有數字信號處理器，所述數字信號處理器的輸入端分別與所述電流互感器、電壓互感器連接，在所述數字信號處理器中，輸入信號經依次串接的模/數轉換模塊、系數補償計算模塊、比較器、比例積分控制器和三角載波控制器處理后，所述數字信號處理器輸出端輸出變頻掃頻電流或輸出脈寬調制驅動電流或輸出短路開關信號，所述數字信號處理器的輸出端與所述驅動電路的輸入端連接。
5. 如權利要求4所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述驅動電路由絕緣柵雙極晶體管構成全橋電壓型逆變驅動電路，所述驅動電路的輸入端與所述主控制器的脈寬調制信號輸出端連接，所述驅動電路的輸出端與所述多繞組變壓器的二次側線圈連接，在所述驅動電路的輸入端并聯有電解電容。
6. 如權利要求4所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述變頻掃頻電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的變頻恒幅電流。
7. 如權利要求6所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述變頻恒幅電流的頻率是以先大間隔頻率的電流粗調，在選定區(qū)間后再進行小間隔頻率的電流的細調的不連續(xù)變化的電流:、、'右'
8. 如權利要求7所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述不連續(xù)變化的電流為2 5秒變化一次頻率的電流。
9. 如權利要求4所述的自動消弧線圈成套裝置，其特征在于，所述脈寬調制驅動電流是所述數字信號處理器傳送到所述驅動電路的，且與所述多繞組變壓器的一次側線圈中電流頻率相同、相位相同、方向相反的補償電流，所述補償電流滿足Z， =一 —&其中ii為所述多繞組變壓器的一次側線圈中的電流.」"、、點為所述多繞組變壓器的二次側線圈中的電流a為電流補償系數，-1 < a < 1K為所述多繞組變壓器的一次側線圈匝數和二次側線圈匝數之比；N為所述多繞組變壓器的二次側線圈的個數。
專利摘要本實用新型涉及一種自動消弧線圈成套裝置，包括相互連接的磁控式可調電抗器和主控制器，所述磁控式可調電抗器是多繞組變壓器，所述多繞組變壓器的一次側線圈與電網中性點連接，所述多繞組變壓器的二次側線圈與所述主控制器中的驅動電路的輸出端連接，所述主控制器的輸入端分別與設置在電網中性點與地之間的電壓互感器、設置在電網中性點與地之間的電流互感器、設置在驅動電路輸出端的電流互感器、開關輸入量及輸出開關連接。本實用新型的優(yōu)點在于，消弧線圈以特殊的電抗器為基礎，結合有效的控制辦法，能夠穩(wěn)定的自動補償和連續(xù)補償，補償效果好，可控性高，是配電網運行的高效安全保護裝置。
文檔編號H02H9/08GK201466720SQ200920222690
公開日2010年5月12日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者丁文杰, 吳明玉, 李建會 申請人:廣東中玉科技有限公司