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1、 中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 姓 名： XXX 学 号： ： XXXXXXX 学 院： 信息与信息与电电气工程学院气工程学院 专 业： 电电气工程与自气工程与自动动化化 设计题目： 消弧消弧线线圈的圈的调谐调谐控制方法研究控制方法研究 专 题： 指导教师： XXX 职 称： 教授教授 2008 年 6 月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书 学院信信电电学院学院专业年级 电电气工程与自气工程与自动动化化 05-5 学生姓名 XXX 任任务务下下达达日日期期： 2009年年 2月月 16日日 毕业设计日期：毕业设计日期：2009年年 2月月 16日至日至 2009年年 6月月 20日
2、日 毕业设计题目：毕业设计题目： 消弧消弧线线圈的圈的调谐调谐控制方法研究控制方法研究 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求： 1. 弄清并理解配弄清并理解配电电网的中性点接地方式和它网的中性点接地方式和它们们各自的特各自的特 点，消弧点，消弧线线圈的工作原理、作用和特点。圈的工作原理、作用和特点。 2. 弄清并熟悉消弧弄清并熟悉消弧线线圈的各种圈的各种调谐调谐控制方法，并作分析控制方法，并作分析 比比较较。 。 3. 在分析比在分析比较较消弧消弧线线圈的各种圈的各种调谐调谐控制方法的基控制方法的基础础上，上， 提出一种提出一种调谐调谐控制方法，
3、并用微机数字信号控制方法，并用微机数字信号处处理方法理方法 实现实现之。之。 4. 用用 MATLAB 软软件工具搭建小件工具搭建小电电流接地流接地电电网，并以网，并以 MATLAB 软软件工具件工具设计设计和搭建所提和搭建所提实现实现方法的方法的电电路。路。 5. 用由用由 MATLAB 软软件工具搭建的小件工具搭建的小电电流接地流接地电电网仿真，网仿真， 来来验证验证自己分析和自己分析和设计设计的准确性。的准确性。 院长签字： 指导教师签字： 摘 要 目前，电力系统常用的接地方式有四种：中性点直接接地、中性点经消弧线 圈接地、中性点经电阻器接地和中性点不接地。其中，中性点经电阻器接地按照
4、接地电流的大小又分为高阻接地和低阻接地。 在我国配电网中，普遍采用了中性点经消弧线圈接地的接地方式，这种接地 方式大大提高了电网的供电可靠性。但是随着电网规模的不断扩大，系统的运行 方式变化很大，传统手动调节的消弧线圈很难实现接地电容电流的实时检测和自 动补偿，使得对接地电流的补偿效果很差，无法满足配电自动化的要求。因此， 自动跟踪补偿的消弧线圈及其调谐控制技术应运而生。 本文的工作是针对目前的电力系统工作特点，为提出更新而且有效的消弧线 圈调谐控制方法而展开的。 本文首先介绍了当前消弧线圈调谐控制技术的发展状况，其中包括现有的几 种消弧线圈类型以及现有的几种消弧线圈自动调谐控制方法：中性点位
5、移电压、 动态调谐方法和注入信号法等等。然后通过 MATLAB 对各种方法进行仿真分析， 并深入研究其控制理论。 接下来根据以上的理论分析和学习，在原有方法的基础上，提出一种新的调 谐控制方法-电容电流增量法。然后通过 MATLAB 仿真分析，验证其可行性和误 差等。其中，为了通过误差分析寻找外加电容的理想范围，本文做了大量仿真分 析工作。 最后针对本次设计做出总结。 关键词：消弧线圈； 消弧线圈调谐控制； MATLAB 仿真分析 ABSTRACT Atpresent, the power system grounding methods commonly used in four categ
6、ories: neutral-point solid ground, neutral-point grounding through arc-suppression coil, neutral-point grounding through resistors, insulated neutral-point. Among them, the neutral grounding through resistor, is divided into high-resistance grounding and low- resistance grounding according to the cu
7、rrent of the grounding resistance. In the distribution networks in China, the grounding mode of neutral-point grounding through arc-suppression coil is widespreadly used, which greatly enhanced the supplying reliability of the power grids. However, with the increasing of grid size, the system operat
8、ion modes have changed a lot, and the traditional manual adjustment of the arc-suppression coil is very difficult to achieve real-time detection of the grounding capacitive current and automatic compensation, and this makes the effect of grounding current compensation very poor, which is unable to m
9、eet the requirements of distribution-automation. Therefore, the automatica tracking compensation arc-suppression coil and its control technology came into being. The work of this article is carried out, targeted at the power system characteristics, to propose new and effective arc-suppression coil c
10、ontrol method . This paper first introduces the current development of arc-suppression coil control technology, including several existing types of arc-suppression coil, as well as several existing automatic control methods of arc-suppression coil: neutral point displacement voltage method, dynamic
11、tuning control method , signal injection method and so on. And then use the MATLAB simulation to analyze the various control methods , and study those control theoriesdeeply. Then according to the above theoretical analysis and study, and based on the original methods, birng up a new control method
12、for arc-suppression coil - Capacitive current incremental method. And then through the MATLAB simulation analysis to verify its feasibility and errors. In which, in order to search for the ideal range of additional capacitance through the error analysis , this article has done a lot of simulation an
13、alysis. At final, I sum up my design. KeKey words: arc-suppression coil; control of arc-suppression coil; MATLAB Simulation 目 录 1 1 引言引言 .1 1.1 中性点接地方式及特点1 1.1.1 大接地电流系统 .1 1.1.2 小接地电流系统 .1 1.1.3 我国电力系统接地方式现状 .3 1.2 消弧线圈工作原理、作用和特点3 1.2.1 消弧线圈工作原理 .3 1.2.2 消弧线圈的作用和特点 .4 1.3 消弧控制技术的发展现状5 1.3.1 消弧线圈结构的
14、发展现状 .5 1.3.2 自动消弧线圈调谐控制方式的发展现状 .5 1.3.3 谐振接地系统消弧线圈调谐原理的发展现状及意义 .7 1.4 本文研究内容和主要工作7 2 2 消弧线圈的结构原理消弧线圈的结构原理 .9 2.1 气隙可调式消弧线圈9 2.2 自动调匝式消弧线圈.10 2.3 三相五柱组合式消弧线圈.10 2.4 直流偏磁式消弧线圈.10 2.5 磁阀式消弧线圈.11 2.6 调容式消弧线圈.12 2.7 主辅式电子控制消弧线圈.13 3 3 谐振接地系统基础分析谐振接地系统基础分析 14 3.1 补偿电网正常运行情况分析.14 3.2 补偿电网发生单相接地故障后的情况.16 4
15、 4 现有消弧线圈调谐控制方法的原理及分析现有消弧线圈调谐控制方法的原理及分析 19 4.1 位移电压原理.19 4.1.1 位移电压原理理论 19 4.1.2 MATLAB 验证分析.19 4.2 离线调谐原理.21 4.2.1 离线调谐原理理论 21 4.2.2 MATLAB 验证分析.22 4.3 阻抗三角形调谐原理.23 4.3.1 阻抗三角形调谐原理理论 23 4.3.2 MATLAB 验证分析.24 4.4 实时测量调谐原理.25 4.4.1 实时测量调谐原理理论 25 4.4.2 MATLAB 验证分析.26 4.5 调容式消弧线圈的自动调谐原理.27 4.5.1 调容式消弧线圈
16、的自动调谐原理理论 27 4.5.2 MATLAB 验证分析.28 4.6 磁阀式的调谐原理.29 4.6.1 磁阀式的调谐原理理论 29 4.6.2 MATLAB 验证分析.30 4.7 注入信号调谐原理.31 4.7.1 注入信号调谐原理理论 31 4.7.2 MATLAB 验证分析31 4.8 其他调谐控制方法.32 5 5 新方法的提出和分析新方法的提出和分析 34 5.1 相位调谐方法.34 5.2 新方法的提出.35 5.3 MATLAB 分析 36 5.3.1 误差分析 36 5.3.2 调谐误差解析分析 40 5.3.3 误差影响因素分析 42 5.3.4 外加电容选择分析 4
17、4 6 6 结论结论 47 致致 谢谢 48 参考文献：参考文献： 49 翻译部分翻译部分 51 中文译文 51 英文原文 55 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 引言 1.1 中性点接地方式及特点 电力系统的中性点接地方式涉及电网的安全运行，供电可靠性，过电压和绝 缘的配合，继电保护，接地设计等多个因素，而且对通信和电子设备的电子干扰、 人身安全等方面有重要影响。 所谓电力系统的接地方式，是指电力系统中的发电机和变压器的中性点与大 地的连接方式。其可以分为大接地电流系统和小接地电流系统，前者即中性点直 接接地电流系统，后者又分为中性点不接地系统和中性点经消弧线
18、圈或电阻接地 系统。中性点接地方式的选择涉及技术、经济、安全等多方面，是一个综合性的 问题，由于各国电力技术的水平和条件、运行经验等因素的不同，各个国家对这 个问题的处理方式不尽相同。 1.1.11.1.1 大接地电流系统大接地电流系统 大接地电流系统，即将中性点直接接地。该系统运行中若发生单相接地故障 时，就形成单相接地短路，线路上将流过很大的短路电流，使线路保护装置迅速 动作，断路器跳闸切除故障。大电流接地系统在发生单相接地故障时，中性点电 位仍为零，非故障相对地电压基本不变，这是它的最大优点。因此在这种系统中 的输电设备绝缘水平只需按电网的相电压考虑，较为经济。此外，该系统单相接 地故障
19、时，不会产生间歇性电弧引起的过电压，不会因此而导致设备损坏。大接 地电流系统不装设绝缘监察装置。中性点直接接地系统缺点也很多： 首先是发生单相接地故障时，不允许电网继续运行，防止短路电流造成较大 的损失，因此可靠性不如小接地电流系统。 其次中性点直接接地系统在运行中若发生单相接地故障时，其接地点还会产 生较大的跨步电压与接触电压。此时若工作人员误登杆或误碰带电导体，容易发 生触电伤害事故。对此需要加强安全教育和正确配置继电保护及严格的安全措施， 以避免事故。 第三，中性点直接接地系统单相接地故障时产生的接地电流较大，对通讯系 统的干扰影响也大，特别是当电力线路与通讯线路平行走向时，由于耦合产生
20、感 应电压，对通讯造成干扰。 1.1.21.1.2 小接地电流系统小接地电流系统 小电流接地系统，即中性点不接地或经消弧线圈或电阻接地系统。小接地电 流系统可分为中性点不接地系统，中性点经消弧圈接地或经电阻接地系统。 （1）中性点不接地系统 中性点不接地系统，即是中性点对地绝缘。这种接地方式结构简单，运行方 便，不需任何附加设备，投资经济。适用于 10KV 架空线路为主的辐射形或树状 形的供电网络。中性点不接地系统优点在于发生单相接地故障时，由于接地电流 很小，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 的对称
21、性，根据安全规定，系统发生单相接地故障后可允许继续运行不超过两小 时，从而获得排除故障时间，相对地提高了供电的可靠性。中性点不接地方式缺 点在于因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生 弧光接地时，电弧的反复熄火与重燃，也是向电容反复充电过程。由于对地电容 中的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其 值可达很高的倍数，对设备绝缘造成威胁。 （2）中性点经消弧线圈接地 中性点经消弧线圈接地系统，即是将中性点通过一个电感消弧线圈接地。自 从 1916 年发明了消弧线圈至今，中性点经消弧线圈接地系统已有 80 多年的历史。 中性点经消弧线圈接地的优
22、点在于其能迅速补偿中性点不接地系统单相接地时产 生电容电流，减少弧光过电压的发生。虽然中性点不接地系统具有发生单相接地 故障仍可以继续供电的突出优点，但也存在产生间歇性电弧而导致过电压的危险。 当接地电流大于 30A 时，产生的电弧往往不能自熄，造成弧光接地过电压概率增 大，不利于电网安全运行。而消弧线圈是一个具有铁心的可调电感，当电网发生 接地故障时，接地电流通过消弧线圈时呈电感电流，对接地电容电流进行补偿， 使通过故障点的电流减小到能自行熄弧范围。而当电流过零而电弧熄火后，消弧 线圈尚可减少故障相电压的恢复速度，从而减少了电弧重燃的可能，有利于单相 接地故障的消除。此外，通过对消弧线圈无载
23、分接开关的操作，使之能在一定范 围内达到过补偿运行，从而达到减小接地电流。这可使电网持续运行一段时间， 相对地提高了供电可靠性。 中性点经消弧线圈接地系统的缺点主要在于零序保护无法检出接地的故障线 路。当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处 于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、 零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。其次，消弧线圈本身是感性元件， 与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压。第三、中性点经消 弧线圈接地仅能降低弧光接地过电压的概率，还是不能彻底消除弧光接地过电压， 也不能降低弧光接地过电压的幅值。 （3）
24、中性点经电阻接地 中性点经电阻接地系统，即是在中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻。 该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放 元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优 越性。另外采用电阻接地方式的变电所当发生单相金属性接地后，健全相电压上 升至系统电压，接地跳开后，三相电压迅速恢复到正常值，接地点电流值由系统 电容电流的大小和中性点电阻值共同决定。在发生非金属性接地时，受接地点电 阻的影响，流过接地点和中性点的电流比金属性接地时有显著降低，同时，健全 相电压上升也显著降低，零序电压值约为单相金属性接地的一半。由此可见，采 中国矿业大
25、学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 用中电阻接地方式能在单相接地故障时产生限流降压作用，对设备绝缘等级要求 较低，其耐压水平可以按相电压来选择。 中性点经电阻接地系统的缺点在与由于接地点的电流较大，当零序保护动作 不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。 此外当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸， 使线路的跳闸次数大大增加，影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。 总之，在三相交流电力系统中，采用哪种接地方式要根据电压等级的高低、 系统容量的大小、线路的长短和运行气象条件等因素经过技术经济综合比较来确 定的，以达到
26、较好的工程效果。 1.1.31.1.3 我国电力系统接地方式现状我国电力系统接地方式现状 目前我国电力系统中性点的运行方式，大体是： (1)对于 6-10kV 系统，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于设备造价影响不 大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。 (2)对于 110kV 及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护 装置，一般均采用中性点直接接地的方式，并采用送电线路全线架设避雷线和装 设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。 (3)20-60kV 的系统，是一种中间情况，一般单相接地时的电容电流不很大， 网络不很复杂，设备绝缘水平的提高或降低对
27、于造价影响不很显著，所以一般均 采用中性点经消弧线圈接地方式。 (4)1KV 以下的电网的中性点采用不接地方式运行。但是电压为 380/220V 的 系统，通常采用三相五线制。 1.2 消弧线圈工作原理、作用和特点 1.2.11.2.1 消弧线圈工作原理消弧线圈工作原理 在中性点不接地的电力系统发生单相接地时，接地点会流过较大的电容电流。 该电容电流是正常运行时一相对地电容电流的 3 倍，且超前故障相电压 90。 中性点经消弧线圈接地电力系统在发生单相接地时的电路图和向量图如下1： 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 UA UB UC IcBIcA IC IL 图 1
28、.1 消弧线圈接地系统单相接地电路图 UC ILIC 0 图 1.2 消弧线圈接地系统单相接地向量图 消弧线圈实际上就是带气隙铁心线性电感线圈，其电阻很小，感抗很大。 由图 1.1 可见，在中性点经消弧线圈接地系统中，当发生单相接地故障时， 流过接地点的电流是接地电容电流与流过消弧线圈的电感电流之和。从图 1.2 C I L I 可见，超前90，而滞后90，所以与相差 180，在接地点互 C I C U L I C U C I L I 相补偿。这就是消弧线圈的基本工作原理。 1.2.21.2.2 消弧线圈的作用和特点消弧线圈的作用和特点 配电网中性点装设消弧线圈，主要是为了自动消除由于电网接地
29、故障所引发 的接地电弧。其作用的原理有两个： 一是消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限制了接地故障电流 的破坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭； 二是当残流过零熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免 接地电弧的重燃并使之彻底熄灭。 由于接地故障电流的减小，有力的限制了接地电流和电弧的电动力、热效应 和空气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成永久性故障的概率，使故 障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电压的恢复初速度，如此，接地电 弧得以彻底熄灭，谐振接地电网便在瞬间恢复了正常运行。 对于消弧线圈的正确调谐，即电感电流接地或等于电容电流，工程上用脱谐 中国矿业
30、大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 度来描述调谐程度: LLC III)( 当=0 时，称为全补偿，当0 时为欠补偿，,称为过补偿； C L 3 1 L I C I （3）欠补偿。当时，,称为欠补偿。 C L 3 1 L I C I 在过去的概念中，全补偿时禁区，是绝不可及的状态。但是，在现如今先进 的自动跟踪补偿系统中去可以实现全补偿。不过，消弧线圈的电感电流只能对基 波电容电流进行补偿，补偿电网的调谐度也是要求是接地点的残余电流尽量小， 而对电阻性电流和高频电流，消弧线圈的电感电流却无能为力。为了消除阻性和 高频分量，可安装宽带补偿装置，该装置可实现对阻性和高频电容电流的
31、全补偿， 因此，实现接地点的电流为零。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页 4 现有消弧线圈调谐控制方法的原理及分析 上一章详细阐述了谐振接地系统在正常运行状态和故障状态下的情况，只有 深入分析两种情况下各自的特点，才能寻找到合理而有效地消弧线圈调谐控制方 法。 其实，消弧线圈自动调谐的核心问题，是怎么实现在线测准电网对地的电容 电流。电网运行方式改变后，其对地的电容参数将随之改变。因此，对地的电容 电流会有相应变化。为了保证在任何运行方式下的残流或脱谐度在规程允许范围 之内，必须使消弧装置的电感电流对电网电容做跟踪调整，即实现自动跟踪补偿。 据此，目前国内外有：中
32、性点位移电压法、阻抗三角形法、注入信号法、实时测 量原理、调容原理等等。下面具体介绍各个理论及部分验证结论。 4.1 位移电压原理 4.1.14.1.1 位移电压原理理论位移电压原理理论4 位移电压原理是利用串联调谐试验测得的中性点位移电压来计算电网的电容 电流。它简单直观、最易实现。但是，前提是消弧线圈必须串联或并联电阻后方 可采用这种方法，否则，谐振时中性点位移很高，将大大超过规程允许值。 通过对谐振接地电网的等值分析，得到如图 4.1 所示的谐振接地系统正常运 行时的零序等值电路。由该图和第三章所述可知，中性点位移电压 22 0 d U U bd 即随着的变化而变化。当=0 时，中性点位
33、移电压最大。因此，调节消弧线 0 U 圈的匝数或改变气隙可调式消弧线圈的气隙大小等，均可测得不同值的中性位移 电压值。当中性点位移电压最大时，单相接地故障点残流最小，脱谐度最小。 Ubd XC XL I0 U0 图 4.1 谐振接地系统零序等值电路 这种测量原理仅适用于电网不对称度较小的场合，对于不对称度大的电网， 当5%时，中性点位移电压将大于 15%相电压，超过规程的规定。此外，在不对 称电压很低，且电网电容电流比较大的场合，如全电缆大电网情况下，所测谐振 点不明显，会给测量带来较大误差。 4.1.24.1.2 MATLABMATLAB 验证分析验证分析 以理论分析为基础，现对位移电压原理
34、进行 matlab 的分析。如图 4.2 为 matlab 仿真电路图。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 21 页 图 4.2 位移电压原理仿真电路 仿真方法： 1.搭建仿真电路，如图 4.2 所示； 2.仿真线路分布参数： R1=0.01273/km；R0=0.3864/km；L1=0.9337mH；L0=4.1264mH；C1=0.01274 F；C0=0.007751F。 但是在实际仿真中，主要目的是验证理论的正确性，所以参数只要合理即可。 3.通过不断地改变消弧线圈的电感值，利用电压表读取并记录不同电感值下 所对应的中性点偏移电压。 0 U 4.通过 matlab
35、 语言编程，绘制位移电压曲线，验证该理论。 通过仿真，得到如图 4.3 所示的位移电压曲线： 20253035404550556065 20 30 40 50 60 70 80 90 100 IL 中 中 中 中 中 中 中 U0 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 22 页 图 4.3 位移电压曲线 需要说明的是，虽然顺利的得到了该位移电压曲线。但是，在谐振点附近调 整消弧线圈大小时，其仿真实际值会出现一定得波动。这也反映出在该调谐理论 的实际应用中，参数、条件会对其造成一定影响，形成误差，降低调谐精度。 4.2 离线调谐原理 4.2.14.2.1 离线调谐原理理论离线调谐
36、原理理论4 这种调谐控制原理通常仅用于调匝式消弧线圈且不串联电阻器，进行离线测 量的场合。谐振接地电网在正常运行情况下的等效电路图如图 4.4 所示。 Ubd XC XL T1 T2 Un1 Un2 图 4.3 消弧线圈离线测量等效电路 有图所示，当消弧线圈处于某一分接头时，其电抗值是可知的。那么，未知 而待求的就是。调整一次消弧线圈的分接头位置，测出对应分接头 T1 和 T2 C X 位置上的中性点电压和，以及它们之间的相角差，或者测出消弧线圈中 1n U 2n U 电流和以及它们之间的相角差，然后，就可依据已知的电抗和三个测量值 01 I 02 I 计算出电网的实际和脱谐度。 C X 忽略
37、电网中损耗后，测得对应分接头 T1 和 T2 的中性点位移电压和， 1n U 2n U 并有如下关系式： C LC bd L CL bdbd n I II U X XX U C L LU U 1 1 1 1 1 1 1 （4.1） C LC bdbd n I II U C L LU U 2 2 2 2 1 （4.2） 由式（4.1）和（4.2）经推导后，得 2 1 1 2 1 2 1 n n L n n L C U U I U U I I （4.3） 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 23 页 式中， 电网对地电容电流，A； C I 、对应于消弧线圈在分接头 T1 和 T2
38、 时的电感电流，A； 1L I 2L I 、对应于消弧线圈在分接头 T1 和 T2 位置时测得的中性点 1n U 2n U 偏移电压，V； 由式（4.3）可见，测得两次中性点位移电压后，电网三相对地电容电流即 可按此式算出，而电网的脱谐度为： L CL C LC X XX I II 在已知了、后，按照此式就可求出电网的脱谐度。 C I 1L I 2L I 这种方法，要求在欠补偿状态下求取位移电压曲线的连续上升部分，在过补 偿状态下求取位移电压曲线的连续下降部分。如果位移电压曲线比较平缓，则计 算结果误差较大。为增进准确度，可采用多点计算的平均值。另外，此调谐控制 原理一般适用于电网阻尼率比较小
39、，允许脱谐度大于 10%的场合。当要求脱谐度 小，且串入阻尼电阻后，这种方法的计算结果误差较大，此时不宜采用这种方法。 4.2.24.2.2 MATLABMATLAB 验证分析验证分析 通过 matlab 对离线调谐控制原理进行分析。仿真电路如图 4.5 所示。 图 4.5 离线调谐原理仿真电路 仿真说明： 在进行仿真的时候，通过参数设置，实际上我们是可以直接计算出仿真电路 电容电流的，即 )3(CE X E I C C 利用理论求得的，与按此方法仿真所得的进行比较，可大致分析验证此 C I C I 种方法的精确性。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 24 页 在仿真中，调
40、整消弧线圈的电感值，测量不同状态下的中性点位移电压，并 记录处理。需要说明的是，所需电感电流、，并非电流表所测得的正常运 1L I 2L I 行状态下消弧线圈流过的电流，而是按照 L L X E I 所得的故障状态下，消弧线圈可提供的电感补偿电流。将仿真数据处理如下： v1=79.2; v2=48; i1=20412.415/(4*2*pi*50);i2=20412.415/(5*2*pi*50); ic=(i2-v1*i1/v2)/(1-v1/v2) ic0=20412.415*3*2*pi*50*7.751e-9*100 wucha=abs(ic-ic0)/ic0) 所得结果为： ic =
41、21.2417；ic0 = 14.9116；wucha =0.424 其中，ic 是理论计算所得对地电容电流；ic0 是仿真电网的实际电容电流； wucha 是仿真误差。 从所得数据可以看出，在此仿真中，按照理论得到的结果虽应该不存在理论 性的错误，但是去存在着较大的误差。这主要是电网阻尼率参数设置的不够小的 原因。另外，仿真时所取仿真点较少也可能造成一定影响。不过还是充分说明， 在实际应用中，此离线调谐原理受电网参数限制较大。若电网参数不符合，如阻 尼率较大时，此种原理误差较大，不宜采用。 4.3 阻抗三角形调谐原理 4.3.14.3.1 阻抗三角形调谐原理理论阻抗三角形调谐原理理论4 如上
42、所述，离线调谐原理不适用于要求脱谐度较小，且串入阻尼电阻，或者 说阻尼率较大的场合，这时，阻抗三角形法是可以算是一个有效的方法。 对于预调式消弧线圈，由于中性点加了阻尼电阻，就可以利用串联谐振回路 中的电阻、电抗之间的阻抗三角形关系来计算对地电容。由于电网阻尼相对于阻 尼电阻来说很小，利用忽略电网阻尼后的串联谐振等效回路及阻抗三角形，测量 时改变一次消弧线圈的电感值，取得相应的流过中性点消弧线圈电流和中性点不 平衡电压，利用阻抗三角形阻抗夹角的变化求解三角形关系式得到相应的。 C X 由于在计算中忽略了消弧线圈的损耗电阻和电网阻尼，理论误差一般在 5左右。 对于中性点不接阻尼电阻的“随调式”消
43、弧线圈，阻抗三角形的阻抗夹角很小， 计算误差大，所以，此方法一般只适用于中性点加装阻尼电阻的“预调式”消弧 线圈。如图 4.6 给出了这一调谐原理的等效电路及阻抗三角形关系。 如图所示，在电网不对称电压的作用下，回路中有电流。在使用调匝式 bd U 消弧线圈在线调节两个档位后，或使用气隙可调式消弧线圈任意改变一个气隙后， 均可得到相应的电流和，以及他们之间的相角差。根据阻抗三角形关系， 01 I 02 I 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 25 页 可得： RIU ZIU XZ bd bd cos cossin 02 101 121 从而有， Ubd XC XL T1 T2
44、 R o R 01 1 I U Z bd 01 1 I U Z bd 12 X LC XX (a)等效电路 （b）阻抗三角形关系 图 4.6 阻抗三角形原理图 ；1 )( sin2 2cos 2101 02 LL XXI RI ； 1LC X tg R X CC XEI 11) ( LLC XXX 由此即求得了电网的电容电流值和当前脱谐度。 C I 目前，用于自动跟踪补偿的气隙可调和在线调匝式消弧线圈串联电阻方式， 多采用这一调谐原理。但是，由于单相接地故障发生后，阻尼电阻 R 上将流过较 大的电流使电阻发热，因此，在实际应用中，应对其采取可靠的快速切除措施。 也就是说，在发生单相接地故障时，
45、要将其快速切除。 4.3.24.3.2 MATLABMATLAB 验证分析验证分析 搭建仿真电路，如图 4.7 所示， 按照理论所述方法进行仿真。首先，在= L X 时，测得此时的电感电流为；在=时，测得电感电流为，并记录 1L X 01 I L X 2L X 02 I 两者的相角差。而在进行仿真计算时，就是已知量了。 21LL XXX 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 26 页 图 4.7 阻抗三角形原理仿真电路 由仿真得到数据后进行如下处理， i1=2.33e-7;i2=6.06e-8; r=1;x12=1*2*pi*50; d=sin(3.047345); e=2*i
46、2*r*d/(i1*x12)-1; f=acos(e)/2; g=tan(f) gn=(4.35734-4)*2*50*pi wucha=abs(g-gn)/gn) 所得结果为： g =113.2885；gn =112.2617；wucha =0.0091 其中 g 是理论计算所得电网零序电容电抗，gn 是仿真设计的实际电网零序电 容电抗，而 wucha 就是实验所得结果与实际值之间的误差。由此可以看出，在电 网参数和调谐方式合适的情况下，阻抗三角形调谐理论具有较高的调谐控制精度， 可以很好地应用。 4.4 实时测量调谐原理 4.4.14.4.1 实时测量调谐原理理论实时测量调谐原理理论4 实
47、时测量调谐理论，可以说是对阻抗三角形理论的改进，它应用于气隙可调 式和在线调匝式消弧线圈的谐振接地系统。在调谐时，任意改变一次电感后，流 经消弧线圈的电流和之间有如图 4.8 所示的关系。根据该图，我们可得到以 1 I 2 I 下的关系： ， sin cos tan 2 21 2 I II 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 27 页 RI1 O O 1 )(2 CL XXIj )(1 CL XXIj 图 4.8 实时测量调谐原理图 式中，就是调后电流与不对称电压之间的相位差。再改变电感量，使得 2 2 I bd U 电流相位转过值，即可与不对称电压同相位，这时的脱谐度=0，
48、从而 2 I 2 bd U 达到全补偿状态。此时，而中性点位移电压为： CL XX )(0 LC C bd jXR R U U 或 2 01 C C bd R X UU 式中， 中性点位移电压，V； 0U 不对称电压，V； bd U 电网对地容抗，V； C X 串联电阻器的电阻，； C R 在实际产品应用中,通常用电阻上的电压值代替电流值.并且,由于在自动 C R 调谐过程中无法测得,因此,以其线电压的相位作为参考相位。这时,实际上的 bd U 相角关系如图 4.9 所示。 1 2 2 1 2rU 1rU bdU bcU 图 4.9 实时测量调谐过程矢量图 由图可见，和对应电流和时，电阻上的电压值；和分别 1rU 2rU 1 I2 I C R 1 2 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 28 页 为和对于的相位角；为相对于的相位角。经计算推导可得： 1rU 2rU bcU bdU bcU sin cos sin cos tan 2 21 2 21 2 r rr U UU I II