阻尼电阻投切方式对消弧线圈残流及残流时间的影响

李志军，王 娟，张珈玮，奚文霞，刘 勇，许建锋



阻尼电阻投切方式对消弧线圈残流及残流时间的影响

李志军1，王 娟1，张珈玮1，奚文霞1，刘 勇2，许建锋2

(1. 河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130；2. 天津市天变航博电气发展有限公司 天津 300385)

对采用电力电子开关器件替代传统机械有载开关切除阻尼电阻的方法进行了讨论，对阻尼电阻切除速度提升所引发的暂态过渡过程变长以及非过零同步触发引起的继生暂态过程问题进行了重点研究和讨论．首先，对快速投切电路以及存在的问题进行了介绍和总结，并对阻尼电阻快速切除电路影响消弧线圈成套装置残流及残流时间的机理进行了数学解析，对影响过程进行了详尽分析；其次，利用Simulink仿真软件搭建了10.5,kV补偿电网仿真模型，并针对典型的故障和双向可控硅触发工况，对阻尼电阻快速切除的影响进行了仿真分析，利用合作企业试验平台验证了上述问题和过程．最后，提出延时切除及过零同步触发的技术解决方案并验证其有效性．

调匝式消弧线圈；阻尼电阻；投切方式；残流；残流时间

中性点经消弧线圈接地是治理中低压配电系统单相接地故障的有效方法之一[1-2]，其中预调调匝式消弧线圈因其在经济性和可靠性上的优势被广泛采用．根据DL/T,1057—2007《自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件》规定，预调式调匝消弧线圈通常需要与大地之间串联一个阻尼电阻以保证电网正常运行时中性点位移电压不超过相电压的15%,以及防止串联谐振产生过电压[3-4]，但在发生单相接地故障时需要迅速切除阻尼电阻以实现有效补偿．

目前，国内普遍采用电力电子开关替代机械类负荷有载开关切除阻尼电阻，其中以双向可控硅器  件[5-8]应用最为普遍．双向可控硅器件等电力电子固态开关的应用，极大地提升了阻尼电阻投切响应速度和设备整体可靠性，但快速投切所带来的故障暂态和触发非同步性引起的继生暂态过程影响往往被忽视．现场投运案例和实验室实验表明，在大多数故障工况下，快速投切阻尼电阻将会对消弧线圈成套装置残流和残流时间产生重要影响，进而影响其品质．

本文对消弧线圈的两种阻尼电阻投切电路进行简单介绍，并基于典型阻尼电路投切电路建立了数学模型，在其基础上进行数学解析和机理分析，重点以普遍使用的他触投切方式为例进行研究．利用Simulink仿真软件和实验室条件分别搭建消弧线圈阻尼电阻投切模型进行验证，最后得出结论．

1 投切电路及投切方式的影响

消弧线圈装置生产厂家普遍采用双向可控硅自触发、他触发技术方案实现阻尼电阻的投切．如图1所示为自触发方式[9-11]，其中RV为压敏电阻，D1～D4为防逆二极管，当系统发生单相接地故障时，阻尼电阻两端的电压1升高，当电压1升高到超过双向可控硅V1、V2预先设定的门极触发阈值时，阻尼电阻被切除，、分别为阻尼电阻和电感，0为中性点电压．

图1 自触发投切阻尼电阻等效电路

自触发式控制电路结构简单、可靠，且由于采用了自同步触发模式，故预设触发阈值不太高时，近似等同于过零自同步触发，触发形成的继生暂态过程几乎不存在，但在具体的实施过程中，当单相接地故障发生时，阻尼电阻的快速切除使得故障暂态回路时间常数急剧增加，故障暂态过渡过程势必大大延长，故障暂态电流将对残流及残流时间产生严重影响．

综上所述，利用电力电子开关实现阻尼电阻投切，在配电网发生单相接地故障时，无论是自触还是他触投切方式，因随机故障或非同步随机触发都会引起故障暂态或继生暂态过渡过程．故障暂态或继生暂态过渡过程中的暂态电流不可避免地要注入消弧回路，造成补偿感性电流异常偏置，其长时间的存在必然要影响消弧效果和残流．因篇幅限制，本文重点对他触发投切方式进行研究．

图2 他触发投切阻尼电阻等效电路

2 投切方式影响的机理分析

单相接地故障的等值回路如图3所示，其中为三相对地电容，0为三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感，0为等值电阻，r为消弧线圈的有功损耗电阻．

图3 单相接地故障的等值回路

当发生单相接地故障时，故障点的接地电流存在暂态和稳态两个过程，其中仅有稳态的电感电流和电容电流能实现相互补偿．故障点的暂态电感电流和暂态电容电流因为频率和幅值显著不同，而不能相互补偿．因此，暂态接地电流的存在将对消弧线圈成套装置残流及残流时间造成影响．由图3的等值回路可得容性电流的回路方程为

   (1)

     (2)

感性电流的回路方程式为

   (3)

因在补偿电流的工作范围内，消弧线圈的磁化特性是线性关系，故

   (4)

   (5)

由第1节可知，当线路发生接地故障时，消弧线圈消弧过程包含两个暂态过程：第1个暂态过程是由故障发生时刻决定的故障暂态过程；第2个暂态过程为阻尼电阻切除瞬间引起的继生暂态过程．根据电工学原理，两个暂态过程都可以看作典型电路的暂态响应过程．以下仅分析讨论第1个暂态过程的解析，继生的第2个暂态过程的数学解析只是初值(非零态)和回路电阻阻值(由减小为r)的不同，并不改变解的本质．

为了进一步说明故障暂态对暂态过渡过程的影响机理，本文选择了两个典型的极端故障时刻作为计算特例，并通过数学解析诠释自由分量引起补偿感性电流的暂态过渡过程的量化结果和机理．

   (6)

由式(6)可知，式(5)中的第2部分自由分量为零，即暂态过程分量不存在，补偿电流为正弦对称波，无过渡过程．

   (7)

关于第2个暂态过程，即切除阻尼电阻引起的继生暂态过程，其数学解析过程类同，只是初始态(前者为故障时刻，后者为触发切除时刻)和回路时间常数的不同(补偿回路电阻阻值由减小为r)，不改变解的本质，在此不做赘述．

3 仿真分析及验证

为验证阻尼电阻投切方式对消弧线圈补偿电流的影响，利用Simulink仿真软件搭建了单相接地故障仿真模型，仿真模型如图4所示．

图4 10.5,kV消弧线圈阻尼电阻投切模型

3.1 故障暂态对补偿电流的影响

图5 故障时不切除阻尼电阻的电压及电流

（a）故障时中性点电压波形

（b）切除阻尼电阻的补偿电流暂态过程波形

图6 故障时切除阻尼电阻的电压及电流

Fig.6 Voltage and current with switching damping resis-tance in the presence of fault

上述仿真结果表明，当线路发生故障，阻尼电阻不切除时，故障暂态过渡过程较短；阻尼电阻切除后，暂态过渡过程时间由不切除时的40,ms增大至4.67,s，远超国标[4]对残流时间不大于200,ms的要求．由上述分析可知，其主要原因是由于阻尼电阻的快速切除，使得消弧线圈回路时间常数急剧增加所致．由此可以考虑通过适当降低阻尼电阻切除速度，将故障暂态过程的影响尽可能降低．

3.2 触发工况对补偿电流的影响

（a）故障时中性点电压波形

（b）补偿电流暂态过程波形

图7 非过零同步触发仿真结果

Fig.7 Simulation results of non-zero synchronization trigger

（a）故障时中性点电压波形

（b）补偿电流暂态过程波形暂态过程波形

图8 过零同步触发仿真结果

Fig.8 Simulation results of synchronous zero-crossing trigger

上述仿真结果表明，当非过零同步触发双向可控硅切除阻尼电阻时，继生暂态过程长达近2.6,s，远超国标的要求；当过零同步触发双向可控硅切除阻尼电阻时，几乎观测不到继生暂态过程．当线路发生故障时，如果非过零同步切除阻尼电阻，将引发继生暂态过渡过程，必然对残流和残流时间造成影响．同样由上述分析可知，其主要原因是阻尼电阻的非过零同步切除产生了继生暂态，同时阻尼电阻的切除使消弧线圈回路时间常数也发生了变化，也可以通过适当的控制手段实现过零同步触发，将继生暂态过程控制到最小．

4 物理实验验证

图9 实验平台原理

图10 随机切除故障相电压及残流录波波形

图11 受控延时切除故障相电压及残流录波波形

图12 过零同步切除故障相电压及残流录波波形

由以上物理实验结果可知，当线路发生金属接地故障时，可控硅可以实现快速动作切除阻尼电阻，对故障容性电流实现快速有效补偿．但与此同时，故障暂态过程由于阻尼电阻的退出，衰减速度大大减缓，对消弧线圈成套装置残流及残流时间造成严重影响．若在线路发生接地故障时，适当触发可控硅动作，故障残流的暂态过渡过程时间将大大减小，残流和残流时间完全可以满足标准要求；另外，采用过零同步技术触发可控硅，可以有效消除可控硅非同步触发引发的继生暂态影响．

5 结 语

本文对调匝式消弧线圈投切阻尼电阻方式存在的问题展开了讨论，建立了典型阻尼电阻投切电路数学模型，对利用电力电子开关器件投切阻尼电阻带来的故障暂态和非过零同步触发引起的继生暂态影响进行了数学解析和机理分析．仿真结果和物理实验验证表明，利用电力电子开关实现阻尼电阻投切，在提升阻尼电阻投切速度和可靠性的同时，也带来了故障暂态过程衰减变慢和非同步触发的继生暂态问题．故障暂态过程和非过零同步触发继生暂态过程不仅对消弧线圈的补偿电流造成影响，同时也延长了消弧线圈成套装置的残流时间，严重影响了消弧线圈的品质．但如果采取适宜的技术手段，可以在快速切除阻尼电阻的同时，将投切方式对残流及残流时间的影响降到最低．因此，当选择或设计类似投切方式的消弧线圈装置时，应该对这一影响引起高度重视，并采取必要技术手段予以解决．

［1］ 要焕年，曹梅月. 谐振接地技术新发展[J]. 中国电力，2000，32(10)：57-59，82.

Yao Huannian，Cao Meiyue. New development of resonance neutral earthing technology[J].，2000，32(10)：57-59，82(in Chinese).

［2］ 蔡 旭，李仕平，杜永忠，等. 变阻尼调匝式消弧线圈及接地选线综合控制器[J]. 电力系统自动化，2004，28(5)：85-89.

Cai Xu，Li Shiping，Du Yongzhong，et al. An integrated controller of multi-tap arc-suppression with variational damp and detection of earth fault feeder[J].，2004，28(5)：85-89(in Chinese).

［3］ 王艳菊. 消弧线圈加装阻尼电阻后的运行分析[J]. 高电压技术，2005，31(5)：83-84.

Wang Yanju. Analysis of operation of arc suppression coil with damping resistor[J].，2005，31(5)：83-84(in Chinese).

［4］ DL/T 1057—2007自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件[S]. 北京：中国电力出版社，2007.

DL/T 1057—2007 Sepecification of Arc Suppressing Coil Apparatus with Automatic Follow Compensation [S]. Beijing：ChinaElectric Power Press，2007(in Chinese).

［5］ 王树国. 调匝式消弧线圈采用晶闸管控制一次阻尼电阻的隐患分析[J]. 电力设备，2008，9(10)：68-70.

Wang Shuguo. Study on the problem of the self-trigger primary damping way of the arc-suppressing coil[J].，2008，9(10)：68-70(in Chinese).

［6］ 刘味果，师冬霞，李彦明. 消弧线圈响应时间的探讨[J]. 高电压技术，2008，34(7)：1353-1357.

Liu Weiguo，Shi Dongxia，Li Yanming. Discussion on response time of arcsuppression coil[J].，2008，34(7)：1353-1357(in Chinese).

［7］ Wang Chonglin，Liang Rui，Liu Jianhua，et al. Analysis on principle of operation of arc-suppression coil based on thyristor controlled reactor[C]//. Nanjing，China，2005：1305-1308.

［8］ Liu Yancun，Fu Chuang. Application of thyristor in auto-tuning arc suppression coils[C]//. Austin，USA，2005：1811-1816.

［9］ 郭丽伟，薛永端，徐丙垠，等. 中性点接地方式对供电可靠性的影响分析[J]. 电网技术，2015，39(8)：2340-2345.

Guo Liwei，Xue Yongduan，Xu Bingyin，et al. Research on effects of neutral grounding modes on power supply reliability in distribution networks[J].，2015，39(8)：2340-2345(in Chinese).

［10］ Huang H R，Xue Y D，Xu B Y，et al. The analysis of electronic arc suppression coil on transient signals method in non-solidly earthed network[C]//()Nanjing，China，2010：1-5.

［11］ Li Weijun，Pang Yanjun，Pang Yanjun，et al. Analysis of identification and treatment methods of arc suppression coil fault[C]//()Xi’an，China，2016：10-13.

［12］ 陈维江，蔡国雄，蔡雅萍，等. 10,kV配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式[J]. 电网技术，2004，28(24)：56-60.

Chen WeiJiang，Cai Guoxiong，Cai Yaping，et al. Neutral gounding mode in 10,kV distribution network via peterson coil with parallel pesistance[J].，2004，28(24)：56-60(in Chinese).

［13］ 杨 毅，姚 伟，孙海顺，等. 考虑晶闸管导通特性的TCSC基频阻抗特性分析[J]. 电力自动化设备，2015，35(12)：89-94，115.

Yang Yi，Yao Wei，Sun Haishun，et al. Analysis of TCSC fundamental-frequency impedance characteristic considering thyristor conduction property[J].，2015，35(12)：89-94，115(in Chinese).

［14］ 朱 珂，倪 建，张荣华. 基于主动扰动技术的谐振接地系统单相接地故障测距方法[J]. 电网技术，2016，40(6)：1881-1887.

Zhu Ke，Ni Jian，Zhang Ronghua. A newapproach for fault loation in resonant grounded system based on active disturbance technology[J].，2016，40(6)：1881-1887(in Chinese).

［15］ Yang R，Yu J，Qiu H. Influence of damping resistance in resonant gounding system of distribution network [C]//(). Shanghai，China，2012：1-3.

(责任编辑：孙立华)

Influence of Rapidly Removing Damping Resistance on Residual Current and Residual Time of Arc Suppression Coil

Li Zhijun1，Wang Juan1，Zhang Jiawei1，Xi Wenxia1，Liu Yong2，Xu Jianfeng2

(1．School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2．Tianjin Tianbian Henbol Electrical Advance Company Limited，Tianjin 300385，China)

The approach to using power electronic switching instead of traditional mechanical switches to remove damping resistance is discussed mainly．The paper focuses on prolonging of the transient transition process caused by rapid removing action and the inherited transient process caused by the non-zero-crossing synchronization trigger．Firstly，the rapid switching circuit and its existing problems are introduced，after which we analyze the mechanism of influence on residual current and residual time caused by the action，and describe the influencing process in detail．Secondly，by using Simulink software，the model of the damping resistance switching circuitis established which is applied to the 10.5,kV voltage class．Simulation and analysis of the influence are carried out for the typical fault situation and different trigger condition of bidirectional thyristor．The influence is proven by test using the platform of the cooperative company．Finally，the solution of delaying removing and triggering with zero-crossing is proposed and verified.

multitap arcsuppression coil；damping resistance；switching on/off manners；residual current；residual time

10.11784/tdxbz201705040

TM475

A

0493-2137(2018)02-0143-07

2017-05-12；

2017-09-26.

李志军（1964—  ），男，博士，正高级工程师，zhijun_li@263.net.

王 娟，1264603481@qq.com.

河北省科技支撑计划资助项目(15212105D).

Hebei Science and Technology Plan(No.,15212105D).