煤矿电网三相五柱式消弧线圈改进型调谐方法.pdf

第 4 1 卷 第 4 期 2 0 1 5年 4月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 l No ． 4 AD r ． 2 O 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 4 0 0 9 0 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 3 侯文宝 ， 李德路 ， 罗艳芳 ， 等． 煤矿电网三相五柱式消弧线圈改进型调谐方法t- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 9 0 9 3． 煤矿电网三相五柱式消弧线圈改进型调谐方法 侯文宝 。 ， 李德路 ， 罗艳芳。 ， 李波 1 ． 江苏建筑职业技术学院 建筑设备与市政工程学院，江苏 徐州 2 2 1 l 1 6 ； 2 ． 江 苏省建 筑节 能工 程技术 研究 中心 ，江苏 徐州 2 2 1 l l 6 ； 3 ． 中 国矿 业大 学 信息 与电气 工程 学 院 ， 江 苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 4 ． 天地 常州 自动化 股份 有 限公 司 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 煤矿 电 网中三相 五柱 式 消弧 线 圈采 用谐 振 法调 谐 时存 在 谐振 点 难 以确 定 导致 电容 电流 测 量 存 在误 差 的 问题 ， 提 出了一 种改进 型调 谐 方法 。根 据调 谐 过程 中 阻尼 率 不 变 、 脱 谐 度 改 变的特 点 ， 以 总对 地 电导 为导 纳三 角形 固定边 ， 可 变总对地 电纳 和 总对地 导纳作 为 导纳三 角形 可 变边 ， 利 用导 纳 角的变化 计算 电 容 电流 。仿 真与 实验 结果表 明 ， 改进 型调谐 方 法较 谐振 法 测量 精 度 更 高 ， 且 测量 误 差 随 着 阻尼 率 的 增 大 而 减 小。 关 键词 煤矿 电网 ；三相 五 柱式 消弧 线 圈；谐振 法 ；电容 电流 ；阻尼 率 ；导纳 角 中图分类 号 TD 6 1 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 3 3 1 0 8 4 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 5 0 3 3 1 ． 0 8 4 3 ． 0 2 3 ． h t ml I mp r o v e d t u n i n g me t ho d o f a r c s u p pr e s s i o n c o i l wi t h t h r e e p h a s e s a n d f i v e c o l u mns i n c o a l mi ne p o we r g r i d H OU W e nb a o 一，LI De l u ，LU O Ya nf a n g 。，LI Bo 1 ． C o n s t r u c t i o n Eq u i p me n t a n d Mu n i c i p a l En g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，J i a n g s u J i a n z h u I n s t i t u t e Xu z h o u 2 2 1 l 1 6，Ch i n a ；2 ． J i a n g s u Bu i l d i n g En e r g y Ef f i c i e n c y En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r Xu z h ou 2 2l 1 1 6，Chi n a；3． Sc ho ol o f I nf or ma t i on a n d El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng． Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a； 4 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，C h i n a Abs t r a c t Fo r pr o bl e m t ha t r e s o na n c e p oi nt i s d i f f i c u l t t o de t e r mi n e d whi c h 1 e a d t o m e a s u r i ng e r r o r o f c a p a c i t i v e c u r r e nt wh e n a r c s up pr e s s i on c o i l wi t h t hr e e p ha s e s a n d f i ve c ol u m n s i n c o a l mi n e po we r gr i d i s t un e d by us e o f r e s o n a nc e me t h od， a n i mp r o v e d t un i n g me t ho d wa s pr o po s e d． Ad mi t t a nc e t r i a n gl e c ompo s e d by f i x e d s i d e of e d ge t o gr o un d c o nd uc t a nc e a nd va r i a bl e s i d e s o f e d g e t o g r o u nd s u s c e p t a nc e a n d a d m i t t a nc e a c c o r di ng t o c ha r a c t e r i s t i c s o f d a mpi n g r a t i o un c h a ng e d a nd ou t of - r e s o na n c e de g r e e c ha n ge d i n t un i n g pr o c e s s ．Ca pa c i t a n c e c ur r e n t i s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o c ha n ge o f a d m i t t a n c e a n gl e．The s i m u l a t i on a n d e xp e r i me n t a l r e s u l t s s ho w t h a t t he i mpr o ve d t u ni n g me t h od ha s hi g he r me a s ur i n g a c c u r a c y t ha n t he r e s on a n c e me t ho d，a n d me a s ur i n g e r r o r de c r e a s e s wi t h i nc r e a s e o f d a mpi n g r a t i o． Ke y wo r ds c oa l mi ne po we r g r i d；a r c s up pr e s s i on c oi l wi t h t h r e e p ha s e s a n d f i ve c ol u m ns r e s o na n c e me t h od；c a p a c i t i v e c u r r e nt ；da m p i ng r a t i o；a d mi t t a nc e a ngl e 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 1 8 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 1 3 0 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 1 0 7 1 4 3 ； 江苏建筑职业技术学 院校级课题资助项 目 J YA1 4 1 6 。 作者简介 侯文宝 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方 向为 电力系统及其 自动化 ， E - ma i l 一wb q q ． c o m。 2 0 1 5年 第 4期 侯 文 宝等 煤 矿 电 网三相 五柱 式 消弧线 圈改进 型 调谐 方 法 9 1 0 引言 中 国煤矿 电网 中低压 配 电系统 广 泛采 用小 电流 接 地 系统口 。 ] 。小 电流接地 系统包 括 中性 点不 接地 系 统 、 中性点经 高阻接地 系统 和中性点 经 消弧线 圈接 地 系统 。当小 电流接 地系统 发生单相 接地 故 障时 ， 流 过 接 地 点 的 电流 主要 是 电容 电流 ， 由于 线 电压 对 称 不 变， 可以继续对负荷供 电， 故供电可靠性高。但是长 时间带故 障运 行 ， 接 地 点持 续 流过 较 大 电流 ， 容 易 烧 毁 线路 ， 造 成相 间短路 ， 扩 大事故 范 围 ， 对煤矿 设备 与 人 身安全 带来严 重威胁 。因此 ， 煤 矿安 全规 程 规定 电容 电流超过 2 0 A需要装 设消弧 线圈_ 4 ] 。 为保证生产与人身安全 ， 煤矿 电网多采用 中性 点 经消 弧线 圈接 地 系统 。消 弧线 圈 可对 接地 点 的 电 容 电流 进行 补偿 ， 降 低 接 地 点 电 流 。调 节 消 弧 线 圈 到合 理 的状 态需 要 准 确 测 量 配 电系 统 的 电 容 电 流 。 目前 电容 电流 的测 量 方 法有 偏 置 元 件 法[ 7 ] 、 信 号 注 入法 _ 8 ] 、 谐振 法 l 】 等 。偏 置 元 件 法 测 量速 度 慢 ， 需要 在 一次 侧增 加 偏 置 设 备 ， 测 量 过 程 中造 成 配 电 系 统 的三相 不平 衡 度 加 大 ， 且 该 方 法 不 能 实 现 在 线 测 量与 调谐 。信号 注入 法 易 受 系 统 的谐 波 干 扰 ， 且 注入的信号功率较小 ， 传输过程 中功率损耗大 ， 测量 偏差较大 ； 其次， 为了避 开工频干扰 ， 注入信号 的频 率并非工频 ， 故折算 到工频 时也存在误差 。谐 振法 适 用 于连 续无 级调 节 的 消弧 线 圈 ， 可 实 现在 线 测 量 与调谐 ， 但为了降低正常运行时配 电系统的零 序电 压 ， 往 往 通过 提高 系 统 的阻尼 率来 实现 ， 而 当阻尼 率 较大时， 谐振点附近零序 电压随脱谐度变化 的变化 率小 ， 谐 振点 难 以准确 确定 ， 容 易 产生 测量 误差 。 三相 五 柱式 消弧 线 圈 占地面 积小 ， 安 装 、 调 节 方 便 ， 在 煤 矿 电网 得 到 广 泛应 用 。当 前 三 相 五 柱 式 消 弧线 圈采 用谐 振 法 进 行 调谐 ， 然 而 因谐 振 点难 以 准 确确 定 ， 故 电容 电流 的测 量不 精 确 ， 另 外 在消 弧线 圈 容 量不 足 的情况 下 ， 不存 在谐 振 点 ， 无 法 测量 电容 电 流 。因此本 文对 其 调 谐 原 理 进 行 了 改 进 ， 根 据 调 谐 过 程 中线 路 的三相 对地 电导和 消弧 线 圈 的阻尼 电 阻 不变 ， 即总对地 电导 不变 的 特性 ， 提 出 利用 总 对地 电 导为导 纳三角形 固定边 ， 以总对 地 电纳 和 总对地 导纳 为导 纳三角形 可变边 ， 利 用导纳 角 的变 化求 解配 电 系 统的电容电流， 调谐过程简单 ， 测量结果更准确。 I 三 相五 柱式 消弧 线 圈接 地 系统等 效模 型 三相 五 柱 式 消 弧线 圈采 用 二 次 调感 式 结 构 ， 其 二次侧部分 由补偿 电抗器与 阻尼 电阻并联 连接组 成 。对 于三 相五 柱 式 消 弧线 圈接 地 系 统 ， 利 用 戴 维 南定 理 ， 其等 效 电路 如 图 1所 示 。其 中 ， u。为 系 统 的零序电压 ； U 为系统的不平衡 电压 ， 即中性点开 路电压 ； C为线路 的等效总对地 电容 ； G 为线路的 等效 总对 地 电导 ； G 为 消弧 线 圈的并 联 阻尼 电 阻 的 等效电导； L为消弧线圈的等效电感 。 图 1 三相五柱式消弧线 圈接地系统等效 电路 根 据 图 I ， 由串联 分压 定律 可得 o 一 一 叫C U b ．．．．．．．．．．．．．．．-．-．-----------------．． ．．．．．．．．．．-----------------------------------一 ∞C一1 c o L 一j GL Gc d一 d [ j 号 一 ] ㈩ 一 】 ／ v ‘ L 。 ＼ z ／ J 式 中 y 为线路 对 地 电导 和 对 地 电容 的等 效 导 纳 ； y l J 为消 弧线 圈 的阻 尼 电阻 和 电感 的等 效 导 纳 ； Y 为系统总的等效导纳 ； 为系统 的角频率 ； v 为系统 的脱 谐度 ， 一 ∞ C l ／ L ／ c o C； d为 系 统 的阻 尼 率 ， G L G ／ c U c； 为系统导纳角 。 当线路 对地 参 数 不 发 生改 变 时 ， 调 谐 过程 中只 调 节消 弧线 圈 的 电感 ， 故 只有 改 变 ， d保 持 不 变 。 当 一0 ， 即 C一1 c o L时 ， 系统 的零 序 电压达 到最 大 值 ， 此 时系 统处 于 谐 振 状 态 。三 相 五 柱式 消 弧 线 圈 调 谐 时 ， 通 过连 续调 节 电感来 找到 谐振 点 。 由式 1 可知， 当消弧线圈调节到谐振点附近 ， v ≈O ， 即 ∞ C ≈1 ／ L， 此 时 v ， U。 ≈ t ． b d， 故 谐振 点 附近调 节 消弧线 圈 电感 时 ， 系 统 的 零 序 电压 大 小 基 本不变， 谐振点不易精确确定 。因此 ， 使用谐振法无 法 准 确 测 量 系 统 的 电 容 电 流 。 然 而 t a n 一 c oU - -- 1 co L 了 1．J ，导纳角 正切值 与脱 谐度呈线 性关 系 ， 故 在谐 振 点附 近时 ， 导纳 角 变化率 比零 序 电压变 化率大 ， 且导纳角与零序电压的相位相关 ， 可据此计 算 系 统 的电容 电流 。 2改进型 调谐 原 理 消 弧线 圈 的电感 L减小 时 ， 脱 谐度 减小 ， 系统 2 0 1 5年 第 4期 侯 文 宝等 煤 矿 电网三相 五柱 式 消弧 线 圈改进 型调 谐 方法 9 3 表 2 阻尼 电阻为 3 0 0 n时的仿真结果 的残 流波 形 如 图 4所 示 。可 看 出根据 改进 型调 谐 方 法设 置 消弧线 圈 电感 量 ， 已将 残 流 降到 了 5 A， 达 到 了 良好 的补偿 效 果 。 画 罂 f ’ 4实 验测 量 时间／ s 图 4 接地点残流 波形 搭 建 6 6 0 V低 压 实 验平 台进 行 验 证 ， 实 验 平 台 连 接关 系 如 图 5所 示 。3 8 0 V三 相 电压 经 隔 离 变压 器后通过升压变压器变换成 6 6 0 V， 三相五柱式 消 弧线 圈和 线路 模 型接 于 6 6 0 V侧 ， 且 线 路模 型接 入 电动机 负 载 。2组 电抗器 并 联 接在 三 相 五 柱 式 消 弧 线 圈的零 序 回路 上 ， 通 过 控 制 器 控 制 可 控硅 的 导 通 角来 连续 调节 消 弧线 圈 的电感 。 3 8 OV 图 5实 验 平 台 连 接 关 系 线路 模 型采 用 集 总 参 数模 型 ， 三 相 均 采 用 电 容 器并 联 电阻 的形 式 ， 总 电 容 为 2 3 9 F， 消 弧 线 圈 的 最 大补偿 电流为 4 O A， 变 比为 3 8 0 ／ 1 0 0 ， 二 次侧 并 联 阻尼 电阻为 1 Q。实 验 时通 过 分组 投切 电容器 的形 式来 模 拟系 统 的 电容 电流 变 化 情 况 ， 设 置 系 统 的 阻 尼率 为 1 5 。 分 别采 用谐 振法 和改进 型调 谐方 法 进行 反复 测 量 ， 结果 见 表 3 。可 看 出改 进 型 调 谐 方 法 的测 量 精 度 比谐 振法 高 。 表 3 谐振法 与改进 型调谐方法测量结果 比较 5 结 语 针 对煤 矿 电 网三相 五柱 式消 弧线 圈 的改进 型调 谐 方法 不需 反 复测 量 寻 找 谐 振 点 ， 测 量 次数 大 幅减 少 ， 测 量速 度更 快 ； 克 服 了阻 尼 率较 大 、 脱谐 度 接 近 于零 时 ， 改变脱 谐 度后 零序 电压 变 化 量 不 明显 的 问 题 ， 测 算精 度 得 到 提 高 ； 解 决 了 因 消 弧 线 圈 容 量 不 足 ， 利用谐 振 法无 法寻 找谐 振点 ， 导致 无 法测量 电容 电流 的 问题 。该方 法 可更好 地 发挥 消弧线 圈的补偿 效果 ， 为煤矿供电安全提供可靠保障。 参考文献 [1 ] 王崇林． 中性点接地方式与消弧线 圈[ M] ． 徐州 中国 矿 业 大 学 出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2] 李辉 ， 唐 轶 ， 孙常青． 谐振接地系统单相接地故 障仿真 分析E J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 o 1 2 ， 3 8 1 4 7 5 1 ． [ 3] 牟龙华 ， 周伟 ， 岳清玉． 消弧线圈并 串电阻接地式 与接 地保 护 原理 研 究 E J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 8 1 1 3 8 11 43 ． [4 ] 纪飞峰 ， 王崇林 ， 牟龙 华 ， 等． 基 于对 称法 与相位 法 的 新型消弧 线 圈E J ] ． 电力 系统 自动 化 ， 2 0 0 4 ， 2 8 2 2 73 77 ． [5 ] 陈维 江 ， 蔡 国雄 ， 蔡雅 萍 ， 等 ． 1 0 k V配 电网 中性 点经 消弧线 圈并 联 电阻 接 地 方 式 [ J ] ． 电 网技 术 ， 2 0 0 4 ， 2 8 2 4 5 6 6 0 ． [6] 朱帅 ， 李晓波 ， 程玉 凯 ， 等 ． 一种 消弧 线 圈调谐新 方法 的研究 E J ； ． 电测 与仪表 ， 2 0 1 2 ， 4 9 8 1 0 1 3 ． [7] 李 晓波 ， 苗晓鹏 ， 桑 振华 ， 等． 基 于偏 置阻抗 法 的配 电 网电容 电流 测量 新 方法 E J ] ． 电力 系统 保 护 与控 制 ， 2 O 1 4 ， 4 2 4 2 2 2 6 ． [8] 曾祥君 ， 易文韬 ， 刘 张磊 ， 等． 注入信 号精 确谐振 测量 配 电网电容 电流新 技术 E J ； ． 电力 系统 自动 化 ， 2 0 0 8 ， 3 2 4 7 7 8 0 ． [9] 丛伟 ， 李盼盼 ， 李洪 涛 ， 等 ． 基 于恒频 注入 信号 的消弧 线 圈 自动跟踪 补偿技 术研 究[ J ] ． 电力 系统保 护与控 制 ， 2 0 1 0， 3 8 1 9 1 8 5 1 8 9 ． L l O 3 桑振华 ， 苗晓鹏 ， 李 晓波 ， 等． 基 于调 相法 的消弧 线 圈 自动跟踪 补偿 的测量方法E J ] ． 电力 系统保护 与控制 ， 2 o 1 4， 4 2 1 O 1 0 4 一 l O 7 ． [ ] 刘宝稳 ， 李晓波 ． 基 于失谐 量的消弧 线 圈跟踪 调谐方 法[ J ] ． 电力系统保护与控制 ， 2 0 1 3 ， 4 1 5 6 - 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