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1、 磁饱和式可控电抗器1 引言随着城市电网的开展和配电网规模的不断扩大，666kV配电网过去普遍采用的中性点不接地运行方式已不能适应现实需要了，随着电缆出线的增多，系统对地电容电流急剧增加为原来的10100倍。为了限制电容电流，采用中性点经消弧线圈接地的补偿系统成为最主要的方式。当配电网发生单相接地故障时，补偿系统提供电感电流来自动补偿电容电流，使接地点电流迅速减小，并使故障相的恢复电压降低，达到熄弧不重燃的目的。本文介绍了磁饱和式可控电抗器的拓扑结构、工作原理与特性曲线，利用这一原理制作的消弧线圈具有工艺简单、本钱低廉、振动和噪声低，以与调节围宽从重载至额定负载、谐波含量低、有功损耗小、响应速
2、度快等特点。利用磁饱和式可控电抗器原理制作的消弧线圈在配电系统正常运行时有高感抗，远离谐振点，在配电系统发生单相接地故障时，能快速地实现全补偿，限制电容电流，有效地熄灭电弧。2 磁饱和式可控电抗器的拓扑结构图1为一单相磁饱和式可控电抗器的拓扑结构图，图2为其电路图。可控电抗器由两个等截面截面极为A、等长度长度为L的主铁芯、和为使电抗器电流正负半波对称的两个等截面、等长度的旁轭、组成。为使主铁芯饱和，主铁芯的截面积小于旁轭截面。铁芯和旁轭、铁芯和旁轭、分别组成两条交流磁通的回路，铁芯和旁轭组成直流磁通-的回路。每个铁芯柱上绕有总匝数为N的上、下两个绕组，每个绕组各有一个抽头，分别与晶闸管T1、T
3、2相联，抽头比=2N2/N，N=2(N1+N2)。不同铁芯的上、下两个绕组交叉联接后并联至电网，续流二极管D跨接在两个绕组的交叉处。图1 可控电抗器的拓扑结构图图2 可控电抗器的电路图3 磁饱和式可控电抗器的工作原理假设晶闸管T1、T2和二极管D均为理想元件，那么可控电抗器有三种工作状态：状态1： T1、T2关断，D导通；状态2： T2、D关断， T1导通；状态3： T1、D关断，T2导通。如图3所示为电网电压u()与晶闸管触发角之间的关系。 图3 工作状态图当晶闸管T1、T2关断时，可控电抗器处于空载状态。当电网电压处于正半波时，T1承受正向电压、T2承受反向电压。假设T1触发导通，电源u经
4、匝数为N2的绕组向电路提供直流控制电压和控制电流如图2所示，过渡到状态2的工作状态。同理，当T2在电网电压处于负半波2时，T2触发导通，同样经N2绕组向电路提供同方向的直流控制电压和电流，可控电抗器按照：状态2状态1状态3状态1状态2的次序轮流切换。在电源的一个周期，T1和轮流导通起到了全波整流的作用，二极管D在T1和T2导通和关断时起续流作用。图4 各工作状态下的等效电路a状态1 b状态2 c状态3改变导通角，即可改变控制电流id产生的直流磁通大小，使铁芯的工作点随之改变，从而达到平滑调节电抗的目的。4 磁饱和式可控电抗器的根本磁方程假设两铁芯柱的磁动势分别为F1和F2，磁通分别为1和2，每
5、个铁芯柱绕组总电阻为R，根据基尔霍夫定律和图2、图4的等效电路图，可以推导出三种根本工作状态下的电磁方程。式中ic-控制电流；i-可控电抗器总电流。控制电压为于是主回路和控制回路的电压方程分别为由式7、8可得到图5所示的等效电路。显然uuc，对电抗器电流起决定作用的是电感，改变晶闸管的导通角，即可改变电抗器的电感与其容量。 图5 可控电抗器的等效电路5 磁饱和式可控电抗器的调节特性图6 可控电抗器的调节特性依据图5所示的可控电抗器的等效电路，可以得到如图6所示的磁饱和式可控电抗器的调节特性。可控硅触发角的工作围为0180，当0时，晶闸管T1、T2轮流导通近180，这时的激磁电流最大，磁路最饱和
6、，故磁路磁阻最大，电抗器容量最大；随着的增大，晶闸管T1、T2的导通时间，激磁电流、电抗器容量都将减小，磁路饱和度降低；当180时，晶闸管T1、T2截止，激磁电流为零，这时可控电抗器相当于一台空载运行的变压器，电抗器的容量亦最小。从图6可以看出，当在20150围时，可控电抗器的调节性能是一段下降的直线，且在这段线性区间，可控电抗器可在23个工频周期投入80的容量，可见其响应速度是很快的，在工程实际中，可控电抗器的调节容量一般也在2080的围。6 电容电流的实时检测根据磁饱和式可控电抗器原理制作的消弧线圈，应用于中性点经消弧线圈接地的配电系统中，如果忽略对称三相系统的对地电阻，以A相电压作为参考
7、变量，那么中性点N的位移电压为其有效值为式中UN-中性点位移电压有效值；CA、CB、CC-分别为三相导线的对地电容；IC-三相总电容电流；U-三相系统对地电容有效值；IN-流经消弧线圈的电流；改变可控消弧线圈晶闸管的触发角，即可改变消弧线圈的电感L，可得到另一组位移电压为11由式10和式11可得12实际工程中，当晶闸管的导通角很小时，该可控电抗器的感抗很大，可以达到额定容量下感抗的200倍以上，而此时即为系统的不对称电压，用Uas表示，那么式12可以写成13故只要在导通角为0时测得系统的不对称电压Uas，再在某一导通角下测得UN、IN，即可准确算出三相总电容电流IC。在实际测量UN、IN的过程中，一定要注意选择导通角，使其远离谐振点。7 / 7
