胡 勇,侯向敏
(華電招標(biāo)有限公司,北京市 100031)
CVT具有絕緣可靠性高、成本低、體積小、不易產(chǎn)生系統(tǒng)諧振等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于110 kV及以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中。CVT二次側(cè)電壓與自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較大關(guān)系,但在實(shí)際計(jì)算二次側(cè)電壓時(shí),卻沒有充分考慮CVT的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。針對(duì)這種情況,以下分析CVT測(cè)量誤差產(chǎn)生的主要原因,提出減小CVT測(cè)量誤差的方法,以期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作有所幫助。
(1)
(2)
圖1 CVT電容分壓原理
在實(shí)際應(yīng)用時(shí),CVT測(cè)量接線示意見圖2。在系統(tǒng)二次側(cè)還有一些保護(hù)回路,包括并聯(lián)電容C3與阻尼器R0和一次側(cè)的放電間隙F,其工作原理如下[2]。
圖2 CVT測(cè)量接線示意
1.2.1 并聯(lián)電容C3的作用
當(dāng)TV的二次側(cè)負(fù)載電流增大時(shí),會(huì)使C2兩端電壓升高而超過(guò)其額定電壓,電流越大,該現(xiàn)象越嚴(yán)重。為此,在TV二次側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)并聯(lián)電容器C3。如果把TV看作一個(gè)變壓器,C3的并聯(lián)相當(dāng)于在變壓器的負(fù)載端并接了一個(gè)容性負(fù)荷,即使該變壓器不接入負(fù)載,其二次側(cè)也有容性電流流過(guò)。由于該容性電流的補(bǔ)償,當(dāng)TV二次側(cè)空載時(shí),C2兩端的電壓會(huì)略低于其額定電壓;當(dāng)TV二次側(cè)負(fù)載電流增加時(shí),C2兩端電壓也只會(huì)稍高于其額定電壓,在可以接受的范圍內(nèi)。此外,C2還可以補(bǔ)償負(fù)載電流中的感性分量,從而減小誤差。
1.2.2 阻尼器R0的作用
當(dāng)TV二次側(cè)有暫態(tài)過(guò)程出現(xiàn)時(shí)(如,二次側(cè)的突然短路或開路),會(huì)發(fā)生鐵磁諧振過(guò)電壓與大電流,因此在二次側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)阻尼器R0,用來(lái)消耗掉諧振時(shí)的產(chǎn)生的能量。
1.2.3 放電間隙F的作用
當(dāng)二次負(fù)載發(fā)生短路時(shí),該電流會(huì)達(dá)到額定電流的幾十倍,歸算到中間變壓器TV的一次側(cè)會(huì)在電抗器L與C2上產(chǎn)生很高的諧振過(guò)電壓而引起絕緣擊穿,為防止上述現(xiàn)象發(fā)生,在L兩端并聯(lián)了一個(gè)放電間隙F,從而將過(guò)電壓直接引入大地。
(3)
(4)
由式(4)可知,在電壓波形沒有畸變和分壓系數(shù)K確定的情況下, 隨Zload的增大而減小,當(dāng)Zload為無(wú)窮大時(shí),ΔU減小為0。
圖3 CVT的等效二端網(wǎng)絡(luò)
圖3中虛線所框部分為該網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗,其值為
(5)
(6)
(7)
求得需補(bǔ)償電感大小為
(8)
圖4 CVT補(bǔ)償電抗器之后的等效電路圖
圖5 補(bǔ)償電抗器后的CVT
很顯然式(8)在計(jì)算L時(shí),C1、C2值確定的情況下,每一個(gè)ω為一定值就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)L值。在我國(guó)電力系統(tǒng)中按ω0=2πf0=100π計(jì)算得
(9)
設(shè)系統(tǒng)電壓表達(dá)式為
(10)
式中:U1為電壓有效值;ω0為電壓的角頻率;φ為初相角。當(dāng)電壓波形發(fā)生畸變時(shí),則電壓表達(dá)式就不能用式(10)表示了。這時(shí)通過(guò)傅里葉分析可以將其表示為:
φn)
(11)
可以看出式(11)中,電壓波形中不僅含有基波分量U1,還含有直流分量U0和各次倍頻波分量(即諧波分量)。直流分量在CVT中沒有回路[5],不影響負(fù)載出口電壓。諧波分量不同,系統(tǒng)是按照基波頻率設(shè)計(jì)的,那么在倍頻分量下作用其系統(tǒng)內(nèi)阻
(12)
這時(shí)由于電壓中諧波分量的存在,使得負(fù)載出口電壓也不再滿足式(2)。其誤差的計(jì)算與變化負(fù)載誤差計(jì)算相似,這里不再贅述。
由于該誤差是由于系統(tǒng)電壓中含有諧波分量而引起的,所以要消除該誤差只能是從源頭上采取措施,治理諧波。電壓畸變是由于電源系統(tǒng)有內(nèi)阻抗,而且系統(tǒng)中有非線性負(fù)荷,產(chǎn)生電流畸變,造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產(chǎn)生“平頂”波的根源)。該阻抗有2個(gè)組成部分:電源接口(PCC)以后的電氣裝置內(nèi)部線路阻抗和PCC以前電源系統(tǒng)內(nèi)的阻抗。由非線性負(fù)荷引起的畸變負(fù)荷電流在線路的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變的電壓降。那么在PCC以后的電氣裝置內(nèi)部線路中會(huì)存在畸變電壓,使得線性負(fù)荷中也產(chǎn)生了電壓諧波。解決的辦法有隔離法和濾波法2種。
隔離法又分為負(fù)荷隔離和電氣隔離。負(fù)荷隔離是指把產(chǎn)生諧波負(fù)荷的供電線路與對(duì)諧波敏感負(fù)荷的供電線路分開,線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷從同一電源接口點(diǎn)開始由不同的線路饋電,使非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)荷上去。電氣隔離,如為了避免均衡的3次諧波電流傳回到電源,可以利用1臺(tái)Dyn接法的隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離。
濾波法的種類很多,原理和方式各有不同,這里主要介紹無(wú)源濾波器濾波法和有源濾波器濾波法。
無(wú)源濾波器濾波法,對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生的諧波,諧波分量較明確,主要含有3、5、7次等奇次諧波,可以用多組無(wú)源濾波器來(lái)分別濾除各次諧波。濾波器可去掉20%的5次諧波以及全部的高次諧波,對(duì)基波影響甚微。有源濾波器濾波法,通過(guò)檢測(cè)非線性負(fù)載的諧波電流,并分析計(jì)算輸出一個(gè)與該諧波電流大小相等,將與諧波相位差為180°(即相位相反)的電流信號(hào)注入電力系統(tǒng),來(lái)達(dá)到精確的補(bǔ)償目的,從而會(huì)獲得一個(gè)純粹的正弦波電壓。這2種方法可以濾除掉電壓中的高次諧波,從而減小式(12)中的n值,最終減小CVT的測(cè)量誤差。
由于CVT屬于測(cè)量設(shè)備,它無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)負(fù)荷的分離,所以負(fù)荷隔離法不適用。Dyn接法的隔離變壓器能有效隔離3次諧波,是由于3次諧波只在三角型原邊內(nèi)部流動(dòng)。而奇次諧波中隨著諧波次數(shù)的增加,幅值下降。另外次數(shù)越高,采用別的方式濾除難度也下降。故在設(shè)計(jì)三相CVT時(shí),通常在二次負(fù)載Zload與電容分壓部分的中間設(shè)計(jì)1臺(tái)Dyn接法的隔離變壓器TV,單相電路如圖5所示。同時(shí),在CVT前裝設(shè)多組無(wú)源諧波濾波器,以濾除20%的5次諧波以及全部的高次諧波。這樣諧波電壓中奇次諧波基本能得到消除。
CVT在電力系統(tǒng)中廣泛使用,為繼電保護(hù)裝置、測(cè)量?jī)x表和計(jì)量裝置提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出,并將其與一次高壓回路安全隔離,是獲取系統(tǒng)一次電壓信號(hào)的重要設(shè)備,但由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),使其輸出對(duì)系統(tǒng)頻率、二次側(cè)負(fù)載大小及性質(zhì)的變化較為敏感。因此,需要技術(shù)人員總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn),分析誤差產(chǎn)生的原因,并采取有針對(duì)性的措施,以減小CVT的測(cè)量誤差。
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