基于PSCAD的磁阀可控电抗器的原理和仿真分析

Abstract A design on magnetically saturated controllable reactors model, a zigzag grounding transformer model design and an excitation control system model design is realized with the PSCAD/ EMTDC simulation software based on analysis and studies to principles of magnetically saturated controllable reactors At the same time, the simulation research to each kind of running status of the resonant grounding system has been carried out. The simulation test result has indicated that the simulation model is reasonable, effective and compensating networks quickly and effectively compensate capacitive current with the magnetically saturated controllable reactors, which is able to quickly extinguish the arc.
2010 年第 10 期
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研究与开发
图 1 仿真模型图
2.1 接地变压器模型 在我国 10kV 配电网大多采用中性点不接地运
行方式，10kV 侧的变压器一般为三角形接线方式， 因而系统没有中性点，为了接入消弧线圈，必须引 出系统的中性点，接地变压器可以为中性点不接地 系统提供一个中性点。本文针对 Z 形连接的变压器 进行建模分析。
容电流监测装置。
图 7 磁饱和电抗器的励磁控制系统
3 仿真试验
在完成建模后，就可以进行各种仿真实验了。 为了验证系统各部分模型正确、控制逻辑合理及自 动补偿接地电流的有效性，进行了如下的仿真，仿 真实验结果表明所建模型能过再现电力系统正常运 行和短路故障的基本规律，证明模型无误。
2010 年第 10 期
研究与开发
基于 PSCAD 的磁阀可控 电抗器的原理和仿真分析
彭 林 王建国 孙伟红
（阜阳供电公司，安徽 阜阳 236000）
摘要 本文在研究并分析磁饱和式消弧线圈工作机理的基础上，在 PSCAD/EMTDC 仿真软件 中设计了磁饱和式消弧线圈模型、励磁控制系统等仿真模型，并对中性点经消弧线圈接地系统的 各种运行状态进行了仿真研究。仿真试验结果表明：本文建立的仿真模型是合理的、有效的；补 偿电网采用磁饱和式消弧线圈快速合理地补偿了电容电流，能促使接地电弧快速自熄。
dB2 dt
=
Em sin ωt N Ab
−
R F2 N 2 Ab
⎪ ⎪
i
'
⎪
=
F1 N
+
F2 N
⎪ ⎪⎩
i1'
=
i2'
= 控制回路的等效电路图
由以上公式，可画出磁阀式可控电抗器控制回
路等效电路，如图 6 所示：其中，
K（t）=
⎧1 ⎨⎩0
K1导通 K1不导通
，K
= 4δ 1−δ
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2010 年第 10 期
研究与开发
极管两侧的电压相等，此时电抗器处于状态 1：D 导
通， K1 、 K2 断开。在电源正半周， K1 上承受正向电 压，K2 承反向电压因此在正半周的某一时刻 ωt = α ， 向 K1 门极输入触发脉冲，其将会导通，而 K2 维持截 至状态。因此电抗器处于状态 2：K1 、D 导通，K2 断 开； K1 导通后，D 的关断时间取决于铁芯直流励磁 的大小，其可能随 K1 的直接导通关断，也可能惠延 迟一段时间才关断。D 关断之后可控电抗器进入状态
3： K1 导通， K2 、D 断开。等效电路图如图 4。
所以得：
0
=
NR（F1
-F2）+NA（b
dB1 dt
-
dB2 dt
）
（5）
当处于状态 2 时，同理可得：
0
=
NR（F1
-F2）+NA（b
dB1 dt
-
dB2 dt
）
（6）
当处于状态 3 时，同理可得：
2δ Em sinωt （1-δ）
=
⎝⎛⎜1+（12=δδ）NR
桥式整流电路来模拟。仿真试验的参数分别为：单 相变压器容量为：1000VA， Um =600V，N=500 匝， R=5.0 Ω 。试验数据如表 1 示。
表 1 仿真实验数据
U 300 360 420 480 540 600
I α=0 1.03 1.17 1.35 1.64 1.75 1.80 α=45 0.98 1.02 1.20 1.44 1.69 1.74 α=60 0.79 0.93 1.09 1.32 1.55 1.60 α=90 0.68 0.81 0.97 1.06 1.21 1.25 α=125 0.36 0.41 0.47 0.54 0.58 0.63
关键词：磁饱和式消弧线圈；电容电流；PSCAD/EMTDC
Design and Simulation of Magnetically Saturated Controllable Reactors Based on PSCAD/EMTDC
Peng Lin Wang Jianguo Sun Weihong （Fuyang Power Supply Company, Fuyang, Anhui 236000）
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仿真的起止时间为 0～0.5s，故障模块设定为 II 段母线线路 L4 末端的 A 相接地短路，设定故障的起 始时间为 0.2s。
仿真波形如图 8 所示。
图 8 系统故障时中性点电流
由图 8 可以看出，在 0.2s 发生单相接地故障时 中性点的电流为 0.27kA，说明接地变压器在发生单 相接地故障时可以正常的传递零序电流来补偿故障 相的接地电流，说明接地变压器的设计是合理的。
PSCAD/EMTDC 仿真程序中没有接地变压器模 型，本文根据接地变压器绕组连接特点和磁势关系， 采用单相接地变压器的一二次绕组 Z 形连接来建 Z 形接地变压器的模型，如图 1 中 Z 形变压器所示， 每个单相变压器的一次绕组作为等效接地变压器的 一个铁心的上半绕组，二次绕组作为下半绕组，A、 B、C 绕组相互按照 Z 变压器的连接方式进行连接， 并将每个单相变压器的绕组的变比设为 1，且电压 等级为电网的相电压。
⎪ ⎪
2
×
d B1 dt
−
N Ab 2
×
dB2 dt
+
R 2
i'
+
R i1'
=
0
⎪ ⎨
N
Ab
⎪2
×
d B1 dt
−
N Ab 2
×
dB2 dt
+
R 2
i'
+
R
i
' 2
=
0（2）
⎪ ⎪
N
i
'
⎪
+
N 2
i1'
+
N 2
i
' 2
=
F1
⎪N ⎪⎩ 2
i1' +
N 2
i
' 2
=
− F2
各支路电流的关系是：
⎧i = i ⎪ ⎨i3 =
，ek
= 2δ 1− δ
eK (t)
磁饱和电抗器的控制原理可知，精确的提供控
制电流就可以准确地调整消弧线圈的电感。在设计
控制部分模型时，在控制部分主要编制了三个控制
模块：电容电流测量单元、控制器和触发模块。控
制电路由低通滤波器、PI 调节器、GTO 触发器构成
了对控制电流的闭环控制。其中，给定信号来自电
（10kV 系统），线路较短，所以忽略分布参数特性， 架空线和电缆均采用 ∏ 型等值电路。
由于变电站为单母线分段且在正常运行时母联 开关是断开作备用，所以在作仿真时只需要取一段 母线即可。
2 磁饱和电抗器的消弧线圈自动跟踪补偿 装置仿真系统设计
如图 1 所示磁饱和电抗器的消弧线圈自动跟踪补 偿装置仿真系统包括：I，II 为 10kV 电网的两段母线； T1 ， T2 为三相变压器； L1 、 L2 为 I 段母线所有出线； L3 、 L4 为 II 段母线所有出线；Z 为接地变压器；L 为 消弧线圈电感，下面对各个模块的见机原理进行详细 分析和设计建模机理进行的详细的设计与分析。
Key words：magnetically saturated controllable reactors；capacitive current；PSCAD/EMTDC
1 引言
本文利用 PSCAD/EMTDC 仿真程序，建立仿真 模型对安装了磁饱和电抗器的消弧线圈自动跟踪补 偿装置的 10kV 配电网进行仿真。仿真自动补偿电网 发生单相接地故障时的电磁过程。为此建立一个参数 和实际系统相一致的仿真模型。该系统的 10kV 系统 为单母线分段，Ⅰ段母线带 10 条架空线和 13 条电缆 线，架空线全长 42.88km，电缆线全长 20.35km；Ⅱ 段母线带 8 条架空线和 9 条电缆线，架空线全长 12.57km，电缆线全长 10.79km。该变电站 10kV 配网 的电容电流大大超过规程规定,据实测统计，Ⅰ段母 线电容电流为 48.69A；Ⅱ段母线为 25.56A。因此， 此系统为经消弧线圈接地方式。由于系统电压不高