零序滤波器立体结构设计与阻抗计算.pdf

第４４卷第１１期２０１６年６月ｌ目电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏＶｏ１．４４Ｎｏ．１ｌＪｕｎ．１．２０１６Ｄ０Ｉ：１０．７６６７／ＰＳＰＣ１５１２０８零序滤波器立体结构设计与阻抗计算尹忠东，王彬（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京１０２２０６）摘要：针对配电网零序电流的特点提出一种三角形立体式结构的零序滤波器。立体式结构中铁芯柱在空间呈三角形对称分布，相较于传统的平面式结构具有三相对称磁路，解决了三相不平衡问题，并且使得三相零序磁通大小一致，提高了滤波效果。零序阻抗值是零序滤波器设计的一个重要参数，直接影响到滤波效果。在对零序磁通分布理论分析的基础上，给出立体结构零序滤波器在ＡＮＳＹＳ中的二维简化模型，并采用能量法对零序阻抗进行数值计算。最后通过实验验证了该方法的正确性，为立体结构的零序阻抗计算提供了一种有效的工程应用的方法。关键词；配电网；零序滤波器；对称磁路；能量法；ＡＮＳＹＳ；阻抗计算ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｅｄａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒＹＩＮＺｈｏｎｇｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＢｉｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓ（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｉｃｏｎｃｏｒｅｓａｒｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙａｒｒａｎｇｅｄｉｎａｔｒｉａｎｇｕｌａｒｓｐａｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｌａｎａｒｒｅａｃｔｏｒ，ｔｈｅｔｒｉａｎｇｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｗｈｉｃｈＣａｌｌｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｍｂａｌａｎｃｅａｎｄｅｎａｂｌｅｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆ—ｌｕｘｔｏｂｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｗｈｉｃｈｈａｓａｄｉｒｅｃｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎａｎａｃｃｕｒａｔｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔ—ｈｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｌｕｘｉｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｓｙｍｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎＡＮＳＹＳｉｓｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｎｔｈｅｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅ—ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒ；ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔ；ｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ；ＡＮＳＹＳ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ０引言随着变频设备等电力电子装置的大量使用，配电网中引入了大量的谐波，影响电网安全经济运行Ｌ１Ｊ。其中的零序谐波具有三相大小相等方向相同的特点，并在系统的中性线上叠加，使系统出现不同程度的过电压情况，导致电气设备的损坏，严重时甚至造成中性线电流过大被烧断的危险【２】。零序滤波器是一种绕组经特定方式连接的滤波电抗器【４Ｊ。其采用曲折移相的接线方式，构建零序电流的低阻通道，从而滤除中性线上的零序谐波。相较于传统的谐振滤波器，零序滤波器没有电容，不会造成无功功率的过补偿Ｌ５Ｊ；同时电抗耐过载能力强，可靠性高。零序滤波器的结构与接地变压器【６Ｊ相似，多采用传统的平面三相三柱式结构。但这种平面结构具有三相磁路不对称的缺点，会造成三相不平衡Ｊ，降低了对零序电流的滤波效果。同时零序滤波器零序阻抗值是工程设计的一个重要参数，直接关系到滤波效果。因此工程设计时需要准确获得零序阻抗值。但零序磁通磁路不固定艮难准确计算零序阻抗的大小，给工程设计带来困难。为此本文设计了一种三角形对称结构的零序滤波器，以解决传统平面式结构的三相不平衡问题。并且利用ＡＮＳＹＳ软件强大的电磁计算能力，采用．１２４．电力系统保护与控制能量法对零序滤波器的零序阻抗数值进行了准确计算，为工程计算给出依据。最后对～台容量为１０ｋＶＡ的零序滤波器的样机进行实验验证。１结构分析设计的立体结构零序滤波器如图１所示。其三个铁芯柱在空间上互差１２０。呈三角形对称排列，上下铁轭呈三角环形。铁芯柱采用硅钢片叠压的形式。每个芯柱上的两个绕组呈同心式排列。铁芯柱和铁轭间可通过全斜切方式、对接方式或者直接方式紧密连接在一起。图１滤波器三维结构示意图—Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ３Ｄｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒ图２是传统平面三相三柱式变压器的磁路路径，可以明显看到中间芯柱的磁路最短，两个边柱磁路较长，磁路越长磁阻越大。＼／Ｂ相磁路一一／＼Ｉｆ、＿、／／、、、：：ｌ／＼、、ｙ／＼图２平面式三相变压器磁路—Ｆｉｇ．２Ｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆｆｌａｔｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ在三相电压对称也就是三相磁通对称的条件下，由于三相磁路不相同，由式ｆ１）可知流过三个芯柱中的电流大小并不相等。因此平面式结构本身会产生一定的不平衡电流。＝ＮＩｔＳ（１）Ⅳ式中：，为电流；为磁通；，为磁路的长度；为线圈匝数；为磁导率；Ｓ为磁路的截面积。零序滤波器的零序电抗越小滤波效果越好，而零序电抗的大小由零序磁通决定。如果采用平面式结构，即使三相流过的零序电流具有幅值相等的特点，但由于三相磁路的不对称，系统本身存在的不平衡电流会使流过同一个铁芯柱的两个绕组电流产生的零序激磁磁通不能完全抵消，从而在一定程度上增大了零序电抗。而在三角形结构中，三个铁芯柱互差１２０。对称排列，零序激磁磁路完全对称使得同一个芯柱上两个绕组的零序激磁磁通可以完全抵消，零序电抗完全由零序漏磁通决定，所以降低了零序电抗的大小，提高了滤波效果。同时文献ｆ９１手旨出在工作时，传统平面结构变压器铁轭的４个直角边角上的磁通密度很低，铁磁材料的利用效率不高。新型结构采用三角形铁轭不仅使三相磁路最短，同时也省去了传统结构的４个边角，优化了铁轭结构，减轻了滤波电抗器的重量。２滤波原理分析零序滤波器采用曲折移相ｌｌ０Ｊ的接线方式如图３所示，每相绕组分成两半，分别位于两个不同的芯柱上。将一个芯柱的上半绕组与另一个芯柱的下半绕组反串起来，组成一相。电流从每相的上半绕组中流入，同时将三个下半绕组接在一起后接到电网的中性线上。根据零序电流大小相等的特点，零序滤波器每一相上半绕组与下半绕组的匝数相等，且不同相之间的绕组匝数也相等。图３零序滤波器接线原理图Ｆｉｇ．３Ｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒｗｉｒｉｎｇ在曲折接线的方式下，零序滤波器同一个铁芯柱上两个同芯式绕组产生的零序激磁磁通大小相等方向相反，各铁芯柱中零序激磁磁通满足：。（ｆ）：唣。（ｆ）＝。（ｆ）（２）式（２１表明，同一铁芯柱中零序激磁磁通相互抵消，因此零序电抗完全由零序漏电抗构成。所以零序滤波器对零序电流只具有很小的零序漏阻抗并且．１２８一电力系统保护与控制ｓｅｑｕｅｎｃｅｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００８，３２（１７）：７５－７８．［５］李罗，雷颖，魏玲燕，等．配电用复合无功功率补偿装置原理分析及试验方法研究［Ｊ］．高压电器，２０１４，５０（１）：ｌ０７．１１１．ＬＩＬｕｏ，ＬＥＩＹｉｎｇ，ＷＥＩＬｉｎｇｙａｎ，ｅｔａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎａｌｙｚｅａｎｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｐｌｅｘｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＡｐｐａｒａｔｕｓ，２０１４，５Ｏ（１）：１０７・１１１．［６］徐绍麟．城市电网１０ｋＶ低阻接地系统中接地变压器—零序保护接线方案［ＪＪ．继电器，２００３，３１（９）：３５３９．ＸＵＳｈａｏｌｉｎ．Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｚｅｒｏｓｅｑｕｅｎｃｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎ１０ｋＶｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｒｏｕｎｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｒｅｌａｙ，２００３，３１（９）：３５－３９．’—［７］ＬＩＡＯＣ，ＲＵＡＮＪＬＩＵＣ，ｅｔａ１．３－Ｄｃｏｕｐｌｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｉｄ・－ｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｉｌ－・ｉｍｍｅｒｓｅｄｔｒｉａｎｇｕｌａｒｗｏｕｎｄｃｏｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ，２０１４，—５ｏ（１１、：１４．［８］何源，李新，罗建．利用磁滞回线辨识变压器励磁电—感研究【Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３，４１（１４）：１９２４．ＨＥＹｕａｎ，ＬＩＸｉｎ，ＬＵＯＪｉａｎ．Ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｏｆｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂａｓｅｄｏｎｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｌｏｏｐ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，—４１ｆ１４）：１９２４．［９］冯静．基于ＡＮＳＹＳ的漏感变压器的仿真计算【Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１１．ＦＥＮＧＪｉｎｇ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｅａｋａｇｅｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１．［１０］李发海，朱东起．电机学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．［１１］周雨．一种２２０ｋＶ高阻抗变压器工程设计新方法［ＤＩ．北京：华北电力大学，２０１３．ＺＨＯＵＹｕ．Ｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｆ２２０ｋＶｈｉ曲ｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１３．［１２］崔立君．特种变压器理论设计［Ｍ】．北京：科学技术文献出版社，１９９６．［１３］王雪，王增甲．基于有限元法的变压器电感参数计算方法的研究［ＪＪ．电力系统保护与控制，２００９，３７（２４）：—１１１４，３５．ＷＡＮＧＸｕｅ，ＷＡＮＧＺｅｎｇｐｉｎｇ．Ａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（２４）：１１一ｌ４．３５．［１４］李岩。李龙女，井永腾，等．轴向双分裂发电机变压器漏磁场及穿越短路阻抗计算与分析［Ｊ］．高电压技术，—２０１４，４０（６）：１６２３１６２９．ＬＩＹａｎ，ＬＩＬｏｎｇｎｆｉ，ＪＩＮＧＹｏｎｇｔｅｎｇ，ｅｔａ１．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ—ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｅａｋａｇｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎｄｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｉｎａｘｉａｌ［Ｊ］．ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，—４０（６）：１６２３１６２９．［１５］潘东海．ＤＳＢＣ树脂浇注式变压器电场和磁场计算［Ｄ】．北京：华北电力大学，２０１１．ＰＡＮＤｏｎｇｈａｉ．ＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＤＳＢＣｃａｓｔｒｅｓｉｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１．［１６］李锦彪．曲折形联结变压器短路阻抗计算的能量法【Ｊ］．电工技术学报，２０１３，３１（增刊２）：１２７．１３３．ＬＩＪｉｎｂｉａｏ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｚｉｇｚａｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｍｐｅｄａｎｃｅｕｓｉｎｇｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａ—ＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１３，３１（Ｓ２）：１２７１３３．［１７］李锦彪，周重芝．变压器铁心拉板损耗的计算与分析—［Ｊ】．变压器，１９９５，３２（６）：１７２０．ＬＩＪｉｎｂｉａｏ，ＺＨＯＵＣｈｏｎｇｚｈｉ．Ｌｏｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｃｏｒｅｐｕｌｌｐｌａｔｅ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，１９９５，３２ｆ６）：１７－２０．［１８］李英．用能量法计算电抗的实例【Ｊ１．变压器，２００４，—４１（２）：１８２１．ＬＩＹｉｎｇ．Ｅｘａｍｐｌｅｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅａｃｔａｎｃｅｕｓｉｎｇｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，２００４，４１（２）：１８－２１．［１９］张航，毛欣，王佳佳，等．单相整流负荷谐波功率需求建模分析［Ｊ１．电力系统保护与控制，２０１５，４３（２０）：８－１４．ＺＨＡＮＧＨａｎｇ，ＭＡＯＸｉｎ，ＷＡＮＧＪｉａｊｉａ，ｅｔａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｈａｒｍｏｎｉｃｐｏｗｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｏａｄｓ［Ｊ１．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０ｌ５，４３（２０）：８１４．收稿日期：２０１５－０７－１３；—修回Ｅｔ期：２０１５－０８１６作者简介：尹忠东（１９６８一），男，博士，教授，研究方向为ＦＡＣＴＳ，—电能质量及可控电抗器；Ｅｍａｉｌ：ｙｚｄ＠ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ王彬（１９９０－），男，硕士研究生，研究方向为柔性供电与电能质量。Ｅ－ｍａｉｌ：１１２７１２４９５３＠ｑｑ．ｃｏｍ（编辑魏小丽）