CN1578044A - 抑制三相y型连接负载启动暂态的方法与设备 - Google Patents

抑制三相y型连接负载启动暂态的方法与设备 Download PDF

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Abstract

抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，提出了一种在三相电力***中，通过对三相支路依据预先设定的次序进行分别启动，来减少三相Y型连接负的启动暂态的方法。三相支路的启动次序是根据负载类型来决定的。一个从Y型连接负载的中性点到地线的暂态抑制阻抗用来在第一、二、三次启动时提供一个暂态电流通道。暂态抑制阻抗的选择是在第一相启动完成后，通过确保第二和第三相启动所产生的启动暂态同时最小化的设计方法来确定的。本发明最大限度地减少了三相电路中启动暂态产生的浪涌电压/电流对电气设备的影响，保证了诸如计算机、医疗设备等对电能质量敏感的电力负载的正常运行。

Description

抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备
(一)技术领域
本发明是一个关于减少三相电力***中起动暂态的发明，特别是一种抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备
(二)背景技术
变压器，电抗器，电容器以及电动机是电力***中的常用设备。当这些设备在电力***中被起动时，一般都会引起诸如电压/电流冲击等起动暂态现象。这些起动暂态经常是由冲击电流涌进被起动的负载而导致的结果。起动暂态反馈到电力***中去，会影响诸如计算机，医疗设备等对电能质量敏感的电力负载的正常运行。由于对电能质量灵敏的电子设备得到越来越多的应用，如何控制起动暂态问题开始得到电力工业的高度重视。
在过去二十年里，主要有两种方法和装置被研制出来限制冲击电流。第一种方法预先接入阻尼电阻器或电感器。此预先接入的阻抗(如电阻器/电感器)分别串联在负载的每一相。当负载的一相被起动并且达到稳态后，该相相应的电阻/电感被短接。此类方法应用电阻来增加整个电路的阻尼，使暂态现象能够更快消失。这种方法的主要缺点是负载每一相都需要单独的电阻及其旁路电路。此类***在一些美国专利中有过描述，如专利6,018,473，6,218,652，4,695,918等。
第二种方法精确控制负载接入电力***的开关/断路器的合闸瞬间。当***某一相电压或电流过零时，该相开关/断路器在这一瞬间准确合闸。究竟选择电压或电流过零的瞬间，取决于负载的类型。对于容性负载，每一相的断路器在该相电压为零时合闸；对于感性负载，断路器在电压达到最大且电流为零时合闸。随着微机技术的发展，这种方法不但在技术上可以实现并且已得到了工业界的接受。然而，这种方法所使用的断路器需经过特殊设计，使其在广泛不同的安装和温度条件下均能保持一致的机械运行特性。此外，这种方法所允许的合闸时间误差非常小(小于2～5毫秒)。因此，这一方案的可靠性及复杂性使其不适于广泛应用。基于这一技术及其变化版本的专利有美国专利5,838,077，6,523,654等。
上述的第一种方法的一种变种是把电阻连接在变压器中性点及地线之间。两篇文章曾描述过这一方案：B.Holmgrem，R.S.Jenkins和J.Rinbrugent所著“变压器冲击电流”，此文章发表在1968年CIGRE会议期刊22期，第一卷12-03，1-13页；以及R.Yacamini和A.Abu-Nasser所著“三相变压器冲击电流的计算”，此文章发表在IEE电力应用期刊1986年1月刊，第133卷，序号1，31～40页。此两篇文章都描述了变压器三相的同时起动并得出中性点电阻对限制变压器冲击电流没有作用的结论。
美国专利6,337,802也尝试简化第一种方法。其采用的方法是用一个串联电阻分别接入负载的每一相，从而达到或部分达到三个电阻的效果。这种方法适用于低压或中压整流设备。当用于高压电力***时，由于需要数个额外的开关，此方法可能比基本的串联电阻方法更昂贵。
(三)发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种在三相电力***中减少三相Y型连接负载a、b、c支路的启动暂态的新发明，即抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备。
本发明一个包括一个合闸顺序控制器，a、b、c支路的开关Sa、Sb、Sc，从Y型连接负载的中性点到地线的暂态抑制阻抗Zn，暂态抑制阻抗Zn两端设有旁路开关，暂态抑制阻抗Zn和负载之间设有断路开关，合闸顺序控制器分别与开关Sa、Sb、Sc以及旁路开关和断路开关连接。
本发明还包括对三相支路依据预先设定的次序进行分别启动；根据负载的类型来决定a、b、c支路的启动次序。本发明还包括一个从Y型连接负载的中性点到地线的暂态抑制阻抗Zn，这个暂态抑制阻抗Zn用来在第一、二、三次启动时，提供一个暂态电流通道。
本发明采用对三相支路对应的第一、二、三相开关Sa、Sb、Sc依据预先设定的次序进行分别合闸，这里指的开关可以包括断路器；第二、三次合闸应该在第一、二次合闸并经过一段延时后再进行；一般来讲，这段延时可以是短到几个电气周期或长到几秒钟，但是，这个延时必须能够保证前一次合闸所产生的启动暂态能减小到足够小的程度，这一般需要5到15个电气周期。
本发明进一步包括如何正确选择三相开关合闸顺序的设计方法，对于感性负载，合闸顺序应该是相a，然后是相b，最后是相c；对容性负载，合闸顺序应该是相a，然后是相c，最后是相b。
本发明进一步包括在Y型连接负载的中性点加入暂态抑制阻抗Zn以及通过选择最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值以确保第二和第三次合闸所产生的启动暂态同时最小化的设计方法，这个最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值可以通过满足第二次和第三次合闸时的启动暂态幅度相同的条件来确定的。
前面提到的最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值可以通过两条曲线的交点来描述，这两条曲线分别是第二和第三次合闸时的启动暂态幅值和暂态抑制阻抗Zn值的关系曲线，最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值就是这两条曲线的交点值，如图4所示。
前面提到的最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值可以通过满足两个电压都最小化的条件来近似确定，第一个电压是第一次合闸后第二相开关两端的稳态电压；第二个电压是第一和第二次合闸后第三相开关两端的稳态电压。
这个最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值也可以通过满足以上两个电压相等的条件来近似确，最佳暂态抑制阻抗匹配值可以近似为这两条曲线的交点值，如图5所示。
前面提到的暂态抑制阻抗Zn可以包括电阻，电感和电容元件或它们之间的组合。
前面提到的最佳暂态抑制阻抗Zn匹配值可以被描述为Y型连接负载开路电阻的函数。
本发明进一步包括了针对不同的负载种类的最佳暂态抑制阻抗Zn值的设计参考：
对于三相之间有耦合的三相变压器，Zn最佳值为：
             Zn＝R＝0.085Xopen
这里，Xopen是变压器的开路阻抗，以上公式的中性点阻抗是个纯电阻，比较典型的这一类变压器是三柱型变压器或二次侧是三角形连接的变压器，这种情况下，涌流可以减少90％左右。
对于三相之间没有耦合的三相变压器和电抗器，Zn最佳值为：
         Zn＝R-jX＝0.085Xopen-jXopen/3
这种情况下，中性点阻抗为一个串联的电阻和电容的组合，比较典型的这一类应用是三单柱型变压器和三相电抗器。
对于电容器启动，Zn最佳值为：
         Zn＝R+jX＝0.085XC+jXC/3
这里，XC＝1/(ωCa)是电容器的开路阻抗，Ca是电容器组每相的电容值，ω是供电***的角频率。
对于感应发电机或电动机，Zn最佳值为：
        Zn＝R＝0.085Xopen
这里，Xopen是发电机或电动机的开路阻抗。
这里给出的最佳阻抗值均为参考值，实际应用中，严格却保很高的精度性并不是必要的，采用近似的阻抗值可以取得几乎相同的启动暂态抑制效果。
这个发明进一步包括在第三相启动完成之后，从Y型连接的负载中断开暂态抑制阻抗Zn的设计方法，暂态抑制阻抗Zn可以在第三次合闸并经过一段延时后再从***中断开，一般来讲，这段延时只要能够保证第三次合闸所产生的启动暂态能减小到足够小的程度就可以了。
这个发明进一步包括在第三相启动完成之后，采用一个旁路开关将Y型连接负载的中性点直接接地的设计方法，旁路开关可以在第三次合闸并经过一段延时后再进行操作，一般来讲，这段延时只要能够保证第三次合闸所产生的启动暂态能减小到足够小的程度就可以了。
这个发明可以有三种实现方法：
(1)应用到现有负载中来减小其启动暂态；
(2)用来生产制造一种专门的启动暂态抑制设备；
(3)容入到负载设计中来生产制造“无启动暂态”负载。
在第一种方式下，针对现有的高启动暂态的负载，可以通过添加暂态抑制阻抗，并调整其启动模式来减小其启动暂态；在第二种方式下，本发明可以用来生产制造有顺序合闸能力和暂态抑制阻抗的专门的启动暂态抑制装置与设备；在第三种方式下，本发明可以用来生产制造将负载，有顺序合闸能力的开关及暂态抑制阻抗结合在一起的“无启动暂态”负载。
本发明最大限度地减少了三相电路中启动暂态产生的浪涌电压/电流对电气设备的影响，保证了诸如计算机，医疗设备等对电能质量敏感的电力负载的正常运行。
(四)附图说明
图1是本发明的电原理图
图2是本发明中的中性点阻抗旁路的操作模式图。
图3是本发明中的中性点阻抗断路的操作模式图。
图4是本发明中启动暂态幅值和中性点阻抗的关系曲线。
图5是本发明中断路器两断的稳态电压和中性点阻抗的关系曲线。
其中，1、电力***，2、三相Y形连接负载，3、合闸顺序控制器；
a、b和c是三相电路中的三条支路；
Sa，Sb和Sc是线路侧的隔离开关或断路器；
ZN是暂态抑制阻抗，例如是一个电阻，电感和电容串联组合；
Vx是开关合闸前两端的稳态电压，对支路a，它是Vxa，对支路b，它是Vxb，对支路c，它是Vxc；
(五)具体实施方式
实施例1：本发明的电原理图如图1所示，这个发明的一般性实现方法如下：
(1)根据设计参考选择中性点阻抗Zn的大小。实际应用中，严格却保很高的精度性并不是必要的。采用近似的阻抗值可以取得几乎相同的启动暂态抑制效果。
(2)所有开关的初始状态为打开；
(3)合上a相开关Sa；
(4)等待几个电气周期后(0.01秒到1秒)，如果是感性负载，合上b相开关。如果是容性负载，合上c相开关。注意时间延时不是要求很准确。一般来讲，短到几个周期或长到几秒钟都是可行的。一般的规律是这个延时应该足够长以确保前一次合闸产生的暂态效应已经消减到足够小的程度。
(5)等待几个电气周期后(0.01秒到1秒)，如果是感性负载，合上c相开关。如果是容性负载，合上b相开关。同样时间延时不是要求很准确。
(6)当所有的开关都合上后，通过暂态抑制阻抗Zn流入地线的电流变成0。暂态抑制阻抗Zn可以继续保留，因为它对正常***操作没有影响。
(7)如果正常运行时不想保留暂态抑制阻抗Zn，可以使用一个旁路开关或者一个断路开关。如果使用旁路开关，在设备启动后，中性点将直接接地。如果使用断路开关，在设备启动后，中性点将不接地。
在第一种方式下，针对现有的高启动暂态的负载，可以通过添加暂态抑制阻抗Zn，并调整其启动模式来减小其启动暂态；在第二种方式下，本发明可以用来生产制造有顺序合闸能力和暂态抑制阻抗ZN的专门的启动暂态抑制装置与设备；在第三种方式下，本发明可以用来生产制造将负载，有顺序合闸能力的开关及暂态抑制阻抗结合在一起的“无启动暂态”负载。
实施例2：一个已经投入运行的电容器在其启动过程中产生过高的启动暂态。这个发明可以被用于解决这个问题。依照以下方式：
(1)接入一个暂态抑制阻抗Zn＝R+jX＝0.085XC+jXC/3
(2)将电容器的断路器设置为顺序合闸模式。合闸顺序为A相，C相和B相。
(3)采用以上操作后，电容器的启动暂态将会明显减弱。
实施例3：本发明可以用来设计一个感应电机的无启动暂态的启动装置。这个装置包括：
(1)一个暂态抑制阻抗Zn＝R＝0.085Xopen
(2)一个设置为顺序合闸模式的断路器。合闸顺序为A相，B相和C相。
感应电机可以通过这个装置进行启动，通过调整中性点阻抗，这个装置可以用于其它电机。
在实施例3中，一个新变压器的设计中包括了暂态抑制阻抗Zn的设计。这个阻抗被设置为Z＝R＝0.085Xopen。同时这个变压器包括一个设置为顺序合闸模式的断路器。和闸顺序为A相，B相和C相。这些设计使这个变压器变成了“无启动暂态”变压器。它可以有很多用途，因为它的启动不会对电力***造成很大干扰。

Claims (10)

1、一种抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，本发明一个包括一个合闸顺序控制器，a、b、c支路的开关Sa、Sb、Sc，从Y型连接负载的中性点到地线的暂态抑制阻抗Zn，暂态阻抗Zn两端设有旁路开关，暂态阻抗Zn和负载之间设有断路开关，合闸顺序控制器分别与开关Sa、Sb、Sc以及旁路开关和断路开关连接。
2、一种抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，对二相支路依据预先设定的次序进行分别启动；根据负载的类型来决定a，b，c支路启动的先后次序；Y型连接负载的中性点到地线的暂态抑制阻抗Zn用来在第一、二、三次启动时，提供一个暂态电流通道；暂态抑制阻抗Zn的选择是通过满足第二次和第三次启动暂态幅度都减少到最低限度的条件来确定的；
3、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，启动暂态包括电压和电流。
4、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，对于感性负载，启动顺序是a，b和c；对容性负载是a，c和b
5、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，两次启动之间的延时是必需的，以确保前一次合闸产生的暂态效应已经消减到足够小的程度，典型的延时为1个到60个电气周期。
6、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，暂态抑制阻抗Zn可以包括串联连接的电阻，电感和电容元件或它们之间的组合，设备启动后，暂态抑制阻抗Zn可以被旁路或断开。
7、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，暂态抑制阻抗Zn的选择通过满足第二次和第三次启动暂态(电压和电流)幅度都减少到最低限度的条件来确定的。
8、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，暂态抑制阻抗Zn可以被近似的选择，通过最小化第二次和第三次合闸前开关两端稳态电压Vx2和Vx3来决定。
9、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，暂态抑制阻抗对Zn的设计值
(1)对于三相之间有耦合的三相变压器，Zn设计值为：
         Zn＝R＝0.085Xopen
这里，Xopen是变压器的开路阻抗；
(2)对于三相之间没有耦合的三相变压器和电抗器，Zn设计值为：
         Zn＝R-jX＝0.085Xopen-jXopen/3
(3)对于电容器启动，Zn设计值为：
      Zn＝R+jX＝0.085Xc+jXc/3
这里，XC＝1/(ωCa)是电容器的开路阻抗，Ca是电容器组每相的电容值，ω是供电***的角频率；
(4)对于感应发电机或电动机，Z设计值为：
      Z＝R+jX＝0.085Xopen
这里，Xopen是发电机或电动机的开路阻抗；
10、根据权利要求1或2所述的抑制三相Y型连接负载启动暂态的方法与设备，其特征在于，有三种实现方法：
(1)应用到现有负载中来减小其启动暂态。
(2)用来生产制造一种专门的启动暂态抑制设备。
(3)容入到负载设计中来生产制造“无启动暂态”负载。
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