[科普中国]-电容电流

电容电流又叫位移电流，不同于电荷定向移动形成的电流，并没有真的从故障点流向大地，是由于电容充放电引起的等效电流。对于交流电，因为电流是不断变化的，这种等效电流也就始终存在。目前很多类型的开关都实现了电容电流补偿。如果在原电路的基础上稍加改动，增加一些功能模块就可以实现智能调节电感量的大小。从而提高了防爆开关的保护性能。

电容电流定义带电电缆、变压器对地都有一定的分布电容(介质存储的电荷量），而分布电容大小取决于电缆的几何尺寸、电缆的长度和绝缘材料等。所以我们探讨分布电容的电流补偿对开关的设计是有着重要意义的，例如青佺大型电容器。电容电流补偿是利用增设感性支路的办法来补偿的。也就是在人为的中性点与大地之间接入可调零序电抗器BK，构成一个感性支路，用以补偿电网三相对地的分布电容产生的入地电流。根据电原理图，电容电流可以等值根据电工学知识，在上述电路中，电容的作用与电感作用相等时，产生并联谐振，即通过电容3C的电流和感抗支路电流在数值上相等，相位相反，这时通过人体的电流则取决于电网总绝缘电阻Rx，使电容电流得到补偿。我们也可以从物理的概念上来理解电流的向量关系，电感引起流过人体的电流是感性电流Ilr滞后于绝缘电阻引起的电流Ir900，而由于电容引起的触电电Icr则超前电阻引起的电流Ir900，也就是说，Ilr与Icr方向相反。1

电容电流的参数电缆实际上各相通过绝缘电阻和分布电容与大地相连接，当人身体触及一相时，触电电流通过人身、大地、另外两相对地绝缘电阻及分布电容回到电源的另外两相，构成闭合回路。人体中也含有相应的电流，这些电流是对人体有益的，它可以保护我们的身体免受外界的侵害，当现到更大的电流时，我们的人体所含电流就会被更大电流吸引，反而伤害到我们的身体，具体如下阐述：通过分析和数学推导得出通过人体的电流为：式中Ir通过人体的电流；Uφ电网电压；Rr人体电阻；Rx相对地绝缘电阻；C相对地分布电容；ω交流角频率。从上式中可以看出，人体电阻为一定值。触电电流主要取决于电网的绝缘电阻RX和分布电容C。触电电流当然也取决于电网电压Uφ。例如，电网电压为660V、电网对地绝缘电阻为100KΩ、人体电阻为1KΩ。如果不考虑分布电容的影响，则通过人体的电流为：当考虑对地电容影响时，如果C=0.5UF，则通过人体电流为：从上述计算可知，即使在绝缘电阻较高的情况下，如果分布电容的影响，则人身触电电流显著增加，危及生命安全。因此必须电容电流补偿，以保证供电安全。2

电容电流补偿电路对于一定长度的电缆，具有一定的对地分布电容，电网对地分布的电容为各条对电缆对地分布电容总和，由于使用的电网的长度，截面大小不同，分布电容也不同。所以要求附加支路电感量必须能够调整。一般都采取两种方法：采用零序电抗器。增加电抗器分接头，调整零序电抗器的分接头，就可以调整附加支路的电感量，达到补偿的目的。调整时，按下按钮BS，调整电抗器的分接头，使毫安表的指示电流最小；采用磁放大器。首先说明磁放大器的原理。由对口型铁芯成π型布置。在铁芯的两个边柱各有一个交流线圈并相串联，中柱有一个匝数较多的直流控制线圈。两个交流线圈并想串联时，应使其在中柱铁芯产生交流磁通大小相等，方向相反，以保证在直流控制线圈中无感应电势。由电工基础可知，一只铁芯线圈接入交流电路以后，其电感量L为：L=（4πw2S10-8/1）μ；L-线圈的电感量；W-线圈匝数；1-磁路长度；μ-铁芯导磁系数从上式中可知，当铁芯的几何尺寸确定以后，其电感量与匝数W平方成正比，与导磁系数μ有关，所以要得到各种不同的电感量，只要改变匝数W和μ就可以改变电感量，达到补偿的目的。在铁芯材料一定的情况下，其导磁系数决定于外加直流控制磁场的大小，随着直流控制磁场的变化，磁化曲线上的工作点也随之改变，因此导磁系数μ也就随之改变。调整时，按下按钮BS，调节电位器W1使毫安表的读数最小，就能达到最佳补偿效果。

电容电流的应用电网分布电容是可以通过调节电感来进行补偿的。目前很多类型的开关都实现了电容电流补偿。如果在原电路的基础上稍加改动，增加一些功能模块就可以实现智能调节电感量的大小。从而提高了防爆开关的保护性能。基于电容电流反馈有源阻尼的 LCL 型脉宽调制(pulsewidth modulation，PWM)变换器并网电流控制中，通常采用多谐振比例谐振(proportional resonant，PR)控制器来实现静止坐标系下正弦电流给定的无静差跟踪和抑制电网电压特定次谐波影响。针对电流环控制器复杂、参数多、设计难的问题，采用频率域理论分析电容电流反馈系数和准 PR 控制器各参数对电流环性能的影响。在此基础上，提出一种电流环控制器参数解耦简化解析设计方法，根据稳定性、稳态误差和相位裕度要求，分别设计电容电流反馈系数及 PR 控制器相对谐振增益系数和比例系数。该设计方法简化了控制器参数之间的耦合关系，且多采用解析计算，不需要反复试凑。实验结果验证了所提出的参数解耦解析设计方法是可行和有效的随着分布式发电和智能电网的兴起，储能技术逐渐成为电力系统安全、优质运行的重要手段。能量转换系统(power conversion systems，PCS)是储能系统的重要组成部分，电压型脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)变换器以其功率双向流动、功率因数可控、输入电流正弦度好等诸多优点，在单级和多级 PCS 中得到广泛应用。LCL 型 PWM 变换器采用 LCL 滤波器并网，相对于传统 L 滤波器，能够更有效的抑制电流高次谐波，并降低总电感量。但 LCL 滤波器的阻尼小，易造成系统不稳定。为此，学者提出多种有源阻尼控制策略，主要包括电容电流反馈法，零极点配置及分裂电容法等。其中电容电流反馈法最为简单有效，应用也最为广泛。基于电容电流反馈有源阻尼的LCL型PWM变换器的并网电流闭环控制，dq 坐标系下可采用传统PI 控制，但存在强耦合，解耦使控制方法变得复杂。3

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李勇 - 副教授 - 西南大学