偏磁式消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧新原理及應(yīng)用

1、偏磁式消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧新原理及應(yīng)用             偏磁式消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧新原理及應(yīng)用 賈雅君， 蔡旭 （上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030） A new automatic tuning principle and its application of arcsuppression coil with magnetic bias JIA Yajun, CAIXu (School of Electrical Engineering, Shanghai Jiao

2、tong University, Shanghai 200030, China) Abstract:With the analysis of the former control method of the arcsuppression coil with magnetic bias, the paper proposes a new method for automatically tracing the capacitance current of power system, which measures singlephasetoearth capacitance curren

3、t of the power network by measuring neutral point current and its phas angle difference. Then the principle of controlling two arcsuppressions is presented, and this method is simulated and analyzed, based on which we have developed a tuning controller. And the block diagrams of the tuning controlle

4、rs software and hardware are presented. The method is validated on the low voltage simulation network, and the result shows that the error in measuring capacitance current is less than 2% and the transient process of compensation is less than two cycles. The method obviously improves the precision o

5、f capacitance current calculation and will be further used in practice.This project is supported by the Foundation of the National New Products Program(2002ED620004). Keywords:arcsuppression；magnetic bias；tuning；capacitance current   摘要：通過對偏磁式消弧線圈原有控制方法的分析，提出了新的電網(wǎng)電容電流自動(dòng)跟蹤測量方法，即通過測量中性點(diǎn)電流及其相角差來檢測

6、，進(jìn)而提出了消弧線圈的雙機(jī)控制原理，并對該方法進(jìn)行了仿真分析。研制出基于上述原理的調(diào)諧控制器。給出了控制器的軟硬件框圖，并在低壓模擬電網(wǎng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法電容電流檢測誤差小于2%，動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間小于2個(gè)周期。該方法顯著提高了電容電流的計(jì)算精度，并將進(jìn)一步在實(shí)踐中應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：消弧線圈；偏磁；調(diào)諧；電容電流 0引言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置得到了越來越廣泛的應(yīng)用。消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置除了具有調(diào)節(jié)方便，無須停電，精度和動(dòng)作成功率高，能限制弧光接地過電壓及諧振過電壓等優(yōu)點(diǎn)外，能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電容電流的變化是其重要特點(diǎn)1。 實(shí)現(xiàn)消弧線圈自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于在系統(tǒng)正常運(yùn)

7、行時(shí)，準(zhǔn)確快速實(shí)時(shí)地測量出系統(tǒng)對地電容，據(jù)此計(jì)算出單相接地電容電流2。針對此問題本文提出了新的電容電流的精確計(jì)算方法。 1原偏磁式消弧線圈及其控制1.1偏磁式消弧線圈 偏磁式消弧線圈3是一種隨動(dòng)式消弧線圈，它采用全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，具有可靠性高、調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬且可在承受高電壓時(shí)調(diào)節(jié)電感值的特點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的消弧電抗器。它的工作原理是通過改變勵(lì)磁繞組中的直流勵(lì)磁電流,使鐵心的磁導(dǎo)率發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)工作繞組電感L的連續(xù)調(diào)節(jié)。無論是在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，還是在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，偏磁式消弧線圈的電感值均唯一由勵(lì)磁繞組中的控制電流決定，由此可見，我們只要精確地提供勵(lì)磁繞組中的控制電流就可以準(zhǔn)確地調(diào)整

8、消弧線圈的電感。 1.2自動(dòng)調(diào)諧原理 偏磁式消弧線圈實(shí)施動(dòng)態(tài)消弧補(bǔ)償?shù)倪^程是：在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下,跟蹤檢測電網(wǎng)電容電流,消弧線圈的控制電流維持一很小值或?yàn)?,消弧線圈遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)。電網(wǎng)發(fā)生單相接地后,快速施加勵(lì)磁,調(diào)諧消弧線圈實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償。接地消除后,回到跟蹤檢測狀態(tài)。    原裝置電容電流的檢測是采用信息綜合方法4來實(shí)現(xiàn)的, 其核心思想是依據(jù)中性點(diǎn)電壓的不同采用不同的方法。在高度平衡的電網(wǎng)中電容電流的檢測采取類似于諧振法的原理。在有一定不平衡電網(wǎng)中電容電流的檢測,采取三點(diǎn)法,即利用三點(diǎn)電壓值確定電網(wǎng)阻尼率及單相接地電容電流。采用信息綜合方法檢測電網(wǎng)電容電流，被測量

9、主要是中性點(diǎn)位移電壓UN，原方法是利用電壓互感器測量UN，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和光電隔離后，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是對中性點(diǎn)電壓幅值有一定的要求，如果該值太小，控制精度就不能保證。原因是中性點(diǎn)電壓太小時(shí)，電壓互感器偏離額定狀態(tài)，使得傳感信號(hào)誤差較大，尤其是相位誤差更大。此外由于互感器的非理想性，使得變比和相位都存在較大的誤差，需要采用硬件或軟件的方法補(bǔ)償，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，由此我們不難看出電壓互感器的測量結(jié)果將直接影響電容電流的測量精度，需要一種新的測量手段來提高。 2偏磁式消弧線圈控制新原理 針對上述問題，本文采用霍爾電流傳感器來檢測消弧線圈調(diào)節(jié)前后中性點(diǎn)的電流

10、信號(hào)，在保證了中性點(diǎn)電流精確測量的條件下，提出了利用消弧線圈的中性點(diǎn)電流計(jì)算電網(wǎng)電容電流的新原理，原理如下：2.1單機(jī)運(yùn)行控制原理 圖1(a)為偏磁式消弧線圈在補(bǔ)償電網(wǎng)常態(tài)下的零序等效電路，U0為電網(wǎng)自然不平衡電壓，反映消弧線圈未接入前的情況。(b)、(c)分別為消弧線圈工作在控制電流為IK1和IK2時(shí)的等效電路。XL1、XL2分別為消弧線圈工作在控制電流為IK1和IK2時(shí)對應(yīng)的等效消弧線圈部分的感抗（可通過消弧線圈的控制特性曲線準(zhǔn)確獲得）。RL代表它的有功損耗的等值電阻，XC和R為電網(wǎng)對地等值容抗和等值泄漏電阻。 圖1(b)、(c)中，取U0為參考電壓，得到下列方程： 因U0不可測量，所以1

11、,2不可測定。但是=1-2可以精確測定，下面分析如何用角計(jì)算tan1和tan2，圖1(d)為 (b)、(c)電路的電壓電流向量圖，由圖中可以得到： 可見只要精確地測定改變控制電流前后中性點(diǎn)電流的幅值及兩者的相位差，用式(4)、(5)代入(3)即可計(jì)算出電網(wǎng)對地總?cè)菘筙C。又由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于XC，所以有：   即可計(jì)算出電網(wǎng)對地總?cè)菘筙C。從而計(jì)算出電網(wǎng)電容電流IC，按照預(yù)定的殘流要求和補(bǔ)償狀態(tài)調(diào)節(jié)消弧線圈控制電流。2.2多機(jī)并運(yùn)控制原理 圖2（a）為1補(bǔ)償電網(wǎng)和2補(bǔ)償電網(wǎng)并網(wǎng)后的零序等效電路，其中R1L、R2L分別為#1、#2消弧線圈等效電阻，X1L、X2L分別為#1、#2消弧線圈等效

12、電抗，R為#1、#2電網(wǎng)并網(wǎng)后的總對地電阻，xC為#1、#2電網(wǎng)并網(wǎng)后的總對地容抗，U20為并網(wǎng)后#1消弧線圈不投入，只有#2消弧線圈投入時(shí)電網(wǎng)的中性點(diǎn)位移電壓。圖2(b)、2(c)為固定#2消弧線圈不變，改變#1消弧線圈控制電流，分別處于IK1、IK2時(shí)的簡等值電路。此時(shí)不變。精確測定#1消弧線圈改變控制電流后所得IL1、IL2電流，同3.1節(jié)推導(dǎo)過程，同理可得：  按照式（7）、（8）可以計(jì)算出兩補(bǔ)償電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)總的電容電流IC。如為多個(gè)補(bǔ)償電網(wǎng)并運(yùn)，同理，可通過調(diào)節(jié)一臺(tái)的消弧線圈控制電流來計(jì)算多機(jī)并運(yùn)后電網(wǎng)總的電容電流。然后按照該值分配各消弧線圈的補(bǔ)償份額，實(shí)現(xiàn)多機(jī)控制。 3

13、核心控制器的軟、硬件設(shè)計(jì)3.1硬件實(shí)現(xiàn)圖3為用快速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的偏磁式消弧線圈動(dòng)態(tài)調(diào)諧控制系統(tǒng)硬件框圖?？刂破髦饕芍行渣c(diǎn)位移電壓UN模擬輸入通道，中性點(diǎn)電流IL模擬輸入通道、A/D板、模擬量輸入條理板、勵(lì)磁控制電壓Ur模擬量輸出通道，母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)開關(guān)量輸入通道，雙機(jī)并運(yùn)信號(hào)輸入通道、接地故障辯識(shí)及中斷信號(hào)產(chǎn)生電路和單片機(jī)基本系統(tǒng)組成。采用模塊化設(shè)計(jì)，全數(shù)字化處理技術(shù)及光電隔離技術(shù)，其性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。 由于采用了電容電流檢測的新方法，因此中性點(diǎn)電流的測量精度就顯得更加重要，在此，我們采用HDC-50LX（15）霍爾電流傳感器測量中性點(diǎn)電流信號(hào)。電路如圖4所示。中性點(diǎn)電流經(jīng)霍爾電

14、流傳感器HDC-50LX，再經(jīng)運(yùn)算放大器放大、有源濾波和偏置處理電路，轉(zhuǎn)換成符合要求的電壓信號(hào)U0，通過AD采樣送微機(jī)進(jìn)行測量或處理。使用霍爾電流傳感器很方便地實(shí)現(xiàn)了無畸變、無延時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，并且達(dá)到原副邊不失真?zhèn)鬟f，使相位差的測量精度大大提高，而測量原理更為簡便，從而保證了新原理的實(shí)現(xiàn)。3.2軟件流程動(dòng)態(tài)調(diào)諧過程如下：在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，采用前述方法實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電容電流。將檢測到的數(shù)值利用接地消弧變壓器高壓調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)一旦發(fā)生單相接地后偏磁繞組需要施加的偏磁電流數(shù)值并保存該值。然后在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，消弧線圈的控制電流維持一很小值或?yàn)榱?，使消弧線圈遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，且處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。電網(wǎng)

15、發(fā)生單相接地后，瞬間施加偏磁電流到所需數(shù)值，實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償，并通過串行通訊向上位機(jī)傳送接地狀態(tài)信息。經(jīng)故障辯識(shí)模塊確認(rèn)接地消失后，退出偏磁，返回到檢測狀態(tài)。接地消除后，回到電網(wǎng)電容電流實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)。主程序如圖5所示。 采用高速多路同時(shí)交流采樣，同時(shí)對中性點(diǎn)電流IL、中性點(diǎn)電壓UN直接交流采樣，確保輸入信號(hào)間相角的可比性，軟件上經(jīng)DFT計(jì)算出各量的工頻幅值和相角、采用第3節(jié)原理實(shí)時(shí)測量電網(wǎng)電容電流，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。 4仿真及試驗(yàn)研究4.1軟件仿真分析為了驗(yàn)證該方法的有效性，采用Matlab對上述方法進(jìn)行仿真分析，令系統(tǒng)三相對地電容為CA=21F，CB=20F，CC=20F，補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率d=2%

16、，實(shí)驗(yàn)假設(shè)三相電源和負(fù)荷對稱。調(diào)節(jié)控制電流IK使消弧線圈的電感L的值分別為0.6 H，0.5 H，0.4 H，0.3 H，0.2 H（其中0.6H是遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)處，0.2 H靠近諧振點(diǎn)處，且都處于欠補(bǔ)償狀態(tài)）。并將不同項(xiàng)兩兩組合作為控制電流分別為IK1、IK2時(shí)所對應(yīng)的中性點(diǎn)電流IL1、IL2。仿真計(jì)算結(jié)果如表1。這樣已知XC,從而可利用電網(wǎng)相電壓與XC的比值計(jì)算出電網(wǎng)單相金屬接地時(shí)對地電容電流IC。由于XC的理論值為52.181 9 ，由表1數(shù)據(jù)可得最大誤差為0.32%，滿足要求。調(diào)節(jié)過程中，每調(diào)節(jié)一次控制電流就計(jì)算一次電容電流。由仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，離諧振點(diǎn)越近，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。 4.2模

17、擬試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)是利用實(shí)驗(yàn)室已有的偏磁式消弧線圈和低壓模擬電網(wǎng)進(jìn)行的。模擬電網(wǎng)所接消弧線圈參數(shù)為220 V，調(diào)節(jié)范圍115 A。模擬電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)電壓為380 V。在單臺(tái)消弧線圈運(yùn)行狀態(tài)下，模擬電網(wǎng)最大接地電容電流約14 A，最小接地電流約1 A?？赏ㄟ^模擬電網(wǎng)的母聯(lián)開關(guān)來控制系統(tǒng)為雙臺(tái)并運(yùn)狀態(tài)，在這種情況下，允許兩套消弧線圈并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)控制器間需要互相通訊。 表2為單臺(tái)消弧線圈運(yùn)行狀態(tài)下，在不同對地等效電容時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生單相金屬接地時(shí)對地電容電流IC（有效值）的檢測結(jié)果。表3為雙機(jī)并運(yùn)狀態(tài)下，在不同對地等效電容時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生單相金屬接地時(shí)對地電容電流的IC檢測結(jié)果。由表可見檢測誤差小于2%，滿足要求。

18、圖6是在等效電容為75 F時(shí)，模擬電網(wǎng)做單相金屬接地實(shí)驗(yàn)記錄的補(bǔ)償電感電流IL和殘流Ix波形，從波形可見，動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間小于2個(gè)周期。 5結(jié)論本文針對偏磁式消弧線圈電容電流的檢測問題，提出了用可以精確測定的中性點(diǎn)電流來檢測電網(wǎng)電容電流的新方法，極大地提高了電容電流的檢測精度。經(jīng)過理論推導(dǎo)、軟件仿真及模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，證明效果良好。成套裝置已開始投入運(yùn)行，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，控制精確，補(bǔ)償效果令人滿意。 參考文獻(xiàn)1要煥年，曹梅月（YAO Huannian, CAO Meiyue）.電力系統(tǒng)諧振接地（Resonance Ground of Electric Power Systems）M北京：中國電力出版社（Beijing:China Electric Power Press），2000. 2李福壽(LI Fushou). 中性點(diǎn)非有效接地電網(wǎng)的運(yùn)行（Operation of Electric Power System with Neutral Ineffective Grounding）M. 北京：水利電力出版社（Beijing:Hydraulic and Electric Power Press）,1993. 3蔡旭（CAI Xu）. 新型偏磁式消弧線圈及其控制 (New Arcsuppression Coil with Magnetic