偏磁式消弧線圈的調(diào)諧原理

1、偏磁式消弧線圈的新型調(diào)諧原理    摘  要偏磁式消弧線圈的現(xiàn)有調(diào)諧方法，在電網(wǎng)極度平衡地區(qū)，電容電流檢測精度受到限制。本文提出采用注入法的偏磁式消弧線圈的新型調(diào)諧方法，并進行系統(tǒng)設(shè)計，研發(fā)出基于雙機通訊式的采用注入法的偏磁式消弧線圈控制器樣機。試驗結(jié)果表明，新型原理正確，滿足現(xiàn)場應用要求。    關(guān)鍵詞偏磁消弧線圈注入法雙機通訊1引言偏磁式消弧線圈的工作原理是通過改變附加的直流勵磁磁化鐵心的磁導率，實現(xiàn)電感量連續(xù)變化1。如圖1所示，通過改變勵磁繞組中的直流電流，使直流勵磁磁化鐵心的磁導率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)工作繞組的電感L的

2、調(diào)節(jié)。偏磁式消弧線圈是一種可連續(xù)調(diào)節(jié)電感的消弧線圈，它的內(nèi)部為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無運動部件，工作可靠性高，其響應速度快且可在消弧線圈承受高電壓時調(diào)節(jié)電感值。文獻1的研究結(jié)果表明，偏磁式消弧線圈的勵磁繞組中不僅含有勵磁電源提供的直流勵磁電流，而且還含有由交流側(cè)感應出的直流電流分量及一系列偶次諧波電流分量。在交流工作繞組中，不僅含有基波電流，而且還含有一系列奇次諧波電流。勵磁繞組中的感應電流分量對控制系統(tǒng)有較大影響，交流工作繞組中的諧波電流直接影響到補償效果。經(jīng)過多年的研究，文獻1提出的新型偏磁式消弧線圈，通過消弧線圈本身結(jié)構(gòu)上的變化，使得勵磁繞組中的感應電流分量在性質(zhì)上變?yōu)殡妷涸葱?，在?shù)值上大大減?。?/p>

3、交流繞組中的諧波電流大大減小1，諧波電流最大時小于4。對這種新型偏磁式消弧線圈控制的基礎(chǔ)是它的高低壓調(diào)節(jié)特性。（注：后文所提及的消弧線圈都是以新型偏磁式消弧線圈為研究對象）針對偏磁式消弧線圈可連續(xù)且可精確調(diào)節(jié)電感的特點，在高度平衡的電網(wǎng)中電容電流地檢測采取類似于諧振法的原理。有一定不平衡電網(wǎng)中電容電流地檢測，采取三點法，即利用三點電壓值確定電網(wǎng)阻尼率及單相接地電容電流，具體可參見相關(guān)文獻16。新型偏磁式消弧線圈按照上述原理進行自動調(diào)諧，在現(xiàn)場有一定的運行經(jīng)驗，但是在一些電網(wǎng)極度平衡地區(qū)，電容電流檢測精度受到限制。例如在山西某變電站（后來數(shù)據(jù)分析知該地區(qū)電網(wǎng)接近極度平衡）在暴雨天氣中發(fā)生了單相接

4、地故障，但是消弧補償裝置并沒有檢測到故障，因而不能得到及時補償，引起大片地區(qū)停電，影響安全生產(chǎn)。所以有必要尋求一種更加完善的檢測方法。新型偏磁式消弧線圈的控制特性以其自身的高低壓調(diào)節(jié)特性為基礎(chǔ)。圖2研究偏磁式消弧線圈的高低壓調(diào)節(jié)特性。在新型偏磁式消弧線圈低壓狀態(tài)下（對應于電網(wǎng)正常運行），進行電容電流的檢測。由圖2偏磁式消弧線圈的實測低壓調(diào)節(jié)特性曲線看出，開始段的斜率太大，隨著控制繞組（勵磁繞組）電流Ik0微小變化，工作繞組電流變化很快，即電感電流分辨率低。所以利用類似諧振法檢測電容電流的檢測精度受到限制。解決這個問題有兩種可能的方案，一種可能的方案是提高控制電流的分辨率，來提高勵磁的精確度。目

5、前國內(nèi)有些廠家在做這方面的嘗試。但是這對電源的要求很高，對當前水平來說，設(shè)計制造比較復雜困難，并且沒有很好的經(jīng)濟性。另一種方案是采用新的檢測原理，注入法可以使消弧線圈在電感電流下限位置（即對應于消弧線圈的電感上限值），通過注入信號，檢測電容電流。2新型控制方法為了使系統(tǒng)具有很強的靈活性，我們繼續(xù)保存了原有的全數(shù)字化勵磁系統(tǒng)11（本文稱之為主機系統(tǒng)），設(shè)計了獨立的變頻恒流信號源（本文稱之為從機系統(tǒng)）。從機系統(tǒng)用來檢測電網(wǎng)脫諧度、電容電流，利用單片機（從機）的串行口與原勵磁系統(tǒng)（主機）通訊配合，這樣整個系統(tǒng)構(gòu)成為雙CPU工作模式，稱為雙機系統(tǒng)。雙機系統(tǒng)的控制原理示意圖如圖3所示，信號由消弧線圈副邊

6、注入。在電網(wǎng)正常運行時，從機系統(tǒng)利用注入法檢測電網(wǎng)電容電流，并且與主機系統(tǒng)進行通訊，主機系統(tǒng)將利用檢測到的數(shù)值及偏磁式消弧線圈高壓調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)一旦發(fā)生單相接地后控制繞組需要施加的控制電流數(shù)值，從而確定可控硅的導通角。電網(wǎng)正常運行時，控制繞組電流維持一很小值或為零（維持一很小值可以提高動態(tài)響應速度），消弧線圈遠離諧振點，且處于欠補償狀態(tài)。當從機系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)單相接地后，施加勵磁電流，實現(xiàn)全補償。接地消除后，回到原有狀態(tài)1。這樣通過雙機系統(tǒng)的配合，來實現(xiàn)注入法控制偏磁式消弧線圈。21注入信號法測量電容電流原理2注入信號法的電容電流測量是在系統(tǒng)正常運行時進行的，此時中性點位移電壓較低，此時偏磁

7、式消弧線圈運行在電流下限位置，即對應于消弧線圈最大電感值位置。采用從偏磁式消弧線圈上的零序電壓互感器低壓側(cè)（可以是消弧線圈的二次繞組）注入變頻電流信號，測量系統(tǒng)電容電流，接線示意圖如圖4所示（圖中采用從消弧線圈二次繞組注入信號）。對應等值電路如圖5所示。 其中，消弧線圈電抗遠大于消弧線圈原邊漏抗和消弧線圈副邊漏抗，即忽略X1，X2，注入信號等值回路中消弧線圈感抗（XL）與三相電容（因三相對稱，故CA、CB、CC等效為3C）并聯(lián)。簡化圖如圖6所示。通過改變注入信號的頻率，使電感和電容發(fā)生并聯(lián)諧振，找到系統(tǒng)的諧振頻率f0，圖6也是一個典型的并聯(lián)諧振電    式中：為系

8、統(tǒng)角頻率；U為系統(tǒng)相電壓。式中，f為系統(tǒng)頻率（50 Hz）。由上式可以直接通過系統(tǒng)諧振頻率計算脫諧度，該方法測量簡單。一個系統(tǒng)中應用的偏磁式消弧線圈的電感電流下限IL是已知的（對應于消弧線圈的電感上限值），由偏磁式消弧線圈出廠時的參數(shù)表提供，則電容電流為：系統(tǒng)正常運行時，測量系統(tǒng)諧振頻率f0，計算電容電流。從測量過程中，無需調(diào)節(jié)消弧線圈。22諧振頻率的確定    如圖7的等效電路所示，三相等效電容與消弧線圈感抗并聯(lián)的總阻抗設(shè)為Z1，則由并聯(lián)電路得    設(shè)Z1與泄漏電阻R并聯(lián)的等值阻抗為Z2，同理有由方程式（4）知，當Z1遞增時，Z2

9、也隨之增大。當注入信號使系統(tǒng)諧振時，由方程式（3）知，Z1值在理論上有最大值為無窮大，即Z1。所以可總結(jié)為系統(tǒng)諧振時，系統(tǒng)等效阻抗Z2有最大值，在如圖7的系統(tǒng)中，系統(tǒng)等效阻抗Z2上的電壓UX有最大值。即消弧線圈兩端的電壓值為最大值，此時對應的信號源頻率即為諧振頻率f0。測量UX的最大值時，不需要精確測量出UX的數(shù)值，直接比較即可，這樣可減小系統(tǒng)的誤差。單片機系統(tǒng)很容易實現(xiàn)這一點。23變頻信號源的頻率范圍4    本文確定諧振頻率f0的范圍為節(jié)的下限值之比，稱為消弧線圈調(diào)節(jié)深度。為配電網(wǎng)選擇消弧線圈容量裕度是可以變化的，此處選擇的是數(shù)值15，選擇消弧線圈的調(diào)節(jié)深度為

10、4。并且由式（5）可以得出，諧振頻率f0的范圍與額定電壓和額定電流無關(guān)，與消弧線圈的調(diào)節(jié)深度有關(guān)。    綜上所述，則有本文確定變頻信號源的頻率范圍為1590 Hz，但是頻率不可能取值等于工頻50 Hz，因為系統(tǒng)對消弧線圈的選型時已經(jīng)避開了此種情況的出現(xiàn)。24誤差由測量誤差的綜合處理方法，可知脫諧度誤差為即對于信號源頻率為01 Hz的分辨率，脫諧度最大偏離值為±072。 3硬件結(jié)構(gòu)采用注入法的控制器保留了原有偏磁式消弧線圈的全數(shù)字化勵磁系統(tǒng)3，本文重點工作是實現(xiàn)用于注入法檢測電容電流的變頻恒流信號源系統(tǒng)，測量配電網(wǎng)的電容電流、脫諧度，并且使之與原全數(shù)字化

11、勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)通訊配合，構(gòu)成雙機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)整個偏磁式消弧線圈系統(tǒng)的調(diào)諧。雙機系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。31恒流信號源實現(xiàn)本文的變頻恒流信號源由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，而單片機系統(tǒng)的DA通道輸出的信號一般為電壓型的，所以我們必須將此電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。由于電力系統(tǒng)正常運行時，消弧線圈PT低壓側(cè)工頻50 Hz電壓最高可達15 V，選擇適當?shù)淖⑷胄盘柗档臉嗣粗?，單片機輸出信號經(jīng)電壓、功率放大單元放大，使輸出電壓Uinj為200 V。如圖9所示，串接限流電阻R0200實現(xiàn)恒流源，由于系統(tǒng)零序阻抗折算到PT低壓側(cè)一般小于10，遠遠小于限流電阻R0的值。信號源輸出電流Iinj2002001 A，基本

12、上恒定，可以等效作一恒流源。并且PT低壓側(cè)電流中含有工頻50 Hz分量1520070 mA，與信號源輸出Iinj相比很小，可忽略。 32雙機系統(tǒng)實現(xiàn)由于原全數(shù)字化系統(tǒng)和注入法信號源系統(tǒng)安裝在同一個機殼之內(nèi)，這兩個應用系統(tǒng)相距很近，將它們的串行口直接相連，直接以TTL電平通訊，即可實現(xiàn)雙機通訊，如圖10所示，定義原全數(shù)字化控制系統(tǒng)為主機，信號源系統(tǒng)為從機。4軟件設(shè)計41從機程序流程從機主要產(chǎn)生正弦電壓信號，并且能隨頻率變化輸出相應信號，從頻率初始值開始調(diào)用濾波、采樣程序，計算對應頻率的消弧線圈兩端電壓幅值，變化頻率f，再計算此時的Ux，并不要精確測量出Ux的數(shù)值，直接比較即可，這樣可以減小系統(tǒng)的

13、誤差，單片機很容易能實現(xiàn)這一點。如果Ux最大，則此時的頻率f即為諧振頻率，由此計算電網(wǎng)脫諧度以及電容電流。從機與主機通訊，傳送相關(guān)數(shù)據(jù)。其流程如圖11所示。產(chǎn)生正弦信號時，我們按照數(shù)學用表上正弦函數(shù)表，每隔1°的角度，將從90°90°的181個點的正弦函數(shù)值全部固化輸入到PSD的閃存中，采用查表的方法，依據(jù)當前頻率，按時依次輸出表中的正弦函數(shù)值，這樣就很方便的實現(xiàn)了變頻信號的輸出。42主機主程序流程主機主程序仍然采用原有的全數(shù)字化控制系統(tǒng)的主程序的部分格式，主要是在其中增加了通訊模塊，如圖12所示。主機的主程序啟動后，首先進行初始化，主機基本系統(tǒng)自檢，然后進行整套

14、系統(tǒng)自檢。自檢完成后，向從機發(fā)送接受數(shù)據(jù)信息，接受從機檢測到的脫諧度、電容電流。將檢測到的電容電流值按照高壓調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)換成全補償時所需的勵磁電流。主機巡回檢測中性點位移電壓U0的變化情況，把變化量與Uzd1和Uzd2進行比較，確定是否需要刷新電容電流值，同時打開中斷，等待電網(wǎng)發(fā)生單相接地。一旦電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，中性點電壓升高，中斷信號電路產(chǎn)生中斷信號，主機執(zhí)行中斷處理程序。此中斷程序，可調(diào)用原來全數(shù)字化控制系統(tǒng)相應的中斷處理程序3，最終產(chǎn)生滿足要求的勵磁電流，偏磁式消弧線圈產(chǎn)生電感電流對單相接地電容電流全補償。接下來對中斷信號進行全面判斷，經(jīng)多次比較延時處理后，在確保接地故障已經(jīng)消失后，退

15、出中斷處理程序，返回主程序。 5試驗運行51試驗系統(tǒng)采用注入法的偏磁式消弧線圈控制器的低壓模擬試驗接線示意圖如圖13所示，將三相交流380 V電壓經(jīng)三相自耦調(diào)壓器接至變比為1：1的Y0隔離變壓器，該變壓器將低壓試驗網(wǎng)與電力系統(tǒng)380 V電壓隔離開，用3組低壓電容模擬相對地電容。52試驗條件（1）本文利用實驗室已有的模型偏磁式消弧線圈為試驗對象，該模型為220 V，515A調(diào)節(jié)范圍；    （2）模擬電網(wǎng)中3組低壓電容參數(shù)：    第一組電容：3×10F；    第二組電容：3×5F；第三組電容：3×5F。53試驗結(jié)論首先投入全部電容，再投入第一、第二組電容，最后只投入第一組電容，這樣改變電容容量分別進行單相金屬性接地試驗，測量結(jié)果如表1所示。 電力系統(tǒng)運行要求的。況且，測量誤差產(chǎn)生的原因很多，有電容實際標稱值誤差、調(diào)壓器電感影響、儀表本身的測量誤差，等等。試驗結(jié)果表明：采用注入法控制偏磁式消弧線圈原理正確，能夠滿足電力系統(tǒng)的要求。 參考文獻 1 蔡旭偏磁式消弧線圈及其動態(tài)控制系統(tǒng)的研究：學位論文北京：中國礦業(yè)大學，20002曾祥君，等基于注入變頻信號法的經(jīng)消弧線圈接地系