基于DSP的微機消諧裝置開發(fā)畢業(yè)論文

1、 PAGE37 / NUMPAGES42 大學畢業(yè)設計（論文）題目：基于DSP的微機消諧裝置開發(fā)學 生 姓 名：學號：學 部 （系）： 機械與電氣工程學部 專 業(yè) 年 級： 電氣工程與其自動化 指 導 教 師：職稱或學位：副教授年 5月 23日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc262810457摘要HYPERLINK l _Toc262810458關鍵詞HYPERLINK l _Toc262810459AbstractHYPERLINK l _Toc262810462Key wordsHYPERLINK l _Toc2628104631.引言 PAGERE

2、F _Toc262810463 h 1HYPERLINK l _Toc2628104641.1課題的提出 PAGEREF _Toc262810464 h 1HYPERLINK l _Toc2628104651.2 諧振與諧振過電壓的發(fā)生與機理 PAGEREF _Toc262810465 h 1HYPERLINK l _Toc2628104661.3國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc262810466 h 3HYPERLINK l _Toc2628104671.4本文主要研究容 PAGEREF _Toc262810467 h 4HYPERLINK l _Toc2628104702.諧振一般原

3、理 PAGEREF _Toc262810470 h 5HYPERLINK l _Toc2628104712.1線性諧振 PAGEREF _Toc262810471 h 6HYPERLINK l _Toc2628104722.2參數諧振 PAGEREF _Toc262810472 h 8HYPERLINK l _Toc2628104732.3鐵磁諧振 PAGEREF _Toc262810473 h 10HYPERLINK l _Toc2628104742.3.1單相鐵磁諧振電路 PAGEREF _Toc262810474 h 10HYPERLINK l _Toc2628104752.3.2三相鐵

4、磁諧振電路 PAGEREF _Toc262810475 h 14HYPERLINK l _Toc2628104762.4諧振接地與單相接地的區(qū)別 PAGEREF _Toc262810476 h 15HYPERLINK l _Toc2628104772.5一般消諧方法的比較 PAGEREF _Toc262810477 h 15HYPERLINK l _Toc2628104783.硬件設計 PAGEREF _Toc262810478 h 18HYPERLINK l _Toc2628104793.1裝置的硬件結構原理 PAGEREF _Toc262810479 h 18HYPERLINK l _To

5、c2628104803.2裝置的框圖與器件的選擇 PAGEREF _Toc262810480 h 18HYPERLINK l _Toc2628104814.軟件功能的實現(xiàn) PAGEREF _Toc262810481 h 31HYPERLINK l _Toc2628104824.1主程序流程圖 PAGEREF _Toc262810482 h 31HYPERLINK l _Toc2628104834.2鑒頻的方法 PAGEREF _Toc262810483 h 32HYPERLINK l _Toc2628104845.總結與展望 PAGEREF _Toc262810484 h 35HYPERLIN

6、K l _Toc262810485參考文獻 PAGEREF _Toc262810485 h 36HYPERLINK l _Toc262810486致 PAGEREF _Toc262810486 h 37基于DSP的微機消諧裝置開發(fā)摘 要電力是我國經濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略重點之一,實現(xiàn)電力工業(yè)的現(xiàn)代化勢在必行。電力系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,其損失往往大于本身的損失,有時是災難性的。 我國的配電網和大型工礦企業(yè)的接地方式分為中性點直接接地和中性點不接地兩種。中性點直接接地系統(tǒng)中,由于電網中各點電位被固定,通常不會出現(xiàn)中性點位移電壓。一旦單相接地就跳閘,影響供電可靠性,一般很少使用;中性點不接地系統(tǒng)中,變電所的

7、母線上通常接有星形接線的電磁式電壓互感器,當有某種擾動發(fā)生的時候,可能激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。不同的參數配合下,可產生基頻諧振、高頻諧振、分頻諧振。首先文章諧振的產生和特點,然后詳細地介紹了諧振電路,對其所產生的諧波諧振、基波諧振、分頻諧波諧振進一步的分析。文章在前述理論的基礎上,提出了一種采用IGBT控制的小電流接地系統(tǒng)鐵磁諧振消諧裝置的設計方案,對裝置的動作機理進行說明,介紹了關于裝置的硬件和軟件的設計。本裝置可以消除高頻諧振、基頻諧振、1/2分頻諧振、1/3分頻諧振的鐵磁諧振,具有消諧迅速的特點。關鍵詞：中性點；諧振；過電壓；消諧Microcomputer selective harmon

8、ic eliminationbased on DSP device AbstractElectricity is one of the important strategies of the economic and social development in our country. Its quite essential to modernize the electric industry. Once anything wrong happens in power system, the loss will be greater than itself, sometimes it woul

9、d tragedy. The power supply and the underground way in our country is divided the neutral isolated distribution. In the neutral grounding, each voltage focus in the power system is fixed, so the neutral transferring the voltage wont usually happen. However, once the single phase is grounded it could

10、 trip out. This phenomenon would effect the power supply reliability, so the single phase grounding seldom is used in generally. In the neutral ungrounded system, generatrix of the transformer substation usually connects star like electromagnetic potential transformer. Then when something unexpected

11、 often happen, e.g. single phase of grounding fault will arouse high-voltages with the cooperation of different parameters, high harmonic, sub harmonic or harmonic Ferro resonance many happen.First, the essay introduces the generation process and the features of the Ferromagnetic resonance, makes a

12、further analysis of its generation of high harmonic, harmonic Ferro resonance and the mathematical model of sub harmonic. this essay advance a design approach of the device Ferro resonance Elimination in Low Current Systems is control by IGBT as will as introduce the motional principle of the device

13、. It introduces the designation of hard wire and soft wire of the device. The device can eliminate high harmonic, harmonic Ferro resonance, 1/2 sub harmonic and 1/3 sub harmonic, it have eliminate Ferro resonance speedy characteristic.Key words :neutral point; resonance; over-voltage; eliminate harm

14、onic1.引言1.1課題的提出當今世界正在進入信息社會喝知識經濟時代，對于電能質量、人身安全、設備安全、通信干擾等諸多問題，日益受到人們的廣泛關注。變電站綜合自動化中的諧振項目對于電網的安全、穩(wěn)定與經濟運行起到極其重要的作用，故引起了電力行業(yè)各部門的注意和重視。隨著我國電力工業(yè)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，對電能質量、供電可靠性的要求越來越高，特別是美國“8.14”特大事故后，使人們認識到電網的事故是災難性的。實現(xiàn)變電站綜合自動化中的消除諧振，可使邁向大電網、特高壓、高自動化的電力網，實時的發(fā)現(xiàn)諧振的發(fā)生并避免諧振的危害。利用現(xiàn)代計算機技術、通信技術、電力電子技術、微電子技術與現(xiàn)代控制理論等，提供先進的

15、技術理論、對變電站進行全面的技術改造，實現(xiàn)電網的技術改造，實現(xiàn)電網的穩(wěn)定運行，以適應國民經濟快速發(fā)展對電能質量的需求。近代中壓電網發(fā)展很快，延伸圍不斷擴大，電纜線路日益增多，電容電流迅速增打，鐵磁諧振和單相接地故障電流的危害與由此引起的諸多后續(xù)惡果，更加突出。這一問題已經引起國外廣大業(yè)人士的普遍關注。三辰電器，1990年4月28日，催化6KV配電所I段電壓互感器預防性實驗結束，在送互感器刀閘瞬間，互感器嗡嗡作響后冒煙并且燒毀，催化6KV I段低電壓保護動作，造成生產混亂。1990年5月13日，一循II段單相接地電壓互感器高壓熔斷器熔斷，同時擊穿一循2#電機絕緣，加氫6KV 段避雷器也隨之爆炸，

16、加氫車間停產?？傊?，年投運以來至年諧振過電壓導致電壓互感器燒毀臺，避雷器爆炸兩次，電動機擊穿兩次，多次高壓熔斷器熔斷，造成繼電保護動作，誤停區(qū)域KV配電所，造成一系列的設備事故和生產混亂。鐵路分局西供電段段管10KV配電所2000年3月5日13:15岱岳配電線一開關跳閘，I段母線TV高壓保險熔斷3相：3月18日20：50岱岳配電I段母線TV高壓保險相在運行中熔斷；月日：岱岳配電自閉一、二開關跳閘，自閉母線高壓保險熔斷。年年僅局線路就發(fā)生諧振次，燒毀保險次。在國與以下系統(tǒng)中都發(fā)生過諧振現(xiàn)象。在近來幾次國際供電會議（）上，不少國家都有諧振方面的研究論文發(fā)表，第十八屆國際供電會議于年月日到日在意大利

17、都靈市召開。中國代表也參加了此次會議。會議子啊第二項議案中再次重申了對中壓配電網諧振接地方式的研討，并作為今后發(fā)展的一個重要方向?？梢?，防止和消除鐵磁諧振是目前電網穩(wěn)定運行的一個重要研究課題。1.2 諧振與諧振過電壓的發(fā)生與機理所謂諧振，是指振蕩系統(tǒng)的某一自由振蕩的頻率等于外加強迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)（或準穩(wěn)態(tài)）現(xiàn)象，在這種周期性或準周期性的運行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的那個諧波的振幅會急劇上升。通常認為系統(tǒng)中的電阻和電容元件為線性參數，電感元件則一般有三類不同的特性 參數。對應三種電感參數，在一定的電容參數和其他條件的配合下，可能產生三種不同類型的諧振現(xiàn)象。線性諧振 電感參數可近視地視為常數，電感值不隨元

18、件上的電壓或電流的變化而變化。諧振回路由不帶鐵芯的電感元件（如輸電線路的電感、變壓器的漏感）,或勵磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件（消弧線圈，其鐵芯有氣隙），以與系統(tǒng)中的電容元件所組成。在正弦電源作用下，當系統(tǒng)自振蕩頻率與電源頻率相等或接近時，可能產生線性諧振。參數諧振 電感參數在外力的影響下發(fā)生周期性變化。有電感參數作周期性變化的電感元件，和系統(tǒng)電容元件（空載線路）組成回路，當參數配合時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，將會造成參數諧振過電壓。鐵磁諧振 又稱非線性諧振。電感元件因帶有鐵芯會產生飽和現(xiàn)象，電感參數不再是常數，而是隨著電流或磁通的變化而變化，振蕩回路中的電感為非線性

19、電感元件。這種含有非線性電感元件的回路，在滿足一定諧振條件時，會產生鐵磁諧振，并具有許多特有性質。在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，電壓互感器（TV）是鐵芯電感元件，如果有某種大的擾動或操作，TV的非線性鐵芯就可能飽和，從而與線路和設備的對地電容形成特殊的單相或三相共振回路，激發(fā)起持續(xù)較高幅值的過電壓，這就是鐵磁諧振過電壓。運行經驗表明，中性點接地和不接地系統(tǒng)中均發(fā)生鐵磁諧振，諧振時出現(xiàn)的異常過電壓和過電流引起絕緣閃絡、避雷器爆炸、TV高壓熔絲熔斷等，甚至燒毀TV，嚴重時造成停電事故，嚴重威脅電網安全運行。在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，TV是鐵芯電感元件，如果有某種大擾動或操作，TV的非線性鐵芯就可能飽和，從

20、而與線路和設備的對地電容形成特殊的單相或三相共振回路，激發(fā)起持續(xù)較高幅值的過電壓，這就是鐵磁諧振過電壓。諧振過電壓的危害性既決定于其幅值的大小，也決定于持續(xù)時間的長短。當系統(tǒng)產生諧振過電壓時，能危與電器設備的絕緣，也能因持續(xù)的過電流而燒毀小容量的電感元件設備，如電壓互感器，此外，還影響飽和裝置的工作條件，如影響避雷器的滅弧條件。有電壓互感器的鐵芯飽和和引起的過電壓時中性點不接地系統(tǒng)中最常見和造成事故最多的一種部過電壓。中性點直接接地系統(tǒng)中國，TV繞組分別與各相電源電勢相聯(lián)，電網中各點電位被固定，不會出項中性點位移電壓，但是一有單相接地，馬上跳閘，破壞供電可靠性指標;若中性點經消弧線圈接地，其電

21、感值遠此奧與TV的勵磁電感，相當于TV的電感被短接，TV的變化也不會引起過電壓。中性點不接地系統(tǒng)中，為了僅是絕緣，發(fā)電廠、變電所的母線上通常接有Y0接線的電磁式電壓互感器。正常運行時，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小。但在某些切換操作或接地故障消失后，TV三相飽和程度差別變大，它與線路對地電容形成諧振回路，可能激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。不同的參數配合下，可產生基頻諧振、高頻諧振、分頻諧振。TV鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統(tǒng)中最常見和造成事故最多的一種部過電壓。因此，本文針對中性點不接地系統(tǒng)的鐵磁諧振進行仿真，研究鐵磁諧振的性質。針對6-35KV中性點不接地或中性點經電阻、消弧線圈

22、接地系統(tǒng)的產生的鐵磁展，研制了小電流接地系統(tǒng)消諧裝置。該消諧裝置從根本上解決了模擬式消諧裝置在弧光接地時的誤動作問題，并且彌補了其職能消除一種特定頻率之功能單一的特點。實時解決了消諧的有效性。給現(xiàn)場的安全運行提供了一個很好的檢測控制手段，并給相關的消諧器的設計提供了一種參考。1.3國外研究現(xiàn)狀數十年來，國外的專家學者對鐵磁諧振進行了大量研究，包括理論分析、各種實驗以與逐步利用計算機進行數值仿真計算等，從各個不同的角度解釋了TV鐵磁諧振的現(xiàn)象與其變化規(guī)律，并提出了一系列抑制鐵磁諧振的措施，研制了相應的裝置，在系統(tǒng)運行中取得了一定的效果，但是裝置消諧的有效性并沒有得到保障。關于鐵磁諧振的理論分析和

23、計算主要表現(xiàn)在以下幾個方面：在早期的理論分析中，分析鐵磁諧振常用的方法有圖解法、相平面法。多在鐵磁諧振發(fā)生機理進行定性的分析，這些方法簡捷、直觀，是對模擬實驗方法的一個很好的補充。但是，他們的研究對象僅限于串聯(lián)的非線性諧振電路。年代后，開始使用各種非線性系統(tǒng)的分析法對諧振電路非線性二階電路進行分析。例如，幅頻法、描述函數法、平均法、諧波平衡法等。這些方法都屬于一種近似的解析法，只能對穩(wěn)態(tài)情況進行分析。隨著計算方法和計算技術的發(fā)展，人們對數字仿真引入到鐵磁諧振的研究中來，對其暫態(tài)特性進行了研究。年代后期以來，國外學者又把鐵磁諧振與非線性動態(tài)系統(tǒng)和混沌反洗結合起來，將分叉理論、奇異和非奇異吸引子的

24、概念引入鐵磁諧振的研究領域，利用功率譜密度和龐加萊映射的方法和數值仿真技術對其進行動態(tài)分析。將鐵磁諧振電路的響應分為三類：周期響應、擬周期響應、和混沌響應。并證實在一定的初始條件下，電力系統(tǒng)也會出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。用數值仿真的方法對鐵磁諧振進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)計算。在對鐵磁諧振分析中，建立完善的諧振分析模型和準確確定參與諧振的參數是很重要的。對此曾用四維微分方程組表示鐵磁諧振系統(tǒng)，而且建立了消諧措施后的鐵磁諧振系統(tǒng)方程。將系統(tǒng)模型轉化為能在計算機上計算的仿真模型，在計算機上進行試驗研究，就稱為計算機仿真，又稱數字仿真。因為鐵磁諧振是在三相回路統(tǒng)一產生，不能將其轉化為一個單相電路進行分析，這就使得理論分析和

25、計算十分困難，而對于三相非線性電路的定量計算方法更缺少全面有效地算法。試驗方法顯然有它的局限性。隨著計算機和計算技術的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了用數字仿真分析鐵磁諧振的方法，利用計算機進行數字仿真，我們可以方便地改變系統(tǒng)中的各種參數，使得分析更加全面。到目前為止，國對于TV諧振的數值仿真計算研究可分為兩大類：一是在最簡化的模型基礎上，用高一些擬定的參數進行計算得出有關TV諧振的規(guī)律，可以認為國現(xiàn)有的數值仿真多是作理論上的研究，還沒有進入實際應用領域；另一類則是采用美國幫納維爾電力局（BPA）編制的電磁暫態(tài)過程技術程序EMTP，它是當今世界上應用最廣泛的研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的程序，是目前國際通用的數學程

26、序。由于程序實際上沒有專門針對鐵磁諧振現(xiàn)象的計算，所以仿真效果并不理想，并且該程序的使用和維護也很復雜，因而，數值仿真計算尚不能滿足實際的要求。數值仿真計算方法的應用極促進了諧振的研究，但是現(xiàn)有的仿真計算還存在很多實際的問題，需要作進一步的研究。1.4本文主要研究容本文針對小電流接地方式的電網產生的諧振，提出了以IGBT電路為控制手段的小電流接地的系統(tǒng)消諧裝置，給出了裝置的硬件構成和軟件構成。該消諧裝置能消除高頻諧振、基頻諧振、1/2分頻諧振、1/3分頻諧振。2.諧振一般原理電力系統(tǒng)中包括有許多電感和電容元件，作為電感元件的有電力變壓器、互感器、發(fā)電機、消弧線圈以與線路導線等的電感，作為電容元

27、件的有線路導線的對地電容和相間電容、補償用的串聯(lián)和并聯(lián)電容器組以與各種高壓設備的寄生電容等。當系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的電感、電容元件可形成多種頻率的振蕩回路。當外加的強迫振蕩頻率等于振蕩系統(tǒng)中的某一自由振蕩頻率時，就會出現(xiàn)周期性的或準周期性的諧振現(xiàn)象，引起諧振過電壓。諧振是一種穩(wěn)態(tài)性質的現(xiàn)象，雖然在某些情況下，諧振現(xiàn)象不能自保持，在發(fā)生后進一段短暫的時間，會自動消失，但也可能穩(wěn)定存在，直到諧振條件受到破壞為止。因此，諧振過電壓的危害性既取決于其幅值，也取決于它的持續(xù)時間。當系統(tǒng)產生諧振時，可能因持續(xù)的過電壓而危與電氣設備的絕緣，或因持續(xù)的過電流而燒毀小容量的電感元件設備，還可能影響過

28、電壓保護裝置的工作條件，如影響閥式避雷器的滅弧條件。運行經驗表明，諧振過電壓可在各種電壓等級的電網中產生。在35與以下的電網中，由諧振造成的事故較多，需要特別重視。在電網設計時與進行操作前，要做一些估計和安排，盡量避免諧振的發(fā)生或縮短諧振存在的時間。電力系統(tǒng)中的有功負荷時阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素，所以通常只有在空載或輕載的情況下才會發(fā)生諧振。但對零序回路參數配合不當而形成的諧振，系統(tǒng)的正序有功負荷是不起作用的。在不同電壓等級、不同結構的系統(tǒng)中可以產生不同類型的諧振過電壓。一般可認為電力系統(tǒng)中電容和電阻元件的參數是線性的，而電感元件則不然。因此，隨著振蕩回路中電感元件的特性不同，諧振將

29、呈現(xiàn)三種不同個的類型：線性諧振。諧振回路由不帶鐵心的電感元件（如輸電線路的電感、變壓器的漏感）或勵磁特性接近線性的帶鐵心的電感元件（如消弧線圈，其鐵心中帶有空氣隙）和系統(tǒng)中的電感元件所組成。在交流電源的作用下，當系統(tǒng)自振頻率等于或接近電源頻率時，將產生線性諧振現(xiàn)象。鐵磁諧振（非線性諧振）。諧振回路由帶鐵心的電感元件（如空載變壓器、電壓互感器）和系統(tǒng)中的電容元件組成。受鐵心飽和的影響，鐵心電感元件的電感參數是非線性的，這種含有非線性電感元件的回路，在滿足一定的而寫作條件是，會產生鐵磁諧振現(xiàn)象。參數諧振。諧振回路由電感參數作周期性變化的電感元件（如凸極發(fā)電機的同步電抗在間周期性變化）和系統(tǒng)電容元件

30、（如空載線路）組成。當參數配合恰當時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，將會造成參數諧振。2.1線性諧振在串聯(lián)線性電路中，只要電路的自振頻率接近交流電源的頻率，就會發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。這時即使是在穩(wěn)態(tài)也可能在電感或電容元件上產生很高的過電壓，因此串聯(lián)諧振也稱作電壓諧振。如圖（2-1）為串聯(lián)線性諧振電路，這種電路常常是在操作或故障引起的過渡過程中出現(xiàn)。圖2-1串聯(lián)線性諧振電路設電源電壓為，為回路的阻尼電阻，/(2L)為回路的阻尼路。由于R較小，/1，可以忽略電阻對自振角頻率的影響，自振角頻率=1/。當回路中電感電流和電容電壓的初始值為零時，可得出過渡過程中電容C上的電壓為 （2-1）

31、式中，與為電容電壓穩(wěn)態(tài)分量的有效值與初相角，可由電路穩(wěn)態(tài)計算得到。穩(wěn)態(tài)時，回路阻抗角為 （2-2） （其中初相角）回路的電流與電容、電感電壓有效值分別為 （2-3） （2-4） （2-5）自由分量的初始角和有如下關系 （2-6）圖2-2 不同參數條件下諧振曲線圖（2-2）給出了在不同的時，可計算出表示和關系的曲線，曲線中的最大值出現(xiàn)在 （2-7）時，其值為，當=0時，只要和相近，電感和電容上的電壓已相當高。這種并未諧振而在電感和電容上出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)象稱為電感電容效應，簡稱電容效應。分析上述公式可知，線性諧振現(xiàn)象具有如下特點：只要串聯(lián)回路的額電感和電容參數為正常，回路的自振頻率就是固定的，當電源

32、頻率與之接近或相等時就會發(fā)生線性諧振現(xiàn)象。實際電路比較復雜，有時可能具有一個以上的自振頻率，甚至電源中也可能包括有諧波，這時只要回路中的一個自振頻率與電源頻率或它的某一個諧波頻率相等或相近，這可能產生這個頻率下的線性諧振現(xiàn)象。當時，過電壓只能由回路電阻來限制，一般回路電阻很小，所以線性諧振對參數配合要求比較嚴格，實際電力系統(tǒng)往往可以在設計或運行時避開諧振圍來避免線性諧振過電壓。2.2參數諧振在有電感和電容組成的振蕩回路中，如果存在一個振蕩性電流，則當電流為最大值時，電容上的電壓為零值，此時磁能將達到最大值，電能則為零值；當電流過零點時，電容上的電壓達最大值，此時電能將達最大值，而磁能下降為零。

33、由于和電感相連的此聯(lián)是不能突變的看，如果回路的電流在最大值時，用外力使電感參數減小為，則電流必定增大為以保持磁鏈不變，即有 （2-8）由此可得電流的增值為 （2-9）如果在過零點，即磁能為零時再加外力使電感增大，回到原來的值，此時，由于電感的磁鏈為零，顯然不會引起回路中電流和磁能的變化。這樣，每經過一次電流最大點就獲得了一次電流的增大和能量的增大的機會，從而使回路中的電流越來越大或電壓越來越高，即出現(xiàn)了電學的參數諧振現(xiàn)象?；芈返碾娮瑁ɑ蛴泄ω摵桑┠芤种茀抵C振。顯然只要電源每周期在上消耗的能量大于沒周期外力輸入回路中的能量，諧振就不會發(fā)生了。在電力系統(tǒng)中，當同步發(fā)電機轉子受原動機的驅動而旋轉時

34、，定子繞組的電感會周期性地改變其大小。對于凸極電機來說，當轉子軸與一相繞組重合時，該相繞組的感抗最大，為（直軸電抗）；而當轉子軸與該相繞組軸成正交時，該相繞組的感抗最小為。顯然，如原動機帶動轉子以同步轉速旋轉，則相繞組的感抗將在和的圍以的角頻率變化。如果同步發(fā)電機接有容性負載，且線路的容抗參數與發(fā)電機感抗配合得當，使電感電容的自振頻率能和電感變化的頻率相適應，即能滿足電流過零時電感增大，電流達到幅值時電感減小的條件，就可能引起工頻參數諧振。此時，即使發(fā)電機的勵磁電流很小，甚至為零，但受電機轉子剩磁切割繞組而產生的不大的感應電壓或電容兩端具有很小殘余電荷的激發(fā)，也會引發(fā)參數諧振，使發(fā)電機的端電壓

35、和電流急劇上升，最終產生很高的過電壓。這種現(xiàn)象稱為電機的同步自勵磁，所產生的自勵磁過電壓稱為自激過電壓。電機的自勵磁現(xiàn)象就其物理本質來說是由于電機旋轉時電感參數發(fā)生周期性變化，與電容形成參數諧振而引起的。在同步自勵磁時，電流和電壓將逐漸上升，如圖（2-3）所示。這種過電壓上升速度以秒計，為限制這種過電壓，只要采用快速自動勵磁調節(jié)器就足夠了。圖2-3同步自勵磁時定子電流變化曲線 圖2-4異步自勵磁時定子電流變化曲線如果電機處于異步狀態(tài)，則定子繞組的旋轉磁場將切割轉子繞組，在轉子繞組中感應出周期性變化的電流，生成相應的脈動磁場。而轉子的這一脈動磁場又可以分解為兩個大小相等方向相反的旋轉磁場疊加到原

36、有轉子磁場上，與定子繞組切割，在定子繞組中感應出兩個拍頻電勢。這樣，定子的電流將具有拍頻的性質，如圖（2-4）所示。這種情況下的參數諧振叫異步自勵磁。由于余部自勵磁過電壓有拍振現(xiàn)象，其上升速度很快，已不能靠快速勵磁自動調節(jié)器來有效限制，因此出現(xiàn)異步自勵磁過電壓時必須用過電壓速斷保護立即將電機從系統(tǒng)中切除。一般情況下，如果發(fā)電機的容量比被投入的空載線路的充電功率大得多，就不太會發(fā)生電機的自勵磁現(xiàn)象。如果不能滿足這一點，則應避免發(fā)電機帶空載線路起動，例如可以在線路末端先接上帶負荷的電源，也可在線路上采用并聯(lián)電抗器來消除參數諧振條件。附帶指出：由于鐵心的飽和效應，變壓器的勵磁電感在工頻作用下也是以二

37、倍頻率變化的，因此也可能出現(xiàn)參數諧振過電壓。不過這種參數的變化是電源電能作用的結果，通常稱這種參數諧振為自參數諧振，以區(qū)別于前述外力使參數周期變化引起的諧振。當變壓器勵磁電感的這種周期性變化，與由和線路電容與電機電抗等組成的回路的自振頻率相適應時，就會引起參數諧振。由以上分析可知，參數諧振具有以下特點：諧振可以在無電源時出現(xiàn)。此時諧振所需的能量是由改變電感參數的原動機直接供給的。只要在諧振起始階段，回路中有某些啟示擾動，諧振就可能出現(xiàn)。雖然電網中存在著一定的損耗電阻，只要每次參數變化所引入的能量大于電阻中的能量損耗，回路中的儲能就會愈積愈多，諧振就能發(fā)展。因此，諧振出現(xiàn)后回路中的電流和電壓的幅

38、值，理論上能趨于無窮大。這一點與線性諧振現(xiàn)象有顯著區(qū)別，線性諧振即使在完全諧振的條件下，其諧振的幅值也受損耗電阻所限制。鐵心電感的飽和是制約參數諧振過電壓和過電流幅值的主要因素。因為當參數諧振發(fā)生后，隨著電流的增大，電感線圈將達到磁飽和狀態(tài)，此時電感和相應的差值都將迅速減小，使回路自動偏離諧振條件。2.3鐵磁諧振運行經驗表明，在我國中性點不接地電網中，常有由于絕緣監(jiān)視用的電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振造成系統(tǒng)過電壓和TV中的過電流，導致瓷絕緣閃絡、避雷器爆炸、TV高壓熔斷等，甚至燒毀TV，嚴重影響了系統(tǒng)的而安全運行。本章將概括性地介紹人們從各個角度對其研究得出的普遍性規(guī)律。從而為仿真模型基諧振

39、檢測的提出提供理論依據。2.3.1單相鐵磁諧振電路電壓互感器引起的鐵磁諧振屬于三相鐵磁諧振，雖然三相鐵磁諧振要比單相鐵磁諧振復雜的多，但兩者都有許多共同點，因此有必要簡要介紹一下單相鐵磁諧振的特點，吧他們作為三相鐵磁諧振的額電路入門的向導：圖2-5 單相諧振等效電路圖（2-5）是單相鐵磁諧振電路。作近似分析時，忽略電路中的各種有功損耗，忽略電流電壓高次諧波，從而以允許用等值正弦波與向量圖進行分析。電路的蒂娜、電壓向量如圖（2-6）所示：圖2-6 單相諧振的向量圖圖2-7 帶鐵芯電感線圈的伏安特性圖2-8 帶鐵心電感實際伏安特性圖（2-5）電路中的鐵芯電感線圈的伏安特性如圖（2-7）的，而電容的

40、伏安特性是一直線。外加電壓的有效值等于電感和電容上電壓有效值之差。當電容的數值適合，曲線將與直線相交于一點N，對應此相交點N的電源電壓為零，電流為時，電路呈感性，大于時呈容性。由于鐵芯線圈存在著有功損耗，電流、電壓波形是非正弦的，電路的總伏安特性并不能與橫軸相交，其實際伏安特性如圖（2-8）所示。對于一定的電源電壓，電路有三個平衡點，其中a點和c點是穩(wěn)定的平衡點，b點是不穩(wěn)定的平衡點。當電源電壓逐漸從零升高時，工作點從0點沿實際伏安特性移動。電源電壓達到時，工作點驟然由1跳到2，此時電流值將有躍變，電源電壓U和電流的相位關系有原來的電流滯后度，驟然變?yōu)槌岸?，電源電壓繼續(xù)增加，工作點沿路線、連

41、續(xù)移動，當電壓降到時，工作點由驟然跳到，電路有容性變?yōu)楦行?，電流有效值呈躍式減少。單相鐵磁諧振回路由完全不同于線性電路的一些特點，歸納如下：工作點具有躍變性質線性電路中電壓的連續(xù)增減總是引起電流的連續(xù)增減，而在鐵磁諧振電路中電壓的連續(xù)增減卻可以引起電流的躍變。對于某一電流電壓值，工作點可能不只一個線性電路中電壓和電流總是單值對應的，而在鐵磁諧振電路中一個電源電壓值卻可能和兩個電流對應。既然有兩個穩(wěn)定平衡點，那么電路究竟工作在哪一點呢？這要看平衡時怎么建立起來的。如果電源電壓時連續(xù)由零升起到，則工作點將在點；若電源電壓是從較高數值連續(xù)下降，工作點將在點。當電源電壓為定值，電路經開關突然合閘，由于

42、受到沖擊度不同，工作點將會不同，沖擊程度高時工作點將在點，反之將在點。由此可見，穩(wěn)態(tài)工作點不僅取決于電源電壓的大小，而且取決于建立平衡的過程，這是鐵磁諧振電路特有的現(xiàn)象。共振圍廣闊線性電路共振僅在很宰的圍才會產生。鐵磁諧振則在很廣闊的圍都能產生。圖2-9 鐵磁諧振伏安特性曲線由圖（2-9）看出，當電容的伏安特與含鐵芯電感的伏安特性相交于一點時，就有產生鐵磁諧振的可能性。如果電容太小，容抗過大，則曲線的伏安特性比圖（2-9）中曲線的還高，則電感和電容的伏安特性沒有相交點；反之當電容太大，容抗太小，則曲線的伏安特性比曲線的還低，二者也沒有交點。伏安特性沒有交點就意味著不會產生鐵磁諧振。特性代表鐵芯

43、在線性工作狀態(tài)下的電抗與飽和電抗時，即時，電感的伏安特性和電容的伏安特性就會相交于一點，也就有產生鐵磁諧振的可能性。顯而易見，這比線性電路的共振要廣闊的多。如果再考慮下面提到的不同于電源頻率的諧振，鐵磁諧振電路的共振圍就更加廣闊了。諧振的產生還要求有一定的外加電壓值 線性電路的共振與電源電壓值無關，只要電路參數互相配合，不管電源電壓的高與低，共振都會產生。與此相反，鐵磁諧振一定要在電源電壓處于一定圍才能產生。這是因為帶鐵芯線圈的電感是隨電壓的高低而改變的，只有當電壓大小合適，電感值才能與電容相匹配，才會發(fā)生諧振。諧振頻率可以不同于電源頻率實驗表明，鐵磁諧振電路的電流電壓諧振頻率可以是電源頻率（

44、稱為基頻諧振），也可以是電源頻率的整數倍（稱為高頻諧振），還可以是電源頻率的整數分之一（稱為分頻諧振）。高頻諧振是容易理解。帶鐵芯線圈是非線性電感，在正弦波電壓作用下，線圈的兩端將產生一系列的高頻電壓，所以它就如同一個高頻發(fā)電機，如電路的電感與電容正好與其中某一高頻電勢匹配就會產生高頻諧振。 無論電源或非線性電感里都不含有分頻電勢，那么又怎么會產生分頻諧振呢？當電路的狀態(tài)突然改變（例如合閘或發(fā)生短路）時，總會伴有自由分量，對含電感電容回路，如電路的阻尼率很小，自由分量總是表現(xiàn)為周期性振蕩。在線性電路中，因總是存在阻尼，自由振蕩電流總是要衰減的。對于非線性電路，因疊加原理不再成立，也就是各種頻率

45、的電流電壓是有聯(lián)系的，因此能夠從基波電勢向自由振蕩分量提供能量，如果所提供的能量足以抵消振蕩過程中消耗在阻尼中的能量，則自由振蕩就會長期維持下來而不衰減。自由振蕩分量的頻率是由電路參數所覺定，不會總是恰巧為電源頻率的整數分之一，但除非自由振蕩頻率為電源頻率的整數分之一，就不能由電源向自由振蕩周期性地提供能量，當然也就不能使振蕩分量維持下來。由電路參數決定的自由振蕩頻率又怎會恰巧是電源頻率的整數分之一呢？這是因為帶鐵芯線圈的電感式可變的，電感的大小隨端電壓的大小而轉移，如果工作點的改變，帶鐵芯線圈的電感也自動諧振，如不能出現(xiàn)能量平衡條件，自由振蕩就會趨于消失，分頻諧振就不會出現(xiàn)。諧振可以是自激性

46、質，也可以是它激性質 如果不需任何激發(fā)條件，只要電源電壓的大小合適，諧振就會自動出現(xiàn)，則稱此為自激性質諧振。反之，光是電源電壓合適還不夠，還需要一定的激發(fā)條件才能出現(xiàn)諧振，則稱之為它激性質諧振。 在圖（2-8）中，當電源電壓大于U1，諧振是自激的，若電源電壓小于U1，工作點有a，c兩點，a點是非諧振狀態(tài)，c點是諧振狀態(tài)，當電源電壓為U2時，通常要有比較強烈的激發(fā)，才能工作在諧振點c，所以這種諧振是它激性的。一般基波諧振和高次諧波諧振有自激和它激的兩種可能，而分頻諧振卻只能由它激產生，這是因為電源電勢里沒有分頻分量，非線性電感元件在電源電勢作用下只能產生高次諧波電勢而不能產生諧波電勢，所以分頻諧

47、振只能由自由分量轉化得來，而自由分量只能在激發(fā)條件下才會出現(xiàn)。2.3.2三相鐵磁諧振電路通常電網中的電壓互感器都是三相的，它所引起的鐵磁諧振當然也是三相鐵磁諧振。由于TV的非線性特性，電感值不是常數，在交流電源作用下會發(fā)生波形畸變現(xiàn)象，因此回路沒有固定的諧振頻率。同樣的回路中，可以是基波諧振，高次波諧振。也就是分次諧波諧振發(fā)生諧振的頻率f0，實際上是有振蕩回路的等值電感L0和等值電容C0來決定，即 （2-10） （2-11）式中為諧振角頻率。電力系統(tǒng)運行和實驗表明，電壓互感器的電感和線路對地電容匹配時，最常遇到的是3次諧波諧振、基波諧振、1/2分頻諧振、1/3分頻諧振。（1）高頻諧振高頻諧振是

48、指:頻振波的頻率大于50HZ。一般為基波奇數倍，如150HZ、250HZ等高頻諧振多在電源向空載母線合閘時出現(xiàn)，有時當變電所的線很短時，也可能產生高頻諧振。這里以三次諧波諧振為例說明高頻諧振，它的頻率是150HZ。（2）基頻諧振基頻諧振是指：諧振波的頻率為50HZ?；l通常表現(xiàn)為二相電壓升高，一相電壓降低。正常運行時三相電壓互感器的特性一樣，三相對地電容也一樣，系統(tǒng)工作在對稱狀態(tài)，電壓互感器的中性點和電源的中性點沒有位移。但是，當系統(tǒng)受到某種沖擊時，例如斷路器向母線合閘，則因電壓互感器的三相繞組受到沖擊的程度不同，三相繞組的飽和程度也將各不一樣，各相綜合阻抗也就各不一樣，從而形成了不平和的三相

49、負荷，導致電源變壓器的中性點發(fā)生位移。（3）分頻諧振1/2分次諧波諧振是指：諧振波的頻率通常約是25HZ。1/3分次諧波諧振是指：諧振波的頻率通常約是17HZ。當電路接線有突變時，在線性電路中可以吧過渡過程的電壓、電流分解為兩個部分，強制分量和自由分量。對含有電感和電容的電路自由分量常常表現(xiàn)為自由振蕩的性質，此自由振蕩的周期取決于電路的參數。而在非線性電路中，電路的突變也要伴隨自由分量的出現(xiàn)，這個自由振蕩分量的頻率略等于電源電勢頻率的1/2，它就有可能通過非線性元件的裝換從電源獲得能量，并在穩(wěn)定過程中保存下來。2.4諧振接地與單相接地的區(qū)別電壓互感器飽和引起的過電壓只與零序參數有關，故導線的相

50、間電容、改善功率因數的電容器組，電網負載變壓器與其有功和無功負荷對這種電壓都不起任何作用。 由于接地與諧振的故障特征相似，區(qū)分單相接地故障與基波諧振的方法主要是依據中性點位移電壓的大小，認為基波諧振時零序電壓的值一般比單相接地時高。然而，在許多情況下基波諧振表現(xiàn)為兩相電壓接近于倍，開口三角電壓接近于1倍，即形成所謂“虛幻接地”現(xiàn)象。此時利用TV開口三角零序電壓來區(qū)分工頻諧振和單相接地時不可能的，這也是造成消諧裝置效果不盡人意的主要原因。系統(tǒng)發(fā)生單相接地和諧振接地時都將出現(xiàn)零序電壓。而寫作接地時線路的零序電流很小，只有系統(tǒng)不平衡電流。因為諧振接地，不同于單相接地，系統(tǒng)單相接地時線路的零序電流為電

51、容電流，數值較大。而諧振接地時，系統(tǒng)并不存在接地點，。這可為判斷單相接地和諧振接地的區(qū)別之一。另外當發(fā)展諧振接地時，諧振過電壓是一種周期性的交變電壓，常見的頻率有1/2分頻諧振和基頻諧振，其次是1/3次分頻諧振，即有很多情況是諧波諧振，故當系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓后，如果系統(tǒng)零序電壓為諧波諧振，也可以判定為諧振接地?？偟膩碚f當系統(tǒng)零序電壓越限后，先對零序電壓進行鑒頻，判斷其所含周波次數，當為分頻時可判斷為諧振；當為基頻時，進一步判斷各線路零序電流的大小，當各線路零序電流較大時認為是單相接地，否則可以認為是諧振。25一般消諧方法的比較限制中性點不接地系統(tǒng)電磁式電壓互感器飽和過電壓方法很多，關鍵是要將諧振

52、接地與單相接地區(qū)分開。主要的消諧方法有以下幾種：改善TV的勵磁特性。TV的勵磁特性越好，產生TV諧振的電容參數圍就越小。事實上，消除諧振最根本的方法是該用電容式電壓互感器或光纖式電壓互感器。減少同一網絡中并聯(lián)TV臺數。同一電網中，并聯(lián)運行的TV臺數越多，網絡總的勵磁特性就越容易飽和，總的伏安特性會變差，TV諧振也就越容易發(fā)生。也就是說，如果連接的線路長度在一臺TV時可能避免一起諧振，但在兩臺或多臺時就肯能進入諧振區(qū)而容易產生諧振。因此，除在電壓側為了監(jiān)視絕緣而必須將TV高壓側中性點接地外，其它的TV特別是用戶的TV盡可能不接地。每相對地加裝電容器。增加對地電容式回路參數超出諧振的圍，可避免TV

53、諧振。但一般只適合在農村小變電站中應用。因為如果系統(tǒng)中有多臺TV中性點接地，則需增裝電容量很大，這種方式則不合適。同時電容越大，接地電流越大。系統(tǒng)中性點經消弧線圈接地。采用這一措施可以完全消除因TV引起的鐵磁諧振，消弧線圈的電感值遠比互感器的勵磁電感小，回路的自振頻率將決定于3和，由TV引起的諧振也就成為不可能。而且，還可以限制流過TV的大電流，使TV熔絲不被燒毀。但在實踐中，由于不適當操作或某些倒閘過程會導致局部電網在中性點不接地方式下臨時運行，所以這種系統(tǒng)也曾經發(fā)生過TV諧振。此外，消弧線圈自身的維護和整定還需要不斷完善。系統(tǒng)中性點改為經電阻接地的運行方式。中性點經電阻接地可以限制諧振時的

54、過電壓水平，減小諧振產生的肯能性。在互感器開口三角繞組端口接電阻，當諧振時消耗能量，限制諧振過電壓。中性點經電阻接地可以降低過電壓水平。TV高壓側中性點串接單相TV接地。該方法中串入的電阻實際上等價于每相對地串接，也就是在諧振的串聯(lián)諧振回路中串入電阻。此電阻可增大系統(tǒng)阻尼，消耗諧振的幅度和能量。雖然電阻值越大，抑制諧振效果越好，但阻值太大會影響系統(tǒng)接地保護的靈敏度，電壓互感器中性點電位要抬高，有可能超過絕緣電壓互感器中性點的絕緣水平。采用這種接地方式，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地或其它原因造成相電壓升高時，零序電壓按三相TV和單相TV的零序阻抗分。由于三相TV開口三角接成短路后零序阻抗極小，零序電壓幾乎

55、全部分在單相TV上，分在三相TV上的電壓不具有諧振激發(fā)條件，故不會發(fā)生過電壓，但是為了不使變電站中性點串單相TV失去作用，采用這種方法時，中性點不應接地在TV高壓側中性點串接電阻接地。這種方法起到零序阻尼的作用。由于其阻值較大，使通過TV繞組的電流受到限制，從而降低了TV的飽和程度。對于消除諧振，降低諧振電流由明顯的作用。缺點是電阻太大，會使開口三角電壓太低，影響與誒的指示靈敏度以與保護裝置的正確動作，另外阻值的選擇還受到中性點絕緣水平的限制，如果電阻太大，相當于電網單相接地時，大部分零序電壓降落在電阻上。開口三角繞組出零序電壓就太低，失去保護作用。若電阻趨向于零，則互感器中性點直接接地等于沒

56、有限制措施。在單相接地與消除瞬間，電阻上會出現(xiàn)高電位，因此對中性點弱絕緣的TV不適用。TV二次側開口三角繞組接阻尼電阻。對正常的運行沒有影響，電阻越小消諧效果越明顯。當開口三角繞組的阻尼電阻為零時，即將開口三角形繞組短接，則TV三相電感值就變成漏感，其數值三相相等，TV飽和過電壓也就不存在了。但在單相持續(xù)接地時，不僅電阻必須吸收較大能量，開口三角繞組也必須具備足夠大的容量。這類消諧措施對非諧振區(qū)域流過TV的大電流不起限制作用。電壓互感器高壓側中性點經大電容接地措施。這種方式能正確區(qū)分諧振和單相接地或弧光接地。有選擇的短接互感器揩油三角繞組。即當發(fā)生鐵磁諧振時，短接開口三角繞組，消耗能量限制諧振

57、。開口三角繞組加裝消諧裝置。當電力系統(tǒng)發(fā)生諧振時，以前的解決方法有在TV上串接200-500W燈泡進行衰減。這種措施主要靠白熾阻絲的電阻阻尼來消除諧振的，白熾燈的電阻絲存在冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻差異較大的問題。這樣在發(fā)生第一次諧振時，由于白熾燈的電絲處于冷態(tài)，電阻很小，可以較好的起到消諧作用。但此后電阻絲已經處于熱態(tài)，電阻變得很大，若再發(fā)生諧振，則無法再進行有效消諧。由于這種措施存在消諧的不穩(wěn)定性，所以在配電網中用的越來越少。后來，發(fā)展了一種模擬式消諧裝置，由于本身不具有智能特色，所以，不僅常在弧光接地時引起誤動作，而且只能消除某一特定頻率的諧振，不能得到推廣應用。以上措施對限制諧振都各有利弊，要

58、么消諧效果不好，要么額外增加設備，增加電網節(jié)點，也就增加了電網的不穩(wěn)定性的幾率。方法3中的阻尼電阻接于三角繞組兩端，對正常運行無影響，且電阻越小消諧效果越明顯。3.硬件設計3.1裝置的硬件結構原理裝置的接線圖如圖（3-1）所示圖3-1 裝置接線圖如圖（3-1）所示，消諧裝置接在TV的開口三角處。當電力系統(tǒng)正常運行時，理論上TV開口三角處零序電壓為零，一旦發(fā)生鐵磁諧振或者單相接地，TV開口三角處就伴有不同數值的零序電壓。該裝置將對電壓互感器開口三角繞組電壓即零序電壓進行不間斷地循環(huán)檢測，在電力系統(tǒng)正常工作情況下，該電壓為零（即設定小于15V即為零），裝置的大功率消諧元件處于阻斷狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何

59、影響。當系統(tǒng)處于異常時，本裝置對電壓互感器開口三角電壓進行數據采集，通過數字測量、消除干擾等技術處理，然后對數據進行分析、計算、診斷當前的異常工況。如果是某種頻率的諧振，起動消諧電路，是諧振在強大的阻尼下迅速消失，同時裝置給出指示。諧振消除后，CPU作相應的記錄、存儲，并自動顯示，記錄有關諧振信息（包括發(fā)生時間、頻率、幅值等）。最后，裝置返回到初始狀態(tài)，并繼續(xù)檢測開口三角電壓。3.2裝置的框圖與器件的選擇裝置硬件的結構框圖如下圖（3-2）所示，它可以劃分為以下幾個部分：型號的輸入，前置調理電路，微機處理系統(tǒng)，人機對話系統(tǒng)等。圖3-2 總體結構框圖零序電壓正序、負序、零序的出現(xiàn)時為了分析在電力系

60、統(tǒng)電壓，電流出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象時，把三相的不對稱分量分解成對稱分量（正、負序）與同向的零序分量。只要是三相系統(tǒng)，就能分解出上述三個分量。對于理想的電力系統(tǒng)，由于三相對稱，因此負序和零序分量的數值都為零。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，三相變得不對稱了，這時就能分解出有幅值的負序和零序分量度了，因此通過檢測這兩個分量，就可以知道系統(tǒng)出現(xiàn)了異常（特別是單相接地時的零序分量）。裝置通電并初始化后，只要開口三角電壓信號大于設定坎值15V，DSP便開始對開口三角電壓信號的頻率和幅值進行實時檢測。當檢測到零序電壓信號的頻率為持續(xù)的1/3次分頻、1/2次分頻、正序或零序工頻、3次高頻時，則分別判定為1/3次分頻諧振、1/2次