（电力系统及其自动化专业论文）基于扫频法电容电流测量装置的研制.pdf

a b s tr a c t r e c e n t l yp o w e rc a b l e si nt h ed i s t r i b u t i o ne l e c t r i cp o w e rn e t w o r ka r eu s e dm o r e t h a ne v e r , a n dt h ec a p a c i t i v ec u r r e n tb e t w e e nl i n e sa n dt h eg r o u n di sr o s ew i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec i t y i ti sr e c o m m e n d e dt oi n s t a l lt h ea r cs u p p r e s s i o nc o i lw h e n t h ec a p a c i t i v ec u r r e n ti sg r e a t e rt h a nt h ep e r m i t t e dv a l u e10ai nt h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k j u s tt ok n o wt h ee x a c tv a l u eo fc a p a c i t i v ec u r r e n t ，t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i l c a l ld ot h er i g h ta c t t h ep a p e rh a sc a r r i e do n d e e p s t u d i e st or e s o n a n c eg r o u n ds y s t e ma n d c o m p e n s a t i o np r i n c i p l e s a n d a n a l y z e d v a r i o u sm e t h o d so fc a p a c i t i v ec u r r e n t c a l c u l a t i o no f t h ea u t o m a t i ca r cs u p p r e s s i o nc o i l t h em e t h o do fs c a n n i n gf r e q u e n c y h a sb e e ns h o w nt h a ti ti sm o r ea c c u r a t et h a no t h e r sa n di tc a nb eu s e df o ra l lk i n d so f t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i l s ，s ot h em e t h o do fs c a n n i n gf r e q u e n c yi sc h o s e n t h ec a p a c i t i v ec u r r e n tm e a s u r i n gu n i ti sc o m p o s e do ft h es i g n a lg e n e r a t o ra n d t h ec o n t r o l l e r t h es i g n a lg e n e r a t o ri sav o l t a g es o u r c ei n v e r t e rw i t hi g bt ，w h i c h p r o d u c e ss q u a r e w a v eo u t p u tv o l t a g ew i t hv a r i a b l ef r e q u e n c y t h e f o u rd r i v i n g s i g n a l so fi g b ta r eg e n e r a t e db yt h ec o n t r o l l e rb a s e dm i c r o c h i pc 8 0 5 1f 0 2 0 t h e c o n t r o l l e ri sa l s ou s e dt os a m p l et h ea n a l o gs i g n a l s ，t od e c i d et h er e s o n a n c ef r e q u e n c y , t os h o wt h er e s u l t ，a n dt oc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e r s t h es i m u l a t i v es y s t e mi sc a r r i e do ni np s c a d e m t d c i ti ss h o w nt h a tt h e m e t h o do fs c a n n i n gf r e q u e n c yi sf e a s i b l e t h et e s ti sc o n d u c t e di nt h el a b o r a t o r ya n d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o wt h a tt h ec a l c u l a t i o nt h ec a p a c i t i v ec u r r e n ti s v a r ya p p r o a c ht ot h er e a lc a p a c i t i v ec u r r e n ta n dt h et i m eo ft h ew h o l ec o u r s ei so n l y 1 0 m s k e y w o r d s ：t h em e t h o do fs c a n n i n gf r e q u e n c y ；t h ec a p a c i t i v ec u r r e n tb e t w e e n t h el i n e sa n dt h eg r o u n d ；t h er e s o n a n c ef r e q u e n c y ；t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i l 1 1 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下木人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授二哥的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉。 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：王盘日期：翌! !年生月三h 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公丌阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术沦文或成果叫，署乞r e 位仍然为东北电力学院。 论文作者签名：垂盈广| 期：生年上月同 导师签名 霉至款 n 期：墨翌年上月上同 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 在我国，配电系统线路故障大多是单相接地故障。如祟配电系统采用中性 点1 i 接地运行方式，当发生单相接地短路故障时电压矢量三角形不变，线电压 不变，对三相用电设备的讵常运行无影响。在电容电流不大，接地电弧能自熄 的条件下，系统可带故障持续运行一段时| 1 _ 】j 。因此我国早期多采用中件点不接 地运行方式，提高系统供电的可靠性和连续性。但是随着城市建设的快速发腰， 配电系统中的电缆线路同益增多或加长，使得电网的电容电流大大增加。当配 网单相接地电流大于规程规定的i o a 时，会产生一种间歇性的接地电弧，进 步引发幅值较高的弧光过电压。弧光过电压持续时间长、影响面积大，对电 网中绝缘较差的设备和线路上的绝缘弱点，可能导致绝缘击穿，使故障扩大。 此外，由于中性点电压的不稳定，电网单相接地容易引发电磁凿振而导致电压 互感器烧毁和高压熔丝熔断等事故，给电网的安伞町靠运行带来极大危害。1 2 1 德国工程师彼得逊( w p e t e r s e n ) 于1 9 1 6 年首先提出并应用消弧线幽接地f 又 称谐振接地) 来解决上述问题。当配网发牛中柏接地故障时，消弧线圈的电感与 系统的对地电容构成并联谐振回路口l ，使零序阻抗接近与无限大，消弧线圈提 供的感性电流补偿了系统的容性电流，使流过接地点的电流很小或为零。消弧 线圈的接入一i 仅大大减小了故障点电流，还能减小故障相恢复电压的仞速度和 上升速度，延长恢复时间，从而保证了接地电弧的可靠熄灭，避免重燃，并减 小了高幅值过电压的出现概率，给电网的安全运行带来系列优点。因此，部 颁d l t 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规程中规定：3 3 5 k v 系统的单相接地故障电容电流超过1 0 a 时，中性点应采用消弧线圈接地方 式。 在经济飞速发展的今天，如何确保直接面向用户的配电系统吖i 发生供电巾 断显得越来越重要。要保证配电系统的连续不间断供电，一个重要方面就是准 确地测量系统的电容电流，从而根据系统电容电流的大小装设适当容量的消弧 线圈，避免因电弧重燃而产生过电压。在我困一些经济发展较快的地区，不时 出现新装接地变压器和消弧线圈补偿容量太小而实际运行电容电流过大需要逐 一更换的现象【4 i 。因此，准确测星系统对地电容电流是决定装设消弧线圈与否 和诈确选择消弧线圈容量的依据；及叫测量接地电容电流值，对调整消弧线圈 东北电力大学坝十学位论文 的档位，掌握其容量余度，有效实施补偿，都具有重要意义。 此外，配电网的对地电容( 对应电容电流的大小) 和p t 的参数配合会产 生p t 铁磁谐振过电压【5j 。为了验证该配电系统是否会发生p t 谐振及发生什么 性质的谐振，必须准确地测量配电网的对地电容值。通过测量电容值后爿会知 道该配电系统是否在p t 的谐振区域，从而采取相应的措施抑制p t 谐振过电任 的发生。 吉林市某变电所因对地电容电流增大，现有消弧线圈因容量小无法满足补 偿要求，需要装配新的自动跟踪消弧补偿装置，本文研制的砦于扫频法电容电 流测量装置为整个补偿装置的一部分。 1 2自动调谐技术现状 一般f o k g 谐振系统主要包括：z 型接她变压器、消弧线圈、它容咆流测量 计算单元和执行机构。z 型接地变压器作用是从接线系统中认为引出一个中性 点；消弧线圈本身就是一个电感量可调的大电感；电容电流测量计算单元是根 据数据采集得到的系统电压、电流信号，根据各种方法计算得到系统对地电容 电流值：执行机构就是在系统发生单相接地是根据电容电流测量计算荦元测得 的电容电流值来调节消弧线圈电感值到合适的大小。其中电容电流测量计算单 元是自动跟踪补偿消弧装置中很重要的一部分，因为它的精度直接影响整个装 置的补偿精度和补偿效果。 由文献 6 1 4 知：我国现有的消弧线圈根据调整电感的方法可分为两 种：在接地故障发生之前，调整消弧线圈到谐振点附近的运 j ：方式，称为“预 调式”：另一种称为“随调式”，在f 常运行状况下，消弧线圈远离谐振点运行， 中性点位移电压比较低，而在接地故障发生后，迅速调整消弧线圈到谐振位置。 所以自动调谐装置应实时跟踪电网运行方式的变化，在电网正常运行时， 测量计算当前运行方式下的电容电流，以合理调节消弧线圈等效电感量的大小。 显然，对电网电容电流的计算精度，将直接影响消弧线圈的调谐和补偿效果。 目前，根据各种消弧线圈不同的调谐原理，有多种间接测量电容电流的方法。 其根本思想都是利用电网下常运行时的中性点位移电压、中性点电流以及消弧 线圈电感值等参数，计算得到电网的对地总容抗；然后由单相接地故障时的零 序阻抗回路，计算当前运行方式下的电容电流。由文献 ! j 17 知，计算对 地容抗的具体方法有：中性点位移电压法曲线法、中性点电流最大值法、两点 第l 覃绪论 法、三点法、阻抗三角形法、母线p t 注入信号法、扫频法等等。 现在国内外消弧线圈的电容电流测量部分一般都采用中性点位移电压法曲 线法，但是这种方法要求在测量电容电流过程中调节消弧线圈，使得消弧线圈 动作频繁，寿命降低，响应时间( 从系统电容电流发牛变化起，至消弧线圈跟 踪调节到合适位置所需时间e t ) 势必也彳i 可能做到很短。再者，由于改变了系统 的运行状态，给系统的安全稳定运行带来潜在威胁。因而这种力法在实际应用 中效果不佳。 f 1 前，也有几家公司开发出基于母线p t 注入信号法的电容电流测量装置， 在测量容流较小的系统时非常准确，否则会有较大的误差，并j 二l 需要注入几组 频率不同的信号，它们频率的选择将影响最终测量的结果。 本文采用扫频法测量系统电容电流。这种方法是在消弧线幽p t 二次侧附加 个变频信号源，通过向系统注入一个变频信号使消弧线圈和系统对地电容发 牛并联谐振，来测量系统的谐振频率f 从而求得系统对地总电容。该方法测量 简单，无需系统其它参数，且不受线路老化等因素的影响。 1 3 本文研究的主要内容 本文所做的主要内容包括以下几个方面： l 、掌握自动跟踪补偿消弧装置的基本，j j 作原理，介绍了自动调谐装置的动 作机理。研究了各种用于自动调谐的电容电流测量方法，及这些方法的误差和 适用范围。 2 、深入剖析了扫频法测量系统电容电流的工作原理，推导了这种测量方法 的理论误差，分析其应用范围。 3 、完成了基于扫频法的电容电流测量装置样机研制。设计了基于i g b t 单 相全桥逆变器的扫频信号源主电路；丌发了以c 8 0 5 1 f 0 2 0 荦片机为核心的控制 部分硬件电路；用c 语言编制了控制主程序、测频子程序、数据采集子程序、 f l a s h 写子程序、显示子程序和通讯子程序。 4 、在p s c a d e m t d c 仿真平台上对扫频法测量配电系统电容电流进行仿真研 究，并住动模实验室对样机进行了试验。分析了装置在实际测量中可能会遇到 的问题，并针对这些问题提出了解决方案。 ! 。，鳖丝量窒奎兰尘耋尘尘窒二，! ，一 第2 章扫频法测量对地电容电流原理 2 1自动调谐综述 2 1 1 位移电压与不平衡电压的定义 图2 - 1 谐振接地系统简化等效接线图 图2 - 1 为谐振接地系统的简化三相等效接线图。图中或、岛、丘为7 t 相对 中性点电压；玩为中性点位移电压；c a 、o 、c 和劭分别为二相导线埘地电容 和泄漏电导；上为消弧线圈电感值：舡为消弧线圈的损耗电导。由 i 电网线路的 三相刑地电容不可能是绝对平衡的，所以中性点总是呈现一定数值的对地电位 差，即所谓的“不平衡电压，【2 j 。根据基尔霍夫定律可得到不平衡电压的计算式 如下： t 玩l 上 第2 审扫频法测量对地电容电流原删研究 o o = 耸g 等蒜o ：c 鬈g 糍j o ) c 揣b 警g 陋， ( o +。) + ( o +) + ( o + ，们。) l z 一1j 卜式进一步简化后，j j _ 得： 0 0 0 一等鲁等 1 1 一。丽3 9 0 砭) f 2 2 、 式中： 一圭+ ，譬一吉1 等觯骱鲫舯网相慨 当消弧线圈投入运行后，与电删的三相对地电容构成电压谐振回路，零序 等值回路如图2 - 2 所示。其中& = 3 9 0 为电网三相对地总泄漏电导，c = g + “ + c o 为电网二三相别地总电容。由于电网存在不平衡电压，回路中便山零序电流 - t o 流过，于是存消弧线圈两端产乍了电位差u o ，即中性点位移电压【2 1 。 c 图2 - 2 谐振接地系统电压谐振等值同路 根据图2 - 2 所示的等值电压谐振回路，中性点位移电压可表示为 7 0 = 矗乩2 百蔷荒备面乩 ( 2 s ) 由于廓一般只为c 的1 5 2 o ，忽略( 2 3 ) 式分子中的g c 后得到 吼2 歪巫互u o o 巫2 而u o o n c 。 c f 2 4 1 其中：。：_ c o c - 1 c o l ：生手生，称为补偿电网的脱谐度：d ：鱼专拿：争，为 o c，珊l 整个补偿电网的阻尼率。 2 1 2 常见自动调谐方法 1 、中性点位移电压法曲线法 根据图( 2 - 2 ) 谐振系统正常运行时等值电路可知，改变改变消弧线圈的档 位，测量前后的中性位移电压j 和u 0 2 ，零序电流如? 、如，有下面关系式： 在远离谐振点处，v d ，则 r ，u o u 0 0 = u o 十c o c 功c 一1 国c ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 这种测量方法要求消弧线圈调节迅速，目前通常用在连续可调的自流励磁消弧 线圈上。 中性点位移电压曲线法，在电网正常运行状态下检测电容电流，而消弧线 圈工作在远离谐振点处；发生单相接地故障后瞬时调节消弧线圈至完全补偿状 态。可见，中性点位移电压法无需串、并电阻，且能实时检测电网电容电流的 具体数值，从而定量地调节消弧线圈。 2 、中性点电流最大值法： 这种方法是利用串联谐振原理，通过调节消弧线圈，分别用中性点位移电 压和中性点电流的最大值来确定谐振点。在谐振点，消弧线圈的感抗等于系统 容抗，从而直接测得系统的对地电容。这种方法适合于无级调节的消弧线圈。 对于级差调节的消弧线圈，由于不一定恰好能找到谐振点，测量误差就会比较 大。另外，由于在谐振点附近中性点电压和电流的变化很小，有时受电网线电 r 波动的影响，要找到谐振点很困难。 3 、两点法 这种方法是利用公式( 2 4 ) ，解方程组得到系统对地电容。当公式巾的阻尼 率d 远远小于脱谐度v 日寸，可以忽略阻尼率。用有效值表示，公式町写成式( 2 8 ) 的形式。 + 一u o o 一 竺唑 一i v i l o j c i 0 丝l( 2 8 ) c 式中：当v o 时，取“+ ”；反之，取“一”。由j 二消弧线圈的有功损耗电 导g 一般很小，忽略舡后，协即为消弧线圈的感抗值。式( 2 - - 8 ) 中有两个 未知肇d 和c ，测量时改变一次消弧线圈的电感值，取两组相应的和如， 分别代入式中就可求解得c 。计算中必须注意f 负号的取舍。 此方法忽略了电网阻尼率，在计算消弧线圈感抗时忽略了譬l ，式( 2 - 4 ) 中 忽略了分子中的岛。若电网阻尼率较大，消弧线圈有功损耗等值电阻较大，或 测量时脱谐度过小，都会导致1 0 以上的计算误差，所以计算时虑选取脱谐度 较大的档位。若中性点接了限压电阻，则消弧线圈的感抗计算误差会很大，计 算所得的电容电流误差将在2 0 以上，甚至得到不能接受的错误结果。所以此 方法只适用于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧线圈。 4 、三点法： 此方法也是利用公式( 2 - 4 ) ，解方程组得到系统对地电容，不同的足这种 方法考虑了阻尼率的影响。用有效值表示，式子可写成： u ；= v 2 u + 0 2 0 d 22 奔 ( 2 9 ) 方程中的未知变量增加到3 个，所以需要选取3 组相应的和l o 来解方稗 组求得c 。此方法无须考虑脱谐度的正负，但也存在计算消弧线圈感抗时忽略了 缸的误差和( 2 - 4 ) 式忽略了分子中的班所造成的误差。显然这种方法要比两点 法的理论误差要小，一般在5 以下。所以此方法同样只适用于中性点刁i 接限压 电阻的“随调式”消弧线圈。 东北f 乜力人学硕l 学位论史 5 、阻抗三角形法： 一 么芬一y f p z 2 。 z l ( a ) 串联谐振等值回路( b ) 阻抗三角形相位关系 图23 串联谐振等值回路和阻抗三角形相位关系 刘于“预调式”消弧线圈，由于中性点加装了限压电阻，可以利用串联谐 振同路中电阻、电抗之间的三角形关系柬计算对地电容。由于屯网阻尼相对于 限压电阻来说很小，忽略电网阻尼后的串联谐振等值回路和阻抗三角形如图2 一： 所示。测量时改变一次消弧线圈的电感值，取得相应的中性点电流岛，、肠，由 其相何关系及相应的阻抗三角形，可得： 。o s 2 毋：堡墨墅旦一1 ，0 1 ( o j l l 一础2 ) 出c ：旦+ m 。 t g 垂 2 f 2 1 0 1 ( 2 - 1 1 1 山于在计算中忽略了消弧线圈的等值损耗电阻和线路对地的泄漏电阻，理 论计算误差在j 左右。对于不接限压电阻的自动调谐装置， | = | 于阻抗角很小， 计算误差将会很大。所以，阻抗三角形一般只用于中性点接限压电阻的预调式 消弧线圈。 6 、母线p t 注入信号法： 军 亍 r既1小上 第2 章扣频浊测量对地电容电流原理研究 b 图2 4 从母线p t 注入信号法测量配网电容电流原理图 图2 4 为从母线p t 注入信号法测量配网电容电流原理图。若在配网母线p t 开口三角端注入一个恒定电流i 口，则在p t 的次绕组a 、b 、c 三相分别流出电 流f j 、i 2 、i 3 。设高、低压绕组的匝数分别为”，和i 2 ，三相p t 的励磁电流分别 为。昧站。则有如下关系： n l ( f l i 。) = ，2 2 f 0 一( i 2 一i 6 ) = m 2 i o l 坨1 ( i 3 一i 。) = 2 i 。 在p t 开口i 角端就可以测到一个零序电压“o ( 2 - 1 2 1 旷3 ( 等) 2 n ( 弘壶) 2 屯 ( 2 _ 13 ) 在式( 2 1 3 ) 中有三个未知数，即r 、噩、c ，要想求出线路对地电容c ，必须有三 个方程，为此我们在p t 开口三角端注入三个不同频率但幅值相同的恒定电流， 将得到三个方程，求解方程组即可求出电容值c 。 母线p t 注入信号法注入信号频率的选取比较困难。这种方法对电容电流较 小的电网测量比较准确，误差较小。对电容电流较大的电网，可能会出现白j 分 之几百的误差。 在利用零序回路计算电容电流时，从理论上忽略了三相对地电容不平衡的影 响，认为各相接地故障时的电容电流是相等的。然而，在实际系统中，三相对 地电容通常都是不平衡的，各相接地故障时的电容电流也是不相等的。在电容 电流为2 0 a 的l o k v 配电系统中，若不平衡度为3 时，各相电容电流将相差0 5 a 东北电力大学坝1 学位论文 以上。另外，除扫频法外其它各种对地电容计算公式无法同时适用于“预调式” 和“随调式”消弧线圈，在公式推导中都作了一些简化和省略，使公式本身就 存在误差。对地电容计算和电容电流计算误差的存在，在一定程度上影响了调 谐和补偿效果。随着电力系统对安全可靠性要求的日益提高，用户对消弧线圈 调谐精度和补偿效果的要求也越来越高。因此研制一种高精度的并日同时适用 于“预调式”和“随调式”消弧线圈的电容电流测量仪是很由 2 2 扫频法测量对地电容电流原理 ，1 l b l 。 x c ，7 1 - r 汹：! z 接地变 一 尺孟1 f br 矗 1 ，i j 扫频信号源 l ：jj 扛扛 k ic _扣 i 阜哳丰 p r 刊妄x 。 1l 卜卜 。 = 图2 - 5 扫频法测量配网电容电流原理图 图2 5 为扫频法测量配电系统电容电流原理图。图中虚线框内为扫频信号 源，接在消弧线圈p t 的二次侧，用来向系统注入一个i 陋值基本不变的变频电流 信号k 。其中：为直流电压源，月为限流电阻，u 通过基于i g b t 的单相全 桥产生频率随时间变化的方波信号厶，厶将会在消弧线圈一次侧x i ，上感生一个 电流如。由于而为零序电流，不会通过电源和负载，所以流过线路对地电阻几、 如、r c 和对地电容o 、巳、c 0 ，通过大地构成回路。 若： 1 ( 3 8 ) = 1 r 4 + 1 r 口+ 1 r r 3 c = c a + c 口+ c c 则图2 5 可简化为如图2 - 6 所示等值电路图的。 3 r 图2 - 6 扫频法测量电容l 乜流原理简化等值电路 ( 2 1 4 ) ( 2 15 1 由图2 - 6 知，消弧线圈电感值和系统对地电容总值存扫频信号厶的频率厂 变化到某一值厶时会发生串联谐振。厶就是谐振频率，可表示为： ， 1 - ，m 2 2 r r x l * 3 c ( 2 一1 6 ) 可进一步推得电网脱谐度为v ： u ，f ： v ：l 一生：1 一塾丝：1 一堕莹：卜肇 ( 2 1 7 ) i cu 。j 3 cm ： ： 式中：丘为消弧线圈的补偿电流；尼为电| 叫对地电容电流；为电网相电压；工 为配电网系统频率5 0 h z 。 同时，由式( 2 - 1 7 ) 还可推导出： i c = o x 3 c x u o - 者刍 口 我国多采用调档式消弧线圈，电感电流可以直接由消弧线圈所在的档位读 取，则电容电流为： ( 2 1 9 ) 糌 = 土h = 七 可见只要能够测出消弧线圈电感值和系统对地电容值的谐振频率厶，即叮 算得系统对地电容电流。控制i g b t 的导通和关断时间，使厶的频率厂从3 0 h z 开始，以0 i h z 的步长递增至8 0 h z 。当消弧线圈p t 的二次侧等效阻抗呈纯阻 性时，即当厶和k 同达到同年日位时，可以判断是否达到谐振点，此时的频率厂 的值即为谐振频率矗，进而可以根据公式( 2 一1 8 ) 或( 2 1 9 ) 算得系统的电容电 流，( 。 由于系统零序阻抗折算到电压互感器二次侧一般小于1 0q ，采用这种方法 向系统注入的信号功率小于2 0 w ，不影晌系统正常运行。系统发牛接地故障时， 注入信号电流源相对系统零序回路处于开路状态，不影响消弧线圈的熄弧效果。 对丁具有多个消弧线圈的配电网，只需选定一个消弧线圈向系统注入信号，测 量系统谐振频率，根据式( 2 一i 8 ) 就可完成整个配电网脱谐度、r 乜容r 邑流的测量， 无需通讯配合。 2 3 扫频法测量对地电容电流误差分析 2 3 1 理论误差分析 扫频法测量系统对地电容电流分为两步：( 一) 准确判断消弧线圈电感值和 系统对地电容总值的谐振频率厶：( 二) 确定谐振频率后，根据公式( 2 - 1 8 ) 计 算电容电流l c 。也就是说l c 的误差是由谐振频率磊传递的，由误差传递理论可 得到下式： 铲：凳枷争o o 陋： 其中：e ，c 为电容电流的相对误差；为o 1 h z ，为扫频频率，的递增步长。当 扫频电源工作在3 0 0 h z 至8 0 0 h z 频率范围内，七的最大测量值的晟大误差为： 砌：3 0 = o 6 7 ( 2 - 2 1 ) 在：常系统运行时，消弧线圈总是处于过补偿状态，所以丘人十5 0 h z ，电容电 流的相对误差要小于o 4 。 误差分析表明扫频法测量配电系统对地电容电流具有很高的精度。 第2 章扫颁法婀量对地电容电流螅埋研究 2 3 2 数据采集对测量精度的影晌 图2 - 7 为扫描频率，1 与电流电压相位差妒关系曲线，图中扫描频率厂侄 3 0 h z 5 0 h z 时，厶相位超前，a o 随厂的变大而减小，但是减小趋势很缓慢； 在5 0 h z 7 0 h z 时，妒随f 的增大而减小，几乎呈线性递减，下降速度很快； ，在7 0 8 0 h z 时a 妒的变化速度也很缓慢。也就是说在警个扫频过程中，口 在谐振附近的变化速度最快。此外，妒的变化速度还受到电网阻尼率的影响， 阻尼越大，妒的下降趋势越平缓，下降速度越慢。系统阻尼很小的情况下，在 谐振点附近扫描频率厂每增 = = 0 1 h z 对应妒递减1 8 0 。 皂、 争 q 悄 趟 罂 出 衄 照 脚 扫描频率皿i z 图2 7 扫描频率j i 电流趣压相位差关系曲线 扫频法的第一步是通过比较k 和的相位来判断谐振频率，所以在实现测 量装置的时候，要对这两个量进行数据采集。若在扫描频率厂的每一个频率点所 对应的周波内采个点。则单片机检测到的厶和的最小相位差为： 所以装置的最小绝对误差为 。3 6 0 o = ， ( 2 - 2 2 ) 妒+ o ，。旧划，叮器 h z 通常交流采样都是每个周波6 4 个点，其最小绝对误差值为： d ，l 糊4 = o 4 h z 计算碍到的电容电流误差为： ：2 磐1 0 0 ：竽1 0 0 j j 由于消弧线圈通常处于过补偿状态，所以名 5 0 h z ，故e i c 1 6 。 2 3 3 影响测量系统谐振频率的主要因素 图2 8 扫频法测量电容电流原理等值 皆振电路 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) r 2 2 5 ) 图2 - 8 为考虑了消弧线圈p t 励磁电感工p r 、消弧线圈自身电阻魁、接地变 压器漏感l z r 和系统线路对地电阻肼的测量系统等值谐振回路。通常消弧线圈 p t 的励磁电抗大约有几兆欧( 1 0 。) ，l p r 对测量系统谐振频率影响很小，可以忽 略不计。线路的对地电阻也在几兆欧，并目存进行谐振接地补偿时，基本部不 予以考虑。所以影响测量系统谐振频率的因素主要是消弧线圈自身的寄生电阻 和接地变压器的零序电抗这两个因素。 1 消弧线圈自身电阻 实际上消弧线圈由于制造工艺的原因并不是一个纯电感，自身存在寄生电 阻凡，对厶的影响关系如式( 2 2 6 ) ： 厶= 、瓦1 一。t r f ，2 2 石 r 2 2 6 ) 通常消弧线圈的感抗大约在2 0 0 欧姆左右，消弧线圈自身的电阻为消弧线 圈感抗的1 5 2 0 ( 大小在1 0 欧姆以内) 。根据式( 2 - 2 6 ) 计算可得，由于 吼的存在，使厶下降o 1 h z 左右，导致最终结果电容电流的产生o 4 左右的误 差。 2 接地变压器的零序阻抗 接地变压器绕组对正序、负序都呈现高阻抗，而对零序电流则呈低阻抗。 通常其零序阻抗为1 0 欧姆以下，导致厶下降o 2 4 左右，引起电容电流的最终 测量结果下降0 8 左右。 图2 8 中粗线的部分为系统谐振回路，消弧线圈电感上和线路对地电容c 为这个谐振回路的主要因素，但是接地变压器的零序电抗也影响到消弧线圈自 动调谐的补偿精度，所以如果测量装置的结果直接送入消弧线圈的执行机构可 以在计算接地容流时不考虑接地变压器零序阻抗的影响。 2 4 扫频法测量对地电容电流的适用范围 自动跟踪补偿消弧装置从电感量是否连续可调的角度出发，可分为电感量 分段叮调( 如调匝式、调容式) 和连续可调( 如调气隙式、直流偏磁式等) 。就 自动调整方式而言+ ，又可分为两种：在接地故障发生之前，调整消弧线圈到谐 振点附近运行的，称为“预调式”；另一种成为“随调式”，在t f 常运行情况下， 消弧线圈远离谐振点运行，中性点位移电压比较低，而在接地故障发生后，迅 速调整消弧线圈到谐振位置。扫频法测量系统对地电容电流是根据消弧线圈电 感值和系统对地电容总值的谐振频率的测量值计算而得，并不需要启动消弧 线圈的调谐机构。对于“预调式”消弧线圈，在测出厶并计算出v 、如后，直接 以v 为被控参数或者，c 为依据立即进行调谐；对于“随调式”消弧线圈，在接 地故障发生的瞬间，可以马上退出测量程序，然后执行机构根据上一次v 和，r 测量值将消弧线圈的电感值调节到合适的位置。因此适用于任何类型的消弧线 圈。 第3 章基于扫频法的电容电流测量装置的研制 3 1测量装置研制的几个关键技术 扫频法测量系统对地电容电流是根据消弧线圈电感值和系统对地电容总值 的谐振频率厶的测量值计算而得，所以只有厶的精确测量才能保障整个装置的 测量精度。要想保证厶的精确测量，必须解决扫频信号源和谐振点判断两个关 键技术。 1 、扫频信号源的信号频率+ 定要准确，并日- f 言号的幅值不能太大，否则会 影响系统的丁f 常运行；也不能太小，否则和厶可能会聚集不到，或者采集的 数据误差较大。由于测量装置直接接在消弧线圈p r 二次侧，在系统发生单相接 地故障时，要保证扫频信号源的安全。 2 、从理论上讲，通过比较和厶的相位米判定消弧线圈电感值和系统对 地电容值是否达到谐振点足种很精确的方法。但是在硬件电路上设计麻烦， 在软件上程序繁琐，就会降低采样速度，增大误判喈振点u j 能性，不能满足测 量的实时性要求。 此外较之预调式消弧线圈，随调式消弧线圈要求具有更好的响应特性。这 就要求通过对测量装置软硬件合理的设计，将整个扫频时长控制在极短的时间 内，实现良好的实时性。 3 2扫频信号源的设计 扫频信号源部分包括直流电源、基于i g b t 的单相全桥逆变器和i g b t 的驱 动保护电路。直流电源是2 2 0 v 市电经过k b p c 2 5 0 4 桥式整流模块产生3 0 0 v 左 右的直流电压，通过由两个双i g b t 模块搭建的单相桥式逆变器产生方波信号， 控制i g b t 的开通关断频率，即可使方波信号的频率从3 0 h z 丌始以0 1 h z 为步 长递增至8 0 h z 。图3 1 为扫频信号源的硬件结构简图。图中凡为3 0 0 q3 0 0 w 的 电阻，起限流作用；如为1q5 w 作为采样电阻，取r 。两端电压m 为电流信 号。由于系统零序阻抗折算到消弧线圈p t 二：次侧一股小于1 0q ，因此整个测频 过程，扫频信号源的输出电流幅值在1 a 左右，变化不大。1 a 的电流折算到消 弧线圈p t 的一次侧不到o 0 2 a ，所以扫注入信号不会影响系统的正常运行。 a c 3 21 直流电源 图3 - 1 扫频信号源的硬件结构简图 k b p c 2 5 0 4 是v i s h a y 公司生产的桥式整流模块，它的最高反向电压为 4 0 0 v ，最大整流电流o 为2 5 a 。k b p c 2 5 0 4 的交流输入端接2 2 0 v 市电，输出 端接有电解电容。理论上，在整流电路达到稳定后整流器的输出电压应为交 流输入电压的峰值电压3 1 1 v 。 32 2 单相桥式逆变器 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘栅双极型晶体管) 是具有功率 效应管的高速丌关特性和双极性晶体管的低通态电压特性两方面优势的电力半 导体器件。由于可以高速丌关、耐高压和大电流，所以在电力电子设备中它已 成为重要的半导体器件f 22 1 。本文的扫频电源是基于i g b t 模块( e u p e c 公司的 b s m 5 0 g b 6 0 d l c 模块) 的单相桥式逆变器，其中i g b t 具体参数如表3 - 1 所示。 表3 - 1b s m 5 0 g b 6 0 d l c 舣模块i g b t 部分土要参数 i c ( a ) u c e s ( v )l c m , a ( a )v i s o ( k v )v g e s ( v )p ( w ) 8 0 2 5 6 0 03 7 55 07 52 5+ 一2 01 8 0 酐f l 图3 - 2b s m 5 0 g b 6 0 d l c 电气接线原理剀 图3 2 给出了b s m 5 0 g b 6 0 d l c 的电气接线原理图。引脚1 既是i g b t i 的 发射极又是i g b t 2 的集电极，2 为i g b t 2 的发射极，3 为i g b t i 的集电极。1 g b t l 和1 g b t 2 通过引脚1 串接起来。如果栅极引脚4 ( 引脚6 ) 与发剁极引脚5 ( 引 脚7 ) 之间加一个1 0 2 0 v 的电压信号，则 g b t i ( i g b t 2 ) 导通；加个一个2 0 1 0 v 的电胍信号，则i g b t l ( i g b t 2 ) 关断。 3 2 3i g b t 驱动电路 图3 3 为i g b t 的驱动电路原理图 2 3 2 5 1 。由光纤传输过来驰动信号并没有 直接接入驱动芯片，而是接入了抗噪音能力强、信号传输时间短的光耦器件 t l p 2 5 0 ，实现了驱动信号与信号电路隔离。驱动电路采用u n i t r o d e 公司的i g b t 、 m o s f e t 高速驱动芯片u c 3 7 0 8 。它具有3 0 a 峰值电流输出，5 3 5 v 的电压范 围，丌通和关断时问只有2 5 n s ，并且有温度保护和低电压保护。驱动电路还进 行了输出信号的正负电平钳位，从而保证了系统的可靠性。 图3 - 3i g b t 驱动电路原理图 3 3 基于0 8 0 5 1f 0 2 0 的控制部分设计 网3 4 控制部分硬件结构简罔 图3 - 4 为基于扫频法的系统电容电流测量装置的控制部分硬件结构简图，控 制部分设计以体积小、可靠性高、便于扩展为目标，占用单片机i 0 接口尽可能 少，为一二次开发留有余地。整个控制部分由单片机和外围电路构成，主要包括： 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 、模拟转换电路、人机交互电路、串行通讯电路、数据存储 电路、i g b t 驱动信号的光纤连接系统等。 3 3 1 微控制器0 8 0 5 1f 0 2 0 由文献 2 6 3 0 知：c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是美国c y g n a 公司研制的，是集成 的混合信号片上系统s o c ( s y s t e mo nc h j p ) ，具有与m c 8 5 1 内核及指令集完 全兼容微控制器，除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件之外，片内还集成了数掘 采集和控制系统中常用的模拟部什，能方便地通过数字交叉，r 关，将内部数字 系统指定向外部i o 口上；8 路高性能的1 2 位a d c ( 速度为1 0 0 k h z ) 数掘采集系 统，2 路1 2 位精度d a c ，2 路模拟比较器芹i a d c 可编程窗口监测器：6 4 k b 的闪速电 可擦除程序存储器，4 3 5 2 b 的r a m ；典型的串行通讯接口、2 2 个中断源、7 个复位 源；内置了看门狗、电源监视等可靠的安全机制。此外，c 8 0 5 l f 0 2 0 x , j 传统地8 位单片机有以下几方面地突破： 1 c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用c i p 一5 l 内核，废除机器周期的概念，指令以时钟周期位 运行单位，平均每个时钟可以执行1 条单周期指令，执行速度高达2 5 m i p s 。 2 传统的单片机i 0 接旧都是固定某个特殊功能的输入输出口，c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用丌关网络以硬件方式实现c 8 0 5 1 f 0 2 0 的灵活配置。 3 c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部设置有一个叫编程的时钟振荡器，f u 提供2 、4 、8 和1 6 m h z 时钟的编程设定。外部振荡器可选择4 种方式。当程序运行时，可实现内外时钟 的动态切换。 4 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机采用符合i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 接l | ，支持f l a s hr o m 的读写操作及非侵入式在系统调试，还为系统测试提供边界扫描功能。通过边 界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、s f r 总线和i o h 弱上拉功能实现观 察和控制。 5 c 8 0 5 l f 0 2 0 提供了上电复位、调电复位、外部引脚复位、软件复位、时 钟检测复位、比较器o 复位、w d t 复位和引脚配置复位七种复位源，保障系统的 安全、操作的灵活，并且为低功耗设计带来便利。 6 c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用3 v 供电，大大降低了系统功耗，具有极佳的最小功耗系 统设计环境。c 8 0 5 1 f 0 2 0 虽然摆脱t s v 供电，但仍可与5 v 电路方便地连接，所有 i o 端口可以接收5 v 逻辑电平地输入，在选择开路加上拉电阻到5 v 后，也可驱动 5 v 逻辑器件。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的高性价比降低了装置的成本；便捷的调试方式缩短了装 置的丌发周期；同时，它内部丰富的资源不仅减小了装置的体积，也为二次j 1 ： 发留下很大空间。 3 3 2 人机交互电路 作为一个单独的测量装置，需要在测量开始时，设定测量的定值；测量结 束后把测量结果展示出来。所以本装置的人机交互电路包括了键盘输入和液晶 输出两部分。 1 液晶显示模块选用广东金鹏电子有限公司生产的o c m j 5 】o b 液晶显 示器，其点阵数为1 2 8 x8 0 ，可以显示5 行，每行l o 个汉字。内部集成的字彤 r o m 含有g b 2 3 1 21 6 1 6 点阵国际一级简体汉字和a s c i i8 8 ( 半高) 及8 1 6 中( 全高) 点阵英文字库，用户输入区位码或a s c1 1 码即可实现文本显示。 o c m j 5 1 0 b 液晶显示器也可用作一般的点阵显示器，可以实现汉字、a s c i i 码、点阵图形和变化曲线同屏显示。同时内部具有l e d 背光，并且狄度可以自 行调整。o c m j 5 1 0 b 液晶显示器具有上下左右移动当前显示屏幕及清除屏幕 的命令，命令代码简单，操作方便。通过并口与单片机连接，通讯采用r e q b u s y 握手协议，简便可靠。 2 键盘输入模块键盘是人机交互中的用户输入部分。装置采用目前流行的 四键设计，分别执行确定( e n t e r ) 、取消( c a n c e l ) 、p a g e u p 、p a g e d o w n 的操作， 即可完成简便、快捷地人机交互。 当按下控制面板上的任一按键时，系统就会接通液晶模块的背光电源，用 作环境光线较弱时的背光显示( 为保护液晶，5 分钟内如果没有其它按键操作， 系统会自动关闭背光电源) 。 3 ，3 3 串行通讯电路 c 8 0 5 1 f 0 2