（电力系统及其自动化专业论文）对地电容电流测量与单相接地故障识别的研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eq u a n t i t yo ft h ee l e c t r i cl i n e si nt h es u p p l ya n dd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki n c r e a s e sm o r eq u i c k l yt h a ne v e r , a n dt h ec a p a c i t i v ec a r r e n tb e t w e e nl i n e s a n dt h eg r o u n di sr o s e 谢mt h ed 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 l t h e a r cs u p p r e s s i o nc o i lw h e nt 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 d v a l u ei o ai nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k i nar e s o n a n tg r o u n d i n gs y s t e m ，w h e nt h ef a u l t o fs i n g l ep h a s et oe a r t ho c e u l _ s ，t h ef a u l ts h o u l db ed e t e c t e dq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ， t h e nt h ee a r t hc a p a c i t i v ec u r r e n tc a nb ec o u n t e r a c t e dw i t l lp e r f e c t l yc o m p e n s a t i n g i n d u c t i v ec u r r e n tb yt h ea r cs u p p r e s s i o nc o i lo nt h eb a s i so fk n o w i n gt h ee x a c tv a l u e o fc a p a c i t i v ec u r r e n t s om e a s u r i n gc a p a c i t i v ec u r r e n tp r e c i s e l ya n d d e t e c t i n g s i n g l e - p h a s et 0e a r t hf a u l tq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi sa ni m p o r t a n tp r e m i s eo fw h i c h t h ea r cs u p p r e s s i o nc o i lc a r lc o m p e n s a t ee f f e c t i v e l y ， am e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nf r e q u e n c ys c a n n i n gm e t h o df o rm e a s u r i n g c a p a c i t i v ec u r r e n ti np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d 1 1 l ei n s t r u m e n ti s e m p l o y e dt og e n e r a t eas q u a r e - w a v ec u r r e n tw i t hv 撕o n sf i e q u e n c i e sa c r o s st h e s e c o n d a r ys i d eo f t h ep o t e n t i a lt r a n s f o r m e r do f a r cs u p p r e s s i o nc o i la n dp a r a l l e l - r e s o n a n c ew i l lb ei n v o k e db e t w e e np a r a l l e l c o n n e c t e ds u p p r e s s i o nc o i li n d u c t o ra n d g r o u n dc a p a c i t o ru n d e rc e r t a i nf r e q u e n c ys q u a r e - w a v ee x c i t a t i o nc u r r e n t , a n du n d e r t h i sc i r c u m s t a n c et h er e s p o n s ev o l t a g eo ft h ec i r c u i tw i l lb ei np h a s ew j t ht h ec u r r e n t a c r o s sp ta n dt h er e s o n a n c ef r e q u e n c ya sw e l la sc a p a c i t i v ec u r r e n to ft h ep o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nt 1 1 e l lb ed e d u c e do u t t h ei n s t r u m e n tc o n s i s t so fa s i n g l e - p h a s ev o l t a g e s o u r c ei n v e r t e rb a s e ds i g n a lg e n e r a t o rw h i c hi su s e dt op m d u c e as q u a r e - w a v ec u r r e n tw i mv a r i o u sf r e q u e n c i e st ot h es y s t e ma n dah i 曲s p e e d s y s t e mo nac h i p c 8 0 51 f 0 2 0b a s e dc o n t r o l l e rw h i c hi su s e dt og e n e r a t es q u a r e - w a v e c o n t r o ls i g n a l s 奶t hv a r i o u sf r e q u e n c i e st 0c o n t r o lt h es w i t c h i n gs t a t u s e so f t h ep o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e - i g b to f t h ei n v e r t e r u a d e t e c t i n gc r i t e r i o nf o rd e t e c t i n gs i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u rb a s e do nf r a c t a l t h e o r yi sp r o p o s e d o nt h eb a s i so fc a l c u l a t i n gt h ef x a e t a ld i m e n s i o no fp o w e rf a u l t w a v e f o r mb yr e s c a l e dr a n g e ( r s ) a n a l y s i sa n da n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c eo ff r a c t a l d i m e n s i o no f v a r i o u sf a u l tw a v e f o r m t h es i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l tc 趾b ed e t e c t e d t h ev i a b i l i t yo ft h ei n s t r u m e n ti sp r o v e db yt h er e s u l t so fe m t d c p s c a d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n , a n dt h ea v e r a g eo fm e a s u r e m e n te 仃o ri sl e s st h a n 2 w i t l lt h e $ a m cs i m u l a t i o ns y s t e m , t h er e s u l t so fv e r i f y i n gt e s to fs i m u l a t i o nt o d i f f e r e n tt y p e so fs i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l ts h o wt h eh i 曲a c c u r a c yo ft h ed e t e c t i n g c r i t e r i o n k e y w o r d s s c a n n i n gf r e q u e n c ym e t h o d in s t r u m e n l ：f r a e t aidim e n s i c a p a e j l ：i v oc u r r e n tm e a s u r i n g o ns i n g i e - p h a s et oe a r l ：hf a u i t 论文原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本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 律意义上已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 交回学校授予的学位证书； 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： 日期：迎z 年王月- 2 量日 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、公开阅览、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论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：型圭銎翌日期：二咀年土月丛日 导师签名： 至孟交日期：圆年土月二孕日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 目前我国6 6 k v 以下城乡配电网多为中性点非有效接地系统，其优点是当发 生单相接地故障时，系统线电压仍保持对称，故障点接地电流不大，无电弧产 生，系统仍可带故障继续运行，具有较高的供电可靠性。我国早期的配电网， 网架结构简单，以架空线为主，接地电容电流较小，中性点多采用不接地的运 行方式。近年来，随着我国城乡电网规模的不断扩大，电网中的线路日益增多 或加长，特别是电缆线路大量增加，对地电容电流急剧增大，使发生单相接地 故障时，接地电容电流增大，容易产生接地电弧，且接地电弧很难自行熄灭， 严重威胁着系统的安全运行；此外，间歇性弧光接地过电压还容易引起电气设 备绝缘破坏。为此，我国电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝 缘配合中规定：3 3 5 k v 系统的单相接地故障电容电流超过i o a 时，中性点应 采用消弧线圈接地方式【l l 。 对中性点经消弧线圈接地的电网，当发生单相接地故障时，为使消弧线圈 的感性电流能最大限度地补偿电容电流，应调节消弧线圈的电感量，使之与系 统对地电容处于并联谐振状态，使流经消弧线圈的感性电流抵消线路的对地电 容电流，从而减小接地点电流【2 j 。当系统正常运行时，应调节消弧线圈电感量偏 离该数值，以避免消弧线圈和系统对地电容发生串联谐振，保证中性点位移电 压不越限( 规程规定应小于o 1 5 倍的额定相电压【1 1 ) 。 因此，对地电容电流值不仅是电网选择中性点接地方式和确定所装设消弧 线圈容量的依据；而且是单相接地故障发生后进行接地点电容电流准确补偿的 依据唧：同时，配电网的对地电容与p t 的参数配合会产生铁磁谐振过电压1 4 。 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。故而，线路对地电容值也是分析和抑制电网谐振过电 压事故的重要依据。 同时，由于配电网馈线较多，结构复杂，运行环境多变，容易出现各种形 东北电力大学硕士学位论文 式的短路故障，其中单相接地故障出现的概率最大，占所有故障的8 0 以上， 但到目前为止，仍没有一套完善的检测单相接地故障的方法。在非单相接地故 障的情况下，一旦发生单相接地故障的误判，消弧线圈错误的投入线路的谐振 点，可能发生串联谐振，此时的中性点电压一般很高，将产生严重的谐振过电 压，后果严重。另一方面，当线路发生单相接地故障时，如不能有效识别故障 的发生，消弧线圈不能正常投入运行，无法补偿接地电流，接地电流很大时易 产生接地电弧，造成弧光过电压，引发相间短路，使事故扩大。因此，准确有 效地识别单相接地故障是正确启动消弧补偿的重要前提，对电力系统的安全稳 定运行具有重要意义。 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，本文的研究为其中的一部分。 1 2 本课题的研究现状 1 2 1 对地电容电流测量研究现状 对地电容电流的测量方法，可分为直接法与间接法两类【5 1 。直接法是将配电 网线路人为地进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接测量对地的电容电 流。间接法则是利用电网正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。 直接法主要为单相金属接地法，该方法操作繁杂，危险性高，并且容易引 发事故，现在几乎不再采用；间接法包括中性点最大位移电压法、中性点电流 最大值法、两点法、三点法、阻抗三角形法、母线p t 注入信号法【6 】【7 1 、扫频法 3 】f 9 】等。 1 中性点最大位移电压法和中性点电流最大值法这两种方法实质为同 一种方法，它们都利用串联谐振原理，通过调节消弧线圈的电感，分别用中 性点位移电压和中性点电流的最大值确定谐振点。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。该方法只适用于无级调节 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 第1 章绪论 量误差会比较大。另外，由于在谐振点附近中性点电压和电流的变化很小， 同时受电网线电压波动的影响，有时很难找到谐振点。 2 两点法这种方法通过改变消弧线圈的档位，取得两组相应的中性点 位移电压和中性点电流值，然后通过解方程组得到电容电流。该方法实现简 单，是国内外最常用的方法，但该方法在测量计算时忽略了系统阻尼率和消弧 线圈自身电阻对测量的影响，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 应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 3 三点法这种方法考虑了阻尼率的影响，通过改变消弧线圈的档位，取 得三组相应的中性点位移电压和中性点电流值，解方程组求得电容电流。该方 法虽然考虑了阻尼率的影响，但仍然忽略了消弧线圈自身电阻的影响，显然它 比两点法的理论误差要小，一般在5 以下。但由于在计算消弧线圈感抗时忽略 了消弧线圈损耗等值阻尼，所以该方法同样也只适用于中性点不接限压电阻的 “随调式”消弧线圈。另外此方法计算复杂，所以现在很少采用。该方法同样 只适用于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧线圈。 4 阻抗三角形法对于中性点加装了限压电阻的预调式消弧线圈，利用串 联谐振回路中电阻、电抗之间的三角形关系来计算对地电容。该方法在计算中 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5 左 右。对于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧线圈，阻抗三角形的夹角很小， 计算误差会很大。所以，阻抗三角形法一般只用于中性点接限压电阻的预调式 消弧线圈。 5 母线p t 注入信号法通过在配网母线p t 开n - - - 角端注入三个不同频率 但幅值相同的恒定电流，分别测量f r r 开口三角端电压，得到三组电流电压值， 进而解方程组求出对地电容电流值。该方法在选定注入信号频率适当的情况下 测量结果比较准确，但频率的选择比较困难，频率选择不当将影响最终测量的 结果，另外该方法的测量精度受系统运行方式改变的影响。 6 扫频法在消弧线圈p t 二次侧注入一变频信号，通过检测p t 二次侧电 东北电力大学硕十学位论文 压与电流是否同相位来确定配电网对地电容与消弧线圈电感的并联谐振频率， 进而求出对地电容电流。该方法不需对消弧线圈电感进行试探性调整，不受系 统运行方式改变的影响，不影响系统的正常运行，而且把测量回路从高压侧移 到低压侧，测量安全准确，实时性好。 则间接法测量系统对地电容电流的各种方法的比较如表1 1 所示。 表卜1 间接法禊j 量对地电容电流方法的比较 图中，测量方法栏中的1 6 分别表示上文介绍的l 6 种间接法对地电容电流 的测量方法。 对于前四种测量方法，由于在公式推导中都作了简化和省略，使公式本身 就存在误差，且测量结果受系统不平衡度的影响，当系统不平衡电压为零时， 将无法测量计算电容电流。另外，这几种方法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，同时由于测量中改变了系统的运行 状态，给系统的安全稳定运行也带来潜在威胁。母线p t 注入信号法注入信号频 率的选择困难，且测量精度受系统运行方式改变的影响。对于扫频法来说，不 存在上述问题，且对“预调式”和“随调式”消弧线圈均适用。 综上所述，扫频法测量电容电流安全、可靠，并且测量误差小、实时性良 好、适用范围广，所以本文选用该方法进行电容电流测量装置的设计。 第1 章绪论 1 2 2 故障识别研究现状 电力系统中输配电线路发生故障后要求准确地故障类型识别和故障相识 别，这对分析和排除故障具有重要意义。传统故障识别的方法主要是根据中性 点和各相电压或电流稳态值的大小进行识别【l o l ，但造成各电气量变化的因素很 多，利用该方法易发生误判。 近年来，国内外学者在故障识别方面的研究主要有以下几种方法：频域法， 时域法、人工智能法、小波分形方法和基于分形理论的方法。 1 频域法将时域的故障电流信号或电压信号转换到频域，然后根据故障 信号频域分量的特点提出的故障识别方法称为频域法。文献【1 1 】提出了一种利用 3 次谐波电流识别故障的方法。为了提高接地故障保护的可靠性和灵敏度，文献 1 2 提出了一种多判据检测故障的方法，文献 1 3 对电压故障分量中的 4 0 7 0 k h z 这一高频段的高频信号进行分析，通过比较二相电压以不同相为基准 的模变换的频域特征实现故障识别。 2 时域法文献 1 4 根据零序回路与故障回路的拓扑关系，提出了一种高 阻接地识别和定位的算法。文献 1 5 利用故障电流的数理统计规律，提出了一 种高阻接地故障保护算法。文献 1 6 利用6 p s 时间同步技术提出了一种基于故 障瞬时值的电流纵差保护算法。算法对高阻故障有较强的判别能力。文献 1 7 1 提出了一种基于相关分析的故障序分量识别元件。文献 t 8 提出了一种由零序 电压、负序电压和正序电压构成的新的识别方法。 3 人工智能方法文献 1 9 中提出了利用人工神经网络方法探测高阻故障 的算法。文献 2 0 构建k o h o n e n 自组织特征映射神经网络模型和b p 网络模型组 合而成的类型识别网络模型，来实现输电线路的故障检测及故障类型识别。 4 小波分析方法小波分析是近年来发展起来的一个分析暂态信号的有力 数学工具，被广泛应用在故障分析，边缘检测，图像处理等领域。文献 2 1 与 2 2 将小波变换引入电力暂态分析和配电系统保护等研究中。文献 2 3 利用小 波分析的时频局部化功能，分离出的高频助和次高频岛对于判断保护区内外故 障的效果更为理想。文献 2 4 利用二次样条小波变换对高阻接地故障和补偿电 容开关暂态过程进行了仿真研究。其主要结论是：高阻接地故障电流和补偿电 东北屯力大学硕+ 学位论文 容器开关合闸和分闸瞬间的电流在小波变换下，都可看到一个尖锐脉冲( 模极大 值) ，接地故障信号小波分析的脉冲周期性的出现，而开关信号的脉冲是非周期 性的。该方法存在的问题是在弧光故障仿真研究中没有考虑噪声干扰对故障辨 别可靠性的影响 5 分形理论方法文献 2 5 提出了一种通过计算电压波形分形数来识别高 阻接地故障的方法。文献 2 6 利用 2 5 分形数进行了故障识别的进一步研究。 文献 2 7 利用分形理论对电力系统故障时产生的高频暂态波形进行了分析。文 献 2 8 通过计算中性点电压波形的分形维数来识别中性点过电压故障。文献 2 9 通过分析高压输电线路故障后各相电压波形的分形维数实现故障类型的识别。 目前基于分形理论的故障识别方面研究的主要结论有：电力系统的故障暂态信 号波形具有分形的特性；在通常情况下，故障信号波形的分形维数比正常信号 波形的分形维数大；由于系统中多种故障暂态过程的存在，如何进一步挖掘不 同故障下分形维数的差别，进而识别不同的故障，仍有很多问题需要解决。 综上所述，经过国内外学者近几十年的努力，电力系统故障识别在原理和 方法上取得了长足的进展，但是仍然存在着许多待解决的问题。各种故障识别 的算法虽各有特点，但都有其不足和缺点。有的算法在电压电流很小时不能检 测到故障；有的算法不能将故障与系统正常的暂态开关事件或负荷扰动相区别， 而给出错误的判断，特别是一些高阻接她故障。 1 3 本文研究的主要内容 本文所做的主要工作如下： 一、深入研究了扫频法测量对地电容电流的工作原理，推导了该方法的理 论误差，分析了其实际运行误差。 二、设计了基于扫频法电容电流的测量装置，完成了其硬件开发和软件编 制，进行了该装置的软硬件调试。 三、对谐振接地系统单相接地故障的稳态和暂态过程进行了详细的分析。 四、在深入了解分形理论的基础上，研究了基于r s 分析法求取电力系统 故障波形分形维数的具体实现。对谐振接地系统单相接地故障与其他故障波形 的分形特征进行了详细的分析和比较，根据分析结果提出了基于分形理论的单 第1 章绪论 相接地故障识别算法。 五、根据某实际变电站参数，在p s c a d e m t d c 仿真平台上搭建了l o k v 谐振 接地系统的仿真模型。进行了扫频法测量电容电流的仿真分析，进行了单相接 地故障识别算法的仿真验证。 六、在动模实验室搭建了基于扫频法电容电流测量装置的试验系统，进行 了测量装置的试验。 东北电力大学硕上学位论文 第2 章扫频法测量电容电流原理及误差分析 2 1 扫频法测量对地电容电流原理 扫频法测量电容电流原理 9 1 13 0 l 如图2 - 1 所示，图中虚线框部分为基于单相全 桥逆变器的扫频信号发生电路，其中地为直流电压源，r 为限流电阻，胄。为采 样电阻。扫频信号发生电路产生一个变频的方波电压，在该电压作用下产生一 变频电流，该电流在消弧线圈一次侧感生一个电流o ，而流经线路对地电阻 如、如、r c 和对地电容o 、c 售、c 0 ，通过大地构成回路。 班猁濂茹上 牟罩c l i ilil 旅煅丽f 平平牛 学 = 图2 - 1 扫频法测量配网电容电流原理图 扫频电流信号流经回路的等值电路如图2 - 2 所示，图中： l 是= 1 蜀+ 1 + 1 心 3 c = c a4 - c s + c c ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 第2 章扫频法测量电容电流原理及误差分析 从消弧线圈p t 二次侧往系统侧看的等效阻抗为： z ；：乓z ， 。 n 。 其中： 二f = 一 1 ( j l ) + j c a 3 c + 1 如 图2 - 2 扫频信号流经电路图 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 则的幅值司表不为： 厶= u ，i r + 吃+ z i ( 2 - 5 ) 由式( 2 3 ) ( 2 4 ) 可知，当1 ( o j l ) = a , 3 c 即发生并联谐振时，乙取最大值熙， z z 也相应取最大值如疗2 。对于1 0 k v 配电网线路，其对地电阻般小于4 5 k q ， 消弧线圈p t 变比一般为6 3 5 0 v 1 0 0 v ，则并联谐振时的等效阻抗z z j m 。= 1 1 2 f 2 。 已知r 如，如r z z 一，由式( 2 5 ) 知的幅值主要由r 的值决定，当 r z z 且恒定时，可以认为是恒幅电流。 由图2 电路知，消弧线圈电感与配电网对地电容在扫频信号的频率变 化到某一值厶时将发生并联谐振即： 1 上2 a kx 3 c ( 2 - 6 ) 厶= 赛= 丽1 ( 2 - 7 ) 由式( 2 7 ) 可得对地电容为： 3 c 。( 2 j r f ) 2l (2-8、 则对地电容电流为： 毛邓c o s 蝎c 一考惫 ( 2 9 ) 式中：为消弧线圈的电感；i c 为电网对地电容电流；，为配电网系统频率5 0 h z 。 由于消弧线圈电感可以直接从消弧线圈所在的档位读取，由式( 2 。9 ) 可知， 只要并联谐振频率厶被测得，即可算出对地电容电流昆。 由前面的分析可知，当发生并联谐振时，等效阻抗磊= r z n 2 ，呈纯阻性， 消弧线圈p t 二次侧的电压和电流相位相同，故可以通过检测它们的相位是否相 同来测得并联谐振频率，从而算出对地电容电流。 采用扫频法测量配电网的对地电容电流，系统发生接地故障时，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。不受系 统运行方式改变的影响，不影响系统的正常运行。对于配有多个消弧线圈的配 电网，只需选定一个消弧线圈利用扫频法进行测量，即可实现对整个配电网电 容电流的测量。 2 2 扫频法测量对地电容电流的适用范围分析 自动跟踪补偿消弧装置从自动调整方式而言，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”；另一种称为“随 调式”，在正常运行情况下，消弧线圈远离谐振点运行，中性点位移电压较低， 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和系统对地总电容的谐振频率磊计算而得，并不需 要启动消弧线圈的调谐机构。对于“预调式”消弧线圈，在测出磊并计算出，c 后，直接以七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，马上退出测量程序，然后执行机构根据上一次七测量值将消弧线圈 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2 幸扣频法测量电容电流原理及误差分析 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：第一步为准确判断消弧线圈电感 值和系统对地电容总值的并联谐振频率厶；第二步为确定谐振频率后，根据公 式( 2 9 ) 计算电容电流丘。由测量过程可知，毛的误差是由谐振频率厶来的， 则根据误差传递理论有： - 2 等1 0 0 = 学1 0 0 ( 2 - 1 0 ) j mj m 其中：为电容电流的相对误差；d f 为鲈h z ，t o 为扫频频率厂的递增步长。 根据式( 2 1 0 ) 可得电容电流测量的相对误差与注入变频信号频率递增步长 和谐振频率的关系如表2 - 1 所示： 表2 1 扫频法测量的相对误差与l 厂及厶的关系 由以上分析可知，注入变频信号法测量电容电流的测量误差随着注入信号 频率递增步长的增加而增大；随着消弧线圈正常工作时的系统的谐振频率的增 大而增大。所以，要保证注入变频信号法测量电容电流的测量精度应该时消弧 线圈正常工作在过补偿状态，在测量装置满足的要求内应使注入信号的频率递 增步长尽量小。 2 3 2 数据采集对测量精度的影响 扫频法注入信号的频率，与电流电压相位差妒的关系曲线如图2 - 3 所示。 扫描频率h z 图2 3 扫频信号频率与电流电压相位差的关系曲线 由图2 3 可知：频率，在3 0 h z 5 0 h z 时，厶相位超前u m ，妒随厂的变大 而减小，但是减小趋势很缓慢；f 在5 0 h z 7 0 h z 时，伊随厂的增大而减小，几 乎呈线性递减，下降速度很快：f 在7 0 8 0 h z 时，p 的变化速度也很缓慢。 也就是说在整个扫频过程中，妒在谐振附近的变化速度最快。此外，9 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。系统阻尼很小时，在谐振点附近频率厂每增长o 1 h z 对应妒递减1 8 0 。 扫频法的第一步是通过比较厶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。则检测到的厶和的最小相位差为： 占：挈 ( 2 1 1 ) 则装置的最小绝对误差为： d i = _ + 0 1 x 去= o 1 篇( 2 - 1 2 ) 18 n1 8 如交流采样为每周波6 4 个点，其最小绝对误差值为： 办i ”“= o 4( 2 - 1 3 ) 计算得到的电容电流误差为： ：2 x 等1 0 0 ：了0 8 1 0 0 ( 2 ) j mm 由于消弧线圈通常处于过补偿状态，所以石| 5 0 h z ，故 1 6 。 2 3 3 影响测量系统谐振频率的其他因素 图2 4 为考虑了消弧线圈p t 励磁电感幻卜消弧线圈自身电阻吼、接地变 压器漏感l z r 和系统线路对地电阻r c 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 6 ) ，l p r 对测量系统谐振频率影响很小，可以忽 略不计。线路的对地电阻一般为几兆欧，并且在进行谐振接地补偿时，基本都 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。 图2 - 4 扫频法测量电容电流原理等值谐振电路 1 消弧线圈自身电阻在实际中，消弧线圈由于制造3 - 艺等原因并不是一个 纯电感，其自身存在一定的寄生c a 阻毗，该电阻对厶的影响如式( 2 1 5 ) ： 厶= 压虿，扔 弘嘲 东北电力大学硕十学位论文 一般情况下，消弧线圈的感抗大约为2 0 0 欧姆，消弧线圈自身的电阻为消 弧线圈感抗的1 5 2 o ( 大小在1 0 欧姆以内) 。由式( 2 1 5 ) 可知，由于凡的 存在，厶下降0 1 h z 左右。其将导致电容电流的最终结果产生0 4 左右的误差。 2 接地变压器的零序阻抗实际系统中，测量电容电流的谐振回路如图2 4 中粗线的部分所示，消弧线圈电感l 和线路对地电容c 为谐振回路的主要因素， 但由于接地变压器的零序电抗l z r 的存在，使得测量电容电流时发生谐振的实际 电感值较消弧线圈的电感值大，这势必引起电容电流测量结果的下降。 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。 通常其零序阻抗在1 0 欧姆左右，可导致厶下降o 2 4 左右，从而引起电容电流 的最终测量结果下降0 8 左右。 2 4 本章小结 本章深入研究了扫频法测量对地电容电流的工作原理：在消弧线圈与线 路对地电容组成的并联谐振回路中，从消弧线圈p t 二次侧注入一个幅值恒 定频率递增变化的信号，通过检测该并联谐振回路的谐振频率，进而求出对 地电容电流。 对扫频法测量对地电容电流的误差情况进行了详细的分析，分析得到， 扫频法测量电容电流误差产生的原因主要有：注入扫频信号的步长、测量装 置的数据采集速率、消弧线圈自身电阻和接地变压器的零序阻抗。 第3 章摹于扣频法电容电流测量装胃的研制 第3 章基于扫频法电容电流测量装置的研制 3 1 测量装置的总体设计 3 1 1 测量装置的设计思路 测量装置采用扫频法作为对地电容电流的测量方法，根据扫频法测量电容 电流原理的要求，所设计的测量装置应实现扫频信号的产生、电压电流信号的 采集、并联谐振点判断和计算对地电容电流四大基本功能。同时，作为智能化 的测量装置应能完成上位机通信、人机交互、信息显示与存储、装置自检、报 警等辅助功能。为此，测量装置在硬件上应包括扫频信号源和控制器两部分， 扫频信号源用来发出幅值恒定频率递增的扫频信号，控制器用来控制扫频信号 源信号的发出并完成谐振点的判断和电容电流的计算等功能。 3 1 2 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和系统对地电容的诣振 频率厶的测量值计算而得，所以，要保证整个装置的测量精度应保证厶的精确 测量。为此，必须解决扫频信号源和谐振点判断中的两个关键技术。 l 、扫频信号源发出的信号频率一定要准确，并且信号的幅值不能太大，否 则会影响系统的正常运行；也不能太小，否则e 和l 可能会采集不到，或者采 集误差较大。由于测量装置直接接在消弧线圈p t 二次侧，当系统发生单相接地 故障时，要保证扫频信号源的安全。 2 、从理论上讲，通过采集并比较以和厶两路信号的相位来判断系统的并 联谐振点是一种很精确的方法。但在硬件电路上设计麻烦，在软件上程序繁琐， 会降低采样速度，增大误判谐振点的可能性，不能满足测量的实时性要求。 3 2 测量装置硬件设计与实现 为实现测量装置的各项功能要求，本文所设计的基于扫频法电容电流的测 东北电力大学硕士学位论文 量装置在硬件上包括控制器和扫频信号源两部分，控制器以高速s o c 单片机 c 8 0 5 1 f 0 2 0 3 1 肼l 为核心进行设计，扫频信号源以基于i g b t 的单相全桥逆交器为 核心进行设计。 3 2 1 控制器的设计 控制器主要实现向扫频信号源发出i g b t 的控制信号、采集消弧线圈p t 二 次侧的电压电流信号、检测采集信号是否同相位来确定并联谐振频率、计算对 地电容电流。控制器的设计主要包括控制芯片、信号调理电路、i g b t 控制信号 电路和其他辅助电路的设计。控制器的硬件结构如图3 - 1 所示。 早单 ff j l 广 j 信号调f l 调试接口f 1r 1 理电路f i 一 计算机k 一一r s - 2 3 2f - i fft g b t 1 里一堕r 一 l 二二二二j lj 鬲习同 l 型划 幽3 - 1 控制器硬件结构图 1 控制芯片g 8 0 5 1 f 0 2 0 主要实现i g b t 控制信号的发出、电压电流信号的 相位比较、对地电容电流的计算。控制器采用完全集成的混合信号片上系统 ( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 级m c u 芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为控制芯片。该芯片采用c i p - - 5 1 内核，可以与m c s - - 5 1 内核及指令集完全兼容；可外接2 5 e - i z 晶振，指令 执行速度高达2 5 m i p s ，单周期指令执行时间为4 0 n s ：采用符合i e e e l l 4 9 1 标 准的j t a g 接口，支持f l a s hr o m 的读写操作及非侵入式在系统调试。片内集 成了大量的i o 口和系统资源，使用方便灵活，可靠性和抗干扰性较高，且可 第3 章基于扫频法电容电流测量装置的研制 以降低系统的设计成本。 2 信号调理电路信号调理电路实现消弧线圈p t 二次侧电压的采样。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部集成了逐次逼近式1 2 位a d c 模块，共有8 个外部输入端，可 编程为单端或差分输入，最大转换速率1 0 0 k b p s ，且内置增益放大器，实现a d 采样简单可靠。为了满足模拟通道输入信号的要求，需要对模拟信号进行滤波、 电平转换( 双极性转换为单极性) ，本控制器在a d 通道前设计了模拟信号调理 电路，增强电路的抗干扰能力和完成电平转换任务。整个模拟调理电路的结构 如图3 2 所示，通过调节电位器r 4 和r 5 可实现对信号幅值的灵活调整。 图3 - 2 信号调理电路 3 1 g b t 控制信号电路i g b t 控制信号电路实现控制芯片发出的i g b t 控制 信号传输到扫频信号源电路。电路采用p h i l i p p i n e s 公司的t - 1 5 2 1 发送器和r - 2 5 2 1 接收器，实现i g b t 控制信号的远距离光纤传送，并将控制部分和高压部分隔离 开来。 光纤连接的发送器与接收器之间没有直接的电连接，有助于减轻地环路噪 声问题，并且可隔离各种电压，防止相互干扰。光纤的另一特点是不产生附加 辐射，对电磁干扰( e m i ) 不敏感，这将防止光纤干扰临近的导线，并防止临近 导线的感应或耦合噪声干扰【3 3 】。 本文的i g b t 驱动信号由一系列的n 乙电平组成，采用分光发送器和光接 收器来实现远距离传送，其基本工作原理如图3 3 所示。首先，发光二极管发出 的光与i g b t 控制信号一起进入光纤，沿着光纤传输到光接收器的光检测器，然 后由检测器将光信号转换为数字输出信号，从而完成信号的传输过程。整个光 纤连接系统主要由光发送器、光接收器、光驱动器和传输光纤4 部分组成。 图3 - 3 光纤传输原理图 光纤驱动器：d s 7 5 4 5 1 是双通道与非门驱动器，其特点是能够输出3 0 0 m a 电 流和1 5 v 输出电压，输出信号与t t l 电平兼容，并具有很快的开关速度，开关 延时小，传输延时为1 8 2 5 n s ，其作用保证有足够的光功率耦合进入光纤中， 以实现信号的快速准确传递。 光发送器：新型t - 1 5 2 1 发送器使用一种高光功率6 6 0 n w 的l e d ，当驱动电 流为6 0 m a 时，耦合进入的光功率达到1 3d b ，比以前增加6d b 。若加入更高 的耦合功率，光的上升过程和下降过程将会更快，也将允许采用更为简单l e d 驱动电路。 光接收器：新型r - 2 5 2 1 接收器具有订l c m o s 兼容输出，可设计从d c 到1 0 m b d 的数据传送率。接收器包括一整块d c 耦合的数字i c ，它带有集电极开路的肖 特基输出集体管。在接收器i c 中集成了3 块屏蔽板，用以屏蔽外来噪声。 4 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。 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、取消、上移、下移的操作，使用方便灵活。 液晶显示模块：选用o c i v l j 5 1 0 b 中文模块系列液晶显示器，其点阵数为 1 2 8 8 0 ，可以显示5 行，每行1 0 个汉字。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，并且灰度可以自行调整。o c l v l j 5 1 0 b 液晶显示器具有上- f _ 2 目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。 3 2 2 扫频信号源设计 扫频信号源实现向消弧线圈p t 二次侧注入一路频率递增的方波扫频信号。 扫频信号源主电路是基于i g b t 的单相全桥逆变器，其主电路如图3 - 4 所示。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。其中逆变器直流侧电压源约为3 0 0 v ，由2 2 0 v 工频交流经桥式整流获得 ( 采用k b p c 2 5 0 4 整流模块) ；单相桥逆变器采用e u p e c 公司b s m 5 0 g b 6 0 d l c 模块；i g b t 驱动保护电路采用高速驱动芯片u c 3 7 0 8 ，通过光耦器件t l p 2 5 0 接收控制器发送的i g b t 控制信号，向i g b t 发出通断信号。 a 图3 4 扫频信号源主电路图 1 直流电源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 ，最大整流电流而为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 。 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开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。由于可以高速开关、耐高压和大电流，所以在 电力电子设备中它已成为重要的