（电力系统及其自动化专业论文）谐振接地系统电容电流监测装置的设计与仿真研究.pdf

a b s t r a c t i nc h i n a t h en e u t r a ln o n eg r o u n d i n gm o d ei s a d o p t e d i nt h e6 - 3 5 k v d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s i nr e c e n ty e a r s ，t h eg m u n d i n gc a p a c i t a n c eo fl i n e si si n c r e a s e d w i t ht h er e c o n s t r u c t i o no fc i t yn e t w o r k s w h e ns i n g l e p b a s eg r o u n d e dc a p a c i t i v e c u r r e n te x c e e d st h el i m i t e dv a l b e t 1 1 ea r ci sd i m c u l tt oe x t i n g u i s h i no r d e rt oa v o i d e n l a r g i n gt h ef a u l t ，r e s o n a n tg r o u n d i n gm o d es h o u l db ea d o p t e d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fr e s o n a n tg r o u n d i n gs y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so f a u t o m a t i ct r a c i n ga n de o m p e n s a t i o nd e v i c e so fa r c s u p p r e s s i o na n dv a l j o u sk i n d so f i n d i r e c tm e a s u r i n gm e t h o d so nn e t w o r ke a r t hc a p a c i t a n c ew a sd e e pa n a l y z e da n d s t u d i e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h i s ，i n j e c t i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns i g n a l m e t h o do nm e a s u r i n gc a p a c i t i v ec u r r e n ti ss e l e c t e dt ou s eh e r e i ti sr e l i a b l ea n di t s e l l o ri ss m a l l ，t i m e l i n e s si sg o o d t h ea c c u r a t et r a c ka n dt h ep r e c i s em e a s u r i n go nc a p a c i t i v ec u r r e n ta r ep r e m i s e s o fw h i c ht h ea r c s u p p r e s s i o nc a np r e c i s e l yc o m p e n s a t e t h e r e f o r e ，t h eo n l i n e m o n i t o r i n g d e v i c eo nc a p a c i t a n c ec u r r e n tb a s e do nd u a l s c m ( s i n g l ec h i p m i c r o p r o c e s s o r ) i sr e a l i z e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ed e v i c e i sg i v e ni nt h i st h e s i s t h eh o s tc o m p u t e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n gm a dt h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h es u b o r d i n a t ec o m p u t e ra r e a c h i e y e d ；a tt h es a m et i m et h es o f l w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es u b o r d i n a t e c o m p u t e ri sc o m p l e t e d t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ed e v i c ei sc o m p a c ta n d r e a s o n a b l e t h es o f t w a r eb a s e do nt h ec 5ll a n g u a g ei se a s yt ob em a i n t a i n e d w h i c h d e v e l o p m e n te 币c i e n c yi sh i g ha n dt r a n s p l a n ta b i l i t yi ss t r e n g t h m o r e o v e r ，ad e s i g no nan e wa r c s u p p r e s s i o nw i t hm a g n e t i cb i a sm o d e l ，a z i g z a gg r o u n d i n gt r a n s f o r m e rm o d e ld e s i g na n da ne x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mm o d e l d e s i g ni sr e a l i z e dw i t ht h ep s c a d e m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do na n a l y s i s m a ds t u d i e st op r i n c i p l e so f t h ea r c s u p p r e s s i o nw i t hm a g n e t i cb i a s a tt h es a m et i m e ， t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ht oe a c hk i n do fr u n n i n gs t a t u so ft h er e s o n a n tg r o u n d i n g s y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nt e s tr e s u l th a s i n d i c a t e dt h a tt h e s i m u l a t i o nm o d e li sr e a s o n a b l e 、e f f e c t i v ea n dc o m p e n s a t i n gn e t w o r k sq u i c k l ya n d e f f e c t i v e l yc o m p e n s a t ec a p a c i t i v ec u l t e n tw i t ht h ea r c s u p p r e s s i o nw i t hm a g n e t i c b i a s ，w h i c hi sa b l et oq u i c k l ye x t i n g u i s ht h ea r c k e y w o r d s ：r e s o n a n tg r o u n d i n g ；c a p a c i t i v ec u r r e n t ；n e wa r c s u p p r e s s i o nw i t h m a g n e t i cb i a s ；p s c a d e m t d c 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。，耋了令 。酋! ：兰：日期：互翌年生月上日 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 导师签名： 。，凄伦 ! ：笸! ! ： 童圈遽 1 7 t 期：丛生 年皇二月三二_ 日 日期：立! ! ! 年生月上同 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 中压配电网中8 0 以上的故障为单相接地故障【1 j ，当电网采用中性点不接 地方式运行时，单相接地故障时线电压矢量三角形不变。在电网电容电流不大， 接地电弧能够自熄的条件下，电网可带故障继续供电1 2 个小时，电力系统运 行人员有比较宽裕的时间处理故障。因此，我国早期的中、低压配电网多采用 中性点不接地运行方式，保证了供电的可靠性和连续性，运行情况良好。 随着我国城乡电网改造的快速推进，近几年柬6 3 5 k v 配电网不断发展， 电缆线路占配电线路的比例也日益增大，线路的对地电容增加很快，使得系统 单相接地电容电流不断增加，导致电网在单相接地故障时产生很高的过电压， 无法自动灭弧。我国电气设备设计规程规定：当接地电容电流超过一定数值时， 电网要采用中性点经消弧线圈接地方式。电网的中性点通过加消弧线圈来补偿 单相接地故障时的电容电流，促使接地电弧自动熄灭，防止故障进一步扩大。 同时由于消弧线圈的接入，降低了故障相恢复电压的上升速度，使电弧不容易 重燃，减小弧光接地过电压事故的发生，降低系统绝缘水平，保证配电网的供 电可靠性i2 1 。 由此看来，电容电流测量不仅为电网选择中性点接地方式提供依据，也有 助于中性点经消弧线圈接地系统选择消弧线圈容量，同时电容电流的准确跟踪 和精确测量是消弧线圈精确补偿的前提口川。本文在总结分析了现有各种常用电 容电流测量方法的基础上，设计并实现了注入变频信号法测量电容电流的装置， 并对安装了新型偏磁式消弧线圈的l o k v 配电网的补偿效果进行了仿真研究。 1 2 本课题的研究现状 1 2 1 自动跟踪补偿消弧线圈分类 我国早期采用的消弧线圈是手动调匝式的，根据估算的系统电容电流设 定补偿方案，然后人工调节消弧线圈的分接头，使电网的脱谐度、残流和中性 点位移电压值保持在规定的范围内。调节时需要将消弧线圈与电网隔离，调 节过程相当繁琐，同时也会使电网的全部或部分暂时失去补偿。由于根据线 路长度估算的电容电流偏差较大，以此为依据调节消弧线圈，其精度不高。 另外，规程要求消弧线圈接地系统每年对电网电容电流实测一次，重新设定补 偿方案，工作量很大。如今，配电网迅速发展，特别是城市电网越来越多地采 用电缆供电，系统单相接地电流增长较快，运行方式也经常变化，人工调节无 法满足调谐要求，而且熄弧能力差，容易产生系统谐振过电压，影响电网的安 全运行。 随着微机技术的发展及其在中压配电网接地技术方面的应用，消弧线圈接 地技术有了长足的发展，多种自动调谐消弧线圈接地装置被丌发和应用，9 0 年 代中后期，国内外先后推出了几种自动跟踪补偿消弧限压成套装置，以微机控 制为核心实现了消弧线圈的自动调谐【l 。”i 。 现有的自动跟踪补偿消弧线圈，根据自动调整方式的不同，消弧线圈自动 跟踪补偿装置可分为两种：在接地故障发生前，调整消弧线圈到靠近谐振点运 行的，称为“预调式”，在此条件下为使中性点的位移电压不大于额定电压的 i 5 ，需要串联( 或并联) 一定数值的限压电阻：另一种称为“随调式”，即在 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，迅即调整到位，故不需要加装限压电阻。“预调式”消弧线圈可利 用机械调节或电气调节完成，而“随调式”消弧线圈必须利用电气调节完成。 根据自身等值电感调节方式的不同，消弧线圈自动跟踪补偿装置可分为： 可调气隙式【1 2 1 、调节分接头式吲、调容式1 14 1 、直流助磁式1 5 1 和磁阀式j - 1 q 等。 1 可调气隙式消弧线圈其铁心由动、静两部分组成，静铁心在下，动铁 心在上，通过改变动铁心的位置改变动、静铁心之间气隙的大小，从而改变消 弧线圈的电抗值，达到改变电感电流的作用。电感可以连续调节，结构简单， 线性度好，价格也不高。但需要较为精密的机械传动装置，因为动作时间取决 于可动铁心的移动时间，所以响应慢，可至数十秒：有时会因脏污引起机械动 作失灵：由电动机牵引，噪声很大；正常运行时必须采用消弧线圈串联电阻接 地方式，以限制中性点位移电压，而在单相接地故障发生时短接电阻。 第1 章绪论 2 调节分接头式消弧线圈它是利用传统调匝消弧线圈改型而得，成本很 低，调节方便。缺点是电感不能连续调节，必须有足够的分接头才能满足熄弧 条件的要求；讵常运行时必须采用消弧线圈串联电阻接地方式，以限制中性点 位移电压，而在单相接地故障发生时短接电阻。 3 调容式自动消弧线圈该消弧线圈是在传统调匝式消弧线圈基础上去除 绕组上的分接头，同时增加一个二次绕组，通过改变接入的电容器组数，改变 消弧线圈的电感。调容式消弧线圈的调节范围非常宽，而且可以在运行中改变 调节范围，对电网的适应能力强：装置响应时问短，采用动态调谐方式，无需 增加阻尼电阻。但是，目前只有树脂绝缘干式铁心式，造价高于传统消弧线圈。 4 、直流助磁式自动调谐消弧线圈该消弧线圈是在交流工作绕组内设置一 个铁心磁化段，通过改变直流助磁磁通的大小，调节交流等值磁导，使补偿电 流连续可调。装置响应时间短，特别适用于调节频繁的场合。但需要附加大容 量直流励磁电源，结构复杂，造价也较高。 5 、磁阀式自动消弧线圈它也属于直流助磁形式，但结构差别很大，采用 自励磁技术控制铁心的饱和程度，实现对补偿电流的连续调节，造价较高，但 比直流助磁式低。 自动跟踪补偿装最与人工调谐消弧线圈相比，具有显著的优越性。首先是 可以避免人工调谐消弧线圈的诸多麻烦，而且不会使电网的部分或全部在调谐 过程中暂时失去补偿；其次，由于自动补偿装置能够保证调谐精度，不仅可以 提高消弧线圈的动作成功率，同时能够限制电网的电弧接地过电压和谐振过电 眶等，这些均有利于电网的安全运行。 本文选用新型偏磁式自动调谐消弧线圈进行谐振接地系统仿真研究。新型 偏磁式消弧线圈与直流助磁式消弧线圈工作原理类似，它通过改变附加的直流 励磁磁化铁心的磁导率，实现电感量连续变化，它的内部为全静态结构，无运动 部件，工作可靠性高，其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时连续调节电 感值。 1 2 2 电容电流测量方法比较 谐振接地系统的电容电流计算是自动调谐消弧线圈进行自动补偿的依据。 东北电力大学硕士学位论文 由于故障后，消弧线圈必须快速合理地补偿电容电流，以使接地电弧快速自熄， 所以消弧线圈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的出力。 目前，根据各种消弧线圈不同的调谐原理，有多种间接测量电网电容电流 的方法。其根本思想都是利用电网f 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：然后由单相故障时 的零序回路计算当前运行方式下的电容电流。 计算对地容抗的具体方法：中性点位移电压法、中性点电流最大值法、两 点法、三点法、阻抗三角形法、变频信号法等1 5 。 1 中性点位移电压法和中性点电流最大值法这两种方法都是利用串联 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。这两种方法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，有时受电网线电压波动的影 响，要找到谐振点很困难。 2 两点法这种方法只适用于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧 线圈，测量时通过改变消弧线圈的档位，取得相应的中性点位移电压和中性 点电流值，解方程组得到电容电流。此方法忽略了消弧线圈的有功损耗所带 来的等值阻尼以及电网的泄漏电导，如果电网阻尼率较大，消弧线圈损耗等 值阻尼较大，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。若中性点接入了限压电阻，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。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 三点法该方法与两点法类似，不同之处在于未知量增加到三个，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。此方法考虑了电网阻尼率，但仍然忽略了消弧线圈损耗等值 阻尼。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 第1 章绪论 性点不接限压电阻的“随调式”消弧线圈。 4 阻抗三角形法对于预调式消弧线圈由于中性点加了串联电阻，就 可以利用限压电阻、消弧线圈电抗之问的三角形关系来计算对地电容。在计 算中忽略了消弧线圈的损耗电阻和线路对地的泄漏电阻，存在定理论误 差，一般在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，计算误差就会很大。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 变频信号法在电压互感器的低压端注入变频信号，使消弧线圈和系统 对地电容发生并联谐振，来测量系统的谐振频率，从而求得系统对地总电容。 该方法不需对消弧线圈电感进行试探性调整，不需对消弧线圈的任何参数进行 测量，而且把测量回路从高压侧移到低压侧，更加安全方便，实时性皂好【i o j 。 对于前面的几种算法而言，当系统不平衡电压为零时，就无法测量计算电 容电流。对于变频信号法来说，不存在上述问题，且对“预调式”和“随调式” 消弧线圈均适用，误差一般在5 以下。但是它向系统注入了个非工频信 号，尽管功率不大，也多少会对系统波形、频率产生不利影响。 综上所述，由于变频信号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监测装置的设 计。 1 3 本文主要研究工作 l 、深入研究并分析谐振接地系统的基本工作原理，分析各种自动跟踪补偿装置 消弧线圈的调谐方式，比较各自的优缺点及其适用范尉，并选择新型偏磁式 自动调谐消弧线圈，进行谐振接地系统的仿真研究： 2 、研究并分析常用的电容电流间接测量方法，比较各种测量方法的误差大小及 其适用范围，并选择变频信号法，在此基础之上进行电容电流测量的模拟实 验，并对该实验结果进行分析； 3 、在深入研究变频信号法测量电容电流实现方法的基础上，设计并实现基于双 单片机结构的电容电流在线监测装置，并给出该监测装置的硬件设计原理和 软件调试方法； 东北电力大学硕士学位论文 4 、深入研究并分析偏磁式消弧线圈的工作机理，在此基础上对新型偏磁式消弧 线圈的结构原理进行分析； 5 、利用p s c a d 仿真软件，建立z 形接地变压器模型、新型偏磁式消弧线圈模 型、励磁控制系统模型，并将这些模型应用到某1 0 k v 配电网的仿真模型中， 研究系统正常运行和发生单相接地故障时的电磁暂态过程，并对该仿真结果 进行分析。 第2 章谐振接地原理 第2 章谐振接地原理 2 1 谐振接地系统概述 中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。因为消弧线圈是 一种补偿装置，故通常称之为补偿系统。 补偿电网的中性点装设消弧线圈的目的，主要为了自动消除电网的瞬间单 相接地故障；当发生永久性( 金属) 单相接地故障时，有两种选择：可以经微 机选线装置或微机接地保护检出故障线路后，作用于断路器进行瞬间跳闸；也 可以使电网在一定时间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线 路。这样，中性点采用谐振接地方式的电网便具有很高的运行可靠性。 消弧线圈使单相接地电弧自动瞬间熄灭的原因，主要基于以下两点： ( 1 ) 消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限制了接地故障电流 的破坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭： ( 2 ) 当残流过零熄灭后，又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免 接地电弧的重燃并使之彻底熄灭。 由于接地故障电流的减小，有力地限制了接地电流和电弧的电动力、热效 应和空气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率， 使故障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电压的恢复初速度，如此， 接地电弧得以彻底熄灭，补偿电网便在瞬间恢复了正常运行i l “”j 。 谐振接地系统有力地限制了单相接地故障造成的多种危害作用，大大改善 了系统的运行性能在我国6 6 6 k v 中压电网中应用较多。 2 2 谐振接地系统正常运行状态分析 在消弧线圈投入运行之前或退出运行之后，电网的中性点不接地运行时， 因中压架空线线路的三相对地电容不太平衡，电网的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。图2 1 为消弧线圈投入前电网的等值接 东北电力人学硕士学位论文 线图。 图中0 。、d 。、己7 。为三相对中性点电压；驴。和0 。分别为中性点的不 平衡电压和位移电压；c _ 、c 。、c c 和g - 4 、g 。、g c 分别为三相导线对地电 容和泄漏电导；l 为消弧线圈电感值，g 。为消弧线圈的损耗电导，s 为中性 点隔离开关。 图2 - 1 消弧线圈投入前电网的等值接线图 在消弧线圈投入运行前或退出运行后，电网的中性点处于不接地运行状态， 图2 - 1 中的三相对地电容电流，只能以大地作为返回的通路。根据基尔霍夫定 律可得中性点不平衡电压d 0 0 乩一哗箬端譬端揣辫 陋- ， 在电网正常运行情况下，可以认为电气设备三相绝缘的运行条件和污秽情 况大致相同，即此时三相对地泄漏电导相等( g 。= g 。= g 。= g o ) 。这样，式( 2 1 ) 经简化后可得： 卜 ( 2 - 2 ) 热h ：一丢+ _ ，孚。2 一，鱼2 为剿目量；啪桃压。 当消弧线圈投入运行后，补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与 t r 高 鬻 电网的三相对地电容构成电压谐振电路，如图2 - 2 所示。 其中g = 3 9 0 为电网三相对地总泄漏电导，c = c 。十c 。+ g 为电网三相 对地总电容。由于电网不平衡电压的存在，回路中便有零序电流，。流过， 于是在消弧线圈两端产生了电位差玩，即中性点位移电压。根据图2 - 2 ，中 性点位移电压的大小和方向，可由式( 2 3 ) 确定，即： 图2 - 2 电压谐振等值同路 玩= 彘o o 。= 瓦丽g 砚+ j c 再o c 词 ( 2 - 3 ) 由于g 一般只为c o c 的1 5 2 o ，忽略式( 2 - 3 ) 分子中的g 后得： u o = 虬 一 d 。 c o c l c o l ；g l + g c i f ll ；ir c o c c o c i ?、1 c ：兰( 2 - 4 ) u i d 式中v = 兰_ 卫，称为补偿电网的脱协度：d = _ jr ，为补偿电网的阻尼率。 i c l ( 式( 2 4 ) 表明：中性点位移电压阢是一个相量，它与不平衡电压口。、补 偿电网的阻尼率d 及消弧线圈的脱协度v 有关。当补偿电网的运行方式确定 后，电网的不平衡电压和阻尼率随之确定，则中性点位移电压瓯将主要随 消弧线圈的脱协度的变更而改变。 如图2 - 2 所示的电压谐振回路中，当消弧线圈运行在谐振点附近，即1 c o l 很 接近c o ( 7 时，中性点位移电压将会远远大于不平衡电压，使电网三相对地电压 严重不平衡。为了保证系统的正常运行，维护三相对地电压的平衡，一般要求 中性点位移电压不大于额定电压的1 5 ，所以系统正常运行时脱谐度u 不能太 丁叽上 东北电力大学硕士学位论文 小或采取其它手段。实践表明，只要对消弧线圈进行合理、灵活的调节或采 取适当的限压措施，可兼顾熄弧和限压两方面的要求。 2 3 谐振接地系统单相接地故障运行分析 2 3 1 故障点接地电流的减小 在补偿电网的任何相上的一点，例如图2 - 1 中a 相上的某点发生接地故障 时，若忽略故障点的接地电阻与弧道电阻的影响，即相当于发生单相金属性接 地故障，同时忽略三相电容对地不平衡，假设c = 巴= g = q ，则此时补偿 电网的零序回路，即图2 3 中所示的电流谐振等值回路。 图2 - 3 补偿电网的电流谐振等值回路 图2 3 中补偿电网的等值全损耗电阻r 由电网的a 、b 、c _ - - 4 i c 时，u 国；欠补偿时， ；全补偿时，。= m 。 同时，边旋转边衰减。根据电工原理，零序回路的阻尼系数为：占= a , a 2 。 显然，阻尼系数与补偿电网的阻尼率成正比。 在单相接地电弧存在期间，相当于图2 3 中的隔离开关s 处于合闸位置， 由于在此状态下中性点的位移电压“。与故障相电源的电压“。大小相等、方向相 反，所以s 触头之间的电位差恰好为零。而在接地电流过零电弧熄灭的瞬间， 相当于s 突然断开，此时加在隔离开关s 的动、静触头之间的电压，一端为强 制的电源电压“。，而另一端为中性点的自由振荡电压“。，不论消弧线圈补偿状 态如何，故障相的恢复电压“，都等于两者之间的电位差，可以写成： 东北电力人学硕士学位论文 “，= u i ，p + 9 1 一p 一p m ”) f = u 。e ( ”9 ) 1 一e - ( d + j o ) e a t 2 ( 2 8 ) 式中：u 。为相电压的幅值；伊为接地电弧熄灭时电压和电流之间的 初相角。故障相恢复电压初速度和恢复到正常相电压幅值的时间f 为： = 詈仃了= 詈哮 ( 2 - 9 ) 似丢赤2 昙丢 函 国 d 2 + u 2 6 通过以上分析可知，当接地电弧熄灭后，故障相恢复电压的特性与补 偿电网的脱谐度、阻尼率以及故障后的残流有密切的关系。由于电网运行方 式确定后，阻尼率随之确定，因此在讨论时可把它作为一个常数。那么，脱 谐度绝对值越小，残流越小。故障相恢复电压的最大值和初速度就越小，恢 复时间越长，接地电弧越不容易重燃；反之，脱谐度绝对值越大，残流越大， 故障相恢复电压的最大值和初速度就越大，恢复时间越短，接地电弧越容易 重燃。对于电网阻尼率来说，随着d 值的增大，恢复电压的初速度也会随之 增大，恢复时间缩短，对接地电弧的熄灭将产生不利影响，同时还会出现谐 振点偏移现象，所以电网阻尼率不应过大。 由此可见，由于消弧线圈的作用，降低了恢复电压的初速度，延长了故 障相电压的恢复时蒯，并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧 的重燃，达到彻底熄弧的目的2 0 1 。这是消弧线圈熄弧原理的第二要点。 2 4 本章小结 本章在对谐振接地系统正常运行状态和单相接地故障运行状态分析的基础 上，重点讨论了消弧线圈使单相接地电弧自动瞬间熄灭的原理。 补偿电网在正常运行情况下，消弧线圈的电感与电网的对地电容等构成电 压谐振回路。为了抑制中性点位移电压升高，人工调谐和随调式消弧线圈应适 第2 章谐振接地原理 当偏离谐振点运行，而预调谐式自动消弧线圈虽然可以靠近谐振点运行，但一 般需要加装限压电阻。 当补偿电网发生单相接地故障时，消弧线圈的调谐电感与电网的对电容等 构成电流谐振回路。为了便于接地电弧的自行熄灭，消弧线圈应当尽量靠近谐 振点运行，否则，故障点的残余电流与恢复电压的初速度同时增大，对接地电 弧的白行熄灭不利。 第3 章电容电流监测装置的设计与实现 3 1 电容电流测量 3 1 1 变频信号法测量电容电流原理 本文电容电流的测量方法采用注入变频信号法。变频信号法是在p t 二次侧 附加一个变频电源，即向系统注入一个变频信号使消弧线圈感抗和系统对地电 容发生并联谐振，通过测量系统的谐振频率厂。，从而求得系统对地总电容。 当消弧线圈感抗与电刚的三相对地电容发生并联谐振时存在如下关系： 正= 葫1 丽 3 - 1 ) 其中：为消弧线圈当前的电感值，c 为电网对地总分布电容。 系统发生单相金属性接地故障时的电容电流为： 。，叫= 等= 筹 c 。一z ， 式中u 。为电网的相电压，则脱协度为 ，：! d ：1 1 ： 由式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 可以看出，只要测得系统的谐振频率即可计算得到 电网的对地电容电流以及脱协度。 扫描谐振频率的等效电路如图3 1 所示，图中c 、l 、g 分别为c 、三、 g 折算到p t 二次侧的值，其中，。为变频信号源电流值，g 为电网的对地泄漏 电导，c 、三与式( s - 1 ) 中的含义相同。由图s - 1 可见当系统发生并联谐振时， 电流，达到最小值。 该方法不影响系统正常运行，且不受系统运行的影响，不需要对消弧线圈 第3 章电容电流监测装置的设计与实现 的任何参数进行测量，测量误差小，实时性良好，同时把测量回路从高压侧 移到低压侧，更加安全、方便。 ， j s 图3 - 1 扫描谐振频率的等效电路 3 1 2 变频信号法测量电容电流原理的模拟实验 为了进一步验证变频信号法测量电容电流原理的合理性与可行性，本文在 实验室搭接电路，模拟1 0 k v 配电网，采用注入变频信号法测量三相对地电容， 从而计算电网电容电流。如图3 2 所示，为该模拟实验的接线图。 p t 图3 - 2 模拟买验接线图 上是电感值为o 3 3 2 7 h 的电感线圈；3 c 为代替三相电容的一个集中电容取 值为2 0 uf ：p t 为教学用模拟电压互感器，选用变比 ：3 5 o - 4 3 ；x d 7 为实验 ) u 用的低频信号发生器，可以发出恒流的变频信号。 变频恒流信号从p t 低压侧注入，对补偿电网进行频率扫描，当p t 二次回 路电流达到最小值时，说明电感与三相电容发生并联谐振，此时记录电网的谐 振频率，通过式( 3 1 ) 计算出三相对地电容，并与电容已知值相比较，分析 东北电力大学硕士学位论文 误差大小，图3 3 为该模拟实验数据曲线。 通过模拟试验测得谐振频率为6 4 h z ，计算三相对地电容为1 8 5 9 “f ，相对 误差为7 0 5 ，较为合理。 通过模拟实验还得出以下结论：模拟实验中如果在p t 一次侧加入一个模 拟中性点的位移电压，对补偿电网的谐振频率不会产生影响，但会增大谐振刨 路最小电流值的幅值，所以实际中都采用带阻滤波器将5 0 h z 工频滤掉。 3 2 监测装置设计 图3 - 3 模拟试验数据曲线 3 2 1 监测装置的总体介绍 监测装置采用变频信号法测量电容电流，由上一节变频信号法测量电容电 流原理可知，监测装置必须包括扫频信号源( 输出3 0 一8 0 h z 的恒幅变频信号) 。 为此本文采用主、从单片机结构，如图3 - 4 所示，其中主单片机以a t 8 9 c 5 2 为 核心，主要完成实时电容电流测量：并显示电容电流、脱协度、控制新型偏磁 式消弧线圈电感量的励磁电流；同时装置可以在现场通过手动来设置系统参数 ( 如电网电压、消弧线圈电感值等) ，并控制从单片机变频输出。从单片机以 第3 章电容电流监测装置的设计与实现 a t 8 9 c 5 l 为核心，采用三相p w m 信号发生和控制的集成芯片s a 4 8 2 8 控制智 能功率模块p m l 0 c s j 0 6 0 输出变频信号。 a t 8 9 c 5 2 i 6 1 1 6 f a t 8 9 c 5 1e m l i 1 ( 而 巨 圈3 - 4 电容电流监测装置原理框图 3 2 2 监测装置硬件设计 监测装置采用变频信号法测量电容电流，根掘式( 3 2 ) 要测量电容电流首先 要知道补偿电网的谐振频率。为此，监测装置采用双单片机串行通信结构，如 图3 - 4 所示，主机部分主要由信号提取部分、a d 转换部分和人机接口、硬件看 门狗等部分组成。下面将分别介绍各个组成部分。 1 信号提取部分 由变频信号法测量电容电流原理可知，只要测量出补偿电网的谐振频率通 过计算即可求得电容电流值。如图3 1 所示当补偿电网发生谐振时，电流j 值 很小，本文通过捕捉电流，的最小值来测量补偿电网的谐振频率。图3 5 为监 测装置的信号提取部分硬件框图。其中，隔离运放采用的是美国b u r r b r o w n 公 司的1 s 0 1 2 4 隔离运放。i s 0 1 2 4 采用的是先进的电容调制解调技术，隔离电压 达到1 5 0 0 v ，精度也很高，最大非线性度仅为o 0 1 0 。隔离运放的应用使现场 干扰源与装置数字部分仅保持信号联系，不直接发生电的联系，尤其可以防止 共模噪声窜入系统。 2 a d 转换部分 m a x l 9 7 是一个多量程、1 2 位数据采集系统。该芯片只需要单一的+ 5 v 图3 - 5 信号提取部分硬件框图 电源供电即可工作。但在其模拟输入端可以承受幅度高于电源电压和低于地的 信号，其允许值可达1 6 5 v 。当其任一通道发生故障后，将不影响其它通道的 正常操作。该芯片提供8 个模拟输入通道，每一通道均可独立地由软件编程以 得到多种输入范围：1 0 v 、5 v 、o 1 0 v 或0 5 v 。这使得其有效的动态范 围增加至1 4 位，并使用户能灵活地把4 2 0 m a 及1 2 v 和1 5 v 电压地检测器 很方便地与单一+ 5 v 系统相接口。该器件的其它特点还包括具有5 m l q z 带宽的 跟踪保持电路，1 0 0 k s p s 的采样速率，软件可选的内部或外部时钟，可变的采 集控制，8 + 4 位并行接口，以及内置4 0 9 6 v 电压基准或可选的外部基准源。 m a x l 9 7 使用标准的微处理器接口单元，三动态数据i 0 端口配置成与8 位 数据总线一起工作，数据存取和总线释放的时序性能指标与大多数通用的微处 理器相兼容，所有逻辑输入与输出均是t t l c m o s 兼容的。在电源管理方面，该 器件还提供硬件上的引脚和可编程的掉电方式，使芯片在两次变换之间能处于 低电流的关断状态，在掉电方式下，基准缓冲器仍有效，从而消除了上电延迟。 3 人机接口 监测装置有4 个键，分为定值键、数字键、翻页键以及返回键。其中定值 键与数字键配合可对如电网电压、电感初值等参数进行在线定值设置：翻页键 第3 章电容电流监测装置的设计与实现 主要用来查看电容电流、电网脱协度以及新型偏磁式消弧线圈的励磁控制电流 等参数。 显示器接口采用i c m 7 2 1 8 b 驱动8 位l e d 动态显示器设计而成，与4 个独 立式按键配合构成人机接口部分，操作简单。 4 硬件看门狗 专用的硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电 路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现 角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好 以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令( 即“喂狗”指令) ，保证程 序正常运行时看门狗不溢出；而程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲， 通过单片机的r e s e t 引脚使单片机复位。 本文采用目前常用的集成看门狗电路x 5 0 4 5 ，它是x i c o r 公司的产品，是一 种可编程的专用看门狗定时器。该芯片将上电复位、看门狗定时器、电源电压监 控和e e p r o m 存储器功能组成在一个封装内，这种组合降低了系统成本、减少了 电路板空间并增加了可靠性。x 5 0 4 5 作为本装置的“看门狗”，承担了重要作用， 当装置受到严重干扰程序跑飞时，经过一段设定的时间后，x 5 0 4 5 将发出复位信 弓，将系统强制复位，保证系统正常工作。由于x 5 0 4 5 有5 1 2 字节的e e p r o m ， 可以用来存储电网电压、消弧线圈电感等参数，实现在线定值修改。 筒瞎9 c 5 1一固 一i d 5 7 j 叫圃高 图3 - 6 变频信号源硬件框图 从机用作变频信号发生器，图3 - 6 为变频信号源发生电路的硬件框图。它 即可以由主机通过串行通信控制又可以进行手动设置变频输出，同时可以显示 东北电力大学硕士学位论文 输出的频率以及报警的信息。从机部分主要由p w m 产生器s a 4 8 2 8 、i p m 智能 功率模块组成，下面分别予以介绍。 1 p w m 产生器s a 4 8 2 8 简介 s a 4 8 2 8 是m i t e l 公司推出的一种专用于三相p w m 信号发生和控制的集 成芯片。它即可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主 要特点为：全数字控制；兼容i m e l 系列和m o t o r o l a 系列单片机；输出调制 波频率范围0 - - 4 k h z ；1 6 位的分辨率；载波频率最高可达2 4 k h z ：内部r o m 固 化3 种可选波形；可选最小脉冲宽和延迟时间( 死区) ；可单独调整各相输出以 适应不平衡负载：看门狗定时器【2 l 】。图3 7 为s a 4 8 2 8 与a t 8 9 c 5 1 单片机的接 口电路。 a t 8 9 c 5 l s a 4 8 2 8 p 00 - p 0 j ：= = = 专& d 0 - a u 7 叮x 瑚5 c sf 巧 l e a l e p l ns e t t h p r s t一一r s t w r r d 1 w 儿 i r dt m p f 叫c l k 图3 - 7s a 4 8 2 8 与a t 8 9 c 5 1 单片机的接口电路 s a 4 8 2 8 的s t t r i p 引脚接a t 8 9 c 5 1 的p 1 0 ，使单片机能够在异常情况下 封锁s a 4 8 2 8 的输出，s a 4 8 2 8 的t r i p 引脚接一只二极管当s a 4 8 2 8 的输出 被封锁时，发光二极管亮，用来指示封锁状态，s a 4 8 2 8 的6 个输出引脚通过各 自的驱动电路来驱动i p m 智能功率模块。 对s a 4 8 2 8 的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器( 初 始化寄存器和控制寄存器) 来实现的。 初始化寄存器用于设定与逆变器有关的一些基本参数，这些参数在p w m 输出端允许输出前初始化，逆变器工作以后不允许改变。控制寄存器在工作过 程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制逆变器的运行状态。通常在 第3 章电容电流监测装置的设计与实现 工作时该寄存器内容常被改写以实现实时控制。因为数据总线是8 位的，所以 控制参数是通过6 个8 位的暂存器r o 、r l 、r 2 、r 3 、r 4 、r 5 ，送入初始化寄存 器r 1 4 和控制寄存器r 1 5 的。初始化参数先被写入r o 、r 1 r 5 ，然后通过对虚 拟寄存器r 1 4 的写操作将参数送入初始化寄存器，最后再将控制参数写入r o 、 r l r 5 ，并通过对虚拟寄存器r 1 5 的写操作将参数送入控制寄存器。各控制寄 存器的地址如表3 - 1 所示 初始化寄存器见表3 。2 ，主要存放基本的运行参数，如载波频率、脉冲删除、 波形选择等，现将各参数予以说明。 表3 - 1 $ a 4 8 2 8 寄存器地址 名称地址功能 r 00 0 h 暂存器 r l0 1 h 暂存器 r 20 2 h暂存器 r 3 0 3 h暂存器 r 40 4 h 暂存器 r 50 5 h 暂存器 r 1 40 e h传输初始化参数 r 1 5o f h传输控制参数 表3 - 2 初始化寄存器 765 d 32lo r 0f r s 2f r s lf r s 0xxc f s 2c f s lc f s 0 r lxp d t 6p d t 5 p d t 4 p d t 3 p d t 2p d t lp d t o r 2xxp d y 5 p d y 4p d y 3p d y 2p d y lp d y 0 r 3xxa co0xw s lw s 0 r 4w d l 5 w d l 4 w