新型自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的研究-软件部分

摘 要配电网中性点采用消弧线圈的方式，对于改善电网供电质量、提高供电可靠性和保证整个系统安全运行都有十分重要的意义。本文所做的工作就是在了解国内外配电网中性点接地方式发展及其现状的基础上，完成自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的设计。该装置在系统正常运行情况下能够在线自动跟踪补偿电网对地电容电流的变化，而且在故障情况下能够对电网提供补偿电流，以减小故障电流，避免单相接地故障发展成为相间故障。本文主要分析了消弧线圈国内外的发展现状、自动调谐原理和控制方法，并基于三相五柱式消弧线圈利用 DSP 设计出了控制器。该控制器是以TMS320LF2407 为核心，本文阐述了该控制器的工作原理，并在硬件的基础上对其软件进行了设计，它具有查看、设置和查询记录三个功能。查看功能可以显示当前电网的零序电压、电流和脱谐度等参数；设置功能主要是对时间日期和故障电压限值等修改；查询记录则是用来调用以前的电网参数记录。详细的画出了查看、设置、查询记录、键盘扫描、A/D 转换、液晶显示和时钟等功能模块的流程图。最后简单的介绍了软件的抗干扰措施。关键词：消弧线圈 ；调谐原理 ；DSP ABSTRACTThe arc suppression coil grounding manner of the distribution system is vital to the quality and reliability of the power supply,and it increases the security of the circulating network.By knowing the development and the present situation of the foreign and internal distribution nerworks grounding manners.This paper .presents a auto-track conpensating controlling device which not only can track but also compensate the changing capacitance current when the power system happens single-phase-to-earth fault .It decreases the fault current to avoid the single-phase-to-earth fault become phase-to-phase fault.This article mainly analyzes the development of arc-suppression coil of domestic development situation, principle of automatic tuning and control method, and based on arc-suppression coil with three phases and five columns using DSP controller was designed. The controller uses TMS320LF2407 as the core, this paper expounds the working principle of the controller, and the design of software is based on the hardware, it has three functions: check,setting and records. The check function can display the zero-sequence voltage, zero-sequence current out-of-resonance degree and so on, setting function is set to change date time and limit of fault voltage, Records is used to record the network parameters before calling. Detailed picture out of functional modules of the chart,theyre view, setting, record, the keyboard scan, A/D conversion, LCD display and clock. Finally the simple introduces anti-interference measures of the software.Keywords:arc suppression coil ;tuning principle ;DSP目 录1 绪论.11.1 概述 .11.2 国内外消弧线圈的发展概况 .11.3 本论文主要完成的内容.52 自动跟踪补偿消弧线圈自动调谐原理.62.1 消弧线圈的补偿原理.62.2 消弧线圈的调谐方法.82.2.1 相位法 .92.2.2 极值法 .122.2.3 模型法 .132.2.4 注入信号法 .142.2.5 两点法 .152.2.7 三点法 .152.3 消弧线圈的自动控制方法.162.3.1 调匝法 .162.3.2 调气隙式 .172.3.3 磁饱和电抗器法 .182.3.4 并联电容器法 .182.3.5 二次调感式 .202.4 晶闸管二次调感原理.203 自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的软件设计 .243.1 DSP 技术简介.243.1.1 DSP 芯片系统结构及其特点 .243.1.2 TMS320LF2407 片内资源简介 .253.2 自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的工作原理.263.3 自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的软件设计.273.3.1 软件主程序 .273.3.2 查看模块 .303.3.3 设置模块 .313.3.4 查询记录模块 .323.3.5 A/D 转换模块 .343.3.6 键盘扫描模块 .353.3.7 液晶显示模块 .363.3.8 时钟芯片模块 .394 系统抗干扰措施.424.1 三种软件抗干扰措施.424.1.1 循环指令技术 .424.1.2 假中断向量 .424.1.3 WATCHDOG 定时器 .434.2 软件抗干扰的优点.43结论.44参考文献.45翻译部分.48英文原文 .48中文译文 .59致 谢.69中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 概述电力系统中性点运行方式的确定涉及到供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护和自动装置的正确动作、通讯干扰、系统稳定等许多问题，因此，进几十年来，电力系统中性点运行方式的研究和应用，一直是国内外研究者的关注问题。长期以来，我国 6-66kV 配电网的运行主要采用中性点不接地或消弧线圈接地两种方式。随着配电网络的扩大以及电缆线路的增加，自然熄弧变得越来越困难。对于中性点已经采用消弧线圈接地系统而言，许多配电网中的消弧线圈的容量已经远远不能满足配电网中电容电流的补偿要求。运行经验表明 10kV 架空线路上，当接地电流超过 10A 时，自然熄弧就已经很困难。在此种情况下，易产生间歇性电弧过电压或电磁式电压互感器的铁磁谐振过电压，或由单相接地发展为相间短路故障，直接威胁电网的安全运行。新颁布的电力行业标准 DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定 3-10kV 架空线路构成的系统和所有 35kV、66kV 电网，当单相接地故障电流大于 10A 时，中性点接地应采用消弧线圈接地； 3-10kV 电缆构成的系统，当单相接地电流大于 30A 时，中性点应装设消弧线圈。1.2 国内外消弧线圈的发展概况消弧线圈是由德国人 Petersen 在 1916 年提出的。消弧线圈是一种铁心带有空气隙的可调电感线圈。消弧线圈的补偿电流有分级（阶段）调节和无级（连续）调节之分，调节方式又有手动和自动之别，而自动调节的又有在发生接地故障前预先调节的预调式和出现接地故障后的迅速调节的随调式两种。二十世纪九十年代初期，我国现场采用的消弧线圈调谐方法是根据己设的方案，对不同的运行方式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在规定的范围内。这种方法需将消弧线圈从电网上脱离，手动操作调整消弧线圈的分接头，对于复杂的电网，确定调谐方案相当费时。这种调节方式因不能自动跟踪系统参数的变化，调节和运行极中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 2 页为不便，由于无法保证合理的脱谐度，因而造成安装了消弧线圈后仍然发生过电压事故，致使使用单位就运行方式及消弧线圈调节补偿度编制了复杂的运行操作规程，增加了运行人员的负担。另外规程要求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。目前这种调匝式消弧线圈逐渐退出配电网。自动跟踪补偿消弧装置是靠自动装置按电网电容电流的变化来改变消弧线圈的电感，使单相接地电容电流得到来自消弧线圈的电感电流的有效补偿。自动装置的工作原理是根据在线实时测量的电网中性点的电压、电流信号，依据电网脱谐度和信号相位角之间的关系，利用微机或单片机计算电网的脱谐度并控制有载调压式消弧线圈的档位进行自动跟踪调谐，使系统始终运行在设定的脱谐度范围内。国内对配电网采用消弧线圈接地方式进行了理论分析及应用技术研究，根据目前可控电抗器的发展，相应推出了几种自动跟踪补偿消弧限压成套装置。有调节铁芯气隙式消弧线圈、有载调匝式消弧线圈、晶闸管投切电容式消弧线圈的、高短路阻抗变压器式消弧线圈、直流助磁式消弧线圈(或偏磁式消弧线圈)、磁阀式消弧线圈、三相五柱式消弧线圈等等。（1）调气隙式属于随动式补偿系统其消弧线圈属于动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。然而其调整只能在低电压或无电压情况下进行，其电感调整范围上下限之比为 2.5 倍。控制系统的电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约 100 欧电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于 15%的相电压） 。当发生单相接地后，必须在 0.2s 内将电阻短接实现最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。该产品的主要缺点主要有四条：工作噪音大；可靠性差；调节精度差； 过电压水平高； 功率方向型单相接地选线装置不能继续使用。（2）有载调匝式消弧线圈该装置属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈不能连续调节，只能离散的分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 3 页联的电阻存在爆炸的危险等缺点，另外该装置比较零乱，它由四部分设备组成（接地变压器、消弧线圈、电阻箱、控制柜） ，安装施工比较复杂。（3）晶闸管投切电容式消弧线圈它是基于晶闸管投切电容(ThyristorswitchedCapacitor-TSc)补偿的概念，由带二次绕组的消弧线圈和多组不同容量的 TSC 构成。控制晶闸管的导通角，选择不同容量的电容器组投入，实现消弧线圈等值电抗的变化。响应速度快，实现补偿的时间较短，调节范围宽，可在 10%100%最大补偿电流范围内任意调节，调节的级位一次到位，能够在线实时监测，自动跟踪补偿，动态调谐，无需阻尼电阻，解决了投切电容时的过压和过流问题。装置成套化、无油化，但是由于采用按级调节而非连续调节，因而残流较大，而且成本较高，若接地电流较大，则晶闸管和电容数量需要相应的增多。（4）高短路阻抗变压器式消弧线圈该消弧线圈的原、副边绕组是绕在同一封闭的磁路上的，且磁路中存在气隙，原边接入电网的中性点，副边接反并联晶闸管。当晶闸管均被关断时，副边绕组中没有电流流过，副边相当于开路，只有原边线圈绕组的电感量；当晶闸管导通时，副边绕组两端相当于短接，副边绕组中有电流通过，原边绕组两端等效电感量将会改变。调节晶闸管的触发延迟角可以改变副边在半个工频周期内的导通与关断比例，得到消弧线圈线圈原边绕组两端的等效电感量从最大的电感量到最小的电感量之间的连续变化，但这种消弧线圈存在非线性和谐波含量高等问题。（5）偏磁式消弧线圈 1）消弧线圈结构的特点 电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻，从而改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以毫秒级的速度调节电感值。 2）控制方式的特点 采用动态补偿方式从根本上解决了补偿系统串联谐振过电压与最佳补偿之间相互矛盾的问题。众所周知，消弧线圈在高压电网正常运行时无任何好处，如果这时调谐到全补偿或接近全补偿状态，会出现串联谐振过电压使中性点电压升高，电网中各种正常操作及单相接地以外的各种故障的发生都可能产生危险的过电压。所以电网正常运行时，调节消弧线圈使其跟踪电网电容电流的变化有害无利，这也就是电力部门规定“固定式消弧中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 4 页线圈不能工作在全补偿或接近全补偿状态”的原因。国内同类自动补偿装置均是随动系统，都是在电网尚未发生接地故障前即将消弧线圈调节到全补偿状态等待接地故障的发生，这了避免出现过高的串联谐振过电压而在消弧线圈上串联一阻尼电阻，将稳态谐振过电压限制到容许的范围内，并不能解决暂态谐振过电压的问题，另外由于电阻的功率限制，在出现接地故障后必须迅速的切除，这无疑给电网增加了一个不安全因素。偏磁式消弧线圈不是采用限制串联谐振过电压的方法，而是采用避开谐振点的动态补偿方法，根本不让串联谐振出现，即在电网正常运行时，不施加励磁电流，将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态，但实时检测电网电容电流的大小，当电网发生单相接地后，瞬时（约 20ms）调节消弧线圈实施最佳补偿。（6）磁阀式消弧线圈磁阀式消弧线圈和直流助磁式消弧线圈差不多，只是不需要附加直流电源，而是利用自身线圈上的晶闸管的全波整流得到的，没有机械转动部分，响应时间短，无磨损、低振动、低噪音。不过，电容电流跟踪测量方法受限制，而且电流谐波与线圈饱和度有关。（7）三相五柱式消弧线圈三相五柱式消弧线圈是将“Z”形绕组接地变压器和磁阀式消弧线圈组合为一体的新型消弧线圈。它有五柱铁芯，中间三柱铁芯有 7 个主绕组，星形连接，中性点直接接地，形式上像一个接地变压器。两边柱共有 9 个气隙，它们与中间三柱铁芯形成零序磁通道。另外，中间三柱铁芯还设有一个副边绕组，开口三角形连接。在上述 7 类消弧线圈中，前 2 类装置采用预调式，在电网正常运行情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。在配电网中线路的不对称性等因素下会引起配电网的不对称电压，在配电网正常运行时，处于串联谐振状态的消弧线圈将会放大这个电压，发生不容许的串联谐振过电压。故一般在消弧线圈支路串联或并联阻尼电阻，以保证电网正常运行时中性点位移电压不大于额定相电压的 15%。当发生单相接地故障时，切除电阻是机械动作需要一定时间，故在单相接地故障发生的起始一段时间内不能补偿接地点的电容电流，不能达到快速熄弧的作用。这种方式下，还要考虑电阻投切机械动作的可靠性和电阻功率以及投切开关的耐压，投切次数，开关寿命等一系列问题。后 5 类装置采用随调式，电网正常运行时，消弧线圈工作在远离谐振点的位置；发生单相接地故障时，消弧线圈自动调谐到合理补偿位置。依靠电气手段实现自动调谐，调谐时间短，无需串联或中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 5 页并联阻尼电阻，无机械传动部件，因此结构相对简单。这些装置克服了人工调谐存在的缺点，提高了调谐精度，使接地电弧瞬间熄灭。综观这些消弧线圈装置都是针对补偿单相接地故障电流中的容性无功电流而设计的，不能补偿有功分量。为了进一步减小流经单相接地故障点的残余电流，增强设备对恶劣环境的适应性，研究能同时补偿接地电容电流和接地泄漏电导电流的消弧线圈，具有重要的现实意义。1.3 本论文主要完成的内容上文分析了消弧线圈的各种类型以及它们各自的优缺点，以及消弧线圈的发展概况。本文主要研究的是基于三相五柱式消弧线圈自动跟踪补偿装置测控单元软件部分。本文的工作就是在已有的硬件基础上进行软件设计，该测控单元能够实现消弧线圈电感电流的连续调节，达到实时自动跟踪电网电容电流并进行补偿。能够存储多次测量的结果，并具有人机接口功能键盘和显示，显示采用液晶显示器件，通过键盘操作可以查看测量结果，如电网电流，电压，消弧线圈的补偿状态，修改时间等参数等。本文详细的画出了查看功能模块、记录功能模块、查询功能模块、A/D 转化模块、键盘扫描模块、液晶显示模块和时钟芯片模块等流程图。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 6 页2 自动跟踪补偿消弧线圈自动调谐原理2.1 消弧线圈的补偿原理众所周知，610kV 电网单相接地电流中主要是电容电流，而流过接地点的电流是整个电网的零序电流，在同一零序电压 的作用下，电感电流0U的方向总是和电容电流的方向相反，要减少电网单相接地电流值，就必须在电网上附加一些能够产生零序电流的设备，以抵消电 容电流，如图 2-1所示。图 2-1 消弧线圈补偿原理T三相接地变压器；L 消弧线圈；电网总的零序电流； 消弧线圈并联电阻0I LR当电网发生单相漏电（包括单相直接接地）故障时，在故障点将产生一中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 7 页零序电压 ，在 的作用下，电网每相产生对地的零序电流 零序绝缘0U0 CI0电阻电流 以及消弧线圈的零序电感电流 。由于设计接地变压器时，总RI LI是希望它的零序阻抗尽可能小，所以，可以近似认为，消弧线圈的零序电压就是点我的零序电压 ，总的零序电流 为：00I=3 +3 + + （2.1）IR0CLR= （2.2）0ULjj1在计算零序电压 时，要考虑消弧线圈支路的影响，由于流过电感0的电流是全部零序电感电流，相当于每相对地零序电感值为 3 。同理，L若消弧线圈支路并联有电阻 ,等效于每相对地并联电阻 3 。LRLR为了讨论问题的方便，引入使用消弧线圈时的两个参数：（1） 消弧线圈补偿状态的脱谐度 ，定义为：v（2.3）LCCIvLC 21（2） ，定义为： d电 网 对 地 的 阻 尼 率（2.4）CRILCRL130式中 。3/R电网每相对地的零序阻抗为：（2.5）)(1331jvdCLjRZL 当电网 A 相经电阻 接地时的零序电压 为：E0U中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 8 页(2.6)1)(3jvdCRUZUEAA总的零序电流 为：0I(2.7)1)(3jvdZIEAA通过前面的分析，知 ，即 ， ，称消弧线圈处LCLC0于全偿状态，此时，电网零序阻抗 Z 最大，零序电压 最高，总的零序电U流 ( 即接地电流 )最小， 全部为电阻性电流。 ，即0I EI0I LCI称消弧线圈处于欠补偿状态，总的零序电流 为电容性,1vLC 0的。 ，即 ， 称消弧线圈处于过补偿状态，总的零ILC1v序电流 为电感性的。当电网的小性点经消弧线圈接地时，其接地电流将会大大降低，特别是在消弧线四处于全补偿状态时，接地电流最小，全部为电阻性电流。2.2 消弧线圈的调谐方法电力网中性点经消弧线圈接地称为谐振接地，消弧线圈的自动跟踪调谐是近年来出现的新技术，其目的是使消弧线圈的感性电流能够跟踪补偿电网对地电容电流，使电弧自熄，并防止出现过电压现象。消弧线圈可分为电感连续可调型和不连续可调型两类，前者如调气隙式、直流偏磁式、磁阀式消弧线圈，后者如调匝式、调容式消弧线圈；消弧装置可分为预调式和随调式两类。调谐原理多种多样，每一种调谐方法都具有一定的针对性。目前，已提出的消弧线圈补偿电网对地电容电流检测方法有相位法、极值法、模型法、注入信号法等，以下是各种方法的检测原理。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 9 页2.2.1 相位法图 2-2 中性点经消弧线圈接地电网图 2-2 中的 分别为电网各相对地泄露电导，并认为CBAG，； 为电网各相对地电容。如果0GCBACBA，在电源的中性点便会出现一自然位移电压 ，又称为不对 bdU称电压， 可由下式求得：bdU(2.8)AAbdjU01式中 ；CBA2算子， = ；02je电网自然阻尼率， = 270 ，当v027d00时， 。直接从变电所的电压互感器是取不到 的二次电压的，0 AU,可取到 ，即：ACbc UjU3,(2.15)BCj也就是说，有了 ,就能得到 ， 的相位超前 的相位 ，那么有：BCAU09(2.16)vjdjUBC30即：(2.17)(3)(20vjjvBC超前于 的角度可以表示为：0UBC(2.18)dvarctn当 ， 时， 与 同相位；当 ， 时， 超前于0v00UBC000U；当 ， 时， 滞后于 。进一步讨论式(2.17)并求：BCU中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 12 页(2.19)2vd从式(2.19) 可以看出， 是随着 的增加而单调下降的，并且其变化率的绝对值是随着 的增加而单调下降的。也就是说，当 较大时一定2v v量 的减少，引起 的增加量很小。要利用相位法原理，就必须注意这一v种情况。使用相位法原理还应注意的问题是，在计算 时，假设了 ，CBA实际情况并不见得都是这样。一般是在 A 相上对地并联一小电容 ，使比 两者大但是 ，必然使 不是纯实数从而影CACB, CB响 或 角的大小。同理三相电网对地绝缘电阻不对称也会影响 ,进而 使 或 角变化而难以预测且每个电网的情况都不一样，这就限制了这种方法的应用。要使用相位法原理首光必须处理好这些问题。2.2.2 极值法由式 可知当电网的阻尼率 以及电网自然位移电压 一定jdvUb0 dbdU时， 随 的下降而增大，当 0，也即 时，消弧线圈处于全0 vLC31补偿工作状态， 将达到圾大仪。此时， ，接地电流最小，为纯0 I电阻性电流。因此调节消弧线圈的电感位值，使 达到最大值、即使消弧0U线圈处于最佳补偿状态。然而，进一步讨论一下 = ，并求：0U2dvb(2.20)320)(vb该式说明 随 的变化呈现出单调递减的规律，但是，当 远大于0v v中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 13 页时，式(2 .20)变为 。也就是说，当 较大时， 的变化对ddvU021bdvv的影响较小，同理，当 远小于 时， ，即 较小时，0UdU03bd也很小， 的变化对 的影响也很小。在这种情况下， 必然有dvv0 vU0极大值，求二阶导数，并令其为零，即(2.21)0)(2320dvUdvbd解得= (2.22)2即当 = 时， 的变化对 的影响最大。v2dv0U综合上述，当电感电流的数值远小于电网对地电容电流的数值（ 较大）v，且在全补偿状态附近（ 较小）时, 的下降对 数值升高的影响较小，vv0这是极值法的不足，若要用此法调节，就必须充分认识这一点。2.2.3 模型法电网电容电流由接入的线路总长度而确定，因此可以用合闸线路断路器的多少来计算电容电流。设电网共有 15 条线路，在模型上每一条线路相当于一个电阻，在这一电阻两端并联着与该线路断路器触头一致的触点，若线路接入，电阻被短路。图 2-3 中左边的电阻串 ， ， ， 。1R2315R为电网中线路的模型，与其相应线路的断路器为 ， ， ，QF，右边的电阻串 ， ， ， 为消弧线圈的模型，与其相15QF*1R2*3*5应线路开关为 K ，K ，K ，K 15。线路投入愈多，被短路的电阻愈多，3因此经左边电阻串流到部电阻 R。的电流越大，在其上面的压降即为微分放大器的一个输入信号。微分放大器的另一个输入信号是消弧线圈模拟电阻串底部电阻 Rb 的电压降。若两信号差得多，放大后的电压超过继电器KA 的动作电压就需要调整消弧线圈电感。否则，说明调谐度在允许范围内。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 14 页这种方法的调节精度取决于线路模型及消弧线圈模型的精度。由于电网中某些线路的电容可能改变，即使电容不改变，测定其对地电容也很烦琐，另外系统的电容电流还受到其它电器设备的影响，所以建立线路模型不仅非常困难，而且在某些情况下不可能做得准确。图 2-3 电网模型示意图2.2.4 注入信号法注入信号法通过从消弧线圈上的零序电压互感器注入变频电流信号来测量电容电流，改变注入信号的频率，使消弧线圈 L 与电网对地总电容 C 发生谐振，找到谐振频率 。若以 =50Hz 表示电网电源频率，则：f0f(2.23)20fIIvCL该方法的特点是：可通过测量 计算 ，不需要其它参数，不受线路老0v化等因素的影响。但是，采用该方法时应特别注意：l） 必须处理好注入信号 。与中性点位移电压 之间的矛盾。 既不可过小而导致难以克服inI NUinI给 的测量结果带来的不利影响，也不可过大而引起 异常升高，损NU0f NU中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 15 页害电力设备的绝缘并引起各级接地保护装置误动作。2) 的测量电路中应0f设计有工频信号(50 士 0.5Hz)滤波器，以消除 的干扰。NU综上所述，各种调谐方法均有不足之处，选取其中任何一种方法都不能完全的适用于各种中性点不接地电网，因此必须研究一种既能够不改变国内各种电网的不接地运行方式，又能够可靠限制系统过电压，特别是限制弧光接地过电压的新的保护理论。2.2.5 两点法两点法是利用公式：(2.24)jdvUCgjLCUbbd/10解方程组得到系统对地电容，当公式中的阻尼率 远远小于脱谐度 时，可v以忽略阻尼率，用有效值表示，公式可写成：(2.25)CLvbdbd/10式中，当 时，取“+” ，反之，取“” 。由于消弧线圈的有功损耗电v导 很小，忽略 后， 即为消弧线圈的感抗值。式(2.25)中有两个LgLg0IU未知量 和 C，测量时改变一次消弧线圈的电感值，取得两相相应的bd和 ，分别代入式中就可以解 C，计算中必须注意正负号的取舍。此法0UI忽略了电网阻尼率，在计算消弧线圈感抗时忽略了 ，(2.24)式忽略了分Lg子中的 ，若电网阻尼率较大时消弧线圈损耗等值阻尼较大，或测量时脱Cg谐度过小，都会导致 10%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，计算所得的电容带能留误差将在 20%以上，甚至得到不能接受的错误结果，所以此方法只是用于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧线圈。2.2.7 三点法它也是利用公式(2.24) 解方程组得到系统对地电容，不同的是它考虑中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 16 页了阻尼率用有效值表示。公式可写成：(2.26)2220/1dCLUdvUbb其中的未知量增加到三个，所以需要选取三组相应的 和 ，来解方0I程组求得 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 的误差和(2.24)式忽略了分子中的 ，所造成的误差，显然它Lg Cg在比两点法的理论误差要小，一般在 5%一下，但由于在计算消弧线圈感抗时忽略了 ，所以同样也只适用于中性点不接限压电阻的“随调式”消弧L线圈。2.3 消弧线圈的自动控制方法根据目前在实际应用的自动跟踪补偿消弧线圈测控装置，消弧线圈的电感调节方法可分为五类：自动调节分接头式或可调匝数式(电感不连续可调)；投切电容组式(电感不连续可调)；可调气隙式(电感连续可调)；滋饱和电抗器式(外加直流助磁，电感连续可调)；二次调感式(电感连续可调)。从自动调谐的角度而言，消弧线圈电感应是连续可调的。这五种类型的消弧线圈目前在我国均有产品投入运行，相应的特点介绍如下。2.3.1 调匝法传统的消弧线圈是不能自动调节电感电流的，要改变消弧线圈的电感电流，必须先将消弧线圈退出运行，然后调节其线圈的抽头，即先改变其匝数，再投入运行，也就改变了消弧线圈的电感电流，传统消弧线圈的结构如图2-4 所示。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 17 页图 2-4 传统调节分接头式消弧线圈结构示意图通过交流接触器的触点后可控硅接通某一抽头来调节消弧线圈的匝数，以此来改变电感电流，实现有载调感，这种方法在国内外都有应用。在我国，也有用交流接触器的肋点或可控硅调节消弧线圈的匝数来改变电感电流的消弧线圈装置也有用该方法实现对老式消弧线圈的改造，增加自动跟踪的功能。但这种方法是有级调感精度不高，要想达到高的精度，必然要设置许多抽头，配备较多的开关元件，结构较复杂，达不到最佳补偿效果。2.3.2 调气隙式本法是通过改变消弧线圈磁路的气隙来改变磁阻，从而改变电感电流，实现对电网接地电容电流的自动跟踪补偿。国外早期的自动跟踪消弧线因都是采用此法。我国目前也有这种方法的自动跟踪补偿消弧线圈产品，这种办法的优点是调感的线性度好。气隙的改变是通过电动机来实现的，然而当电网发生接地故障时。消弧线圈便有一电感电流通过。产生磁场，可动铁芯便被磁场吸住，电机也就动不了，所以经常发生电机因过载而被烧毁的事故。另外，出于该调节方法要用到机械传动装置，响应速度慢，可动铁芯振动的噪声大。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 18 页2.3.3 磁饱和电抗器法由于通过调节磁饱和电抗器的控制电流可以改变电感电流即在消弧线圈上增加一组控制励磁绕组，给励磁绕组通以直流激磁电流并调节其大小，这样，利用铁磁材料的非线性，改变直流磁势，即改变铁磁材料的导磁系数，也就改变了消弧线圈的电感值，实现电感电流的连续可调。其结构如图 2-5 所示。这种方法的优点是无机械传动装置，电感可调范围大，响应速度快，特别适用于单相接地电容电流较大、需要频繁调节的场合。缺点是需要附加大容量的直流激磁电源，结构复杂，造价也较高；同时由于消弧线圈工作在非线性段，必然会产生一定的谐波电流。图 2-5 磁饱和电抗器式消弧线圈结构示意图2.3.4 并联电容器法该方法的思路是根据电网单相接地电容电流的变化，改变在消弧线圈两端并联电容器的数值，据此实现对电网电容电流的自动跟踪补偿。基于品闸管的投切电容器式消弧线圈结构示意图如图 2-6 所示，图中只为消弧线圈阻尼电阻，K 为阻尼电阻控制接触器的触点， L1 为消弧线圈一次绕组( 电感)，L 2 为二次绕组 (电感)， 为二次侧调节电容器， 一1C5 1S为调节控制晶闸管。显然，通过多组晶闸管(也可采用交流接触器的触点 )5S的通断可以实现不同并联电容器的组合。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 19 页图 2-6 晶闸管投切电容式消弧线圈结构示意图当二次侧电容器全部断开时，消弧线圈一次绕组感抗最小，可提供的电感电流最大；二次绕组有电容器接入后，根据阻抗折算原理，相当于一次绕组两端并联了相同功率的电容，使消弧线圈电感电流下降。因此，通过调节二次侧电容器的容量即可控制消弧线圈一次绕组的感抗及电感电流的大小。由于电网电容电流的大小不同，补偿精度要求不一样，所以消弧线圈的调节范围和调节精度也不同在选择电容器容量时要根据实际要求进行计算。对于图 2-6 中的 5 组电容器，电容器值可根据二进制组合原理进行配置，即： ： ： ： 1：2 ：4：8：16 (2.27)1C2345C可见 5 组电容器可实现 32 种组合方案，通过控制晶闸管的导通和关断将产生 32 种方即消弧线圈分为 32 档。每档的调节量取决于电容器 ，1C值选得越小，则级差电流小，但相应地消弧线圈的补偿范围也减小。1C若设电容 的容量为 Qcl，二次绕组输出电压为 ，则可得级差电流1 2U为：CI= (2.28)CI21Q该类型消弧线圈的总容量是消弧线圈电感的容量与所有并联电容器的容量之和，可见容量比较大，接地变压器的容量也要增大，占用的设备也较多。但是，如果变电所原来就有老式的消弧线圈，再投入一定的电容器组和对电容器组的投切控制装置，实现对电两单相接地电容电流的自动跟踪补偿功能，该方案还是可行的。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 20 页采用晶闸管投切电容器的消弧线圈控制简单、速度快。但同样不能实现电感的连续调节，特别是当电网单相接地电容电流较大时，精度较低，无法达到最佳补偿。另外，由于需要较多的电容器和附加设备，造价高。2.3.5 二次调感式二次调感式消弧线圈的结构如图 2-7 所示，采用类似星形/ 开口三角接线的接地变压器，其一次侧星形绕组中性点直接接地，二次侧开口三角的两端接人电感 L2，这时就相当于在电网的中性点接入了消弧线圈电感。图中R 为消弧线圈阻尼电阻，K 为阻尼电阻控制接触器的触点， L2 为二次侧电感，S 1、S 2 为调节控制晶闸管。图 2-7 二次调感式消弧线圈结构示意图当电网发生单相接地故障时，电网将产生一零序电压，按照变压器原理，在低压侧( 开口三角侧) 也将产生一个零序电压。通过改变低压侧晶闸管的导通角来控制补偿电感电流实现电感电流的连续可调，使可实现对单相接地电容电流的最佳补偿。与磁饱和电抗器法类似地，这种方法的优点也是无机械传动部分，响应速度快，可靠性高，特别适用于单相接地电容电流需要频繁调节的场合。缺点是当晶问管处于非全导通状态时，也会产生一定的谐波电流。2.4 晶闸管二次调感原理三相五柱式消弧线圈是通过改变低压侧晶闸管的导通角来控制补偿电感电流，从而实现对单相接地电容电流的自动跟踪补偿。这种方法的明显优点是：无机械传动部分、响应速度快、噪声低、可靠性高。当电网发生单相接地故障时，在消弧线圈的原边将有一零序电压 ，0U相应地，在低压侧开口三角形上也将产生一个零序电压 。消弧线圈低压2中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 21 页侧电感回路的等效电路如图 2-8 所示，图中 为电抗器 的等效电阻。2LR2图 2-8 消弧线圈低压侧的等效电路图 2-8 相当于是一由晶闹管控制的交流调压器原理图，所带负载为电感、电阻性的。由于 ，所以回路中的电流 要比电压 滞后约 ，2LR2LI2U09则晶闸管导通控制角 的工作范围是 。0189由于电感的作用，负载电流 在电源电压过零后还要延迟一段时间才2Li能降到零，延迟的时间与回路功率因数角 有关。电流过零品闸管才能关断，所以晶闸管的导通角 不仅与控制角 有关，还与负载功率因数角 有关。为了分析方便，取控制角为 多时 VTl 的导通瞬间作为时间坐标的原点，那么电源表达式为：(2.29)sin(2tUu在 导通期间，即在 =0 到 = 这段时间内，有下列方程：1VTtt(2.30)sin(212tiRdtiL根据初始条件： ，借此方程可得：0)(2Li(2.31)sin(2)sin()( /2212 tL eZUtZUtiti中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 22 页式中 Z负载阻抗， 22)(LRZ回路时间常数，2/负载阻抗角，arctn()L式(2.31 )中的 是电流的稳态分量，它滞后于电压 角； 是以时间常)(1ti )(2ti数 衰减的电流自由分量。由于 ，所以 ，令 22RL09，则：09(2.32)(1ti )sin(2tLU同样地，由于 ，所以时间常数 ,即 ，可22RL2/LR1/te以认为自由分量在晶闸管导通过程中不衰减，由此可得：(2.33)sinsin)( 2/22 UeLUtit为分析方便，把时间坐标起点放在电流过零点，则回路全电流 为：2Li(2.34) ;()sin(i2 );0)(2 tttLUtiL对 进行傅里叶变换，即：2Li(2.35)102 )sinco(nL tbtai式中 为谐波次数。n由于 为奇函数，关于横轴（时间轴）对称，所以没有直流分量，即2Li。同时 的波形是镜像对称的，此类函数的特点是只含奇次0,0na2Li谐波（包括基波） ，不含偶次谐波。根据也上特点，可求得：中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 23 页(2.36) 2sin*2)(sin)(sin2 LUtdtLUban中的基波电流有效值 与 角的关系是：2Li 1.2LI(2.37)1.2LI 2sinsin*1.22 mLI上式中 = ，为基波电流的最大有效值，即 时 的值。m1.2/U01.2LI图 2-9 基波电流有效值随 的变化曲线。由图 2-9 可以看出，随着 的不断增大， 的值越来越小。在1.2LI时，趋近于 0。由于基波电流最大有效值 在设计时已经确定，09 m也即 时的值 为已知。从式(2.37)可知，要求得所需补偿的 所1.2LI 1.2LI对应的 角，直接求解释比较繁琐的，而且若直接由调谐控制器的微机系统实时计算，将需要较长的，占用 CPU 的时间太长，无法保证消弧线圈补偿的实时性要求。为此，可以预先计算出所需的 角，再根据上述分析中求得的电网所需补偿的电感电流，由微机根据所需的角去控制晶闸管的导通。由于直接求解式(2.37) 是较繁琐，实际求解过程中可采用迭代法等数学工具，如牛顿迭代法等求解其值，并且精度也可得到保证。0 1 03 0 5 07 0IL 2 . 19 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0图 2-9 基波电流有效值随 的变化曲线中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 24 页3 自动跟踪补偿消弧线圈测控单元的软件设计目前，在电力系统和煤矿供电系统，许多供电系统已经采用中性点经消弧线圈的接地方式，各种调感方式的消弧线圈装置也大量的出现在装备现场，但是在现场所采用的控制器一般都是 16 位的单片机，运行速度慢，在调谐和对电感量的控制精度程度都存在大量的改进余地。然而，传统的单片机作为控制器的系