李宗禮 劉伯穎* 王明輝 劉博豪 高建森

（1.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130 2.北京中聯(lián)奧意工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司廊坊分公司 廊坊 065000）

1 引言

消弧線圈主要應(yīng)用在電容電流較大的 10kV或35kV中性點(diǎn)非有效接地的電網(wǎng)中。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相金屬接地故障時(shí)，消弧線圈可減小接地電流、避免引發(fā)兩相或者三相短路故障[1]并且能夠減小弧隙電壓的恢復(fù)速度，防止電弧的重燃，有效地避免對(duì)鄰近通信電路和信號(hào)系統(tǒng)的干擾。目前，一些消弧線圈為手動(dòng)調(diào)匝式，線圈電感值不能隨電網(wǎng)電容電流的變化同步改變，同時(shí)因缺乏在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電容電流的設(shè)備，調(diào)試人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷和調(diào)節(jié)消弧線圈[2]。另外，電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，季節(jié)、天氣等因素的變化會(huì)引起電網(wǎng)電容電流的改變，故應(yīng)及時(shí)、靈活地調(diào)節(jié)消弧線圈以減小接地殘流[3]。

本文采用向電力網(wǎng)絡(luò)注入掃頻信號(hào)的方法，首先測(cè)出諧振接地電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱電網(wǎng)）的諧振頻率，進(jìn)而計(jì)算得到電網(wǎng)對(duì)地電容和失諧度，并結(jié)合微機(jī)控制技術(shù)完成電網(wǎng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)優(yōu)化的微機(jī)控制技術(shù)，有效的抗干擾電路及兩級(jí)可調(diào)消弧線圈的設(shè)計(jì)，提高了該系統(tǒng)的測(cè)量精度和調(diào)諧速度。

2 外加掃頻信號(hào)法的失諧度測(cè)量

2.1 失諧度對(duì)電網(wǎng)的影響

失諧度ν為接地殘流Iδ中的無(wú)功分量與電網(wǎng)對(duì)地電容電流的比值，其表達(dá)式為

式中， IC為電網(wǎng)對(duì)地電容電流， IL為消弧線圈補(bǔ)償電流。

失諧度ν的正負(fù)、大小表示消弧線圈的不同工作狀態(tài)及其偏離諧振點(diǎn)的程度[4]。消弧線圈的調(diào)諧，要求既要使ν較小從而有利于減小殘流、熄滅電弧，又要使ν保持在一定范圍內(nèi)從而降低電網(wǎng)中性點(diǎn)偏移電壓，使其不超過(guò)相電壓的15%，并避免工頻諧振過(guò)電壓[5]的產(chǎn)生。文中設(shè)計(jì)的兩級(jí)可調(diào)消弧線圈結(jié)合微機(jī)控制技術(shù)能夠較精確地調(diào)節(jié)失諧度，使消弧線圈工作在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

2.2 失諧度測(cè)試系統(tǒng)的原理

一般消弧線圈都在設(shè)備內(nèi)置有電壓互感器PT[6]，設(shè)其高、低壓側(cè)繞組匝數(shù)分別為 n1、 n2，則繞組匝數(shù)比k = n1n2。本文設(shè)計(jì)的失諧度測(cè)量裝置安裝在 PT低壓側(cè)，并由低壓側(cè)向高壓側(cè)注入測(cè)試信號(hào)，電網(wǎng)失諧度測(cè)試系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)失諧度測(cè)試系統(tǒng)電路圖Fig.1 The circuit of test system about Turning-off Degree

圖1中，L、g為消弧線圈電感值及有功損耗等效電導(dǎo)；C1、C2、C3為線路對(duì)地等效電容；R1、R2、R3為線路對(duì)地等效電阻。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，帶恒流源負(fù)載電壓互感器 T型等值電路如圖2所示。圖中，IS為微機(jī)系統(tǒng)和直流電源電路配合發(fā)出的掃頻方波信號(hào)，Rq為取樣電阻。

圖2 帶恒流源負(fù)載電壓互感器T型等值電路Fig.2 The equivalent T -type circuit of transformer with current source load

由圖2可建立互感器一次側(cè)電壓方程，為

式中，β為電流系數(shù)，表示電壓互感器低壓側(cè)掃頻測(cè)試系統(tǒng)外加恒流源的電流變化參數(shù)。

根據(jù)式（2）、式（3），整理得如下方程式

由于激磁電阻rm遠(yuǎn)小于電抗ωLm，故上式可簡(jiǎn)化為

由式（5）整理得高壓側(cè)等效阻抗為

根據(jù)式（6），其高壓側(cè)等效電抗為

依據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)變換，其方波信號(hào) IS可分解為式中，λ為奇數(shù)；A為外加信號(hào)源幅值大小。

外加掃頻信號(hào)是奇次諧波分量的疊加，依據(jù)式（7）可知，其各次諧波電流及所加恒流源電流大小將影響電流系數(shù)β，進(jìn)而改變電壓互感器高壓側(cè)等效阻抗的大小。

外加掃頻信號(hào)源需要在保證較高測(cè)量精度的前提下，盡可能減小對(duì)配電網(wǎng)的影響[7]，同時(shí)也不要受電網(wǎng)所干擾，本文方法滿足要求；另外，外加信號(hào)從消弧線圈（可視為一個(gè)電壓互感器）低壓側(cè)注入，操作簡(jiǎn)單、安全，并且滿足受電力線路故障距離和接地阻抗影響較小[8]的要求。以35kV配電系統(tǒng)為例，設(shè)消弧線圈的高低壓側(cè)繞組匝數(shù)比k為50，線路阻抗 z1為 20?，接地阻抗 z2為 500?，z1與 z2折合到消弧線圈低壓側(cè)的等效阻抗也僅為0.208?，相對(duì)恒流源無(wú)限大內(nèi)阻，對(duì)其影響較小。由式（7）可知，低壓側(cè)外加電流的大小將影響高壓側(cè)等效電抗，同時(shí)基于外加信號(hào)源注入調(diào)節(jié)方便、功耗小等原則，為保證測(cè)試點(diǎn)能夠靈活地探測(cè)信號(hào)電流，電流大小設(shè)計(jì)為1～5A較為合理。本文方法選取電流大小為2A，其折算到配電網(wǎng)高壓側(cè)電流為毫安級(jí)，不會(huì)影響配電網(wǎng)工作。

外加掃頻法失諧度測(cè)試系統(tǒng)等值電路如圖3所示，圖中 L11′、C、R分別為電壓互感器高壓側(cè)工作繞組電感，三相導(dǎo)線對(duì)地等效電容，三相導(dǎo)線對(duì)地電阻及消弧線圈有功損耗等效電阻總電阻大小。依據(jù)電壓互感器高低壓側(cè)電壓與電流關(guān)系，可推得式（9）～式（13）。

圖3 外加掃頻法失諧度測(cè)試電路Fig.3 The circuit of Turning-off Degree based on the method of sweep frequency

同時(shí)有

由式（10）～式（12）可知，其高壓側(cè)相應(yīng)參數(shù)歸算到低壓側(cè)分別為

外加恒流源信號(hào)由電壓源 Us與限流電阻 Rp獲得，并從電壓互感器低壓側(cè)注入，同時(shí)對(duì)圖3中2、2′右側(cè)進(jìn)行頻率掃描，對(duì)比取樣電阻 Rq和2、2′右側(cè)電壓 URq、 U22′相位。系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，由于2、2′右側(cè)呈純阻性，當(dāng)兩采樣電壓相位差為零時(shí)，此頻率即為電網(wǎng)的諧振頻率 f0。則有

依據(jù)外加掃頻信號(hào)法測(cè)得電網(wǎng)諧振頻率，再由式（1）可得失諧度計(jì)算公式，如下

式（14）、式（15）中，U為系統(tǒng)相電壓；L為消弧線圈電感；ω為系統(tǒng)角頻率；ω0為電網(wǎng)角頻率；f0為電網(wǎng)諧振頻率；f為三相電源頻率。

2.3 掃頻法失諧度測(cè)量硬件裝置

基于掃頻法的失諧度測(cè)量硬件裝置[9]包括掃頻信號(hào)電源電路和電壓信號(hào)讀取電路。電源電路如圖4所示，方波信號(hào)的獲取采用半橋逆變電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用器件少，電路容易實(shí)現(xiàn)。工頻電壓經(jīng)整流濾波后，得到直流電壓。圖4中兩個(gè)IGBT的通斷均由單片機(jī)Philips P89C52X2FN的P1.0和P1.1端口控制，兩個(gè)IGBT交替通斷。通過(guò)控制兩個(gè)IGBT的通斷時(shí)間，即可得到波形頻率由單片機(jī)控制的方波信號(hào)。

電壓信號(hào)讀取電路如圖5所示，方波信號(hào)經(jīng)限流電阻 R4和取樣電阻 R5后，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行頻率[10]掃描。采樣電壓經(jīng)過(guò)零比較器、有源濾波器、光耦隔離和施密特整形得到較為理想方波信號(hào)，送入微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相位比較。其信號(hào)源頻率從 30Hz開(kāi)始以0.1Hz的步進(jìn)值遞增掃描至兩采樣信號(hào)相位相同結(jié)束。此時(shí)所得頻率即為電網(wǎng)的諧振頻率，并由式（14）和式（15）計(jì)算電網(wǎng)電容及失諧度。

圖5 電壓讀取電路Fig.5 The circuit of acquired voltage

3 新型消弧線圈

3.1 消弧線圈常用調(diào)諧方式

目前，國(guó)內(nèi)使用的消弧線圈調(diào)諧方式主要為預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式[11]兩種。

預(yù)調(diào)式：發(fā)生故障前，在消弧線圈上串入補(bǔ)償電阻，增大電網(wǎng)阻尼率減小諧振過(guò)電壓，其工作在諧振點(diǎn)附近，響應(yīng)速度快，中性點(diǎn)電位高；發(fā)生單相接地故障時(shí)，再短接補(bǔ)償電阻，進(jìn)而使消弧線圈工作在最佳補(bǔ)償狀態(tài)。但電弧的熄滅受到補(bǔ)償電阻切除快慢的影響，不能使消弧線圈精準(zhǔn)調(diào)節(jié)到全補(bǔ)償狀態(tài)，控制殘流的大小。

隨調(diào)式：消弧線圈工作點(diǎn)遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，中性點(diǎn)電位低。故障發(fā)生后能夠迅速調(diào)整到諧振點(diǎn)，不需要外加補(bǔ)償電阻，但其故障發(fā)生時(shí)故障點(diǎn)殘流較大。

3.2 兩級(jí)可調(diào)消弧線圈

根據(jù)消弧線圈調(diào)諧和電感量調(diào)節(jié)方式[12]的特點(diǎn)，在消弧線圈的結(jié)構(gòu)上采用新的模式，結(jié)合預(yù)調(diào)式消弧線圈和隨調(diào)式消弧線圈的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種兩級(jí)可調(diào)消弧線圈，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)節(jié)和微調(diào)節(jié)的并聯(lián)結(jié)合，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 兩級(jí)可調(diào)消弧線圈Fig.6 The two levels of adjustable arc suppression coil

圖6中，兩級(jí)可調(diào)消弧線圈包括電感調(diào)節(jié)裝置和控制裝置。其中，粗調(diào)線圈一端接電網(wǎng)中性點(diǎn)，另一端接地，并設(shè)計(jì)有上下滑動(dòng)觸頭。微調(diào)線圈一端通過(guò)電子開(kāi)關(guān)與粗調(diào)線圈上滑動(dòng)觸頭連接，另一端接地且設(shè)有微調(diào)滑動(dòng)觸頭，實(shí)現(xiàn)粗、微調(diào)線圈的并聯(lián)?？刂蒲b置由微機(jī)系統(tǒng)和電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)，調(diào)節(jié)粗調(diào)線圈下滑動(dòng)觸頭，使其工作在失諧度為10%的過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，此時(shí)微調(diào)線圈被短接。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，微調(diào)線圈接入并配合粗調(diào)線圈的上滑動(dòng)觸頭，使線圈工作在全補(bǔ)償狀態(tài)，從而有效熄弧。

兩級(jí)可調(diào)消弧線圈具有粗調(diào)時(shí)容量大，無(wú)諧波干擾；微調(diào)時(shí)速度快、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)，較好地彌補(bǔ)上述兩種調(diào)諧方式的不足。

4 兩級(jí)可調(diào)消弧線圈控制策略及實(shí)現(xiàn)

兩級(jí)可調(diào)消弧線圈主控流程圖見(jiàn)圖7。當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓達(dá)到或超過(guò)電源相電壓的70%時(shí)，認(rèn)為發(fā)生單相接地故障。該系統(tǒng)首先判斷電網(wǎng)是否正常工作，在其正常運(yùn)行狀態(tài)下注入掃頻信號(hào)，獲得諧振頻率 f0，進(jìn)一步計(jì)算得到失諧度；調(diào)節(jié)粗調(diào)線圈下滑動(dòng)觸頭，使其工作在失諧度為10%的過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。故障發(fā)生時(shí)，首先，失諧度掃頻測(cè)試系統(tǒng)被鎖定，粗調(diào)線圈上滑動(dòng)觸頭接入同時(shí)電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)；然后，調(diào)節(jié)微調(diào)線圈滑動(dòng)觸頭，達(dá)到全補(bǔ)償狀態(tài)，以減小殘流，消滅電弧。中性點(diǎn)偏移電壓若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未達(dá)到要求，啟動(dòng)故障選線流程，選出故障線路，驅(qū)動(dòng)繼電保護(hù)裝置，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。兩級(jí)可調(diào)消弧線圈因取消了阻尼電阻，正常運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)諧振過(guò)電壓，諧振處理模塊能夠有效抑制諧振過(guò)電壓，避免消弧線圈的誤動(dòng)作。若電弧熄滅，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)解鎖失諧度掃頻模塊，同時(shí)退出微調(diào)線圈，重新計(jì)算電網(wǎng)失諧度并調(diào)節(jié)粗調(diào)線圈，使電網(wǎng)運(yùn)行于失諧度為10%的過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。

圖7 兩級(jí)可調(diào)消弧線圈主控流程圖Fig.7 The master flowchart of arc suppression coil

5 結(jié)論

針對(duì)所研究的諧振接地電網(wǎng)，采用外加掃頻信號(hào)測(cè)試電網(wǎng)諧振頻率，進(jìn)而計(jì)算電網(wǎng)對(duì)地電容及失諧度的方法，不需要其它參數(shù)，具有較高測(cè)量精度。所研究的兩級(jí)可調(diào)消弧線圈結(jié)合微機(jī)控制系統(tǒng)，給出諧振接地電網(wǎng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)控制策略，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試其失諧度，并在線調(diào)節(jié)消弧線圈電感大小。該系統(tǒng)在解決諧振電網(wǎng)單相接地故障上表現(xiàn)突出，具有調(diào)諧速度快，跟蹤性能良好，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

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