高浩 張昊 董超 韓秀艷 劉濤

摘要：隨著配網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)的不斷發(fā)展，目前基于故障指示器的單相接地故障定位多采用外施信號源的方式，因此外施信號對單相接地故障定位的準(zhǔn)確性就變得尤為重要，信號源注入信號的方式、方法以及穩(wěn)定性對單相接地故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響深遠(yuǎn)。本文介紹了一種基于低勵磁阻抗變壓器的雙頻信號源的設(shè)計(jì)，該信號源在注入方式上采用了穩(wěn)態(tài)電壓源的方式，受分支影響較小，且雙頻率信號開出的方式對于線路側(cè)故障指示器的故障定位提供了穩(wěn)定的信號支撐。

Abstract： This paper analyzes the neutral point ungrounded system， the fault location and isolation system based on the dual-frequency injection method to solve the problem of single-phase ground fault location in the current distribution network system; the technology of the dual-frequency injection method in the distribution network The signal acquisition unit and the control unit are installed at the demarcation and sectional switches to realize segment positioning and fault isolation of single-phase ground faults.

關(guān)鍵詞： 信號源， 信號注入，穩(wěn)態(tài)電壓源，單相接地故障定位

Keyword： single-phase ground，fault location and isolation，dual frequency injection technique.

引言：

1. 介紹目前信號源的方式及缺點(diǎn)

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，通過信號源發(fā)生器向母線的非故障相和地間輸入短時的特殊信號，然后檢測故障線中短時的特殊信號，這樣可以選擇故障線，并通過線路干線與分支線上安裝的故障指示器確定故障點(diǎn)。

信號源發(fā)生器產(chǎn)生恒定頻率、恒定功率的信號。目前應(yīng)用的在線注入信號源發(fā)生器可以產(chǎn)生直流高壓信號和交流低壓信號。做為電流源，它們的缺點(diǎn)是易受分布電容的影響，電流會隨著離輸入點(diǎn)距離的增加而變小。另外單頻交流信號判斷故障點(diǎn)算法復(fù)雜，且容易受到易變量及不穩(wěn)定因數(shù)的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確而難以得到正確的結(jié)論。

2. 新型雙頻信號電壓源解決了以上問題，介紹信號源的設(shè)計(jì)

一、 信號源研制的背景及整體思路

市場上幾年前就出現(xiàn)了集接地選相、選線等功能于一體的智能化設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，光選出故障線路已經(jīng)不能滿足人們對供電可靠性越來越高的需求，定位故障點(diǎn)技術(shù)被提上日程。而要定位故障點(diǎn)，外施信號是必然的選擇。接下來所要考慮的是通過什么方式施加信號和施加什么樣的信號。經(jīng)過反復(fù)推敲論證及結(jié)合小電流接地轉(zhuǎn)移裝置的特點(diǎn)，把接地點(diǎn)處串接的低阻抗電抗器改為低勵磁阻抗變壓器，然后在其二次側(cè)注入特征信號，使其經(jīng)過低勵磁阻抗變壓器進(jìn)入電網(wǎng)，再檢測特征信號在故障線路故障點(diǎn)前后的不同，來進(jìn)行故障定位是一個切實(shí)可行的解決方案。

注入的方式有了，注入什么樣的信號也是面臨著選擇，單頻信號簡單但其要計(jì)算阻抗、容抗等，其計(jì)算過程復(fù)雜。雙頻信號注入可采用兩信號的比值來確定故障點(diǎn)，而不一定非要計(jì)算出容抗和阻抗的大小，簡化了計(jì)算且濾除了其它信號對計(jì)算結(jié)果的干擾和影響，而成為更好的選擇。

二、 數(shù)字合成信號源的設(shè)計(jì)與分析

由于低勵磁阻抗變壓器的特點(diǎn)，需要在二次側(cè)注入雙頻的恒定的電流信號，經(jīng)過低勵磁阻抗變壓器后變成雙頻的恒定的電壓信號。且由于低勵磁阻抗變壓器的電抗很小，要在其一次側(cè)達(dá)到一定的電壓值（幾十伏），則要求在二次側(cè)注入的雙頻信號的電流要滿足一定的幅值需求。也即要求雙頻信號注入信號源的輸出電流要達(dá)到100A以上。

三、 功率源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了穩(wěn)定輸出100A以上的雙頻電流，特選用了IGBT做為電流輸出器件。整個功率源的設(shè)計(jì)包括輸入端采用單相交流電，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷餍盘?，在直流信號的輸出端并?lián)直流支撐電容，在直流電容后接H橋逆變電路，在逆變輸出后加平波電抗器和濾波電容。由于輸出的是兩個頻率幅值恒定的電流，算法上要應(yīng)用電流反饋來達(dá)成，所以出口處的CT是必不可少的一個重要組件。

IGBT是功率器件，可以工作在大電流和高頻率開關(guān)的條件下，基于此其散熱非常重要，所以此功率源不但設(shè)計(jì)有符合溫升要求的散熱片，還要設(shè)計(jì)風(fēng)扇來加速空氣流動，增強(qiáng)散熱效率。

四、 仿真分析及軟硬件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)選擇TMS320F28335做為主控芯片（CPU），應(yīng)用CPU內(nèi)部AD進(jìn)行采樣，采用SPWM逆變控制技術(shù)，利用CPU內(nèi)部16位ePWM進(jìn)行輸出控制，輸出頻率和幅值可調(diào)的雙頻信號。

軟件設(shè)計(jì)上用其它ePWM的定時功能觸發(fā)AD采樣，在AD中斷中依據(jù)采樣值實(shí)時計(jì)算輸出波形當(dāng)前電流點(diǎn)值，與預(yù)期的雙頻正弦波電流值進(jìn)行逐點(diǎn)比較，逐點(diǎn)調(diào)整。

三角波載波頻率設(shè)為10kHz，則IGBT開關(guān)頻率為10kHz，采用單極性倍頻，用兩個IGBT組成橋式倍頻開出，開出頻率可達(dá)20kHz。定義AD在三角波的頂?shù)c(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣速率也是20kHz，即采樣中斷間隔時間為50us。

預(yù)期電流值用Asin （mWt）+Bsin（nWt）公式，A為頻率1幅值，B為頻率2幅值。由于硬件設(shè)計(jì)的逆變電路是一個電壓型的逆變電路，要輸出恒定的電流，還要知道負(fù)載的阻抗（參數(shù)設(shè)置），用阻抗與電流的相乘才能得到控制電壓。用此控制電壓與直流電壓的比值乘以載波幅值，就可以做為ePWM控制寄存器值。基于此就達(dá)到一個初略的雙頻電流的輸出控制。由于只有一個反饋量，輸出的波形精度不高，如果要提高輸出精度，要引入更多的反饋控制，比如引入負(fù)載兩端的電壓，及感性負(fù)載的電感量等來做為反饋量，這樣經(jīng)過平波電抗器后，輸出電流的幅值更接近于正弦波。

另外由于IGBT的自身特點(diǎn)，是一種用MOS來控制晶體管的電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞。為此，必須但對IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。保護(hù)分為過流保護(hù)，過壓保護(hù)和過熱保護(hù)。

過流保護(hù)采用瞬時點(diǎn)過流判斷，如果瞬時點(diǎn)電流幅值的絕對值超過保護(hù)電流的最大瞬時值，且連續(xù)10個點(diǎn)達(dá)到0.5ms，則停止逆變，關(guān)閉IGBT開出。

過壓保護(hù)采用瞬時點(diǎn)控制電壓幅值判斷，如果控制電壓值超過設(shè)定電壓值，且連續(xù)30～50個點(diǎn)1ms～3ms，則停止逆變，關(guān)閉IGBT開出。

此處過流和過壓保護(hù)都是采用瞬時點(diǎn)保護(hù)，而非常用的周波計(jì)算保護(hù)，使保護(hù)動作更迅速，能更好的保護(hù)IGBT。

過熱保護(hù)采用IGBT內(nèi)部熱電偶溫度檢測及溫控開關(guān)（80℃）進(jìn)行保護(hù)。

下圖為負(fù)載兩端電壓與輸出電流的波形，頻率1為75Hz，幅值為90A，頻率2為225Hz，幅值為30A，分別接1歐電阻負(fù)載和1mH電抗負(fù)載。

五、結(jié)論

由于能穩(wěn)定、精準(zhǔn)地輸出雙頻信號，與雙頻檢測裝置配合，為故障定位技術(shù)提供了判斷的依據(jù)。雙頻信號注入信號源在小電流系統(tǒng)單相接地故障定位裝置中發(fā)揮了重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱朝霞、徐德鴻，基于DSP單相SPWM逆變電源調(diào)制方式研究及實(shí)現(xiàn).浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005 ，22（2），：149～153

[2]伍家駒、王文婷、李學(xué)勇，等.單相SPWM逆變橋輸出電壓的諧波分析[J] .電力自動化設(shè)備，2008，28（4）：45～49

[3]楊金輝，數(shù)字化PWM逆變系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2010年

[4]趙富強(qiáng)，劉永強(qiáng)，林偉斌，基于DSP的任意波形PWM調(diào)制技術(shù)[J];微計(jì)算機(jī)信息;2007年20期

[5]李旭、謝運(yùn)祥，PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述[J];電源技術(shù)應(yīng)用;2005，8（2）：51～55

[6] 王兆安、黃俊，電力電子變流的技術(shù)（第三版）（M），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

作者簡介：高浩（1990-）男，漢，工程師，從事電力系統(tǒng)研究工作，現(xiàn)就職于云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局