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(lì)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。

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

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(shí)，通過信號源發(fā)生器向母線的非故障相和地間輸入短時(shí)的特殊信號，然后檢測故障線中短時(shí)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(lì)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(lì)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(gè)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(lì)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(lì)磁阻抗變壓器后變成雙頻的恒定的電壓信號。且由于低勵(lì)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)功能觸發(fā)AD采樣，在AD中斷中依據(jù)采樣值實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)初略的雙頻電流的輸出控制。由于只有一個(gè)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(shí)點(diǎn)過流判斷，如果瞬時(shí)點(diǎn)電流幅值的絕對值超過保護(hù)電流的最大瞬時(shí)值，且連續(xù)10個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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。

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作者簡介：高浩（1990-）男，漢，，工程師，從事電力系統(tǒng)研究工作

供職單位：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局