摘要本文根據(jù)偏磁式消弧線圈的工作原理和調(diào)節(jié)特性，開發(fā)出基于微處理器的偏磁式消弧線圈的自動跟蹤動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)。實現(xiàn)了電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下的電容電流自動跟蹤檢測，故障運行狀態(tài)下的動態(tài)補(bǔ)償。 關(guān)鍵詞偏磁式消弧線圈 電容電流 自動跟蹤 動態(tài)補(bǔ)償 　　 1引言 　　中性點不接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，接地電容電流的大小等于正常運行時一相對地充電電流的3倍，并且接地電流和接地相正常時的相電壓相差90°，當(dāng)接地電流過零時，加在弧隙兩端的電源電壓為最大值，因此故障點的電弧不易熄滅。當(dāng)接地電容電流較大時，容易形成間歇性的弧光接地或電弧穩(wěn)定接地。間歇性的弧光接地能導(dǎo)致危險的過電壓；穩(wěn)定性的弧光接地能發(fā)展成多相短路［1］。 　　如果從接地方式的角度來考慮限制電容電流，中性點經(jīng)消弧線圈接地就是唯一的選擇［2］。偏磁式消弧線圈是一種可連續(xù)調(diào)節(jié)電感的消弧線圈，它的內(nèi)部為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無運動部件，工作可靠性高，其響應(yīng)速度快，并且可以在消弧線圈承受高壓時調(diào)節(jié)電感值，因此是一種很有發(fā)展前途的消弧線圈。 　　偏磁式消弧線圈的工作原理是通過改變附加的直流勵磁磁化鐵心的磁導(dǎo)率，實現(xiàn)電感量連續(xù)變化。由于消弧線圈的伏安特性在高壓段和低壓段都是線性的，無論是在電網(wǎng)發(fā)生故障時，消弧線圈兩端承受高壓，還是在電網(wǎng)正常運行時，消弧線圈兩端承受低壓，偏磁式消弧線圈的電感值均唯一的由勵磁繞組中的勵磁電流決定，我們只要精確地提供勵磁繞組中的勵磁電流就可以準(zhǔn)確地調(diào)整消弧線圈的電感［3］。 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能 　　2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　偏磁式消弧線圈自動跟蹤動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)由接地變壓器、偏磁式消弧線圈、勵磁電源系統(tǒng)和基于微處理器的全數(shù)字化控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。接地變壓器接入電力網(wǎng)母線，引出人造中性點N，在中性點N和地之間接入偏磁式消弧線圈，偏磁式消弧線圈的勵磁繞組由勵磁電源系統(tǒng)提供勵磁電流，勵磁電流的大小由全數(shù)字化控制器決定。全數(shù)字化控制器由單片機(jī)最小系統(tǒng)、同步電路、脈沖放大與輸出電路和信號調(diào)理電路構(gòu)成，實現(xiàn)了數(shù)字觸發(fā)和基于電流閉環(huán)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)由Intel公司MCS－96系列的80C196KC單片機(jī)［4］和WSI公司的PSD913F2現(xiàn)場可編程單片機(jī)外圍芯片［5］構(gòu)成。 　　 2．2系統(tǒng)功能 　　電壓互感器的一次側(cè)加在偏磁式消弧線圈的兩端，二次側(cè)電壓ao經(jīng)過隔離變壓器后，經(jīng)信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和光電隔離后，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)通過調(diào)節(jié)消弧線圈的勵磁繞組中的控制電流，采樣中性點位移電壓實現(xiàn)電容電流的檢測，并將檢測到的數(shù)值利用偏磁式消弧線圈高壓調(diào)節(jié)特性曲線轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)一旦發(fā)生單相接地后，控制繞組需要施加的控制電流數(shù)值，從而確定可控硅的導(dǎo)通角。用鍵盤設(shè)定跟蹤靈敏度，顯示器顯示電容電流數(shù)值及運行狀態(tài)。單片機(jī)按照設(shè)定的電容電流檢測靈敏度，采樣中性點位移電壓值，依據(jù)其變化量決定是否重新檢測電容電流，通過串行通訊向上位機(jī)傳送消弧線圈正常運行狀態(tài)信息；讀取鍵盤信息及處理常規(guī)管理工作，等待接地故障發(fā)生。 　　當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，中性點位移電壓升高，中斷信號產(chǎn)生電路發(fā)出中斷信號，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序，打開脈沖放大與輸出電路中的邏輯閉鎖，勵磁電流在要求的時間內(nèi)上升到所需數(shù)值，消弧線圈實施全補(bǔ)償，同時發(fā)出報警信號，并通過串行通訊向上位機(jī)傳送接地狀態(tài)信息；單片機(jī)對中斷信號進(jìn)行全面判斷，經(jīng)多次比較和延時處理后，在確定故障完全消失的情況下退出勵磁，返回到原狀態(tài)，如果全補(bǔ)償超過一定時間后，適當(dāng)調(diào)節(jié)勵磁，判斷接地故障是否消失。 3電容電流的自動跟蹤檢測及動態(tài)補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn) 　　3．1電容電流的檢測 　　通過增加勵磁電流，使中性點位移電壓U0達(dá)到最大值，然后根據(jù)此值判斷電力網(wǎng)的不平衡度，對平衡性很好的電網(wǎng)采用方法1來檢測電容電流，對不平衡度較大的電網(wǎng)采用方法2檢測電容電流。電容電流檢測過程中，偏磁式消弧線圈電抗值按照低壓調(diào)節(jié)特性曲線確定。 　　方法1［6］：對于對平衡性很好的電網(wǎng)，無論造成中性點電壓位移的主要原因是什么，我們總可以通過連續(xù)的調(diào)節(jié)消弧線圈電感量，使中性點電壓達(dá)到最大值，此時消弧線圈的感抗就等于電網(wǎng)的對地總?cè)菘?。而偏磁式消弧線圈低壓段的伏安特性是線性的，電感值由控制電流唯一確定，而控制電流是與給定電壓線性對應(yīng)的。利用微處理器可以很容易地確定電網(wǎng)對地總?cè)菘梗麄€過程中檢測量只有一個，即中性點位移電壓幅值。 　　方法2［2］：對于不平衡度較大的電網(wǎng)，因為IC＝1／（D2－D3B4），其中D2、D3和B4可由U2／U1、U2／U3、U3／U1、U3／U2這四組數(shù)據(jù)求出，所以通過該式可計算出電網(wǎng)單相接地電容電流。因為電感電流I1、I2、I3可以根據(jù)偏磁式消弧線圈低壓調(diào)節(jié)特性由勵磁電流精確給定，所以只要檢測在不同控制電流下中性點位移電壓幅值U1、U2、U3，就可以計算出電網(wǎng)單相接地電容電流。 　　上述兩種電容電流檢測方法中，檢測量只有一個，即中性點位移電壓幅值。方法1只需要比較隨著消弧線圈控制電流的改變，中性點位移電壓幅值大小變化的情況；方法2只需要知道中性點位移電壓變化前后的比值U2／U1、U2／U3、U3／U1、U3／U2，因此，并不需要精確的檢測中性點位移電壓的大小，這就使得測量精度比較容易實現(xiàn)。電容電流的檢測精度主要取決于偏磁式消弧線圈低壓調(diào)節(jié)特性曲線的測量精度，而低壓調(diào)節(jié)特性的精確測量是非常容易做到的。另外，上述兩種方法的實現(xiàn)，硬件上是完全一樣的，只需要給微處理器分別編程，按照不同的中性點位移電壓自動轉(zhuǎn)換兩種方法，即可實現(xiàn)不同電網(wǎng)電容電流的精確測量。 　　3．2電容電流的自動跟蹤 　　經(jīng)分析，電容電流IC減小ΔI同電感電流IL增加ΔI造成的中性點位移電壓的變化量是相等的。同理，IC增加ΔI同IL減小ΔI造成的中性點位移電壓的變化量是相等的。IL的變化量取決于消弧線圈電感的變化，它是可以控制的，所以，我們可以讓IL分別正向、負(fù)向變化ΔI值，檢測由此造成的中性點位移電壓的變化量ΔUL＋、ΔUL－，那么維持IL原值不變，當(dāng)電網(wǎng)電容電流發(fā)生變化時，先根據(jù)中性點電壓的升降情況判斷電容電流的變化方向，如果UN增大，說明是負(fù)向變化，如果UN減小，說明是正向變化。然后判斷其變化量ΔUC是否大于ΔUL，如果ΔUC＞ΔUL，說明電容電流的變化超過了ΔI，需要重新檢測電容電流值，否則，維持原值不變。所以，ΔI即為設(shè)定的電容電流跟蹤檢測靈敏度。 　　3．3電容電流的動態(tài)補(bǔ)償 　　電網(wǎng)正常運行時，將檢測到的電容電流值按照高壓調(diào)節(jié)特性轉(zhuǎn)換成全補(bǔ)償時所需的勵磁電流。一旦電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，中性點電壓升高，單片機(jī)執(zhí)行中斷處理程序。打開脈沖放大與輸出通道，勵磁電流在20ms以內(nèi)上升到所需數(shù)值，偏磁式消弧線圈產(chǎn)生電感電流對單相接地電容電流進(jìn)行全常狀態(tài)，確保接地故障已經(jīng)消失后，關(guān)閉脈沖放大與輸出通道，退出中斷處理程序，返回主程序。 4 運行實驗 　　4．1控制電流的響應(yīng)曲線 　　在發(fā)生單相接地的瞬間，用記憶示波器拍攝的控制電流的響應(yīng)曲線如圖2所示。由控制電流的響應(yīng)曲線可以看出，在接地瞬間，控制電流從零上升到調(diào)諧所需的勵磁電流，時間小于20ms?！　　　? 　　4．2接地殘流的波形 　　當(dāng)發(fā)生單相接地后，用示波器觀察殘流波形，如圖3所示。由接地殘流的實拍波形可以看出，當(dāng)發(fā)生單相接地后，接地殘流主要是高次諧波，以三次和五次諧波為主。說明偏磁式消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)在發(fā)生單相接地后，電網(wǎng)中的容性電流被消弧線圈產(chǎn)生的感性電流所完全補(bǔ)償。 5 結(jié)束語 　　該裝置實現(xiàn)了電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下的電容電流自動跟蹤檢測，故障運行狀態(tài)下的動態(tài)補(bǔ)償，故障消失后的自恢復(fù)。該裝置采用80C196KC單片機(jī)和WSI公司的PSD913F2現(xiàn)場可編程單片機(jī)外圍芯片作為最小系統(tǒng)，實現(xiàn)了偏磁式消弧線圈的全數(shù)字化控制，消除了模擬控制系統(tǒng)固有的缺點?，F(xiàn)場運行充分證實了該裝置運行可靠、測量精度高，響應(yīng)速度快，補(bǔ)償效果好，并實現(xiàn)了消弧線圈在承受高壓時調(diào)節(jié)電感值，因此使電網(wǎng)運行狀況得到很大的改善，有效地治理了電容電流的危害，增加了電網(wǎng)運行的可靠性。 6參考文獻(xiàn) 　　1GriffelD，etal．ANewdealforsafetyandqualityonMVnetworks［J］．IEEETransonPowerDelivery，1997，12（4）：1428－1433 　　2NewbouldA．，etal．ImprovingUKpowerqualitywitharcsuppressioncoils．IEESeventhInternationalConfer－enceonDevelopmentsinPowerSystemProtection，2001：487～490 　　3王鴻雁．偏磁式消弧線圈的全數(shù)字化控制系統(tǒng)：［學(xué)位論文］．北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2001． 　　4孫涵芳．Intel16位單片機(jī)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995． 　　5PSD9××F系列數(shù)據(jù)手冊及應(yīng)用筆記．武漢力源電子股份有限公司，2000． 　　6蔡旭．自動跟蹤電容電流動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的研究．電力系統(tǒng)自動化，1995，19（8）：57～61