1陈 刚　　2蔡 旭　　1江道灼 

（1浙江大学电气工程学院　杭州　310027） 

（2上海交通大学电子信息与电气工程学院　上海　200030） 

    摘  要　偏磁式消弧线圈的现有调谐方法，在电网极度平衡地区，电容电流检测精度受到。本文提出采用注入法的偏磁式消弧线圈的新型调谐方法，并进行系统设计，研发出基于双机通讯式的采用注入法的偏磁式消弧线圈控制器样机。试验结果表明，新型原理正确，满足现场应用要求。

    关键词　偏磁　消弧线圈　注入法　双机通讯

1　引言

　　偏磁式消弧线圈的工作原理是通过改变附加的直流励磁磁化铁心的磁导率，实现电感量连续变化［1］。如图1所示，通过改变励磁绕组中的直流电流，使直流励磁磁化铁心的磁导率发生改变，从而实现工作绕组的电感L的调节。偏磁式消弧线圈是一种可连续调节电感的消弧线圈，它的内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高，其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。

　　文献［1］的研究结果表明，偏磁式消弧线圈的励磁绕组中不仅含有励磁电源提供的直流励磁电流，而且还含有由交流侧感应出的直流电流分量及一系列偶次谐波电流分量。在交流工作绕组中，不仅含有基波电流，而且还含有一系列奇次谐波电流。励磁绕组中的感应电流分量对控制系统有较大影响，交流工作绕组中的谐波电流直接影响到补偿效果。

　　经过多年的研究，文献［1］提出的新型偏磁式消弧线圈，通过消弧线圈本身结构上的变化，使得励磁绕组中的感应电流分量在性质上变为电压源型，在数值上大大减小；交流绕组中的谐波电流大大减小［1］，谐波电流最大时小于4％。对这种新型偏磁式消弧线圈控制的基础是它的高低压调节特性。（注：后文所提及的消弧线圈都是以新型偏磁式消弧线圈为研究对象）

　　针对偏磁式消弧线圈可连续且可精确调节电感的特点，在高度平衡的电网中电容电流地检测采取类似于谐振法的原理。有一定不平衡电网中电容电流地检测，采取三点法，即利用三点电压值确定电网阻尼率及单相接地电容电流，具体可参见相关文献［1］［6］。

　　新型偏磁式消弧线圈按照上述原理进行自动调谐，在现场有一定的运行经验，但是在一些电网极度平衡地区，电容电流检测精度受到。例如在山西某变电站（后来数据分析知该地区电网接近极度平衡）在暴雨天气中发生了单相接地故障，但是消弧补偿装置并没有检测到故障，因而不能得到及时补偿，引起大片地区停电，影响安全生产。所以有必要寻求一种更加完善的检测方法。

　　新型偏磁式消弧线圈的控制特性以其自身的高低压调节特性为基础。图2研究偏磁式消弧线圈的高低压调节特性。

　　在新型偏磁式消弧线圈低压状态下（对应于电网正常运行），进行电容电流的检测。由图2偏磁式消弧线圈的实测低压调节特性曲线看出，开始段的斜率太大，随着控制绕组（励磁绕组）电流Ik0微小变化，工作绕组电流变化很快，即电感电流分辨率低。所以利用类似谐振法检测电容电流的检测精度受到。

　　解决这个问题有两种可能的方案，一种可能的方案是提高控制电流的分辨率，来提高励磁的精确度。目前国内有些厂家在做这方面的尝试。但是这对电源的要求很高，对当前水平来说，设计制造比较复杂困难，并且没有很好的经济性。另一种方案是采用新的检测原理，注入法可以使消弧线圈在电感电流下限位置（即对应于消弧线圈的电感上限值），通过注入信号，检测电容电流。

2　新型控制方法

　　为了使系统具有很强的灵活性，我们继续保存了原有的全数字化励磁系统［11］（本文称之为主机系统），设计了的变频恒流信号源（本文称之为从机系统）。从机系统用来检测电网脱谐度、电容电流，利用单片机（从机）的串行口与原励磁系统（主机）通讯配合，这样整个系统构成为双CPU工作模式，称为双机系统。双机系统的控制原理示意图如图3所示，信号由消弧线圈副边注入。

　　在电网正常运行时，从机系统利用注入法检测电网电容电流，并且与主机系统进行通讯，主机系统将利用检测到的数值及偏磁式消弧线圈高压调节特性转换成电网一旦发生单相接地后控制绕组需要施加的控制电流数值，从而确定可控硅的导通角。电网正常运行时，控制绕组电流维持一很小值或为零（维持一很小值可以提高动态响应速度），消弧线圈远离谐振点，且处于欠补偿状态。当从机系统检测到电网单相接地后，施加励磁电流，实现全补偿。接地消除后，回到原有状态［1］。这样通过双机系统的配合，来实现注入法控制偏磁式消弧线圈。

2．1　注入信号法测量电容电流原理［2］

　　注入信号法的电容电流测量是在系统正常运行时进行的，此时中性点位移电压较低，此时偏磁式消弧线圈运行在电流下限位置，即对应于消弧线圈最大电感值位置。采用从偏磁式消弧线圈上的零序电压互感器低压侧（可以是消弧线圈的二次绕组）注入变频电流信号，测量系统电容电流，接线示意图如图4所示（图中采用从消弧线圈二次绕组注入信号）。对应等值电路如图5所示。 

其中，消弧线圈电抗远大于消弧线圈原边漏抗和消弧线圈副边漏抗，即

忽略X1，X2，注入信号等值回路中消弧线圈感抗（XL）与三相电容（因三相对称，故CA、CB、CC等效为3C）并联。简化图如图6所示。通过改变注入信号的频率，使电感和电容发生并联谐振，找到系统的谐振频率f0，图6也是一个典型的并联谐振电

    式中：ω为系统角频率；U为系统相电压。

式中，f为系统频率（50 Hz）。

　　由上式可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度，该方法测量简单。一个系统中应用的偏磁式消弧线圈的电感电流下限IL是已知的（对应于消弧线圈的电感上限值），由偏磁式消弧线圈出厂时的参数表提供，则电容电流为：

　　系统正常运行时，测量系统谐振频率f0，计算电容电流。从测量过程中，无需调节消弧线圈。

2．2　谐振频率的确定

    如图7的等效电路所示，三相等效电容与消弧线圈感抗并联的总阻抗设为Z1，则由并联电路得

    设Z1与泄漏电阻R并联的等值阻抗为Z2，同理有

由方程式（4）知，当Z1递增时，Z2也随之增大。当注入信号使系统谐振时，由方程式（3）知，Z1值在理论上有最大值为无穷大，即Z1→∞。所以可总结为系统谐振时，系统等效阻抗Z2有最大值，在如图7的系统中，系统等效阻抗Z2上的电压UX有最大值。即消弧线圈两端的电压值为最大值，此时对应的信号源频率即为谐振频率f0。测量UX的最大值时，不需要精确测量出UX的数值，直接比较即可，这样可减小系统的误差。单片机系统很容易实现这一点。

2．3　变频信号源的频率范围［4］

    本文确定谐振频率f0的范围为

节的下限值之比，称为消弧线圈调节深度。为配电网选择消弧线圈容量裕度是可以变化的，此处选择的是数值1．5，选择消弧线圈的调节深度为4。并且由式（5）可以得出，谐振频率f0的范围与额定电压和额定电流无关，与消弧线圈的调节深度有关。

    综上所述，则有

　　本文确定变频信号源的频率范围为15～90 Hz，但是频率不可能取值等于工频50 Hz，因为系统对消弧线圈的选型时已经避开了此种情况的出现。

2．4　误差

　　由测量误差的综合处理方法，可知脱谐度误差为

　　即对于信号源频率为0．1 Hz的分辨率，脱谐度最大偏离值为±0．72％。 

3　硬件结构

　　采用注入法的控制器保留了原有偏磁式消弧线圈的全数字化励磁系统［3］，本文重点工作是实现用于注入法检测电容电流的变频恒流信号源系统，测量配电网的电容电流、脱谐度，并且使之与原全数字化励磁系统实现通讯配合，构成双机系统，从而实现整个偏磁式消弧线圈系统的调谐。双机系统控制器结构示意图如图8所示。

3．1　恒流信号源实现

　　本文的变频恒流信号源由单片机系统实现，而单片机系统的D／A通道输出的信号一般为电压型的，所以我们必须将此电压信号转换为电流信号。

　　由于电力系统正常运行时，消弧线圈PT低压侧工频50 Hz电压最高可达15 V，选择适当的注入信号幅值的标么值，单片机输出信号经电压、功率放大单元放大，使输出电压Uinj为200 V。如图9所示，串接限流电阻R0＝200Ω实现恒流源，由于系统零序阻抗折算到PT低压侧一般小于10Ω，远远小于限流电阻R0的值。信号源输出电流Iinj≈200／200＝1 A，基本上恒定，可以等效作一恒流源。并且PT低压侧电流中含有工频50 Hz分量15／200＝70 mA，与信号源输出Iinj相比很小，可忽略。 

3．2　双机系统实现

　　由于原全数字化系统和注入法信号源系统安装在同一个机壳之内，这两个应用系统相距很近，将它们的串行口直接相连，直接以TTL电平通讯，即可实现双机通讯，如图10所示，定义原全数字化控制系统为主机，信号源系统为从机。

4　软件设计

4．1　从机程序流程

　　从机主要产生正弦电压信号，并且能随频率变化输出相应信号，从频率初始值开始调用滤波、采样程序，计算对应频率的消弧线圈两端电压幅值，变化频率f，再计算此时的Ux，并不要精确测量出Ux的数值，直接比较即可，这样可以减小系统的误差，单片机很容易能实现这一点。如果Ux最大，则此时的频率f即为谐振频率，由此计算电网脱谐度以及电容电流。从机与主机通讯，传送相关数据。其流程如图11所示。

　　产生正弦信号时，我们按照数学用表上正弦函数表，每隔1°的角度，将从－90°～＋90°的181个点的正弦函数值全部固化输入到PSD的闪存中，采用查表的方法，依据当前频率，按时依次输出表中的正弦函数值，这样就很方便的实现了变频信号的输出。

4．2　主机主程序流程

　　主机主程序仍然采用原有的全数字化控制系统的主程序的部分格式，主要是在其中增加了通讯模块，如图12所示。主机的主程序启动后，首先进行初始化，主机基本系统自检，然后进行整套系统自检。自检完成后，向从机发送接受数据信息，接受从机检测到的脱谐度、电容电流。将检测到的电容电流值按照高压调节特性转换成全补偿时所需的励磁电流。主机巡回检测中性点位移电压U0的变化情况，把变化量与ΔUzd1和ΔUzd2进行比较，确定是否需要刷新电容电流值，同时打开中断，等待电网发生单相接地。

　　一旦电网发生单相接地故障，中性点电压升高，中断信号电路产生中断信号，主机执行中断处理程序。此中断程序，可调用原来全数字化控制系统相应的中断处理程序［3］，最终产生满足要求的励磁电流，偏磁式消弧线圈产生电感电流对单相接地电容电流全补偿。接下来对中断信号进行全面判断，经多次比较延时处理后，在确保接地故障已经消失后，退出中断处理程序，返回主程序。 

5　试验运行

5．1　试验系统

　　采用注入法的偏磁式消弧线圈控制器的低压模拟试验接线示意图如图13所示，将三相交流380 V电压经三相自耦调压器接至变比为1：1的Δ／Y0隔离变压器，该变压器将低压试验网与电力系统380 V电压隔离开，用3组低压电容模拟相对地电容。

5．2　试验条件

　　（1）本文利用实验室已有的模型偏磁式消弧线圈为试验对象，该模型为220 V，5～15A调节范围；

    （2）模拟电网中3组低压电容参数：

    第一组电容：3×10μF；

    第二组电容：3×5μF；

　　第三组电容：3×5μF。

5．3　试验结论

　　首先投入全部电容，再投入第一、第二组电容，最后只投入第一组电容，这样改变电容容量分别进行单相金属性接地试验，测量结果如表1所示。 

电力系统运行要求的。况且，测量误差产生的原因很多，有电容实际标称值误差、调压器电感影响、仪表本身的测量误差，等等。

　　试验结果表明：采用注入法控制偏磁式消弧线圈原理正确，能够满足电力系统的要求。 

参考文献