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(dòng)跟蹤動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的電容電流自動(dòng)跟蹤檢測，故障運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 關(guān)鍵詞偏磁式消弧線圈 電容電流 自動(dòng)跟蹤 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 　　 1引言 　　中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電容電流的大小等于正常運(yùn)行時(shí)一相對地充電電流的3倍，并且接地電流和接地相正常時(shí)的相電壓相差90°，當(dāng)接地電流過零時(shí)，加在弧隙兩端的電源電壓為最大值，因此故障點(diǎn)的電弧不易熄滅。當(dāng)接地電容電流較大時(shí)，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(xiǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(lì)磁磁化鐵心的磁導(dǎo)率，實(shí)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(shí)，消弧線圈兩端承受高壓，還是在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，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(lì)磁繞組中的勵(lì)磁電流決定，我們只要精確地提供勵(lì)磁繞組中的勵(lì)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(dòng)跟蹤動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)由接地變壓器、偏磁式消弧線圈、勵(lì)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(diǎn)N，在中性點(diǎn)N和地之間接入偏磁式消弧線圈，偏磁式消弧線圈的勵(lì)磁繞組由勵(lì)磁電源系統(tǒng)提供勵(lì)磁電流，勵(lì)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(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，實(shí)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(hào)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(lì)磁繞組中的控制電流，采樣中性點(diǎn)位移電壓實(shí)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)位移電壓升高，中斷信號(hào)產(chǎn)生電路發(fā)出中斷信號(hào)，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(lì)磁電流在要求的時(shí)間內(nèi)上升到所需數(shù)值，消弧線圈實(shí)施全補(bǔ)償，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(hào)進(jìn)行全面判斷，經(jīng)多次比較和延時(shí)處理后，在確定故障完全消失的情況下退出勵(lì)磁，返回到原狀態(tài)，如果全補(bǔ)償超過一定時(shí)間后，適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，判斷接地故障是否消失。 3電容電流的自動(dòng)跟蹤檢測及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 　　3．1電容電流的檢測 　　通過增加勵(lì)磁電流，使中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)電壓達(dá)到最大值，此時(shí)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?，整個(gè)過程中檢測量只有一個(gè)，即中性點(diǎn)位移電壓幅值。 　　方法2［2］：對于不平衡度較大的電網(wǎng)，因?yàn)镮C＝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(jì)算出電網(wǎng)單相接地電容電流。因?yàn)殡姼须娏鱅1、I2、I3可以根據(jù)偏磁式消弧線圈低壓調(diào)節(jié)特性由勵(lì)磁電流精確給定，所以只要檢測在不同控制電流下中性點(diǎn)位移電壓幅值U1、U2、U3，就可以計(jì)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(gè)，即中性點(diǎn)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(diǎn)位移電壓幅值大小變化的情況；方法2只需要知道中性點(diǎn)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(diǎn)位移電壓的大小，這就使得測量精度比較容易實(shí)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(shí)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(diǎn)位移電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換兩種方法，即可實(shí)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，先根據(jù)中性點(diǎn)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償 　　電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)所需的勵(lì)磁電流。一旦電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，中性點(diǎn)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(lì)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(yùn)行實(shí)驗(yàn) 　　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(lì)磁電流，時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的電容電流自動(dòng)跟蹤檢測，故障運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)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(shí)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(diǎn)?，F(xiàn)場運(yùn)行充分證實(shí)了該裝置運(yùn)行可靠、測量精度高，響應(yīng)速度快，補(bǔ)償效果好，并實(shí)現(xiàn)了消弧線圈在承受高壓時(shí)調(diào)節(jié)電感值，因此使電網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(dòng)跟蹤電容電流動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的研究．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1995，19（8）：57～61