諧振接地電網失諧度測量及跟蹤補償技術研究

李宗禮 劉伯穎* 王明輝 劉博豪 高建森

（1.河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2.北京中聯奧意工程設計咨詢有限公司廊坊分公司 廊坊 065000）

1 引言

消弧線圈主要應用在電容電流較大的 10kV或35kV中性點非有效接地的電網中。當電網發生單相金屬接地故障時，消弧線圈可減小接地電流、避免引發兩相或者三相短路故障[1]并且能夠減小弧隙電壓的恢復速度，防止電弧的重燃，有效地避免對鄰近通信電路和信號系統的干擾。目前，一些消弧線圈為手動調匝式，線圈電感值不能隨電網電容電流的變化同步改變，同時因缺乏在線實時監測電網電容電流的設備，調試人員無法準確判斷和調節消弧線圈[2]。另外，電力系統運行方式的改變，季節、天氣等因素的變化會引起電網電容電流的改變，故應及時、靈活地調節消弧線圈以減小接地殘流[3]。

本文采用向電力網絡注入掃頻信號的方法，首先測出諧振接地電網（以下簡稱電網）的諧振頻率，進而計算得到電網對地電容和失諧度，并結合微機控制技術完成電網自動跟蹤補償系統的開發。通過優化的微機控制技術，有效的抗干擾電路及兩級可調消弧線圈的設計，提高了該系統的測量精度和調諧速度。

2 外加掃頻信號法的失諧度測量

2.1 失諧度對電網的影響

失諧度ν為接地殘流Iδ中的無功分量與電網對地電容電流的比值，其表達式為

式中， IC為電網對地電容電流， IL為消弧線圈補償電流。

失諧度ν的正負、大小表示消弧線圈的不同工作狀態及其偏離諧振點的程度[4]。消弧線圈的調諧，要求既要使ν較小從而有利于減小殘流、熄滅電弧，又要使ν保持在一定范圍內從而降低電網中性點偏移電壓，使其不超過相電壓的15%，并避免工頻諧振過電壓[5]的產生。文中設計的兩級可調消弧線圈結合微機控制技術能夠較精確地調節失諧度，使消弧線圈工作在適當的位置。

2.2 失諧度測試系統的原理

一般消弧線圈都在設備內置有電壓互感器PT[6]，設其高、低壓側繞組匝數分別為 n1、 n2，則繞組匝數比k = n1n2。本文設計的失諧度測量裝置安裝在 PT低壓側，并由低壓側向高壓側注入測試信號，電網失諧度測試系統電路如圖1所示。

圖1 電網失諧度測試系統電路圖Fig.1 The circuit of test system about Turning-off Degree

圖1中，L、g為消弧線圈電感值及有功損耗等效電導；C1、C2、C3為線路對地等效電容；R1、R2、R3為線路對地等效電阻。

電網正常運行時，帶恒流源負載電壓互感器 T型等值電路如圖2所示。圖中，IS為微機系統和直流電源電路配合發出的掃頻方波信號，Rq為取樣電阻。

圖2 帶恒流源負載電壓互感器T型等值電路Fig.2 The equivalent T -type circuit of transformer with current source load

由圖2可建立互感器一次側電壓方程，為

式中，β為電流系數，表示電壓互感器低壓側掃頻測試系統外加恒流源的電流變化參數。

根據式（2）、式（3），整理得如下方程式

由于激磁電阻rm遠小于電抗ωLm，故上式可簡化為

由式（5）整理得高壓側等效阻抗為

根據式（6），其高壓側等效電抗為

依據傅里葉級數變換，其方波信號 IS可分解為式中，λ為奇數；A為外加信號源幅值大小。

外加掃頻信號是奇次諧波分量的疊加，依據式（7）可知，其各次諧波電流及所加恒流源電流大小將影響電流系數β，進而改變電壓互感器高壓側等效阻抗的大小。

外加掃頻信號源需要在保證較高測量精度的前提下，盡可能減小對配電網的影響[7]，同時也不要受電網所干擾，本文方法滿足要求；另外，外加信號從消弧線圈（可視為一個電壓互感器）低壓側注入，操作簡單、安全，并且滿足受電力線路故障距離和接地阻抗影響較小[8]的要求。以35kV配電系統為例，設消弧線圈的高低壓側繞組匝數比k為50，線路阻抗 z1為 20?，接地阻抗 z2為 500?，z1與 z2折合到消弧線圈低壓側的等效阻抗也僅為0.208?，相對恒流源無限大內阻，對其影響較小。由式（7）可知，低壓側外加電流的大小將影響高壓側等效電抗，同時基于外加信號源注入調節方便、功耗小等原則，為保證測試點能夠靈活地探測信號電流，電流大小設計為1～5A較為合理。本文方法選取電流大小為2A，其折算到配電網高壓側電流為毫安級，不會影響配電網工作。

外加掃頻法失諧度測試系統等值電路如圖3所示，圖中 L11′、C、R分別為電壓互感器高壓側工作繞組電感，三相導線對地等效電容，三相導線對地電阻及消弧線圈有功損耗等效電阻總電阻大小。依據電壓互感器高低壓側電壓與電流關系，可推得式（9）～式（13）。

圖3 外加掃頻法失諧度測試電路Fig.3 The circuit of Turning-off Degree based on the method of sweep frequency

同時有

由式（10）～式（12）可知，其高壓側相應參數歸算到低壓側分別為

外加恒流源信號由電壓源 Us與限流電阻 Rp獲得，并從電壓互感器低壓側注入，同時對圖3中2、2′右側進行頻率掃描，對比取樣電阻 Rq和2、2′右側電壓 URq、 U22′相位。系統發生諧振時，由于2、2′右側呈純阻性，當兩采樣電壓相位差為零時，此頻率即為電網的諧振頻率 f0。則有

依據外加掃頻信號法測得電網諧振頻率，再由式（1）可得失諧度計算公式，如下

式（14）、式（15）中，U為系統相電壓；L為消弧線圈電感；ω為系統角頻率；ω0為電網角頻率；f0為電網諧振頻率；f為三相電源頻率。

2.3 掃頻法失諧度測量硬件裝置

基于掃頻法的失諧度測量硬件裝置[9]包括掃頻信號電源電路和電壓信號讀取電路。電源電路如圖4所示，方波信號的獲取采用半橋逆變電路，其結構簡單，使用器件少，電路容易實現。工頻電壓經整流濾波后，得到直流電壓。圖4中兩個IGBT的通斷均由單片機Philips P89C52X2FN的P1.0和P1.1端口控制，兩個IGBT交替通斷。通過控制兩個IGBT的通斷時間，即可得到波形頻率由單片機控制的方波信號。

電壓信號讀取電路如圖5所示，方波信號經限流電阻 R4和取樣電阻 R5后，對電網進行頻率[10]掃描。采樣電壓經過零比較器、有源濾波器、光耦隔離和施密特整形得到較為理想方波信號，送入微機系統進行相位比較。其信號源頻率從 30Hz開始以0.1Hz的步進值遞增掃描至兩采樣信號相位相同結束。此時所得頻率即為電網的諧振頻率，并由式（14）和式（15）計算電網電容及失諧度。

圖5 電壓讀取電路Fig.5 The circuit of acquired voltage

3 新型消弧線圈

3.1 消弧線圈常用調諧方式

目前，國內使用的消弧線圈調諧方式主要為預調式和隨調式[11]兩種。

預調式：發生故障前，在消弧線圈上串入補償電阻，增大電網阻尼率減小諧振過電壓，其工作在諧振點附近，響應速度快，中性點電位高；發生單相接地故障時，再短接補償電阻，進而使消弧線圈工作在最佳補償狀態。但電弧的熄滅受到補償電阻切除快慢的影響，不能使消弧線圈精準調節到全補償狀態，控制殘流的大小。

隨調式：消弧線圈工作點遠離諧振點，中性點電位低。故障發生后能夠迅速調整到諧振點，不需要外加補償電阻，但其故障發生時故障點殘流較大。

3.2 兩級可調消弧線圈

根據消弧線圈調諧和電感量調節方式[12]的特點，在消弧線圈的結構上采用新的模式，結合預調式消弧線圈和隨調式消弧線圈的優勢，設計一種兩級可調消弧線圈，實現粗調節和微調節的并聯結合，其結構見圖6。

圖6 兩級可調消弧線圈Fig.6 The two levels of adjustable arc suppression coil

圖6中，兩級可調消弧線圈包括電感調節裝置和控制裝置。其中，粗調線圈一端接電網中性點，另一端接地，并設計有上下滑動觸頭。微調線圈一端通過電子開關與粗調線圈上滑動觸頭連接，另一端接地且設有微調滑動觸頭，實現粗、微調線圈的并聯。控制裝置由微機系統和電子開關構成。電網正常運行時，電子開關打開，調節粗調線圈下滑動觸頭，使其工作在失諧度為10%的過補償狀態，此時微調線圈被短接。當發生接地故障時，電子開關導通，微調線圈接入并配合粗調線圈的上滑動觸頭，使線圈工作在全補償狀態，從而有效熄弧。

兩級可調消弧線圈具有粗調時容量大，無諧波干擾；微調時速度快、調節精度高等優點，較好地彌補上述兩種調諧方式的不足。

4 兩級可調消弧線圈控制策略及實現

兩級可調消弧線圈主控流程圖見圖7。當中性點位移電壓達到或超過電源相電壓的70%時，認為發生單相接地故障。該系統首先判斷電網是否正常工作，在其正常運行狀態下注入掃頻信號，獲得諧振頻率 f0，進一步計算得到失諧度；調節粗調線圈下滑動觸頭，使其工作在失諧度為10%的過補償狀態。故障發生時，首先，失諧度掃頻測試系統被鎖定，粗調線圈上滑動觸頭接入同時電子開關打開；然后，調節微調線圈滑動觸頭，達到全補償狀態，以減小殘流，消滅電弧。中性點偏移電壓若在規定時間內未達到要求，啟動故障選線流程，選出故障線路，驅動繼電保護裝置，提高電力系統運行可靠性。兩級可調消弧線圈因取消了阻尼電阻，正常運行時易出現諧振過電壓，諧振處理模塊能夠有效抑制諧振過電壓，避免消弧線圈的誤動作。若電弧熄滅，自動跟蹤補償系統解鎖失諧度掃頻模塊，同時退出微調線圈，重新計算電網失諧度并調節粗調線圈，使電網運行于失諧度為10%的過補償狀態。

圖7 兩級可調消弧線圈主控流程圖Fig.7 The master flowchart of arc suppression coil

5 結論

針對所研究的諧振接地電網，采用外加掃頻信號測試電網諧振頻率，進而計算電網對地電容及失諧度的方法，不需要其它參數，具有較高測量精度。所研究的兩級可調消弧線圈結合微機控制系統，給出諧振接地電網自動跟蹤補償的系統控制策略，能夠實時測試其失諧度，并在線調節消弧線圈電感大小。該系統在解決諧振電網單相接地故障上表現突出，具有調諧速度快，跟蹤性能良好，系統狀態穩定等優勢。

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