調(diào)容式消弧線圈補償裝置設(shè)計中DSP的分析

李娟

【摘要】筆者對自動調(diào)諧消弧線圈的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題進行了研究和分析，針對2.2kV·A/220V的調(diào)容式消弧線圈及其2kvar的電容調(diào)節(jié)柜，設(shè)計了基于TMS320F2812控制可控硅投切電容器的調(diào)容式消弧線圈，并闡明了其工作原理以及硬件和軟件設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】消弧線圈;TMS320F2812;可控硅投切電容器;自動補償

一、引言

由于非有效接地老式的人工調(diào)諧消弧線圈已不再適用文中設(shè)計了一種可控消弧線圈的控制系統(tǒng)，能自動測量電容電流，可以自動平滑調(diào)節(jié)容量，在單相接地時判斷接地類型并立即動作和充分補償接地電容電流，促使電弧迅速自熄且不再復(fù)燃，保證電力系統(tǒng)安全可靠運行。

二、調(diào)容式消弧裝置補償原理

消弧線圈通過二次繞組上并聯(lián)不同容量的電容器來改變其一次側(cè)的等值電感量。電容器的投切通過控制串聯(lián)的雙向可控硅開關(guān)的通斷來實現(xiàn)。根據(jù)電網(wǎng)對地電容電流的測量，選擇不同容量的電容器組合，調(diào)節(jié)線圈電感，實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)諧，通過系統(tǒng)脫諧度的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)在正常運行時中性點位移電壓小于15%。而且，可控硅選擇在接近零電壓的投入電容器，避免投切時的過電壓和合閘涌流問題，同時也大大減小了系統(tǒng)功耗，通過串聯(lián)的電感，遏制消弧線圈開關(guān)動作時產(chǎn)生的諧波干擾問題。

電容電流的測量使用的是一種間接測量接地電容電流的方法，即調(diào)節(jié)投切電容的檔位來改變中性點的電壓和消弧線圈中的電流，從消弧線圈的低壓側(cè)采集數(shù)據(jù)并計算得出系統(tǒng)對地電容電流，忽略系統(tǒng)阻尼作用，有：

Ubd=UN+ILXC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

IC=UφXC=ILUbd-UNUφ ? ? ? ? ?（2）

式（1）、（2）中，不對稱電壓Ubd的值是消弧線圈不投入時，由電壓互感器的開口三角側(cè)得到[10]，消弧線圈投入后，不對稱電壓變?yōu)閁bd′，由于消弧線圈投入前后不對稱電壓的值基本不變，所以Ubd=Ubd′。UN和IL為投入消弧線圈之后的中性點電壓值和流過消弧線圈中的電流值。通過對UN、IL的實時測量和Ubd的值，即可算出系統(tǒng)對地電容電流的大小。這種算法的優(yōu)點是測量過程中不需要進行多次調(diào)擋操作，減少了開關(guān)操作次數(shù)，而且測量周期短，有效提高了消弧線圈的調(diào)節(jié)速度.

三、消弧線圈控制系統(tǒng)設(shè)計

該裝置選用TMS320F2812的DSP作為主控制芯片，其抗干擾能力強，在惡劣的環(huán)境下能較好地工作。當系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地時，控制系統(tǒng)不斷的采集消弧線圈兩端電壓UN和流過消弧線圈的電流IL的值，在信號的每個周波之內(nèi)均勻地采集12點，對這12點的數(shù)據(jù)進行全波傅里葉算法后得出其有效值，并算出脫諧度υ和電容電流IC且在LCD128×64顯示模塊中顯示出來。當系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障時，中性點電壓將大幅上升，當大于額定相電壓50%時，系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障，此時裝置檢測到接地故障信號，在消弧線圈二次側(cè)的電壓過零的情況下，立即發(fā)出觸發(fā)脈沖來觸發(fā)晶閘管，使消弧線圈以某一特定的容量投入工作，補償電容電流，促使殘流減小，從而使電弧熄滅。系統(tǒng)恢復(fù)正常運行時，在電流過零的情況下控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉晶閘管，即可將晶閘管的投切狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。同時工作過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)也會在LCD128×64模塊顯示。

1.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1調(diào)容式消弧線圈控制模塊為整個消弧裝置的核心部分，由DSP的TMS320F2812和控制軟件組成。其采集模塊實時采集電網(wǎng)電量來判斷電網(wǎng)狀態(tài)和計算電容電流，包括電壓互感器、電流互感器、電壓變換器、電流變換器、采樣前置處理。其雙向可控硅開關(guān)控制部分通過消弧線圈二次側(cè)的電壓過零信號及DSPI/O雙口閉鎖輸出，光耦隔離處理，對消弧線圈二次側(cè)電容器進行投切控制，觸發(fā)動作快，可靠性高。同時控制器還為工作人員提供良好的人機界面和掉電存儲模塊，即LCD128×64液晶顯示、輸入用的鍵盤、可斷電保存故障記錄歷史工作狀態(tài)信息等，方便提取歷史故障信息。

圖1

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在CCS開放環(huán)境下編譯程序，首先在主程序中完成系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換、故障判斷，LCD顯示及數(shù)據(jù)通訊初始化，消弧線圈二次測同步信號的采集與處理。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下，裝置不斷計算電網(wǎng)脫諧度和電容電流并顯示，使電網(wǎng)處于過補償狀態(tài)且遠離諧振點。當電網(wǎng)處于故障狀態(tài)下，在10ms內(nèi)判斷系統(tǒng)處于永久故障還是瞬時故障，如是瞬時故障，則標志位依然為0，保持系統(tǒng)原本測量狀態(tài)。如是永久故障，故障標志位flag置1（初始值為0），在消弧線圈二次側(cè)電壓過零時雙向可控硅投切，對故障電流進行補償，此時電網(wǎng)運行在諧振點附近且保證過補償狀態(tài)，當滅弧成功時，消弧成功標志位flag1置1，系統(tǒng)顯示脫諧度并依然保持過補償狀態(tài)且遠離諧振點。如圖2所示。

圖2

四、結(jié)語

通過上述分析，基于DSP的容式消弧線圈控制系統(tǒng)可快速識別系統(tǒng)是否發(fā)生永久性單相接地，并在故障時快速自動補償接地點電容電流，確保電網(wǎng)脫諧度在諧振點附近運行，防止諧振過電壓。

注：淮南聯(lián)合大學(xué)校級自然科研項目（NO.LYB1202）。