摘要本文根据偏磁式消弧线圈的工作原理和调节特性，开发出基于微处理器的偏磁式消弧线圈的自动跟踪动态补偿系统。实现了电网正常运行状态下的电容电流自动跟踪检测，故障运行状态下的动态补偿。
关键词偏磁式消弧线圈 电容电流 自动跟踪 动态补偿
1引言
中性点不接地系统当发生单相接地故障时，接地电容电流的大小等于正常运行时一相对地充电电流的3倍，并且接地电流和接地相正常时的相电压相差90°，当接地电流过零时，加在弧隙两端的电源电压为最大值，因此故障点的电弧不易熄灭。当接地电容电流较大时，容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地能导致危险的过电压；稳定性的弧光接地能发展成多相短路［1］。
如果从接地方式的角度来考虑限制电容电流，中性点经消弧线圈接地就是唯一的选择［2］。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，并且可以在消弧线圈承受高压时调节电感值，因此是一种很有发展前途的消弧线圈。
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。由于消弧线圈的伏安特性在高压段和低压段都是线性的，无论是在电网发生故障时，消弧线圈两端承受高压，还是在电网正常运行时，消弧线圈两端承受低压，偏磁式消弧线圈的电感值均唯一的由励磁绕组中的励磁电流决定，我们只要精确地提供励磁绕组中的励磁电流就可以准确地调整消弧线圈的电感［3］。
2系统结构及其功能
2．1系统结构
偏磁式消弧线圈自动跟踪动态补偿系统由接地变压器、偏磁式消弧线圈、励磁电源系统和基于微处理器的全数字化控制器组成，系统结构如图1所示。接地变压器接入电力网母线，引出人造中性点N，在中性点N和地之间接入偏磁式消弧线圈，偏磁式消弧线圈的励磁绕组由励磁电源系统提供励磁电流，励磁电流的大小由全数字化控制器决定。全数字化控制器由单片机最小系统、同步电路、脉冲放大与输出电路和信号调理电路构成，实现了数字触发和基于电流闭环的数字PID调节。其中，单片机最小系统由Intel公司MCS－96系列的80C196KC单片机［4］和WSI公司的PSD913F2现场可编程单片机外围芯片［5］构成。
2．2系统功能
电压互感器的一次侧加在偏磁式消弧线圈的两端，二次侧电压ao经过隔离变压器后，经信号调理电路、A／D转换电路和光电隔离后，进入单片机系统。单片机通过调节消弧线圈的励磁绕组中的控制电流，采样中性点位移电压实现电容电流的检测，并将检测到的数值利用偏磁式消弧线圈高压调节特性曲线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。用键盘设定跟踪灵敏度，显示器显示电容电流数值及运行状态。单片机按照设定的电容电流检测灵敏度，采样中性点位移电压值，依据其变化量决定是否重新检测电容电流，通过串行通讯向上位机传送消弧线圈正常运行状态信息；读取键盘信息及处理常规管理工作，等待接地故障发生。
当发生单相接地故障后，中性点位移电压升高，中断信号产生电路发出中断信号，单片机执行中断程序，打开脉冲放大与输出电路中的逻辑闭锁，励磁电流在要求的时间内上升到所需数值，消弧线圈实施全补偿，同时发出报警信号，并通过串行通讯向上位机传送接地状态信息；单片机对中断信号进行全面判断，经多次比较和延时处理后，在确定故障完全消失的情况下退出励磁，返回到原状态，如果全补偿超过一定时间后，适当调节励磁，判断接地故障是否消失。
3电容电流的自动跟踪检测及动态补偿的实现
3．1电容电流的检测
通过增加励磁电流，使中性点位移电压U0达到最大值，然后根据此值判断电力网的不平衡度，对平衡性很好的电网采用方法1来检测电容电流，对不平衡度较大的电网采用方法2检测电容电流。电容电流检测过程中，偏磁式消弧线圈电抗值按照低压调节特性曲线确定。
方法1［6］：对于对平衡性很好的电网，无论造成中性点电压位移的主要原因是什么，我们总可以通过连续的调节消弧线圈电感量，使中性点电压达到最大值，此时消弧线圈的感抗就等于电网的对地总容抗。而偏磁式消弧线圈低压段的伏安特性是线性的，电感值由控制电流唯一确定，而控制电流是与给定电压线性对应的。利用微处理器可以很容易地确定电网对地总容抗，整个过程中检测量只有一个，即中性点位移电压幅值。
方法2［2］：对于不平衡度较大的电网，因为IC＝1／（D2－D3B4），其中D2、D3和B4可由U2／U1、U2／U3、U3／U1、U3／U2这四组数据求出，所以通过该式可计算出电网单相接地电容电流。因为电感电流I1、I2、I3可以根据偏磁式消弧线圈低压调节特性由励磁电流精确给定，所以只要检测在不同控制电流下中性点位移电压幅值U1、U2、U3，就可以计算出电网单相接地电容电流。
上述两种电容电流检测方法中，检测量只有一个，即中性点位移电压幅值。方法1只需要比较随着消弧线圈控制电流的改变，中性点位移电压幅值大小变化的情况；方法2只需要知道中性点位移电压变化前后的比值U2／U1、U2／U3、U3／U1、U3／U2，因此，并不需要精确的检测中性点位移电压的大小，这就使得测量精度比较容易实现。电容电流的检测精度主要取决于偏磁式消弧线圈低压调节特性曲线的测量精度，而低压调节特性的精确测量是非常容易做到的。另外，上述两种方法的实现，硬件上是完全一样的，只需要给微处理器分别编程，按照不同的中性点位移电压自动转换两种方法，即可实现不同电网电容电流的精确测量。
3．2电容电流的自动跟踪
经分析，电容电流IC减小ΔI同电感电流IL增加ΔI造成的中性点位移电压的变化量是相等的。同理，IC增加ΔI同IL减小ΔI造成的中性点位移电压的变化量是相等的。IL的变化量取决于消弧线圈电感的变化，它是可以控制的，所以，我们可以让IL分别正向、负向变化ΔI值，检测由此造成的中性点位移电压的变化量ΔUL＋、ΔUL－，那么维持IL原值不变，当电网电容电流发生变化时，先根据中性点电压的升降情况判断电容电流的变化方向，如果UN增大，说明是负向变化，如果UN减小，说明是正向变化。然后判断其变化量ΔUC是否大于ΔUL，如果ΔUC＞ΔUL，说明电容电流的变化超过了ΔI，需要重新检测电容电流值，否则，维持原值不变。所以，ΔI即为设定的电容电流跟踪检测灵敏度。
3．3电容电流的动态补偿
电网正常运行时，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。一旦电网发生单相接地故障，中性点电压升高，单片机执行中断处理程序。打开脉冲放大与输出通道，励磁电流在20ms以内上升到所需数值，偏磁式消弧线圈产生电感电流对单相接地电容电流进行全常状态，确保接地故障已经消失后，关闭脉冲放大与输出通道，退出中断处理程序，返回主程序。
4 运行实验
4．1控制电流的响应曲线
在发生单相接地的瞬间，用记忆示波器拍摄的控制电流的响应曲线如图2所示。由控制电流的响应曲线可以看出，在接地瞬间，控制电流从零上升到调谐所需的励磁电流，时间小于20ms。
4．2接地残流的波形
当发生单相接地后，用示波器观察残流波形，如图3所示。由接地残流的实拍波形可以看出，当发生单相接地后，接地残流主要是高次谐波，以三次和五次谐波为主。说明偏磁式消弧线圈补偿系统在发生单相接地后，电网中的容性电流被消弧线圈产生的感性电流所完全补偿。
5 结束语
该装置实现了电网正常运行状态下的电容电流自动跟踪检测，故障运行状态下的动态补偿，故障消失后的自恢复。该装置采用80C196KC单片机和WSI公司的PSD913F2现场可编程单片机外围芯片作为最小系统，实现了偏磁式消弧线圈的全数字化控制，消除了模拟控制系统固有的缺点。现场运行充分证实了该装置运行可靠、测量精度高，响应速度快，补偿效果好，并实现了消弧线圈在承受高压时调节电感值，因此使电网运行状况得到很大的改善，有效地治理了电容电流的危害，增加了电网运行的可靠性。
6参考文献
1GriffelD，etal．ANewdealforsafetyandqualityonMVnetworks［J］．IEEETransonPowerDelivery，1997，12（4）：1428－1433
2NewbouldA．，etal．ImprovingUKpowerqualitywitharcsuppressioncoils．IEESeventhInternationalConfer－enceonDevelopmentsinPowerSystemProtection，2001：487～490
3王鸿雁．偏磁式消弧线圈的全数字化控制系统：［学位论文］．北京：中国矿业大学，2001．
4孙涵芳．Intel16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，1995．
5PSD9××F系列数据手册及应用笔记．武汉力源电子股份有限公司，2000．
6蔡旭．自动跟踪电容电流动态补偿系统的研究．电力系统自动化，1995，19（8）：57～61
