消弧線圈與小電流接地選線輸入信號源

曾淑珠++王學衛(wèi)++劉慶寶

摘 要針對消弧線圈及小電流接地選線裝置采用的電壓型信號源存在改變頻率難、體積笨重、控制精度差，研發(fā)用于電網(wǎng)參數(shù)檢測和故障診斷的恒流源信號發(fā)生器，利用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術，輸出直接與電網(wǎng)相連，不需要功率濾波器，改變頻率方便，體積小，效率高，控制精度高，得到頻率準確、穩(wěn)定的信號，提高了選線的準確性。

【關鍵詞】信號源 電流型 PWM 電流跟蹤

油田6～35kV配電網(wǎng)大多采用中性點不接地方式運行，各類配電網(wǎng)故障中，單相接地約占系統(tǒng)總故障率的70%以上。發(fā)生單相接地時，如何快速準確選線是電力部門的一項重要任務。目前，油田所轄變電站普遍采用小電流接地選線裝置進行接地選線，選線裝置信號源的頻率精度和穩(wěn)定性直接決定小電流接地選線裝置的選線準確度。

1 電壓型信號源

消弧線圈及小電流接地選線裝置多采用注入信號法，信號源多采用電壓型。因信號源負載為電網(wǎng)，受工頻電壓影響注入信號電流易發(fā)生畸變，為此需要功率濾波器適配才能保證輸入信號為正弦。電壓型信號源改變頻率難，體積笨重，控制精度差。不加濾波器的注入信號受負載側影響較大，信號不穩(wěn)定，信號不能為正弦波。加了濾波裝置，因其裝置體積大，比較重，投資大，運行維護均不方便。

小電流接地選線輸入信號源是通過SPWM（正脈沖寬度調制，脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化）控制技術產(chǎn)生的，SPWM控制技術以輸入電壓接近正弦波為目的，電流波形則因負載的性質及大小而異。然而對于消弧線圈與小電流接地選線輸入信號源來說，應該保證為正弦波的是電流，穩(wěn)態(tài)時在繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉矩為恒定值，不產(chǎn)生脈動，以正弦波電流為控制目標更為合適。

2 恒流源信號發(fā)生器

2.1 電流滯環(huán)跟蹤控制原理

隨著控制技術的發(fā)展，產(chǎn)生了電流跟蹤PWM控制技術，是一種電流閉環(huán)控制方法，采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路輸出的電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。用于消弧線圈與小電流接地選線輸入信號源的控制方法：在原來主回路的基礎上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形，比電壓控制的SPWM獲得更好的性能，運用電流滯環(huán)控制方式，得到消弧線圈與小電流接地選線注入電流波形。

2.2 滯環(huán)寬度分析

采用電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM波形，在半個周期內圍繞正弦波作脈動變化，不論在上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)有關。逆變器的開關頻率與電流波動幅值成反比，即與環(huán)寬成反比，環(huán)寬越小，開關頻率越高，實際電流值越接近給定電流，此時電流追蹤性能越好。因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側窄中間寬的SPWM波相反，兩側增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應該調整一下電壓波形。

電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，可降低開關頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關頻率增大，這是一對矛盾的因素。在實際使用中，應在器件開關頻率允許的前提下，盡可能選擇小的寬度。電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應快，且易于實現(xiàn)，但受功率開關器件允許開關頻率的限制。為了克服這個缺點，可采用具有恒定開關頻率的電流控制器。

2.3 智能控制系統(tǒng)的設計

信號發(fā)生器的CPU控制核心模塊采用32位高性能芯片，利用逆變原理產(chǎn)生不同于50Hz的特定頻率的電流信號，注入電網(wǎng)用于接地選線，安全可靠，抗干擾能力強。

IPM智能功率模塊（逆變）不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且內部還集成有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU，它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅動電路以及快速保護電路構成，即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可保證IPM自身不受損壞。IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也增強了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 恒流源信號發(fā)生器的工作原理

為了解決常規(guī)電壓型信號源控制精度差的問題，研制一種用于電網(wǎng)參數(shù)檢測和故障診斷的恒流源信號發(fā)生器（電流型發(fā)訊單元），圖1所示，包括電源、整流、逆變、CPU、電流采樣、輸出濾波等單元。整流單元將AC/DC 220V輸入整流為直流，連接電源單元提供給系統(tǒng)供電，逆變單元將直流轉換為特定頻率的正弦電流信號，經(jīng)高頻電抗器輸出，逆變單元控制系統(tǒng)主要由數(shù)字信號處理器 （DSP）、電流采樣單元等組成。發(fā)訊單元采用隔離變壓器進行隔離，注入信號穩(wěn)定，無耦合器件，單元設備本身出現(xiàn)故障，與運行設備隔離，不影響設備運行。

電流型發(fā)訊單元工作原理：CPU控制核心模塊采用滯環(huán)控制產(chǎn)生PWM電壓，驅動IPM智能功率模塊產(chǎn)生頻率可調的電流型信號源，實現(xiàn)小電流接地選線，確保后續(xù)檢測電容和接地判斷的準確性。電源模塊為IPM智能功率模塊和ARM控制核心模塊供電，DSP芯片輸出PWM，然后傳送到IPM智能功率模塊，最后有源電流傳感器將電流信號傳送到DSP，對電流信號進行采樣處理，控制輸出特定頻率的正弦電流信號。

3 應用測試

該裝置已在試驗室測試完畢后，已成功應用于勝利油田某變電站接地選線裝置，信號源正弦波形符合要求，信號源頻率穩(wěn)定于特定頻率，波動范圍不超過±1%；信號源有效值3A、5A、7A可調，電流穩(wěn)定，有效值波動范圍不超過5%。

電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制電流響應快，動態(tài)性能好，不用載波，方法簡單，可以取代傳統(tǒng)的 SPWM電壓型逆變器，適用于小電流接地選線輸入信號源控制系統(tǒng)。

4 結論

本項目研發(fā)的用于電網(wǎng)參數(shù)檢測和故障診斷的恒流源信號發(fā)生器，利用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術，改變頻率方便，體積小，效率高，控制精度高，得到頻率準確、穩(wěn)定的信號，解決了常規(guī)電壓型信號源控制精度差的問題，提高了選線的準確性，使供電系統(tǒng)更安全可靠的運行。

作者單位

電力管理總公司 山東省東營市 257000endprint