偏磁式消弧线圈的调谐原理

偏磁式消弧线圈的新型调谐原理

摘要偏磁式消弧线圈的现有调谐方法，在电网极度平衡地区，电容电流检测精度受到限制。本文提出采用注入法的偏磁式消弧线圈的新型调谐方法，并进行系统设计，研发出基于双机通讯式的采用注入法的偏磁式消弧线圈控制器样机。试验结果表明，新型原理正确，满足现场应用要求。

关键词偏磁消弧线圈注入法双机通讯

1 引言

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［1］。如图1所示，通过改变励磁绕组中的直流电流，使直流励磁磁化铁心的磁导率发生改变，从而实现工作绕组的电感L的调节。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，其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。

文献［1］的研究结果表明，偏磁式消弧线圈的励磁绕组中不仅含有励磁电源提供的直流励磁电流，而且还含有由交流侧感应出的直流电流分量及一系列偶次谐波电流分量。在交流工作绕组中，不仅含有基波电流，而且还含有一系列奇次谐波电流。励磁绕组中的感应电流分量对控制系统有较大影响，交流工作绕组中的谐波电流直接影响到补偿效果。

经过多年的研究，文献［1］提出的新型偏磁式消弧线圈，通过消弧线圈本身结构上的变化，使得励磁绕组中的感应电流分量在性质上变为电压源型，在数值上大大减小；交流绕组中的谐波电流大大减小［1］，谐波电流最大时小于4％。对这种新型偏磁式消弧线圈控制的基础是它的高低压调节特性。（注：后文所提及的消弧线圈都是以新型偏磁式消弧线圈为研究对象）

针对偏磁式消弧线圈可连续且可精确调节电感的特点，在高度平衡的电网中电容电流地检测采取类似于谐振法的原理。有一定不平衡电网中电容电流地检测，采取三点法，即利用三点电压值确定电网阻尼率及单相接地电容电流，具体可参见相关文献［1］［6］。

新型偏磁式消弧线圈按照上述原理进行自动调谐，在现场有一定的运行经验，但是在一些电网极度平衡地区，电容电流检测精度受到限制。例如在山西某变电站（后来数据分析知该地区电网接近极度平衡）在暴雨天气中发生了单相接地故障，但是消弧补偿装置并没有检测到故障，因而不能得到及时补偿，引起大片地区停电，影响安全生产。所以有必要寻求一种更加完善的检测方法。

新型偏磁式消弧线圈的控制特性以其自身的高低压调节特性为基础。图2

研究偏磁式消弧线圈的高低压调节特性。

在新型偏磁式消弧线圈低压状态下（对应于电网正常运行），进行电容电流的检测。由图2偏磁式消弧线圈的实测低压调节特性曲线看出，开始段的斜率太

微小变化，工作绕组电流变化很快，即大，随着控制绕组（励磁绕组）电流I

k0

电感电流分辨率低。所以利用类似谐振法检测电容电流的检测精度受到限制。

解决这个问题有两种可能的方案，一种可能的方案是提高控制电流的分辨率，来提高励磁的精确度。目前国内有些厂家在做这方面的尝试。但是这对电源的要求很高，对当前水平来说，设计制造比较复杂困难，并且没有很好的经济性。另一种方案是采用新的检测原理，注入法可以使消弧线圈在电感电流下限位置（即对应于消弧线圈的电感上限值），通过注入信号，检测电容电流。

2 新型控制方法

为了使系统具有很强的灵活性，我们继续保存了原有的全数字化励磁系统［11］（本文称之为主机系统），设计了独立的变频恒流信号源（本文称之为从机系统）。从机系统用来检测电网脱谐度、电容电流，利用单片机（从机）的串行口与原励磁系统（主机）通讯配合，这样整个系统构成为双CPU工作模式，称为双机系统。双机系统的控制原理示意图如图3所示，信号由消弧线圈副边注入。

在电网正常运行时，从机系统利用注入法检测电网电容电流，并且与主机系统进行通讯，主机系统将利用检测到的数值及偏磁式消弧线圈高压调节特性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。电网正常运行时，控制

绕组电流维持一很小值或为零（维持一很小值可以提高动态响应速度），消弧线圈远离谐振点，且处于欠补偿状态。当从机系统检测到电网单相接地后，施加励磁电流，实现全补偿。接地消除后，回到原有状态［1］。这样通过双机系统的配合，来实现注入法控制偏磁式消弧线圈。

2．1注入信号法测量电容电流原理［2］

注入信号法的电容电流测量是在系统正常运行时进行的，此时中性点位移电压较低，此时偏磁式消弧线圈运行在电流下限位置，即对应于消弧线圈最大电感值位置。采用从偏磁式消弧线圈上的零序电压互感器低压侧（可以是消弧线圈的二次绕组）注入变频电流信号，测量系统电容电流，接线示意图如图4所示（图中采用从消弧线圈二次绕组注入信号）。对应等值电路如图5所示。

其中，消弧线圈电抗远大于消弧线圈原边漏抗和消弧线圈副边漏抗，即

忽略X1，X2，注入信号等值回路中消弧线圈感抗（X

L

）与三相电容（因三相对称，

故C

A 、C

B

、C

C

等效为3C）并联。简化图如图6所示。通过改变注入信号的频率，

使电感和电容发生并联谐振，找到系统的谐振频率f

，图6也是一个典型的并联谐振电

式中：ω为系统角频率；U为系统相电压。

式中，f为系统频率（50 Hz）。

由上式可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度，该方法测量简单。一个系统中应用的偏磁式消弧线圈的电感电流下限I

是已知的（对应于消弧线圈的电感

L

上限值），由偏磁式消弧线圈出厂时的参数表提供，则电容电流为：

系统正常运行时，测量系统谐振频率f

，计算电容电流。从测量过程中，无

需调节消弧线圈。

2．2谐振频率的确定

如图7的等效电路所示，三相等效电容与消弧线圈感抗并联的总阻抗设，则由并联电路得

为Z

1