消弧线圈与小电流接地选线输入信号源

曾淑珠++王学卫++刘庆宝

摘 要针对消弧线圈及小电流接地选线装置采用的电压型信号源存在改变频率难、体积笨重、控制精度差，研发用于电网参数检测和故障诊断的恒流源信号发生器，利用电流滞环跟踪PWM控制技术，输出直接与电网相连，不需要功率滤波器，改变频率方便，体积小，效率高，控制精度高，得到频率准确、稳定的信号，提高了选线的准确性。

【关键词】信号源 电流型 PWM 电流跟踪

油田6～35kV配电网大多采用中性点不接地方式运行，各类配电网故障中，单相接地约占系统总故障率的70%以上。发生单相接地时，如何快速准确选线是电力部门的一项重要任务。目前，油田所辖变电站普遍采用小电流接地选线装置进行接地选线，选线装置信号源的频率精度和稳定性直接决定小电流接地选线装置的选线准确度。

1 电压型信号源

消弧线圈及小电流接地选线装置多采用注入信号法，信号源多采用电压型。因信号源负载为电网，受工频电压影响注入信号电流易发生畸变，为此需要功率滤波器适配才能保证输入信号为正弦。电压型信号源改变频率难，体积笨重，控制精度差。不加滤波器的注入信号受负载侧影响较大，信号不稳定，信号不能为正弦波。加了滤波装置，因其装置体积大，比较重，投资大，运行维护均不方便。

小电流接地选线输入信号源是通过SPWM（正脉冲宽度调制，脉冲的宽度按正弦规律变化）控制技术产生的，SPWM控制技术以输入电压接近正弦波为目的，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于消弧线圈与小电流接地选线输入信号源来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，以正弦波电流为控制目标更为合适。

2 恒流源信号发生器

2.1 电流滞环跟踪控制原理

随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM控制技术，是一种电流闭环控制方法，采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路输出的电压波形中不含特定频率的谐波分量。用于消弧线圈与小电流接地选线输入信号源的控制方法：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，比电压控制的SPWM获得更好的性能，运用电流滞环控制方式，得到消弧线圈与小电流接地选线注入电流波形。

2.2 滞环宽度分析

采用电流滞环跟踪控制的PWM波形，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数有关。逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开关频率越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。因此，输出相电压波形呈PWM狀，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。

电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大，这是一对矛盾的因素。在实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的宽度。电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现，但受功率开关器件允许开关频率的限制。为了克服这个缺点，可采用具有恒定开关频率的电流控制器。

2.3 智能控制系统的设计

信号发生器的CPU控制核心模块采用32位高性能芯片，利用逆变原理产生不同于50Hz的特定频率的电流信号，注入电网用于接地选线，安全可靠，抗干扰能力强。

IPM智能功率模块（逆变）不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内部还集成有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU，它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。

2.4 恒流源信号发生器的工作原理

为了解决常规电压型信号源控制精度差的问题，研制一种用于电网参数检测和故障诊断的恒流源信号发生器（电流型发讯单元），图1所示，包括电源、整流、逆变、CPU、电流采样、输出滤波等单元。整流单元将AC/DC 220V输入整流为直流，连接电源单元提供给系统供电，逆变单元将直流转换为特定频率的正弦电流信号，经高频电抗器输出，逆变单元控制系统主要由数字信号处理器 （DSP）、电流采样单元等组成。发讯单元采用隔离变压器进行隔离，注入信号稳定，无耦合器件，单元设备本身出现故障，与运行设备隔离，不影响设备运行。

电流型发讯单元工作原理：CPU控制核心模块采用滞环控制产生PWM电压，驱动IPM智能功率模块产生频率可调的电流型信号源，实现小电流接地选线，确保后续检测电容和接地判断的准确性。电源模块为IPM智能功率模块和ARM控制核心模块供电，DSP芯片输出PWM，然后传送到IPM智能功率模块，最后有源电流传感器将电流信号传送到DSP，对电流信号进行采样处理，控制输出特定频率的正弦电流信号。

3 应用测试

该装置已在试验室测试完毕后，已成功应用于胜利油田某变电站接地选线装置，信号源正弦波形符合要求，信号源频率稳定于特定频率，波动范围不超过±1%；信号源有效值3A、5A、7A可调，电流稳定，有效值波动范围不超过5%。

电流滞环跟踪 PWM 控制电流响应快，动态性能好，不用载波，方法简单，可以取代传统的 SPWM电压型逆变器，适用于小电流接地选线输入信号源控制系统。

4 结论

本项目研发的用于电网参数检测和故障诊断的恒流源信号发生器，利用电流滞环跟踪PWM控制技术，改变频率方便，体积小，效率高，控制精度高，得到频率准确、稳定的信号，解决了常规电压型信号源控制精度差的问题，提高了选线的准确性，使供电系统更安全可靠的运行。

作者单位

电力管理总公司 山东省东营市 257000endprint