长沙理工大学电力系统及自动化研究所

长沙理工大学电气与信息工程学院Tel:0731—5258300长沙理工大学电力系统自动化研究所XZTC-4000型消弧线圈自动调谐测控仪技术说明书长沙理工大学电力系统自动化研究所研制二00八年长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—5258300一．用途及性能由于电力系统对各种电压等级运行指标的要求日益提高，中性点接地方式的正确选择及其在不同条件下的实施具有越来越重要的实际意义。目前我国6～60千伏配电网，当电容电流较小时，一般采用中性点不接地方式，当电容电流达到一定程度时常采用中性点经消弧线圈接地方式，随着配电网的不断扩大，电缆线路增多，配电网对地电容电流不断增加，而且运行方式经常变化，致使消弧线圈很难整定。如果脱谐度过大，发生单相接地故障时，接地电弧不能自行熄灭，可能会发展成相间短路，引起事故扩大。如果脱谐度过小，接近于全补偿方式，易发生谐振过电压，危及设备的安全。针对上述问题，总结了消弧线圈几十年的运行经验，成功地研制出新型消弧线圈自动调谐测控仪，该装置既能自动跟踪电网电容电流的变化，自动调整消弧线圈档位，达到昀佳补偿，确保单相接地故障时电弧熄灭，限制弧光过电压,又能抑制电网的谐振过电压，保证电力系统安全可靠运行。该产品可广泛应用于电力、化工、石油、石化、煤矿、冶金等行业的供配电系统。二．装置特点本装置和国内其它厂家相比，具有如下特点：a.主CPU采用高性能单片机80196KC，配置大容量的ROM和E2PROM，数据运算、逻辑处理和信息处理能力强，可靠性高，运行速度快；b.采用多片14位多路A/D转换芯片，数据采样频率高、速率快、计算精度高，因此提高了装置各项数据的测量精度；c.装置采用带触摸功能的大屏幕液晶显示，全中文菜单，各项操作及动作、故障信息均有完整的中文显示，并且所有的定值输入都可以通过触摸屏完成，人机界面友好，操作方便；d.提供装置各项测量数据和各项定值的输出，并且还提供接地故障、调档出错和仪器状态的输出，同时提供可选RS232或RS485的串行通信接口，可与RTU或变电站自动化系统进行通信；e.装置可动态存储掉电保持的256次仪器测量数据的信息，方便操作人员查看记录；f.为改进消弧线圈测控仪的抗干扰能力及改善散热问题，仪器将分为主、从两个机箱。从机箱主要放置功率变压器、发信板和隔离变压器等，其余部分都放入主机箱。三．装置功能概述a.自动跟踪补偿配电网的中性点处接一电感值很大的小电抗器，配电网正常运行时，测控仪实时测量配电网的脱谐度、电容电流和阻尼率，并根据测量的电容电流值调节消弧线圈的档位，当电网发生单相接地故障时消弧线圈迅速补偿电网的电容电流，熄灭故障电弧。—2—长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—5258300b.显示功能以中文形式显示控制器测量的各项配电网参数：中性点位移电压、脱谐度、故障残流、电容电流和阻尼率，并且可以显示各项定值和调档信息。c.设置功能通过触摸屏提示用户进行以下参数的设置：故障电压限值，阻尼率，机号，并网运行，线电压，从机电流，运行方式、时间、日期、档位数量、动作时限、启动点电压、电压变比、休眠时间、档位电流d.记录追忆功能可追忆256次测量数据的记录，这些数据包括：中性点位移电压、脱谐度、电容电流、档位信息和系统运行状态。e.具有故障报警和自调试功能，系统故障时及时报警并且显示故障类型。四．装置硬件说明该控制器通过对电网注入变频电流信号，寻找系统的谐振频率，计算电网的脱谐度和电容电流，再根据电容电流自动调节消弧线圈的档位，从而使电网运行在昀佳状态。该系统主要由信号注入单元、滤波单元、FPGA单元、单片机控制单元以及人机界面等部分组成。系统框图如图1，各部分功能介绍如下：图1系统硬件框图(1)信号注入单元：本单元在主控单元的控制下向电网注入频率变化的电流信号。(2)滤波单元：本单元选用差分运算放大器构造了四个中心频率不同的切比雪夫带通滤波器，控制单元根据电网返回信号的频率控制滤波器选择元件,选通相应带通频率的带通滤波器，以达到昀佳的滤波效果。(3)FPGA单元：本单元选用Atera公司的EMP7128芯片,当需要发出频率信号时，FPGA单元从单片机控制单元读取相应的频率控制信号，控制发信单元发出相应频率的电流信号，并且测量出返回信号距发出信号的时间差，再根据这个时间差和发出信号的周期计算出发出信号和返回信号的相位差，昀后FPGA单元又把计算出来的相位差送给单片机控制单元。此外，本单元还可实现单片机外部存储器和液晶屏地址的译码功能。(4)信号采集单元：本单元主要选用MAXIM公司的高速采集芯片MAX125。采用MAX125的两—3—长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—5258300通道模式：第一通道负责返回变频电压信号的采样，并把采样值传送给单片机；第二通道把中性点位移电压经滤波后的模拟信号采样，并把信号传送给单片机。(5)单片机控制单元：本单元主要选用INTEL公司的高性能的16位单片机80C196KC，并且扩展了32K程序存储器和32K数据存储器。单片机根据从电网返回的变频信号的相位差，可以计算出电网的谐振频率、脱谐度、电容电流，并且根据电容电流自动调节消弧线圈档位，使电网运行在昀优状态。单片机把信号采集单元第二通道的数据进行傅式变换计算出中性点位移电压，判断电网是否出现接地故障。昀后单片机把各测量结果送给触摸屏进行显示，并且等待触摸屏按键操作信号，以执行相应的操作。(6)人机界面：采用320×240点阵式带触摸屏的图形液晶对测量结果进行显示，并且用液晶屏的触摸功能代替了键盘。比传统的数码管、液晶屏加键盘的方式操作更为方便，界面更为直观，界面分辨率高，显示内容丰富。硬件设计采取抗干扰措施,输入输出信号相互隔离,运行可靠,档位调节具有上、下调互锁,到头限位,并具有电动机断线保护。五．装置软件说明该软件设计考虑了系统频率的变化因素和中性点位移电压对消弧线圈电感值的修正，使测量更准确。在线测量电网的补偿度及其对地电容电流，可依电网的不对称度大小以及中性点位移电压高低，自动跟踪运行方式变化。当中性点位移电压较低（即电网正常运行）时，该测控器自动在线测量电网的补偿度及电网的对地电容电流，调整消弧线圈档位，达到昀佳补偿；当电网中性点位移电压超限时，根据电网的阻尼率判断电网是发生谐振还是发生单相接地故障，然后进行相应的处理。其软件流程框图如图2所示：图2软件结构总框图—4—长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—5258300六.装置测量原理在系统正常运行时，进行配电网电容电流测量及消弧线圈自动调谐。此时中性点位移电压较低，从消弧线圈的零序电压互感器注入变频电流信号，测量系统电容电流。接线图如图3所示，等值电路如图4所示。等效电路中X1、X2很小，一般可以忽略，注入信号等值回路中消弧线圈感抗(XL)与三相电容(CBACCCC++=)并联。通过改变注入信号的频率，使电感和电容发生并联谐振，当系统处于谐振状态时：12(xABBfLCCCπ=++)式中xf为电网谐振频率；L为消弧线圈电感量；CCCCABC=++为电网对地总分布电容。由电网脱谐度的定义：vCLCIIIv)(−=，结合式(1)可以推导出：1()111CABCLCLXCCCIvIXLωω++=−=−=−2211xxffωϖ=−=−式中为消弧线圈的补偿电流；为电网对地电容电流；LICIXL为消弧线圈的感抗；为总分布电容的等效容抗；CXω为电源角频率（314rad/s）；为电源频率（50Hz）；为电网谐振角频率。fxω图3注入信号法测量电容电流接线图图4注入信号法测量电容电流等效图由式(2)可以直接通过系统谐振频率计算脱谐度。该方法测量简单，无需系统其他参数，且不受线路老化等因素的影响。—5—长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—5258300根据脱谐度的定义：=vvCLCIII)(−可直接得到电容电流的计算公式：vIILC−=1采用调档式多分接头消弧线圈，电感电流可以直接由所在档位读取，根据公式(3)即可直接计算出系统的电容电流。由计算出的电网的电容电流，再结合自动控制技术即可实现消弧线圈的自动调谐。七．消弧线圈自动调谐系统组成㈠、消弧线圈自动调整系统由三个部分组成：(1)接地Z型变压器一次线圈采用Z型连接,高压中性点引出接消弧线圈,二次引出代替站用变,具有零序阻抗小,空载损耗小等特点；(2)昀多24分接头有载开关可调消弧线圈；采用有载分接开关,电动操纵改变分接头,可手动或自动控制；(3)消弧线圈自动调谐测控仪。㈡、产品的成套装置参数1、6KV消弧线圈自动补偿跟踪调整系统成套装置参数:序号产品型号额定电压（KV）24分接头有载可调消弧线圈额定容量（KVA）接地Z型变压器额定容量（KVA）补偿电流（A）相邻两档电流差值（A）1XBZT-6/5～12.56.345525～12.50.52XBZT-6/10～256.39110510～2513XBZT-6/20～506.318220920～5024XBZT-6/30～756.327331430～7535XBZT-6/40～1006.336441940～10046XBZT-6/50～1006.336441950～1003.47XBZT-6/50～1256.345552350～12558XBZT-6/60～1206.343750360～12049XBZT-6/60～1506.354662860～150610XBZT-6/80～2006.372783680～200811XBZT-6/100～2006.3727836100～2006.712XBJT-6/100～2506.39091045100～250102、10KV消弧线圈自动补偿跟踪调整系统成套装置参数:序号产品型号额定电压（KV）24分接头有载可调消弧线圈额定容量（KVA）接地Z型变压器额定容量（KVA）补偿电流（A）相邻两档电流差值（A）1XBZT-10/5～12.510.576875～12.50.52XBZT-10/10～2510.515217510～2513XBZT-10/20～5010.530334920～502—6—长沙理工大学电力系统及自动化研究所Tel:0731—52583004XBZT-10/30～6010.536441930～6025XBZT-10/30～7510.545552330～7536XBZT-10/40～8010.548655940～802.77XBZT-10/40～10010.560769840～10048XBZT-10/50～10010.560769850～1003.39XBZT-10/50～12510.575887250～125510XBZT-10/60～15010.5909104560～150611XBZT-10/70～17510.51061122070～175712XBZT-10/80～20010.51212139480～20083XBZT-10/90～22510.51364156990～225914XBJT-10/100～25010.515161743100～250103.35KV、60KV消弧线圈自动补偿跟踪调整系统成套装置参数:序号产品型号额定电压（KV）24分接头有载可调消弧线圈额定容量（KVA）接地Z型变压器额定容量（KVA）补偿电流（A）相邻两档电流差值（A）1XBZT-35/5～12.538.52783205～12.50.52XBZT-35/10～2038.544551210～200.673XBZT-35/10～2538.555663910～2514XBZT-35/20～4038.5890102420～401.335XBZT-35/20～5038.51111127820～5026XBZT-35/30～7538.51667191730～7537XBZT-35/40～10038.52223255640～10048XBZT-35/50～12538.52778319550～12559XBZT-35/60～15038.53