二次消谐装置测试系统研究

卢 洁，任贝婷，陈 黎，肖 洒，任乔林，汤迎春，肖亚平

(1.国网湖北省电力有限公司孝感供电公司,湖北 孝感 432000；2.国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北 随州 441300；3.三峡大学，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在配电网系统中，监测母线对地电压显得尤为重要，在母线上通常装设电磁式电压互感器(potential transformer)以便测量母线电压。电磁式电压互感器是铁芯电感元件，如果有某种大扰动或操作，PT的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，同时由于各相铁芯饱和程度的差异性导致在励磁涌流中产生零序分量[1-3]。铁磁谐振分为基波谐振、分次谐波谐振和高次谐波谐振，可能带来以下危害：过电压、过电流、波形畸变和破坏电力绝缘[4-7]，最终烧毁 PT，对电力系统的稳定运行产生巨大的威胁。通过一段时间内在PT开口三角处接入阻尼电阻来增大谐振的阻尼从而能够有效地抑制铁磁谐振[8-9]。

目前35 kV及以下的电网内部过压事故多数由电压互感器的铁磁谐振引起。在低频谐振时，一般电压并不高，谐振电流大，易使PT过热而爆炸；工频和倍频谐振时，电流较小，但电压过高，常使设备绝缘损坏，造成恶性事故。二次消谐装置为PT消除谐振的重要组成设备。现有技术一般采用继电保护测试仪对二次消谐装置进行测试，但在测试过程中常常产生瞬时动作大电流，易损坏继电保护测试仪及二次消谐装置，安全性较低等问题。本文详细分析了铁磁谐振产生的机理，设计了一种新型二次消谐装置的测试装置，能够有效地消除配电网中由于电压互感器与对地电容所产生的铁磁谐振，同时，该装置控制简单、经济性好，在电力系统中具有良好的应用前景。

1 铁磁谐振过电压产生的机理

在中性点不直接接地系统中，母线上接有测量和监视系统对地绝缘的电磁式电压互感器，其一次绕组接成星形，并且中性点直接接地。因此，其网络对地参数除了电力设备和导线的对地电容之外，还有电压互感器的励磁电感，它们是并联连接的，各自组成独立的振荡回路。由于铁磁谐振现象是在零序回路内产生的，所以导线的相间电容、改善功率因数用的电容器组、电网内的负载变压器及其有功和无功负荷对于谐振过程不起任何作用。

概括的说，铁磁谐振是由电磁式电压互感器的非线性特性所引发的，是电路由于铁芯饱和而引起的一种跃变。这一跃变使得电路原来的电感性工作状态转变为电容性的工作状态，在此跃变过程中电流激增，电压也随之增加，从而产生过电压。

2 系统结构

整个二次消谐装置测试仪包括谐波发生模块、过流保护模块、检测模块、人机交互模块及数据处理模块。谐波发生模块、过流保护模块及检测模块分别与数据处理模块连接，同时谐波发生模块、过流保护模块及检测模块分别与待测试的二次消谐装置连接。谐波发生模块用于在数据处理模块的控制下产生设定参数的谐波信号，将谐波信号发送至二次消谐装置。检测模块用于检测二次消谐装置接收到谐波信号后产生的响应信号。人机交互模块用于接收设定参数，并将设定参数发送至数据处理模块。数据处理模块用于接收响应信号，根据响应信号判断二次消谐装置的工作状态。过流保护模块用于对谐波发生模块进行过流。保护显示模块与数据处理模块连接，主要用于实时显示响应信号及所述工作状态。整个装置的系统结构图如图1所示。

图1 整个装置的系统结构图

2.1 谐波发生模块

谐波发生模块主要用于在数据处理模块的控制下产生设定参数的谐波信号，将谐波信号发送至二次消谐装置，设定参数包括频率、电压及电流中的一种或多种。谐波发生模块(也称为谐波发生器)由依次连接的CPLD，D/A转换器、功率放大单元及第一接口单元构成。CPLD与数据处理模块连接，第一接口单元与二次消谐装置连接，CPLD用于在数据处理模块的控制下，根据设定参数生成数字谐波信号，D/A转换器用于将数字谐波信号转化为模拟谐波信号，功率放大单元用于对模拟谐波信号进行放大，得到谐波信号，第一接口单元用于将谐波信号发送至二次消谐装置。

2.2 检测模块

检测模块的功能主要是通过对经过二次消谐装置处理过的谐波信号(即上述响应信号)进行采样，从而对响应信号的各参数进行检测，将上述采样结果发送至数据处理模块进行处理，得到该装置的性能参数。检测模块包括采样器及数字处理器，该采样器在数字处理器的控制下进行采样。由于上述响应信号通常为模拟信号，检测模块还包括模数转换器，此外，该模块还包括与二次消谐装置相连接的接口单元。

检测模块由依次连接的第二接口单元，A/D转换器、数字采样单元、数字处理器构成；第二接口单元与二次消谐装置连接；数字处理器与数据处理模块连接；第二接口单元用于接收二次消谐装置产生的模拟响应信号；A/D转换器用于将模拟响应信号转化为数字响应信号；数字采样单元用于在数字处理器的控制下对数字响应信号进行采样，得到最终的响应信号。

2.3 数据处理模块

在本设计中，数据处理模块选用TMS320F28335型号的单片机。TMS320F28335 是美国 TI 公司推出的定点32位DSP芯片，最高主频可达 150 MHz，能很好地满足实时性需求。其内部集成了高度优化的数学函数库，极大地提高了浮点运算的能力，特别适用于复杂的算法，因此本装置选择该芯片来对采样信号进行数学分析，可以通过编程在该模块中设定谐波信号的参数及处理响应信号的采样信号，得到二次消谐装置的性能参数及判断是否启用过流保护等功能。

2.4 过流保护模块

过流保护模块主要包括过流继电器。由数据处理模块判断响应信号是否大于设定阈值，当响应信号超过设定阈值时，发出过流保护指示，过流保护模块根据过流保护指示，启动过流继电器进行过流保护，减少谐振破坏时大电流对谐波发生器的冲击。

3 装置的具体实现

3.1 测试仪的工作信号流向

如图2所示，控制电源模块为上位机数据处理及人机界面单元和下位机数据处理及控制单元提供电源。上位机数据处理及人机界面单元为整个装置提供人机界面、记录报告数据输出等功能，下位机数据处理及控制单元接受“上位机数据处理及人机界面单元”的相关指令，输出小信号电压信号及控制指令给功放模块。功放模块及电压输出接口单元接受下位机数据处理及控制单元的相关指令，输出测试功率电压，具有自我保护功能，并向下位机数据处理及控制单元反馈保护信号。

图2 测试仪的工作信号流向图

3.2 上位机数据处理及人机界面单元工作中的信号流向

上位机数据处理及人机界面单元由上位机处理器单元、数据存储、USB接口、显示屏、旋转鼠标等模块组成，其工作中的信号流向如图3所示。其中，上位机处理器单元为“上位机数据处理及人机界面单元”的核心微机控制中心，USB接口用于试验数据的拷贝。数据存储器用于试验数据的实时存储。显示屏用于实时显示电压情况、频率大小、试验结果。旋转鼠标对试验人机软件界面进行编辑、设备控制等。

图3 上位机数据处理及人机界面单元工作中的信号流向图

3.3 下位机数据处理及控制单元输出交流小信号流向

下位机数据处理及控制单元由DSP处理器单元、CPLD、D/A数模转换电路、小信号放大电路、电源电路等组成。该模块输出交流小信号的信号流向图如图4所示，由DSP信号处理器计算出所需输出交流电压一个周期波形上各个点的电压值，联合CPLD控制D/A转换器把数据量变成一个周波的交流小信号，再经过信号放大后提供给后级的功率放大单元使用。

图4 交流小信号流向图

交流小信号经过功放模块及电压输出接口单元处理后输入至二次消谐装置中。上述功放模块及电压输出接口单元由主电路母线电压模块、变频电压150 V输出模块、工频电压220 V输出模块、输出切换及接口模块等组成。

主电路母线电压模块原理图如图5所示，电源输入的交流(AC，Alternating Current)220 V电压通过200 W的多路输出主压变压器分成两路，其中一路经过整流及电容器滤波生成直流+350 V及-350 V的母线电压，另一路经过整流及电容器滤波生成直流+220V及-220 V的母线电压。

变频电压150 V输出模块的瞬时电流为7 A，原理图如图6所示。其具体工作工程为：交流小信号经过两级放大电路后，分成两路，一路通过正半波放大驱动放大后进入功率管，加入直流+220 V正电压母线偏置；另一路通过负半波放大驱动放大后进入功率管，加入直流-220 V负电压母线偏置；两路电压合成交流电压，作为谐波信号输出至二次消谐装置中；同时将该交流电压反馈至二级放大电路中，以进行电压反馈控制。

图5 主电路母线电压模块的原理图

在对电压进行半波放大驱动放大及母线电压偏置的过程中，设置保护电路，进行过流保护。工频电压220 V输出模块与上述变频电压150 V输出模块的设计原理类似，其原理图如图7所示。

图6 变频电压150 V输出模块的原理图

图7 工频电压220 V输出模块的原理图

4 结 论

(1)通过谐波发生模块产生设定参数的谐波信号，将该谐波信号发送至二次消谐装置；通过检测模块检测二次消谐装置接收到谐波信号后产生的响应信号；通过数据处理模块接收该响应信号，并根据该响应信号判断二次消谐装置的工作状态；通过过流保护模块对谐波发生模块进行过流保护；该方式可以在二次消谐装置的测试过程中实现过流保护，提高了测试的安全性。

(2)该测试仪能够模拟电网谐振、接地、过电压等故障，并能够快速检验PT二次消谐装置的消谐及接地、过电压告警等功能，保证PT二次消谐装置稳定可靠运行；有效地解决了传统方法存在易损坏测试仪、存在安全隐患、测试难等问题。