毕业论文-基于调匝式消弧线圈的控制器设计.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文基于调匝式消弧线圈的控制器设计 院 部 机械与电子工程学院 专业班级电气工程及其自动化4班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月一日装订线. . . 目录摘要IAbstractII引言11 消弧线圈装置发展概况21.1中外研究情况21.2分类与特性分析31.3当前的缺陷与不足41.4本文的主要内容42消弧线圈的工作原理42.1中性点运行方式42.1.1大电流接地系统52.1.2小电流接地系统62.2电网调谐系统分析72.2.1非接地故障时调谐分析72.2.2单相接地时调谐分析83调匝式消弧线圈系统分析设计83.1设计动机93.2 系统设计93.2.1 设计目标93.2.2系统结构93.3消弧线圈容量的计算103.4阻抗三角形法测电容电流103.5确定脱谐度和阻尼率113.5.1确定阻尼率123.5.2确定脱谐度124控制器硬件设计124.1控制器原理124.2 工控机134.2.1 工控机结构134.2.2 工控机的型号144.3数据采集卡144.3.1采集卡型号144.3.2模数转换模块154.3.3 存储器164.4显示屏选型164.5 输入输出信号的调理174.5.1模拟量输入调理174.5.2开关量处理194.6连接器选型225 控制器软件设计235.1控制器算法235.1.1离散傅里叶变换235.1.2算法优化245.2软件流程图设计245.2.1初始化245.2.2控制主设计245.2.3状态自检255.2.4 档位调节276 结论28参考文献29致 谢30ContentsAbstractIIIntroduction11Development of arc suppression coil device21.1 Foreign research situation21.2Classification and characteristic analysis31.3Current defects and deficiencies41.4The main content of this paper42Working principle of arc suppression coil42.1Neutral point operation mode42.1.1Large current grounding system52.1.2Small current grounding system62.2Analysis of power network tuning system72.2.1Tuning analysis for non earth fault72.2.2 Analysis of single phase to ground83 Design and analysis of the system of the arc suppression coil with the turn - turn type83.1Design motivation93.2 System design93.2.1 Design target93.2.2 System structure93.3Calculation of capacity of arc suppression coil103.4Capacitance current measured by impedance triangulation103.5Determine the degree of de harmonic and damping rate113.5.1Determine damping rate123.5.2Determine the degree of de - harmonic124Controller hardware design124.1Controller principle124.2 IPC134.2.1Industrial computer structure134.2.2 Model of industrial computer144.3Data acquisition card144.3.1Card type144.3.2Analog to analog module154.3.3 Memory164.4Screen selection164.5Conditioning of input and output signals174.5.1 Analog input conditioning174.5.2Switching quantity processing194.6Connector selection225 Controller software design235.1 Controller algorithm235.1.1Discrete Fu Liye transform235.1.2Algorithm optimization245.2Software flow chart design245.2.1Initialization245.2.2Control master design245.2.3 State self check255.2.4 Profile adjustment276 Conclusion28References29Acknowledgement30iv基于调匝式消弧线圈的控制器设计李军（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：本文首先着眼于中性点不同运行方式和各类消弧线圈的分析研究，后在对基于调匝式调节原理的消弧线圈结构和工作方式研究的前提下，进行了其有关控制器的设计。根据实用性的要求，对整套控制系统进行了选定设备型号；设计预实现功能；确定线圈容量、阻尼率、脱谐度等具体参数。通过阻抗三角形法测电容电流，使系统实现对电容电流的瞬时监控，控制器通过分接档位改变线圈的电感数值大小，进而保证残流值在允许范围内。工业控制用计算机与数据采集卡是控制器的主要部件，在设计的调理电路里，分别使用精密互感器和继电器作为输入和输出的执行部分。最后设计完成系统的软件部分，以实现完整的控制功能。关键词：消弧线圈 控制器 中性点 电容电流Controller design of the arc suppression coil based on the turn - turn typeLi Jun(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract:This paper firstly focus analysis of arc suppression coil neutral point in different operation modes and all kinds of disambiguation, in under the regulation of adjustable turns type based on the principle of eliminating arc suppression coil structure and working mode of the premise, the design of the controller.According to the practical requirements, the whole control system of the selected device types; pre designed function; determine the coil capacity, damping ratio, removal of specific parameters of the harmonic degree.Through the method of impedance triangle measuring capacitive current, allowing the system to achieve the capacitive current of instantaneous monitoring, controller through the points after gear change the coil inductance value so as to guarantee the residual current value in the allowable range.Industrial control computer and data acquisition card are the main component of the controller, in the design of signal conditioning circuit, respectively, using precision transformer and relay as part of the implementation of input and output.At last we designthe software part of the system,toachievecompletecontrol function.Keywords:Peterson coil;controller;neutral point;capacitive currentII引言从改革开放到现代工业和经济迅猛发展的今天，我国电力系统经历了滚雪球式的快速扩展，不仅用电设备和用电量与日俱增，同时还对电力系统运行和电能质量提出了更为严苛的要求。保证可靠地持续供电作为电力系统运行的第一要义，正越来越受到人们的关注。根据数理统计显示，接地故障发生概率非常高，其中仅单相接地短路故障就已经占到了高压输电线路故障的七成之多，并且它往往是其它电力故障的诱因，已经可以严重威胁到电力系统的安全运行。电网系统一旦发生故障，轻则停电造成工厂减产，使人民日常生活遭受不必要的困扰和影响；重则将造成人身事故，重要生产设备损毁，甚至使生产秩序长时间不可恢复，人民生活发生混乱进而激发政治性问题。由此可见，研究接地保护问题对电力系统的安全运行意义非凡。近年来随着大量人口涌入城市，我国城市化进程日新月异，城市发展当然离不开电力系统的发展。在城市配电网络中，电缆线路被越来越多的采用，同时采用电缆线路配电的电压等级也有日趋升高的趋势。伴随经济的发展及城市规模的进一步扩大，采用高、中压电缆线路深入市区的方式已日益普及。正因为城市规划建设对景观设计的要求也越来越高，电力设施正逐步向绝缘化、小型化、地下型的趋势发展。而架空线路因受线路走廊等限制，其回路数与供电能力都有一定的限度，各种电压等级的电缆线路也越来越多地应用到城市电网中。虽然电缆线路和架空线路相比具有不可比拟的优势，比如节省走廊、不影响景观、输送容量大等。但是，有一点却不容忽视，那就是电缆线路的电容电流大，配电网络中单相接地电容电流急剧增大，将使发生弧光过电压的可能性大大增加。当发生间歇性弧光放电时，绝缘薄弱处将被击穿造成设备瞬间破坏，可靠性作为小电流供电系统的优势将大打折扣。在中性点经消弧线圈接地系统中，由于添加了消弧线圈的缘故，当再发生单相接地事故时就可构成另一个电流回路，一个感性电流分量被引入到接地点接地相电流中去，这个感性电流分量与装设消弧线圈前的容性电流分量互相抵消，从而可以大大减小接地点的接地电流，实现电弧的自行灭弧，同时非故障相的线电压不受影响，系统可在故障情况下继续运行两个小时，提高了供电的可靠性1。早在上世纪九十年代颁布的中华人民共和国电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合一文中就明确提出：在310 kV不直接连接发电机的系统和35kV及66kV系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采取不接地方式；当超过下列数值又需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式23。（1） 310 kV金属或钢筋混凝土杆塔架空线路构成的系统和35 kV及66 kV电力系统，10 A。（2） 310 kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统电压等级3kV和6kV电力系统，30A；电压等级10kV电力系统，20A。（3） 310kV电缆线路构成的系统，30A为减少单相接地故障给电力系统造成的不良影响，接入中性点的消弧线圈装置的研发改进工作已经显得愈发必要和紧迫。1 消弧线圈装置发展概况1.1 中外研究情况消弧线圈方面的研究德国科学家起步最早，线圈接地运行方式最早就是由德国著名科学家皮德申（W.Petersen）发明的4。开始为了纪念他的突出贡献，消弧线圈常用他的名字命名，称作P etersen线圈。那时候的消弧线圈的结构是电抗器，其电抗大小是不能改变的，它只能从一定程度上减小接地电弧发生的可能性，所以它的实际应用具有非常大的局限性。那时候配电网络系统范围并不大，同时线路的电容电流也不大，消弧线圈的使用情况并不算广泛。最早的可调式消弧线圈装置是通过人工操作分接头开关实现的，但可惜的是其控制方式只能在离线情况下进行，这也是它最显而易见的弊端。之后的二、三十年纷纷涌现出基于不同工作方式的消弧线圈装置，比如德国科学家P.WALDVOGEL和A.VAN.GASTEL先后发明了基于附加电源法的消弧线圈装置，不同的是前者为柱塞式后则为抽头式。在上世纪五十年代初，德国最先研究出了可连续调节的消弧线圈系统，它以最大中性点位移为工作原理。1970以后，除了德国我们的邻邦日本和前苏联也在消弧线圈自动调谐方面进行了海量的科学实验和理论研究，并且取得了丰硕的研究成果。日本率先选用在消弧线圈上并联电阻的方式，并取得了成功运行，之后日本还发明了通过可控硅改变电感大小的消弧线圈装置。前苏联发明的AKT-6型自动调谐装置，可用于最大接地电容电流低于40安的配电网络中，经过AKY-6型自动调谐后可将残流降到1安以下，补偿效果非常显著5。加拿大某公司发明的气隙调节式消弧线圈装置，它是通过机械装置改变铁芯位置来改变气隙的大小，气隙大小发生变化，电感电流的大小也随之改变。现在，在欧洲的低电压等级的电力系统中，中性点经消弧线圈接地的运行方式已经被广泛的运用，自动调谐技术已经十分成熟。在我国国内，由于对消弧线圈调谐装置研究起步较晚，所以早前使用的大都是些老式传统消弧线圈，比如XJD系列。这种老式线圈一般只允许工作在过补偿状态，但是现实生活中的电力系统状态不是一层不变的，比如当电力系统中发生事故跳闸或者是重合闸时，这时的脱谐度是难以确定和控制的，也就无法确保其一定工作在过补偿状态。虽然XJD系列的消弧线圈具有分接头开关，但是只能在离线状态下操作，这样就不可避免的造成停电。即便是进行换档操作，其步骤繁琐不易调整，而且它提供的补偿电流大小也往往是不够大的，一旦操作不当极易进入全补偿状态，在电力系统中全补偿状态是绝对不允许的，因为全补偿易发生谐振过电压，一旦产生谐振过电压其造成的后果将不堪设想。由于老式消弧线圈装置存在以上诸多弊端，我国科研人员借着电力电子技术以及计算机发展的东风，消弧线圈装置的研发工作也取得了突破性进展，在某些方面甚赶超了西方发达国家。1.2 分类与特性分析 当前电力系统运行中已经在用的消弧线圈装置根据其各自调谐原理和工作方式的不同可大致分为以下几种：调容式；带载调匝式；气隙调节式；直流偏磁式；磁阀式；三相五柱组合式；高短路阻抗变压器式；主辅电子控制式。现依次介绍它们的工作原理和工作特性6。（1）调容式这种消弧线圈装置拥有两个绕组，即高压一次绕组和低压二次绕组。在低压二次绕组上并联有多组电容器，这些电容器由与之串联的晶闸管或是可控硅控制其投切。在二次侧投入电容器，然后把二次侧阻抗折算到一次侧可知，电容器的投入的容量越大相应地一次侧电感电流就越小，基于此原理就可以实现补偿电流的调节。这类消弧线圈装置是通过电力电子开关控制的，响应迅速，补偿电流的调节范围在最大补偿电流的10%到100%之间，并且相邻级差电流最小可控制在3安以内。但是这类调容式消弧线圈除了不能实现无级调节外，还有有一个致命的弊端，那就是电容器本身过电压运行能力差，当投切电容器时机把握不够精确时，极易引发冲击过电流。（2）带载调匝式 这种消弧线圈结构比较简单，类似于单相变压器，在不同匝数处引出分接抽头并装设有载分接开关作为不同档位。由电机装置驱动有载分接开关就可改变线圈接入匝数，进而达到调节线圈电感大小的目的。这种消弧线圈装置可由传统手工调匝式升级改造而成，以实现自动调谐，它的调节动作可在带电运行状态下操作完成。由于其补偿方式属于预调式，为保证线路残流尽可能小，带载调匝式消弧线圈须运行在全补偿点附近，同时为防止谐振还要在线圈接地回路中串联（也可以并联）电阻，也就是所谓的阻尼电阻。（3）气隙调节式 这种消弧线圈装置具有一个固定铁芯和一个可动铁芯，它是通过机械装置调节可动铁芯与固定铁芯之间的气隙长度来改变励磁阻抗，进而实现改变电感大小的目的。可实现连续调节补偿电流是这类线圈装置的一大优势，因为它可以通过改变气隙的大小使得电感大小连续变化。但是它的实际使用范围却有非常大的局限性，一是因为它的电感值调节范围十分有限，难以适用于电容电流变化大的配电网络中；二是因为它的机械传动装置对精密度的要求太高，且工作时噪音大易对周边环境产生噪声污染；三是当发生单相接地故障时产生的大电流流经线圈会产生磁场力，当磁场力大到可以吸住可动铁芯时，它将不能继续进行跟踪补偿。（4）直流偏磁式7这种消弧线圈是通过外加电源得到直流励磁磁化铁芯，改变铁芯的磁导率获得可连续变化的电感值。这类装置的优点是：不用装设机械传动装置，响应十分迅速，电感值的变化范围大且几乎呈线性连续变化。其缺点：是需要外加电源，结构复杂，设计和生产成本高；铁芯长时间处于励磁磁化状态，易发热损坏。（5）磁阀式 磁阀式与上述直流偏流式基本原理是一样的，不同的是前者采用的励磁方式是自励后者是他励。换句话说也就是把电力系统自身电压经自耦整流后作为磁阀式的直流助磁电流。物理结构上，磁阀式比直流偏磁时要简单得多，同样不失响应速度快，连续性等优点。但是磁阀式消弧线圈本身就易产生谐波，连入电网系统后会造成谐波污染。（6）三相五柱组合式三相五柱组合式是将普通接地式变压器和消弧线圈进行整合，五个铁芯柱中只用中间三个饶有线圈，一次侧绕组接电网，二次侧经可控硅接电抗器，改变可控硅的导通角即可实现调谐。缺陷是调节范围太小。（7）高短路阻抗变压器式顾名思义这类装置其实就是一种变压器式可控电抗器。一次绕组接中性点，二次绕组与两个反向并联的晶闸管串联，控制两只晶闸管的导通角就可实现阻抗大小的变化。优点：调节范围广；缺点：需要专门的滤波电路。（8）主辅电子控制式主消弧线圈为固定消弧线圈或调匝式消弧线圈，辅消弧线圈由晶闸管控制的多个小电抗器串联而成，并与主线圈相连。通过控制晶闸管的导通角可实现辅消弧线圈电感值从零到最大值的连续调节。优点：粗细调节相结合，调节近乎连续；缺点：使用器件多增加成本。1.3 当前的缺陷与不足带载调匝式消弧线圈凭借物理结构简单，可靠性高，便于操作等突出优势，已经被大量用于电网系统中。其工作原理简明易懂，适用于各类不对称网络。但在应用中也暴露出很多的缺陷与不足：（1）机械故障频发，后期维修困难，带载分接开关频繁动作机械磨损严重。（2）补偿电流不能连续调节，调节范围太局限。（3）阻尼电阻易烧毁，降低电能质量。1.4 本文的主要内容（1）掌握中性点运行方式的类型和特点；（2）掌握不同类型消弧线圈的原理与特点；（3）针对调匝式消弧线圈，研究其控制策略和实现方式；（4）设计其控制器，完成硬件设计和软件设计；2消弧线圈的工作原理2.1 中性点运行方式8 电力系统的中心点的运行方式是指星形联结变压器或发电机的中性点。据电力系统分析计算可知，接地点的零序电抗与正序电抗的比值和接地点电流成反。当其比值小于45时，称为大电流接地系统，包括中性点直接接地和经小电阻接地两种形式；当其比值大于45时，称为小电流接地系统，包括中性点不接地和经消弧线圈接地两种形式9。2.1.1 大电流接地系统（1）中性点直接接地图2-1 中性点直接接地系统示意图 这种供电系统一相接地时，存在中性点外的另一接地点，可形成短路回路，此时接地相短路电路非常大，为避免烧毁设备须立即切除接地相或所有相，供电可靠性差。虽然不接地系统供电可靠性好，但是非接地相电压会升高到相电压的倍，绝缘要求非常高。在110kV及以上系统中，降低绝缘费用优先级高于可靠性优先级，因此选择本种接地方式。在1kV及以下系统中，为了避免换线时出现危险过电压威胁人身安全，也采用此种接地方式10。（2）经小电阻接地图2-2 经小电阻接地系统示意图 对地电容电流流经接地小电阻时电能转化为热能而被消耗，可以限制工频过电压。在这种接地系统中，当发生单相接地故障时，非故障相的稳态过电压要比采用中性点经消弧线圈接地时的小一些。电阻同时具有阻尼作用，可避免系统发生铁磁谐振、断线谐振等谐振过电压。同直接接地方式一样，都存在故障相短路电流过大问题，必须立即切除接地相造成停电，供电可靠性差。2.1.2 小电流接地系统（1）中性点不接地图2-3 中性点不接地系统单相接地故障在这种系统中，当发生一相接地时，不构成短路回路，接地点电流非常小，不必切除接地相，提高了供电可靠性。非故障相的线电压保持不变，但是对地电压升高为相电压的倍，其电容电流也升高为原来的倍。这种运行方式中发生一相接地时，系统的稳态工频电流，跨步电压以及接触电压都较小，对周边的通信系统的低电压等级几乎无影响。由于线路的电容电流无法得到补偿而减弱，随着线路的延伸，其数值越来越大，完全有可能引起弧光接地过电压甚至造成更严重的后果。（2）经消弧线圈接地一般规定，在360千伏中性点不接地系统中，如果线路电容电流达到一定限值（36kV网络：30A；10kV网络：20A；3560kV网络：10A）就需要在中性点加装消弧线圈接地装置，以避免发生弧光接地过电压造成电力系统破坏。图2-4 经消弧线圈接地系统单相接地故障 如上图所示， 假如系统发生A相接地短路，消弧线圈产生的电感电流与线路中的电容电流相位互差180度，两者相消流经接地点的电流减小，可实现电弧的自行熄灭。故障相的对地电压升高为相电压的倍，而三相线电压依然保持平衡状态。由于电容电流得到补偿而减小，大大减小了单相短路进一步发展为其他故障的可能性。系统可以在单相接地故障下继续平稳运行两小时，保证了供电可靠性，线路绝缘以及电气设备都可以获得有效保护。经消弧线圈接地运行方式的主要优点：保证了持续地可靠供电 系统不仅可在单相接地故障下继续运行，同时故障点的故障电流也比较小，这就使得故障点的带电作业成为可能。保证了不间断供电，这对于一些一、二级负荷是至关重要的。保证了电能质量 消弧线圈装置和线路电容可构成一个振荡回路，使得故障点电流补偿后，故障点电压恢复速度大为减缓，有效降低了电弧重燃的可能性。避免继发性损害的发生 故障点电流大为减小，避免了对周边设备的继发性损害，节省了后期维护投资。2.2电网调谐系统分析脱谐度是用来描述调谐程度的物理量，式中为故障点容性电流值，为消弧线圈中感性电流值。2.2.1 非接地故障时调谐分析图2-5 调谐系统等值电路 调谐系统等值电路如上图2-5所示，中性点位移电压为： 式中不对称电压，是消弧线圈的等效损耗电导，线路对地的泄漏电阻很小可忽略，整理可得：其中d称为阻尼率，包含电网阻尼和消弧线圈阻尼两部分。中性点位移电压有效值为：由中性点位移电压表达式可知，其大小与系统不对称电压，脱谐度和总阻尼率有关。2.2.2 单相接地时调谐分析 经消弧线圈接地系统假设A相接地，等值回路如下图所示：图2-6 经消弧线圈接地系统单相接地故障等值回路 根据戴维宁定理，转化为零序等值回路：图2-7 戴维宁等值回路戴维宁等值电阻的电导值G包括三相的对地泄漏电导和消弧线圈的损耗电导两部分； C为三相对地电容之和；L为消弧线圈电感值。接地点的残流可表示为： 限定接地残流5A，当大于该值时，就要控制消弧线圈进行补偿，使残流大小在允许范围内。3 调匝式消弧线圈系统分析设计3.1 设计动机如今配电系统的运行方式日趋复杂，供配电要求也更加严苛，对消弧线圈补偿系统提出了新的要求，比如：实时监测电容电流，自动调节档位，及时作出补偿确保残流在允许范围内，实现智能化兼具通信记录功能等。3.2 系统设计3.2.1 设计目标 本文预设计一种基于调匝式消弧线圈的控制器，并预实现以下功能： 参数显示：显示中性点电流、位移电压，脱谐度，残流。 记录功能：记录补偿次数和接地零序电流、电压的大小。 通信功能：可上传模拟量和开关量，远程整定。 调节模式：兼具手动和自动两种模式。 自我保护：零序过电流、过电压保护，掉电保护。 输出功能：可打印输出补偿参数。3.2.2 系统结构：图3-1 控制系统结构图系统由接地变压器柜，消弧线圈柜，控制柜三大部分组成：（1）接地变压器柜接地变压器：用于引出中性点，只在故障时投用，采用可带大容量消弧线圈的Z型变压器，本次设计选用DKSC-400/10.5-100/0.4干式接地变压器。隔离开关：用于投切消弧线圈。电压互感器：将大电压信号转化为小电压信号，采用JDZJ-10Q 10/0.1单相电压互感器。（2）消弧线圈柜消弧线圈：XHDCZ-315/10.5调匝式消弧线圈，具有15个档位，最大允许通过电流120A。有载开关：用于带电情况下改变线圈匝数，本系统选择10kV线圈专用的复合式空气灭弧MFK型开关。其机械电气寿命长，有15个档位与消弧线圈对应，由电机控制档位变换，结构简易，工作可靠。阻尼电阻箱：用于防止产生谐振过电压，选用具有4个20的电阻箱。零序电流互感器：用LQZJ4-0.66浇注绝缘线圈式电流互感器将大电流信号转换成小电流信号，其额定输出电流5A。（3）控制器数据采集卡：将零序电流电压，三相电压等模拟信号转化为数字信号。工业控制用计算机：控制有载开关。本文接下来两章将对控制器的硬件和软件部分进行设计。3.3 消弧线圈容量的计算 消弧线圈的容量设计的最主要依据是当时配电网络中电容电流的大小，同时还要兼顾后期升级改造适当留有剩余容量，具体容量可用下述公式核定：其中，Q表示消弧线圈的容量，单位为kVA；K表示负荷增长系数，一般取1.31.5；系统对地电容电流，单位A；为系统相电压，单位为kV。K值的选择应该综合考虑各方面因素。假如K值选用的过于小，如若后期配电网络需要增容改造，线圈容量就会不满足要求，就需要进行更换增加二次成本；假如K值的大小选择过大，就又会产生容量浪费，同时还会使消弧线圈不能合理调谐，使其不能正常工作。此外，如若配电网络改造发展后消弧线圈容量不能单独适用于新环境时，可以将多台消弧线圈并联，将其作用发挥到极致而不用选择废弃，综上考虑最后采用用XHDCZ-315/10.5干式单相调匝式消弧线圈，额定容量为315KVA。3.4 阻抗三角形法测电容电流 正确合理的调谐才能保证供配电网络的安全稳定运行，要做到这一点第一步就要对系统中的容性电流大小作出精确测量，再依据此精确容性电流值进行调节补偿，只有这样才有可能完成合理调谐。电容电流的测量方法可以分成直接法和间接法两类。相比较而言，直接测量法需要繁多复杂的接线，试验操作十分繁琐，并且具有非常高的危险性，因此直接测量法很难在实际的自动跟踪补偿系统中得到运用12。自动跟踪补偿装置多选用间接测量法，容性电流的间接测量方法有很多，比如：阻抗三角形测量法、两点法、三点法、外部附加电压法和转变频率法等13。 考虑到阻抗三角形法需要的测量值较少，只需要测量两次中性点的电流大小，并且其测量误差在5%以内，能够满足本次设计的计算精度，所以采用阻抗三角形法测电容电流。 阻抗三角形法测电容依据的是串联谐振回路中电阻和电抗的相位关系。消弧线圈上的损耗和线路的对地泄露电导在数值上都比较小可忽略不计，假设三相对地电容相等的情况下，可以得到如下串联谐振回路的等值电路：图3-2 串联谐振等值电路 图中R表示与消弧线圈串联的阻尼电阻，分两次测量有载开关在不同位置时的线圈电感值和流经中性点的电流的幅值和相位角，用表示和的夹角做阻抗三角形如下图所示：图3-3 相位关系图分析可得：；根据上式可迅速计算出对地电容。3.5 确定脱谐度和阻尼率 经过第二章的分析可知，中性点的位移电压、三相电压的不平衡度和残流值的大小主要受消弧线圈装置脱谐度和电阻阻尼的影响 14。选择合适的调谐度和阻尼率才能避免串联谐振和中性点位移电压过大，对保证电力系统的安全稳定运行至关重要。3.5.1 确定阻尼率 根据阻尼率的计算公式：为线路阻尼率是固定值，若为架空线路取3%5%，若为电缆线路取2%4%；为线圈阻尼率其值非常小可不考虑；为电阻阻尼率，其大小主要取决于电阻值R的大小，在串联阻尼电阻的网络里，电阻阻尼率约等于。根据中性点位移电压有效值，可知要满足规程上中性点位移电压不超过15%相电压的要求，既可以增大脱谐度V也可以增大阻尼率d，但是调谐系统有效补偿又要求脱谐度V必须尽可能的小，所以只能选择串联（或并联）电阻增大阻尼率实现。但是阻尼电阻值的选择也并不是越大越好，因为残余电流在流经阻尼电阻时会产生有功分量，有功分量过大会降低灭弧可靠性15。在10kV电力系统里，中性点经消弧线圈接地系统中串入的阻尼电阻值一般选择小于100欧姆。3.5.2 确定脱谐度故障点电弧熄灭后，电压； 由以上两式可得，分析可知脱谐度V和阻尼率d的比值越大，残余电流也就越大，相应地电压恢复也就越快，可是残余电流过大又会引起电弧重燃，由上节阻尼率的分析可知，当阻尼率一定时，脱谐度V的绝对值越小，就会越大，这就要求脱谐度又不能太小，调匝式消弧线圈工作在10kV系统时，一般要求残余电流值在510安之间，实际运行试验表明脱谐度不大于5%的情况下，既能保证残流值在允许范围内和良好的电压恢复时间，又能实现可靠灭弧。4 控制器硬件设计4.1 控制器原理以工控机作为本设计的消弧线圈控制器的中心控制器，A/D采集卡实现电流电压信号的采集，采集卡采集零序电压，零序电流，三相电压等模拟信号，并在每个周期内均匀采集N个点，将N组数据经傅里叶变换转化成数字量。在系统正常运行时，实时测量零序电流，零序电压，监测电容电流大于设定阈值时，控制器通过两个继电器分别调节有载分接开关驱动电机的正反转实现升、将档调节。当档位到达相应位置时给出档位信号，控制器读档电动机停转。工控机还可接入打印机和键盘，实现数据输入和在故障解除后打印出故障信息，并将运行参数等显示在LCD上，并可用于通信16。图4-1 控制器原理图4.2 工控机 工控机：全称工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征可用于工业现场控制。4.2.1 工控机结构扩充模块扩充模块ALL-IN-ONE主机板显卡电源ISA或PCI总线键盘打印机显示器RS-232硬盘软驱光驱图4-2 工控机机构图主要特点：适应性强：具有加强型工业机箱，可在多粉尘烟雾，潮湿高温，机械震动等恶劣环境下可靠工作，内设独立电源，遇险可自动复位，可最大限度保证系统安全。兼容性强：支持多操作系统和汇编语言，可连接多个外设和板卡，最多支持20个。时效性强：可实现实时监测控制，数据采集处理迅速，动作响应快。软件丰富：开放性系统，软件针对性强数量多，具有良好的人机交互界面。4.2.2 工控机的型号 本次设计系统选用的工控机型号为IPC610H，带有多大14个通用扩展卡槽，包括PCI总线接口4个，USB接口6个，通讯接口2个，并行接口和PS/2接口各一个，可扩展性非常强，能实现数据资料的输入，传送和备份。内设ATX主板可实现电源的有效管理，500G的超大储存空间为数据存储提供有力保障。用磁盘驱动器托架来实现对磁盘驱动器的抗冲击保护，以保证其在高震动强度下可靠工作。冷却系统采用两组CMF冷却风扇，冷却效果好，保证其能在高温环境下继续稳定运行。同时由硬盘，电源等状态指示灯实时提示其运行状态。4.3 数据采集卡 数据采集卡是对电量信号进行采集，并经模数转换模块将模拟信号转换为数字信号并送主机处理的计算机扩展卡。数字信号比模拟信号相比具有更好的抗干扰性和更精确的计算精度。4.3.1 采集卡型号 本次设计系统选用如下图所示的基于PCI总线的PCI8622型数据采集卡，由北京阿尔泰科技公司生产。图4-3 PCI8622数据采集卡 P1是开关量输入端，P2是开关量输出端 DID1是ID拨码开关 RP1是模拟信号零点调节，RP2是模拟信号满度调节 CN1是模拟信号接入器PCI8622型采集卡的主要技术参数如下： 开关量输入：16路TTL电平输入，高电平不小于2V，低电平不大于0.8V。 开关量输出： 16路CMOS电平输出，高电平不小于4.45V，低电平不大于0.5V。 模拟量输入：采样频率1250kHZ,FIFO 8k字缓存。 工作环境：环境温度-4080。4.3.2 模数转换模块 数据采集卡使用16位高速模数转化器AD7663，这种转化器使用5V单电源供电，功耗小，采样频率高达250kHz，传输速度快。并且自身具有采样保持电路，不需要另外设计使用方便，能够用来进行串行，并行通讯，多种输出方式可选。芯片管脚定义和电路连接如下：图4-4 模数转换器连接电路 模数转化过程：第一步将CS置于低电平，第二步将输入脉冲信号加到CNVST端，输入脉冲信号每次处于下降沿时就会触发AD7663启动开始一次转换；在AD7663转换中，BUSY端为高电平输出接口；当每一次转结束时，BUSY端高电平变为低电平提示一次转换结束，同时把处理数据传送至数据总线上。这个时候，把RD置于低电平，数据总线上的数据就可以被系统控制器使用了，自此一次完整的模数转换才算最终完成。4.3.3 存储器系统的缓存环节选用的是FIFO存储器，其作用主要是：连续数据的缓存，避免数据丢失。减少总线操作量，减轻CPU压力，把数据收集起来集中进机存储。实现直接存储器存取，大幅度提升数据传输速率。图4-5 FIFO存储器硬件图4.4 显示屏选型本设计的显示器部分选用一体化结构的IDS-3115N-40XGA1E型LED屏，分辨率达1024*768成像清晰，功耗低，可在零下0和零上60的恶劣环境可靠工作，并且反应速度极快，响应时间仅为25ms。4.5 输入输出信号的调理 信号的调理包含模拟量输入，开关量的输入、输出，电源四个模块，在保证安全互不干扰的情况下，可经PCB结合卡槽固定到端子后就和直接连到工控机上进行工作。本系统的输入输出信号包括：模拟信号通道：中性点电压和电流，电压互感器三相电压3路和零序电压，备用通道1路。（共8路）开关量输入：有载分接开关档位17个抽头 ，隔离开关1路，以及预留2路通道作备用。（共20路）开关量输出：调匝式消弧线圈控制、设备掉电各2路，分接开关拒动信号、故障、接地各1路，以及备用通道1路，共计8路。信号调理电路到数据采集卡接口：DB9接口共3路。4.5.1 模拟量输入调理控制器采集的模拟量包括零序电压和电流，PT三相电压以及其零序电压。模拟量输入参数要求：输入电压：小于130V，输出10V，精度0.5%；输入电流：小于150A，电流互感器二次侧电流5A，输出10V，精度0.5% 。模拟信号输入模块如下：图4-6 模拟信号输入模块（1）电压调理采集的10kV电压信号先接降压变压器JDZJ-10Q 10/0.1转变为100V电压等级，电压信号经R变为电流信号，再接精密电流互感器SPT204A，电路图连接如下：图4-7电压调理电路 选取R的值使输入电流为2毫安，即电流互感器的额定输入电流。两只反向并联的二极管并联于互感器二次侧以保护运算放大器，电容器等于1000pF与电阻R可实现滤除高次谐波，r的调节范围为0200k与电容器组成补偿装置以提高功率因数，r的调节范围为0500，与电阻R一起实现额定输出10V。输出端经接地以减小干扰，等于400pF，其余参数及型号见图中标注。（2）电流调理大电流信号先接电流互感器LQZJ4-0.66变为5A的电流等级，再接精密电流互感器TA0913A，其额定输出为10V，电路连接情况和器件参数大小如下图所示：图4-8 电流调理电路4.5.2 开关量处理现实环境中干扰因素非常多，如若不采取必要的隔离保护措施，容易影响数据传输的准确性，严重时还可能破坏连接设备，工业上常采用光耦隔离器实现干扰信号的隔离或是强弱电的隔离。光耦合器的输入输出之间以光作为传导介质，避免了电路之间的直接电气接触，对强弱电和干扰信号的隔离效果非常好。本设计采用光耦隔离型号为TLP281-4，其可工作在最低零下55摄氏度，最高零上100摄氏度的极端环境，输入端的二极管可承受最大为5V反向电压和50毫安的正向电流，输出端的光敏三极管最大上升和下降时间分别为2us和3us，其结构图如下：图4-9 TLP281-4光耦合器（1）开关量输入电路设计开关量输入包括有载分接开关档位17个抽头以及隔离开关1路外加预留2路通道作为备用，共计20路，PCI8622数据采集卡只支持最多16路的开关量的输入，因此系统20路开关量要通过74LS148编码器编码再接采集卡，在编码器前就需要光耦合器对开关量进行隔离，结构图如下：图4-10 开关量输入模块其中开关量输入电路如下，为1000欧电阻与1000pF电容并联构成滤波电路，再串入一只二极管限制过电压影响，之后再接光耦隔离器TLP281，最后接编码器。图4-11 开关量光电耦合输入电路 编码器74LS148结构图如下，到为8个输入引脚，到为3个输出引脚，能实现3路优先编码。和分别为使能输入输出端，置于高电平是才允许编码，可级联使用。图4-12 74LS148编码器结构图（2）开关量输出电路设计直接输出的低压直流开关量不论是电压等级还是输出功率都太小不能直接驱动电机，所以本设计系统选用继电器DK2A-24V作为输出的执行机构来控制电机的正反转，电路连接如下：图4-13 开关量输出电路图中为反向器，为与非门，只有当OUT0和OUT1两个I/O端口都为高电平是，光耦合器才能导通实现继电器动作，这样可以避免误动。因为开关量输出包括调匝式消弧线圈控制、设备掉电各2路，分接开关拒动信号、故障、接地各1路，以及备用通道1路共计8路，所以需要两只光耦合器连八只继电器，每只继电器有状态指示等显示其通断，结构如下：图4-14 开关量输出模块4.6 连接器选型模拟量输入，开关量输入、输出模块通过3个DB9接头分别连入数据采集卡的CN1，P1，P2端。DB9连接器也叫RS-232接口，分为公头和母头，如下所示：图4-15 DB9连接器但在运用时TTL电平与RS-232电平不兼容，设计时用MAX3232芯片实现两者的电平转化，TTL电平经引脚11,10输入转化为RS-232后经引脚14,7接入DB9；RS-232电平经引脚13,8输入转化为TTL后经引脚12,9输出。电路图设计如下：图4-16 RS-232接口电路5 控制器软件设计5.1 控制器算法 控制器所需要的模拟量是通过数据采集卡采样得到的离散值，通过对这些离散值进行分析计算，就可得出诸如中性点电压电流，系统容性电流等的幅值，相角，有效值等。要做到计算结果的准确，就需要采集尽可能多的数据，但是采样点越多处理速度又会越慢，无法兼顾控制系统对速度及准确性的双重要求，这就要求我们在控制器设计时作出权衡。在现实电网运行中，不可避免地会受到各种干扰因素的影响，这使得信号不可能是严格意义上的正弦量，这时候就需要用到数字滤波器去除